水泥生产的能源环境与生命周期评价

1、 SRTP课外研学论文水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA摘要：中国的水泥工业发展迅速，产量居世界前列，新型干法水泥生产的装备及生产工艺水平不断提高，但同时水泥工业也是高污染行业，其资源消耗与生态破坏非常突出。本文基于生命周期理论，对水泥生产流程进行能源环境分析，本课题的研究对于水泥行业的技术改进、产业结构优化、污染防治将产生积极意义。关键词： 水泥；能源消耗；环境排放；生命周期评价Energy and Environmental Analysis and Life Cycle Assessment of Cement production CHOU Wenzhang，ZHU Hongl

2、ei，LI JiaqiAbstract：Our countrys cement industry has developed rapidly recently, with the highest production in the world. While the equipment and technology of NSP cement production improve a lot, cement industry is truly a high-polluting industry, for it consuming a large amount of resources and d

3、oing a lot harm to our environment. This article analysis the energy consumption and environmental influence of cement production , based on theory of LCA. This article will have positive effects on technological improvement, structure optimization and pollution prevention of cement industry.Keyword

4、s: Cement; Energy consumption; Environmental emission; LCA目录第一章绪论11.1研究背景与意义11.2水泥工业生产概况11.3研究思路与方法21.3.1研究思路21.3.2 LCA方法介绍2第二章水泥生产主要环节能源消耗42.1 联合粉磨系统介绍42.2其他主要设备4 2.3主要设备电力消耗计算.4第三章 水泥生命周期评价LCA63.1水泥生命周期63.2本文所采用的水泥生产的生命周期模型6 3.3 生命周期评价LCIA特征化指标结果.7 3.4 水泥生产各环节的环境排放汇总.9 3.5 结果分析18第四章水泥工业的污染防治技术.234

5、.1 源头控制234.1.1矿山开采234.1.2原辅材料及燃料的使用234.1.3 生产工艺过程.234.1.4 节能与余热回用234.2大气污染物排放控制234.2.1 颗粒物排放控制234.2.2 SO2排放控制24 4.2.3 NOx排放控制244.3新技术与新材料24第五章结语与不足255.1结语255.2不足25参考文献.25第一章 绪论1.1研究背景与意义随着环境资源恶化程度的加深，环境破坏对人类生存和发展的威胁越大。因此，人们对环境的利用和环境的保护越来越重视。绿色环保、低碳经济在2009年12月的哥本哈根环境大会上被大力倡导，“低能耗、低污染、低排放”的理念被越来越多的国家和

6、地区认可并执行。近年来，我国水泥产业随着国家基础建设规模的扩大而迅猛发展，但水泥行业同时也是重点污染行业，其颗粒物排放占全国颗粒物排放量的2030，SO2 排放占全国SO2 排放量的56，NOx 排放占全国NOx 排放量的1215，所造成的资源消耗和生态破坏十分严重。在当今绿色环保、可持续发展的时代主题下，水泥工业的节能减耗、污染控制成为该行业发展的必然趋势。水泥工业的污染物主要是在水泥的生产环节产生，本文通过对水泥生命周期的研究，定量分析水泥生产主要环节的能源消耗与环境排放，建立水泥生产的生命周期报告，为水泥工业的技术革新、节能减排提供理论依据，对水泥生产企业提高可持续发展竞争力具有积极意义

7、。1.2水泥工业生产概况我国是水泥生产与消费大国，2011 年我国水泥产量达到20.9 亿吨，占世界水泥产量的一半以上，其中新型干法水泥比例接近90%，结构调整取得突破性进展。现有规模以上水泥生产企业约4000 家，新型干法水泥生产线1500 多条。水泥生产的核心工艺是“两磨一烧”，即以石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料，按一定比例配合，磨细成适当成分的生料，煅烧至部分熔融（1450），得到以硅酸钙为主要成分的熟料，经冷却后加入适量的石膏或其他混合材料，磨成细粉即制得水泥。（如图一所示）水泥熟料生产主要有两种方式：一种是以回转窑为主要生产设备，包括新型干法窑、预热器窑、余热发电窑、干法中空窑

