关于北京水泥厂水泥产品全能耗分析的调研

精品文档-下载后可编辑关于北京水泥厂水泥产品全能耗分析的调研生命周期评价(LCA)方法是一种对产品、过程和活动进行能源和原材料消耗及废物排放做量化评估的研究方法。回顾我国水泥行业的能耗研究，多数集中在对水泥生产工艺技术和设备进行能耗分析和节能分析上；一些研究虽涉及石灰石矿山开采的环境问题，但对降低能耗关注很少；关于水泥行业利用工业废渣作原料的研究很多，但提及利用废弃物作燃料的很少；也有关于水泥产品能源消耗限额的研究，但限额指标只针对生产工艺过程能耗而不涉及其他方面的能耗问题。总之，在过去的研究中，利用生命周期评价方法从生产全过程角度对水泥产品进行能耗研究的非常有限。出于利用生命周期评价方法研究水泥产品全能耗问题的探讨，一个典型案例调研是非常有意义的。为此，我们选择北京水泥厂进行了调研。

调研对象具有代表性是调研结果从个体看全面的关键。选择北京水泥厂作为调研对象有以下两方面考虑：首先，北京水泥厂采用的日产2000万吨和3000万吨新型干法水泥生产线是我国新型干法水泥生产工艺的主流规模生产线。2022年我国新型干法水泥生产能力已占全部水泥生产能力的40％，其中，2000t／d熟料规模以上生产线总数占新型干法生产线的比例为46.3％，而且很快将上升到59％(王伟，2022)。其次，北京水泥厂的水泥生产工序全面，既有水泥生产工艺，也有矿山开采工序；既有目前水泥工业应用较广的余热发电项目，也有作为全国示范项目、代表未来发展的废弃物处理项目。全面和完整的生产工序为分析水泥生产全过程能耗提供了必要的基础条件。

一、北京水泥厂概况

北京水泥厂有限责任公司(简称北京水泥厂)是由北京金隅集团有限责任公司与中国信达资产管理公司共同控股设立的，是北京金隅集团现代制造业的核心企业之～。北京水泥厂始建于1992年，拥有总储量为1.2亿吨的石灰石矿山和两条分别为日产2000吨(#1线)和日产3000吨(#2线)新型干法窑水泥熟料生产线及配套水泥粉磨车间。2022年生产普通硅酸盐水泥熟料180万吨，水泥200万吨，其中P.042.5水泥约占65％。目前，北京水泥厂总资产达54457万元，全年实现利润3579.5万元。公司现有职工733人，科技人员占员工总数的10％。经过十多年的建设与发展，北京水泥厂具有生产设备技术先进、产品优质稳定、水泥仓储量大和服务措施完善等优势。企业已通过IS09001质量管理体系认证、产品质量认证、ISO10012计量体系认证、IS014001环境管理体系认证。“京都”牌水泥成为首都各建设工程的首选产品，广泛应用于首都国际机场扩建工程、八达岭高速公路、地铁复八线等重点工程。

二、北京水泥厂原料消耗和能源消耗状况

1、水泥生产原料消耗状况

水泥生产的主要原料是石灰石。根据北京水泥厂生产中的原料供需统计，生产1吨水泥需消耗1.462吨原料，其中消耗石灰石1.16吨(占79％)、石英沙岩0.061吨(占4.2％)、粉煤灰0.174吨(占12％)、石膏0.05吨(占3.4％)、铁粉0.017吨(占1.2％)。该厂年产200万吨水泥，每年需要200万吨石灰石，其中，100万吨石灰石由本厂的矿山开采，另100万吨石灰石外购。

2、水泥生产能源消耗状况

北京水泥厂消耗的能源主要有电力、煤炭、柴油、汽油。电力主要用于生产过程中各工序的主要设备，如生料磨、生料辊压机、回转窑、2#、2#、3#水泥磨、煤磨等。全厂用电全部由供电部门供应，2022年全厂实际消耗电量21342万kWh，其中矿山开采用电643.96万kWh，生料生产用电5615.18万kWh，烧成熟料用电6527.37万kWh，水泥磨用电7293.39万kWh，装运设备用电498.73万kWh，合资项目用电39.57万kWh，固废处理用电0.48万kwh，小磨用电16.72万kWh，施工用电2.07万kWh。全厂用煤也全部外购，原煤消耗主要用于熟料烧成系统，其中1#线和#2线熟料烧成共用煤22.28万吨，占全厂总用煤量的99.7％，其他是非工业用煤。柴油主要用于铲车、叉车、水泥窑点火、矿山设备等，2022年消耗柴油802.54吨。汽油主要供车辆运行使用，2022年消耗汽油128.66吨。

从各工序的单位能源消耗看，矿山开采中，每吨石灰石开采消耗电力3.12kWh、消耗柴油0.3kg，每吨石灰石歼采的综合耗能为0.821kgce(公斤标准煤)。生料生产中，每吨生料耗电30kWh。熟料锻烧中，每吨熟料耗能114.45kgce。水泥生产中，每吨水泥消耗电力38～40kWh。包装工序的能耗很小。2022年全厂每吨水泥的综合能耗为126.2kgce，其中熟料热耗为111.2kgce／t熟料，水泥综合电耗为114kWh／t水泥。

三、北京水泥厂全能耗分析

用生命周期评价方法分析水泥产品的全能耗，其目的在于系统地对北京水泥厂整个生产过程中的能耗情况进行量化研究。出于这个研究目的，水泥产品全能耗被确定为评价对象，相应的研究范围界定为水泥产品从原料到成品全部生产过程中所消耗的能源。对于生产过程的污染物排放以及水泥产品使用过程的能源消耗和污染物排放等问题，不包括在本次研究范围内。北京水泥厂硅酸盐水泥生产工艺和全能耗分析示意图见图1。图中虚框表示研究范围，粗框表示生产工序，细框表示原料和成品。

从图中可以看到，北京水泥厂水泥制造的主要生产过程包括：石灰石开采及运送；经生料粉磨工序制取生料；通过回转窑锻烧工序制取熟料；在熟料锻烧中，废弃物处理装置为熟料制取提供部分燃料，回转窑排放的热量用于低温余热发电；最后通过水泥粉磨工序制取水泥产品。水泥制造中消耗的主要原料和燃料包括：煤炭、电力、柴油、汽油以及可燃性工业废弃物等燃料；石灰石和沙岩等矿物原料；铁粉和粉煤灰等工业废弃物原料等。

明确了上述研究对象和研究范围后，进一步确认水泥产品全能耗的分析内容。所谓全能耗是指水泥生产工艺过程的综合能耗和生产过程中所涉及的隐含能耗的全部能耗量。在隐含能耗中，将对水泥生产中用石灰石等原料的隐含能耗、生产中用新水的隐含能耗、生产设备及生产线的隐含能耗(简称设备隐含能耗)进行分析，对于生产中厂房建设的隐含能耗，由于条件限制，本报告不作分析。对于厂里的低温余热发电项目和废弃物替代燃料项目所产生和节约的能源量，也将在全能耗中统一考虑。下面详细讨论北京水泥厂水泥产品全能耗的分析过程。

1、水泥生产工艺过程综合能耗

根据北京水泥厂的生产统计，2022年全厂水泥生产工艺综合能耗为126.2kgce／t水泥，其中熟料热耗为111.2kgce／t熟料，水泥综合电耗为114kWh／t水泥。

上述所说的水泥综合能耗，是北京水泥厂按照水泥行业对生产能耗的考恢要求，包括了石灰石开采到水泥包装入库整个过程的综合能耗，其中各工序能耗的详细叙述见报告中北京水泥厂能源消耗情况部分。

2、水泥生产用原料隐含能耗

从北京水泥厂水泥生产中使用的原燃材料明细表得知，生产1吨水泥需要消耗原料1.462t，其中消耗石灰石1.16t，石英沙岩0.061t，粉煤灰0.174t，石膏0.05t和铁粉0.017t，则生产1吨水泥所用原料的隐含能耗计算方法如下：

Em=1.16Es+0.061Ey+0.174Ec+0.05Eg+0.017Et(1)