8、、立波尔窑、湿法回转窑；另一种则是以立式窑为主要生产设备，包括普通立窑和机械化立窑。不同的水泥生产工艺与设备在规模效益、能源消耗、资源利用、污染排放等方面存在较大的差别。其中新型干法窑是一种先进的生产工艺，具有高产低耗、规模效益好的特点，同时污染物排放量也大为减少，是技术发展的方向。国外自上世纪七十年代发展新型干法窑外预分解技术以来，到九十年代已成为国际主流技术，在日本、德国、意大利等工业发达国家占水泥生产总量的95以上，其他发达国家也多在80左右。而我国同期（2000年）的立窑水泥则占绝对主导地位，占水泥总产量的75以上，新型干法水泥比例不足10%。我国从1999 年开始，以淘汰立窑“小水泥

9、”为突破口，开始了水泥工业结构调整。至今已累计淘汰落后水泥生产能力4 亿多吨。淘汰“小水泥”为技术装备先进、生产效率高、环境友好的新型干法水泥腾出了发展空间，优化了产业结构。在淘汰立窑“小水泥”以及其他落后水泥生产工艺（机立窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑等）的同时，我国也于1970年开始新型干法窑外预分解窑的研究，与德国、日本起步时期相同，历经工业实验、产业化推广，直到2000 年以后才进入发展的快车道。从2000 年占水泥产量的10%（0.6 亿吨），到2010年占水泥产量的85%（16 亿吨），产量年增长率接近40%。1.3研究思路与方法1.3.1 研究思路本文的研究思路：水泥生命周

10、期建模清单数据选择与基准流设定主要环节的能源消耗计算建立LCIA生命周期报告各环节对比分析1.3.2 LCA方法简介LCA，Life Cycle Assessment，简称生命周期评价。LCA生命周期评价采用e-BALANCE软件，对于选定的项目，进行生命周期建模，通过实景过程清单数据收集，从数据库中进行背景过程清单数据选择，设定计算基准流和计算条件，最后得到LCIA（生命周期报告）结果和ECER（节能减排）评价。国际上常用的此对制造业进行产品生命周期评价（LCA），为厂商对提供其产品的原材料、能源、生产制造流程乃至整个生命周期作出能效、环境影响、改进潜力的分析评估，帮助企业从成本、技术和环保

11、（如：温室气体二氧化碳的排放，废水，废弃物的排放等）方面进行决策优化，为企业制定符合未来发展要求的战略。水泥生产过程生命周期分析步骤如下图所示：图二.水泥生产生命周期分析步骤第二章水泥生产主要环节能源消耗2.1 联合粉磨系统介绍本次计算采用的粉磨系统为3.8*13m闭流管磨工艺，即辊压机+选粉机+闭路管磨机。设备：辊压机、V型选粉机、V型选粉机循环风机、球磨机、磨头提升机、磨尾提升机、磨机选粉机、磨机选粉机循环风机、V型选粉机机后收尘风机、磨尾收尘风机。各设备的规格如下：表1设备型号电机功率/kw性能参数球磨机3.8*13m2500转速16r/min辊压机CLF-14065-D-SD500*2

12、通过能力245334t/hV型选粉机VX5815通过能力410t/hV型选粉机循环风机G4-73-18D220风量144000全压4350Pa磨头提升机NSE600110最大提升量600后续除尘磨尾提升机NSE30055最大提升量300磨机选粉机K200-C110通过能力85110t/h磨机选粉机循环风机G4-7314.2D280风量161647全压4226PaV型选粉机机后收尘风机G4-73-11D75风量54000全压3000Pa磨尾收尘风机G5-4812.5C75风量44000全压4450Pa水泥粉磨系统中两台3.8*13m磨机的单机稳定产量可达120140t/h，2.2其他主要设备其他

13、设备： 带分解炉的五级旋风预热器 RF5/1800 （RSP）5级 整机重量：56（t） 总功率：100（w）KW 篦式冷却机：规格 809S-1033S，生产能力2500t/D，料层厚度600mm，出料温度65度，电机动率为20+30kw 回转窑：规格型号4.2*60，斜度3.5%，产量110t/h，主减速机型号 ZSY710-35.5，速比35.5，主电动机型号ZSN4-355-12 ，功率355kw，重量576.1t，转速1000r/min2.3主要设备电力消耗计算以每小时生产120*2t水泥为例：粉磨系统耗电为Pcmm=(辊压机电耗+球磨机+辊压机选粉机能耗+辊压机V型选粉机循环风机能

14、耗+磨头提升机能耗+磨尾提升机能耗+磨机选粉机能耗+磨机选粉机循环风机能耗+磨尾收尘风机能耗+ V型选粉机机后收尘风机能耗)水泥产量=(2500+500+220+110+75+55+75+110+280)120=32.7083kwh/t旋风预热器为1800t/D，即75t/h，生产240t熟料时电耗为120/75*100=320kw篦式冷却机为105t/h，生产240熟料的电耗为 240/105*50=114.2857kw回转窑为110t/h，生产240t熟料的电耗为 240/110*355=774.5455kw取工厂其他设备电耗为40kw综上可得，考虑生产水泥的辅助过程用电(包括厂内线路损失

15、以及车间办公室、仓库的照明等消耗)，生产一吨水泥的综合电耗为32.7083*2+(240/75*100+240/105*50+240/110*355)/240+40=110.5974kwh/t>105kwh/t粉磨系统的单位水泥耗电较多，超过了已建水泥厂的可比水泥综合标电耗。第三章 水泥生命周期评价LCA3.1水泥生命周期典型的硅酸盐水泥生命周期如下图：图三.硅酸盐水泥生命周期3.2本文所采用的水泥生产的生命周期模型本次研究主要集中于水泥生产的各个主要环节的环境分析，采用的生产流程和生命周期模型如下图：图四.本文采用的水泥生产的生命周期模型3.3生命周期评价LCIA特征化指标结果通过e-

16、BALANCE软件进行LCIA结果计算，所得基于特征化指标的排放加权综合指标如以下各图所示：图五.石灰石开采加权综合指标图六.粘土开采加权综合指标图七.重型柴油货车（46t）运输加权综合指标图八.煤炭开采加权综合指标图九.粉磨加权综合指标图十.高温煅烧加权综合指标图十一.石膏矿开采加权综合指标图十二.普通硅酸盐水泥加权综合指标3.4水泥生产各环节的环境排放汇总基于CN-2010归一化方案的各主要生产环节的LCIA计算结果汇总表格如下：表二.石灰石开采 简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.1.51276478670019E-08

17、AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0.000112480699629752CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.0.0152516774753254CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.0.0270998634173767PED一次能源消耗kgce0.0024164961812658CO2二氧化碳kg0.00482390486002797COD化学需氧量kg4.20347799041398E-06EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.0000186299890029893GWP全球变

18、暖潜值IPCC2007Kg CO2eq0.00548382330698481IWU工业用水量kg0.0161492516645233NH3-N氨氮kg1.15784779133867E-07N氮氧化物kg0.000105602353974671RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq0.0000298565619820634SO2二氧化硫kg0.0000148619193842629Waste Solids固体废弃物kg0.169922346322016Water Use淡水消耗量kg0.0173065968164992加权综合指标ECER-125kg2.632266584

19、62277E-14表三.粘土开采简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.0AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.0CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.0PED一次能源消耗kgce0CO2二氧化碳kg0.6532COD化学需氧量kg0EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0GWP全球变暖潜值IPCC2007Kg CO2eq0.6532IWU工业用水量kg0NH3-N氨氮kg0N氮氧化物kg

20、0RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq11.41551SO2二氧化硫kg0Waste Solids固体废弃物kg32.1728300600029Water Use淡水消耗量kg0加权综合指标ECER-125kg4.62722896586775E-13表四.重型柴油货车（46t）运输简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.2.21573507709257E-07AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0.00118023345852997CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP201