其中：

Em:1吨水泥用原料隐含能耗

Es:1吨石灰石开采能耗

Ev:1吨沙岩开采能耗

Ec:1吨粉煤灰能耗

Eg:1吨石膏生产能耗

Et:1吨铁粉生产能耗

由于石灰石占整个原料的比例高达79％，沙岩的开采与石灰石相似，可粗略认为其开采能耗与石灰石相同。粉煤灰是热电厂废料、铁粉是钢铁厂废料，因此其原料开采能耗可以视为零。关于石膏的开采能耗，由于用量很小，在此不做考虑。通过上述考虑，对水泥用原料隐含能耗的分析将主要关注石灰石开采能耗。计算公式(1)可简化为公式(2)：

Em=1.22Es

(2)

根据北京水泥厂的生产统计，石灰石的矿山开采能耗为每吨石灰石耗电3.12kWh，耗柴油0.3kg，折算标准煤为0.82Jkgce／t石灰石。其中柴油消耗主要是矿区内运输的车用柴油消耗，不包括矿区外的运输油耗。

一般来说，水泥厂与矿区之间的距离都很近，可以降低运输成本，运输能耗也可以忽略不计。但是北京水泥厂较特殊，矿区在昌平东部的崔村，与水泥厂之间有10公里距离，石灰石从矿山到厂的运输，委托其他运输单位运行，因此油耗没有统计在石灰石开采能耗内。除此之外，北京水泥厂矿山年产石灰石100万吨，不能满足年产200万吨水泥的需要，因此每年需外购石灰石100万吨，这100万吨石灰石的开采能耗将视为矿山开采能耗计算，它的运输能耗也将按照矿山石灰石运输能耗计算。

按照水泥厂矿山年运输200万吨石灰石，运距按每天20公里推算，每年石灰石运输的周转量为4000万吨公里。从汽车油耗水平看，我国公路货运车辆的单位油耗在每万吨公里500～700公斤油耗，取平均值为600公斤／万吨公里。计算结果是，全年从矿山到水泥厂的石灰石运输油耗是2400吨柴油，吨石灰石运输能耗是1.2kg柴油／t石灰石，折合标准煤为1.766kgce／t石灰石。

综上所述，北京水泥厂石灰石开采综合能耗，等于石灰石开采能耗与石灰石从矿山到水泥厂的运输能耗之和，加总后得出1吨石灰石的综合能耗是2.59kgce。需要说明的是，在石灰石能耗中，还应该包括石灰石开采的设备隐含能耗。由于数据获得困难，我们忽略了此部分的能耗量。得到吨石灰石综合能耗后，根据公式(2)我们可以推算出1吨水泥用原料隐含能耗是3.16kgce。

3、水泥生产用新水隐含能耗

北京水泥厂水资源供应来自自备井。大型用电设备主要使用循环冷却水，新水作为生产补给和生产辅助用水。2022年，水泥生产中各工序用新水量为73908m3，其中收尘及增湿塔用17667m3、烧成工断用41572m3、锅炉系统用14669m3。除生产用新水外，办公辅助用水、食堂、洗浴、消防等生产辅助用水量达到275561m3。全厂全年总计用新水量为349469m3。由此计算1吨水泥生产用新鲜水量为0.175t。因此，北京水泥厂的吨水泥用新水隐含能耗量将通过下面的计算公式推算出。其中吨水生产能耗采用全国平均吨水生产能耗。

Ew=0.175Ews

Ew:吨水泥用新水隐含能耗

Esw:吨水生产能耗量

全国平均吨水生产能耗可以通过全国水生产总量和水生产行业耗能总量计算，计算公式如下。

Esw=Ewt/Qw

Esw:1吨水生产能耗量

Ewt:水生产业年能源消费总量

Qw:水生产业年总供水量

全国水利发展统计公报的数据显示，2022年我国全年水利工程总供水量为5573亿立方米，全年总用水量为5573亿立方米。2022年我国水生产业总能源消费量为692.01万tce。通过计算得知，2022年全国平均吨水生产能耗是0.124tee／万m3水，按照水密度t／m3折算后，1吨水生产能耗为0.124tee／万t。通过上述分析，推算出北京水泥厂2022年生产1吨水泥所消耗新水的隐含能耗为0.0022kgce／t。

4、水泥生产用设备隐含能耗

对于水泥生产设备隐含能耗的计算，主要考虑水泥在开采和生产中所用机械设备中的隐含能源，以及水泥在开采和生产中所用生产线建设的隐含能耗。由于这部分能耗计算需要考虑的影响因素较多，而且数据不易获得，因此本调研尝试做一些粗略估算。首先，需要搞清所有水泥生产用重型设备的数量、重量以及使用寿命，目的是估算出设备的含钢量。由于水泥设备一般用优质钢制成，并且设备的含钢量很高，接近100％(Joy公司)，因此可以用设备重量估算其含钢量；再通过吨钢能耗推算出设备的隐含能耗。对于水泥生产线的土建部分(包括均料库)、支架部分和运输皮带构架部分的隐含能耗，也采用相同的方法估算。当然，在推算设备单位隐含能耗时，要考虑生产设备及生产线在设备寿命期的水泥产量，并以此作为计算每吨水泥设备隐含能耗的依据。

北京水泥厂的生产设备包括矿山设备和水泥生产设备。矿山设备包括：3台潜孔钻；2台垂式破碎机，1台颚式破碎机；4台装卸机(电铲)；矿山年产量100万吨，生产设备的使用寿命在30年。生产设备包括：水泥生料生产使用的设备有1台×2线生料磨；1台×2线选粉机；1台×2线风机。水泥熟料生产使用的设备有1台×2线回转窑；1套×2线预热器；1台×2线冷却机；2台×2线大型除尘设备；3台×2线风机。水泥成品生产使用的设备有3台水泥磨；3台选粉机；3台风机。水泥包装中散装占98％。除生产设备外，还有2个石灰石均料库、2个均料库和2个煤均料库，消耗了大量的钢材。上述重型设备的使用年限一般在30年左右，期间的多次大修和更换零件对重型钢体部分影响不大，因此可以认为成套水泥设备和生产线的使用寿命是30年。

除设备的数量、种类和使用寿命等信息外，估算设备隐含能耗的关键是要搞清设备的重量，遗憾的是北京水泥厂各相关部门的管理者均不关心设备重量数

据，设备台帐上对重量也没有记录，一些专家凭经验提供的信息自己也感到很没有把握。笔者曾试图通过收集北京水泥厂各种设备的重量参数，推算整套设备的重量，但由于收集困难和工作量大，效果不佳。就此问题只能另寻线索，从水泥设备制造厂家或设备设计单位方面作更深入的调研。

通过咨询重型设备设计和制造业专家，对成套水泥生产设备的重量有一个粗略的估计结果。从中国建材装备有限公司设计院的调研中了解到，一般来说：日产1000t的水泥厂设备重为3500t；日产4000t的水泥厂设备重12000t。上述数据只是水泥生产主要设备(如磨、窑等)的重量，除设备之外，整条生产线的土建部分(包括均料库)、支架部分和运输皮带构架部分也用钢材，此部分的用钢量大于1000t(天津新津源公司调查)。就此问题，进一步咨询了天津水泥工业设计院有限公司，他们对全厂水泥成套设备和生产线钢材用量(设备重量)的估计是：日产1000t规模厂的水泥厂设备重为3500t；日产4000t水泥厂设备重为12000～14000t。

综合上述信息，推算出北京水泥厂两条生产线的设备含钢量为15500吨，折算为生产1吨水泥所用设备的含钢材量为0.258kg(按水泥年产200万吨，设备寿命30年计)。据研究表明，我国生产1kg普通钢材需要的全部能源消耗为56.65MJ(杨建新，2022)，由此推算出北京水泥厂生产1吨水泥的设备隐含能耗为0.50kgce／t水泥。