21、0Kg Coal-R eq.0.384025670692248CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.0.424895543233866PED一次能源消耗kgce0.0218318588944015CO2二氧化碳kg0.0525998916440713COD化学需氧量kg0.000103270902259344EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.000211821547255623GWP全球变暖潜值IPCC2007Kg CO2eq0.0595051433565182IWU工业用水量kg0.0456633952710564NH3-N氨氮kg2.4807

22、4658751212E-06N氮氧化物kg0.00159215042953883RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq0.00022294177284078SO2二氧化硫kg0.0000649753523489571Waste Solids固体废弃物kg0.000353680067012046Water Use淡水消耗量kg0.0835268551446976加权综合指标ECER-125kg3.37104215074437E-13表五.煤炭开采简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.0.00096942793

23、9233095AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0.308203904945729CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.1197.59286764208CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.1202.55985593268PED一次能源消耗kgce853.720240761924CO2二氧化碳kg35.8727972352763COD化学需氧量kg0.0503797425890422EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.0086092808911309GWP全球变暖潜值IPCC200

24、7Kg CO2eq164.198868266494IWU工业用水量kg376.557384538183NH3-N氨氮kg0.0000367792795138552N氮氧化物kg0.0561771870191553RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq0.0484936120816277SO2二氧化硫kg0.262409440031355Waste Solids固体废弃物kg97.8442106954867Water Use淡水消耗量kg376.805960449913加权综合指标ECER-125kg1.89569599170977E-09表六.粉磨简称中文名称方法名称单位

25、特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.0.000145681AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0.047749386CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.180.0688634CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.180.8904445PED一次能源消耗kgce128.0871416CO2二氧化碳kg6.120835431COD化学需氧量kg0.007672885EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.00155929GWP全球变暖潜值IPCC

26、2007Kg CO2eq25.37863769IWU工业用水量kg56.57788032NH3-N氨氮kg8.35E-06N氮氧化物kg0.010336592RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq41.75299215SO2二氧化硫kg0.039471126Waste Solids固体废弃物kg48.32646651Water Use淡水消耗量kg56.65651378加权综合指标ECER-125kg2.85E-10表七.高温煅烧简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.0.000187929AP酸化潜值CM2

27、002Kg SO2 eq.8.782712708CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.232.2888337CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.233.3486734PED一次能源消耗kgce165.2324127CO2二氧化碳kg8.165377705COD化学需氧量kg0.009898021EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.506316196GWP全球变暖潜值IPCC2007Kg CO2eq272.7099426IWU工业用水量kg72.98546562NH3-N氨氮kg1.08E-

28、05N氮氧化物kg2.597334203RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq81.5066234SO2二氧化硫kg5.669917752Waste Solids固体废弃物kg164.6776444Water Use淡水消耗量kg73.08690277加权综合指标ECER-125kg1.46E-09表八.石膏矿开采简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.8.08E-05AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.0.229742924CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg

29、Coal-R eq.115.7975942CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.147.3471722PED一次能源消耗kgce14.33939464CO2二氧化碳kg18.84474282COD化学需氧量kg0.029739121EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.031152957GWP全球变暖潜值IPCC2007Kg CO2eq22.16683556IWU工业用水量kg78.72404477NH3-N氨氮kg0.000736032N氮氧化物kg0.167493564RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq0.0497240

30、63SO2二氧化硫kg0.06830744Waste Solids固体废弃物kg313.6499365Water Use淡水消耗量kg88.73763036加权综合指标ECER-125kg8.59E-11表九.普通硅酸盐水泥生产简称中文名称方法名称单位特征化指标总量ADP非生物资源消耗潜值CM2002kg antimony eq.0.00021097AP酸化潜值CM2002Kg SO2 eq.9.682132109CADP(fossil fuel)中国化学能源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq.261.5631145CADP中国资源消耗潜值ISCP2010Kg Coal-R eq