5、余热发电节约能源

根据天津水泥工业设计研究院对北京水泥厂日产2000t和日产3000t生产线的测试分析报告和北京水泥厂余热发电可研报告的结论，经过技术改造后，实际日产2350t级的水泥生产线，窑头熟料冷却机中部的废气量为90000m3／h(标况)，废气温度350％，利用后排放温度1300摄氏度，具有约2610x104KJAl的热量；经过技术改造后，实际处置城市工业废弃物示范线(日产3000生产线)的窑头熟料冷却机废气量为80000m3／h(标况)，废气温度350摄氏度，利用后排放温度100摄氏度，具有约2576×104KJ／h的热量。除上述窑头热量外，2350t／d级水泥生产线窑尾预热器废气量为161000m3／h(标况)，废气温度350摄氏度，利用后排放温度220摄氏度，具有约2282×104KJ／h的热量；处置城市工业废弃物示范工程线窑尾预热器废气量为240000m3／h(标况)，废气温度3500摄氏度，利用后排放温度220摄氏度，具有约4368×104KJ／h的热量。利用上述余热，纯低温余热发电工程每年可发电4000万kWh，折合标准煤4916吨，所发电力供水泥生产用。由此推算出，生产1吨水泥的余热发电量为20kWh，相当于生产1吨水泥可提供余热电力2.46kgce。

6、废物利用替代能源

2022年下半年，北京水泥厂利用水泥窑处置工业废弃物筛上物项目投入试运行。北京水泥厂利用树脂渣、废漆渣、有机废溶液、油墨渣等4种比较有代表性的工业有机废弃物在本厂2000t／d熟料新型干法窑上进行焚烧实验。实验测定结果表明，利用可燃性废弃物作为替代燃料生产水泥是技术可行的，具有节能、环保、提高经济效益等多重作用。该项目日处置废弃物量达100吨，年处置量达3万吨。通过废弃物焚烧可替代煤炭近1.5万吨(经初步实验表明，1吨垃圾筛上物可替代原煤0.6吨)，折合标准煤约1万吨。由此推算，由于废弃物处理项目的投入使用，使北京水泥厂生产1吨水泥可节约原煤5kgce。

7、水泥产品全能耗

综上所述，北京水泥厂水泥产品生产过程的全能耗应包括：水泥生产工艺综合能耗、水泥生产用原料隐含能耗、水泥生产用新水隐含能耗、水泥生产用设备隐含能耗、余热发电节约能源和废物利用替代能源等内容，计算方法如下：

E全能耗=Ez+Em+Ew+En-Ed-Ef

(3)其中：

E全能耗：吨水泥产品全能耗

Ez:吨水泥生产工艺综合能耗

Em:吨水泥用原料隐含能耗

Ew:吨水泥生产用新水隐含能耗

En:吨水泥用生产设备隐含能耗

Ed:吨水泥余热发电节约能源

Ef:吨水泥废物利用替代能源

基于上述对北京水泥厂水泥产品全能耗进行的调查和分析，一个基于2022年数据的分析结果显示，北京水泥厂生产1吨水泥产品的全能耗为122.4kgce／t(见下表)。

四、结论和启示

北京水泥厂水泥产品全能耗调研分析结果，使我们对水泥生产的能耗问题有了系统的了解，特别是对水泥生产中所涉及的隐含能耗有了新的认识。尽管其结果只是在北京水泥厂特定的生产条件下产生的，并不能直接说明全国水泥产品的共性问题。但是北京水泥厂的调研方法和全能耗分析思路，对全国水泥产品全能耗分析产生了很有价值的启迪和借鉴作用，其分析结果也可作为全国水泥产品全能耗分析的一个基本参考值。通过对北京水泥厂水泥产品全过程能耗进行调查研究，我们有以下几点结论和启示：

1、全方位开展水泥行业的节能降耗十分必要

水泥产品全能耗分析的数据显示，水泥产品的全能耗主要来自生产工艺能耗和隐含能耗部分，而节能则来自于水泥生产中的余热发电和替代能源部分，这样，降低生产能耗和提高节能及能源替代就构成了水泥上业节能降耗的两个重要方面。因此，作为一个高能耗、高污染行业，水泥行业的节能和资源综合利用空间仍相当巨大，从全方位开展对水泥工业的节能降耗工作十分必要。

2、水泥生产工艺过程是当前降耗的重点

从水泥产品能耗部分看，北京水泥厂吨水泥生产能耗高达129.86kgce，其中水泥生产工艺综合能耗占97.2％，水泥生产用原料隐含能耗占2.4％，生产设备和生产线隐含能耗占0.4％，水泥生产用新水隐含能耗很小。由此看出，水泥行业节能降耗的重点在生产工艺环节上，