31、.264.3075829PED一次能源消耗kgce182.6543794CO2二氧化碳kg9.933134533COD化学需氧量kg0.012385667EP富营养化潜值CML2002Kg P043-eq0.559062412GWP全球变暖潜值IPCC2007Kg CO2eq301.3892596IWU工业用水量kg84.30049843NH3-N氨氮kg4.87E-05N氮氧化物kg2.868299369RI可吸入颗粒物IMPACT2002+kg PM2.5 eq113.4429392SO2二氧化硫kg6.246561809Waste Solids固体废弃物kg197.014441Water

32、 Use淡水消耗量kg84.91287016加权综合指标ECER-125kg1.61E-093.5 结果分析 我们用1代表石灰石开采，2代表粘土开采，3代表重型货车运输，4代表煤炭开采，5代表粉磨，6代表高温煅烧，7代表石膏矿开采，8代表普通硅酸盐水泥生产。对于LCIA结果中16项特征化指标，我们统计每一项指标下，18环节对该指标的贡献，如下图所示：图13. 各环节对非生物资源消耗潜值贡献由图可知,煤炭开采环节贡献值最大，高温煅烧和硅酸盐水泥产品环节次之图14. 各环节对酸化潜值贡献由图,高温煅烧和硅酸盐水泥成品环节贡献最大图15. 各环节对中国化学能源消耗潜值贡献由图,煤炭开采贡献最大，高温

33、煅烧和硅酸盐水泥产品环节次之图16. 各环节对中国资源消耗潜值贡献由图,煤炭开采贡献最大，粉磨、煅烧、普通硅酸盐水泥产品次之图17. 各环节对一次能源消耗贡献由图,煤炭开采贡献最大，粉磨、煅烧、普通硅酸盐水泥产品次之图18. 各环节对二氧化碳贡献由图,煤炭开采贡献最大，石膏矿开采贡献较高图19. 各环节对化学需氧量贡献由图,煤炭开采和石膏矿开采环节贡献较高图20. 各环节对富营养化潜值贡献由图,高温煅烧和石膏矿开采环节贡献较高图21. 各环节对全球变暖潜值贡献图21. 各环节对全球变暖潜值贡献由图,煤炭开采、石膏矿开采和普通硅酸盐水泥产品贡献较高图22. 各环节对工业用水量贡献由图,煤炭开采工

34、业用水最多，粉磨、煅烧、石膏矿开采、水泥成品制成需水量也较多图23. 各环节对氨氮贡献由图,石膏矿开采产生氨氮最多图24. 各环节对氮氧化物贡献由图,高温煅烧产生的氮氧化物最多图25. 各环节对可吸入颗粒物贡献由图,粘土开采、粉磨、高温煅烧产生的可吸入颗粒物较多图26. 各环节对二氧化硫贡献由图,高温煅烧产生较多二氧化硫图27. 各环节对固体废弃物贡献由图,粘土开采、煤炭开采、粉磨、煅烧、石膏矿开采遗留固体废弃物较多图28. 各环节对淡水消耗量贡献由图,煤炭开采消耗淡水量很高，粉磨、煅烧、石膏矿开采和普通硅酸盐水泥产品消耗淡水较多综合分析以上结果，水泥生产过程中，原料的开采、粉磨，燃料采集、粉磨，生料高温煅烧和熟料的粉磨均会消耗较多的水资源和产生较多的颗粒物、固体废弃物，生料的高温煅烧还会产生较多的氮氧化物、硫化物、氟化物、二氧化碳和一氧化碳。因此，水泥生产环节的污染物排放控制对环境保护和经济可持续发展具有重要意义第四章 水泥工业的污染防治技术4.1 源头控制4.1.1矿山开采我国的石灰石资源利用率低，小水泥企业无序开采，造成的资源浪费很严重。对水泥矿山企业开发利用矿产资源，应当加强管理，合理规划，有序利用。国家应大力推广先进工艺技术，提高矿产资源利用水平，同时企业应加强对尾矿、废石等的管理，积极研究废物利用方法；暂时不能利用的，应当妥善堆放保存，防止其流失侵蚀