我国水泥工业现状及发展趋势

我国水泥工业现状及发展趋势

0中国水泥工业温室气体减排水泥工业是资源和能源消耗的行业。生产所需消耗大量原燃料和能源，如石材和煤炭。因此，水泥行业是工业部门排放温室气体的重要领域。2010年全国水泥总产量达到18.68亿t,熟料总产量达到11.52亿t。按照水泥工业生产1t熟料大约排放1t二氧化碳(CO2)计算,则2010年全国水泥工业排放11.52亿tCO2。与电力、钢铁等相关部门相比,水泥工业温室气体排放的一个显著特点是在排放燃料燃烧产生CO2的同时,更多的是排放原料中碳酸盐分解产生的CO2,因此受到政府间气候变化专门委员会(IPCC)的格外关注,也成为我国实施节能减排和温室气体减排的重点行业之一。在世界可持续发展工商理事会(WBCSD)的可持续性倡议行动(CSI)的框架下,行动参与者于2001年共同制定了一个计算和报告二氧化碳排放的协议(《水泥行业二氧化碳减排议定书》),2005年进行了修订。本文在解读《水泥行业二氧化碳减排议定书》的同时,以一家水泥生产企业的生产数据作为示例,通过计算和解疑详细说明了水泥企业如何开展统计、计算和报告二氧化碳排放,探讨了水泥行业碳审计的步骤和方法。1水泥、水泥生料为了详细说明水泥企业如何开展统计、计算和报告二氧化碳排放工作,现选取一家水泥厂作为示例进行计算说明。该水泥厂有一条5000t/d的水泥生产线,带有余热发电系统,未实行旁路放风,窑灰未专门外排、外售或用作混合材。年产熟料165万t,年产P·O42.5水泥195万t,未外购熟料。原燃料化学成分、煤的工业分析以及发热量分别见表1、2。水泥生料干基配料配比和原料消耗定额分别见表3、4。其它主要生产参数为:熟料三率值:KH=0.90SM=2.60IM=1.60。熟料热耗:q=2969kJ/kg熟料(710kcal/kg熟料)熟料料耗:1.490kg生料/kg熟料、熟料煤耗:0.1307kg/kg熟料、水泥电耗:91kWh/t水泥设备和运输全年耗用柴油810t,汽油75t。2组织边界与营运边界按照《水泥行业二氧化碳减排议定书》(以下简称《议定书》)的要求,在编制排放清单时,首先需要设置适当组织边界和营运边界。通过统计和计算各直接排放源和间接排放源的CO2排放,编写出排放清单,再结合组织边界进行加权汇总后可以编写出水泥企业的碳审计报告。2.1企业社会排放。在整个产组织边界:明确CO2排放企业的组织结构以及统计和计算CO2排放的范围,例如独资企业、合资企业和子公司,以及如何合并这些单位的排放量。可以应用股本权益法和控制权法合并各公司在生产过程中产生的排放。其中控制权法又分为财务控制权和经营权控制权。“组织边界指南”在《议定书》第7章进行了说明。排放统计、计算和报告内容应包括:自备的原料开采,熟料生产,厂内或独立粉磨站的熟料、混合材、外加剂的粉磨,粉煤灰选粉等工艺过程。营运边界:排放清单所涵盖的排放源类型,分为直接排放和间接排放。直接排放是指诸如生料在回转窑中煅烧分解以及燃料燃烧产生的CO2等,由报告企业自身拥有或控制的排放源产生的排放;间接排放是指诸如水泥企业消耗的电力、外购熟料等,由于报告企业使用而导致排放,但实际排放源是由其它企业所拥有或控制的排放。2.2原料和废水中含碳的燃烧按照《议定书》的内容,水泥厂的CO2直接排放源主要来自于以下几个方面:(1)生料中的碳酸盐(主要为CaCO3、MgCO3)在煅烧过程中分解;(2)原料中所含有机碳的燃烧;(3)水泥窑所用诸如煤、燃油等传统化石燃料的燃烧;(4)水泥窑所用诸如化石替代燃料、化石废料等替代化石燃料的燃烧;(5)水泥窑所用诸如生物质废弃物等生物质燃料的燃烧;(6)诸如烘干、采暖,厂内运输车用油料(独立第三方承担的运输归于间接排放源)等非水泥窑用燃料的燃烧;(7)废水中所含碳的燃烧。《议定书》将这些直接排放源的CO2排放情况,进一步用表5罗列出需要统计和计算的参数和拟用参数来源。2.2.1熟料和粉尘的排放原料煅烧产生的二氧化碳主要来自于熟料烧成过程中CaCO3分解。此外,还需考虑在水泥窑系统的窑尾和旁路放风所排放的窑灰,这些窑灰由于煅烧程度不同,分解产生的二氧化碳也不同。大多数水泥厂的窑灰大部分都经过收集并返回生料系统,重新入窑煅烧,我们只是把那些净排放窑灰(包括收尘器未能有效收集而排入大气的窑灰、直接销售窑灰、用作水泥混合材料或作为废料丢弃的窑灰)视为相关的二氧化碳排放源。原料煅烧产生二氧化碳基本上可以用两种方法计算,一种基于消耗生料的数量和碳酸盐含量来计算;另一种是通过生产的熟料和净排放窑灰数量和成分来计算。各企业可根据实际情况选择数据,也可以两种方法结合使用。(1)熟料:用生产出的熟料数量和每吨熟料的排放因子可以计算熟料煅烧过程分解的CO2。排放因子可以按照生料的实测碳酸盐含量或熟料中的的实测氧化钙和氧化镁含量来更正。如果没有更好的数据或者为了简易计算,也可以使用525kgCO2/t熟料的默认值。本例中,煅烧1t熟料产生的CO2计算如下:生产1t熟料需要的石灰石(干基)为:1.186t,则煅烧1t熟料产生的CO2=m(石灰石)×m1(CaO%)×M(CO2)÷M(CaO)+m(石灰石)×m2(MgO%)×M(CO2)÷M(MgO)=1.186×53.16%×44÷56+1.186×1.21%×44÷40=0.511(tCO2)(2)粉尘:水泥窑系统旁路放风和窑尾排放窑灰中,净排放窑灰部分视为需报告的排放源,其产生的CO2应根据排放烟气中实际外排的净排放窑灰量和相应的排放因子计算。对于窑灰返回生料重新入窑煅烧(窑灰内部循环),窑灰未完全分解,净排出窑灰量等情况应特别关注,并加以统计和分析,避免错误。旁路放风粉尘分解程度较高,接近完全分解,可使用熟料排放因子。水泥窑尾C1筒出口排出窑灰往往不能完全煅烧。对于未完全煅烧的窑灰的排放因子应根据熟料排放因子和它的煅烧分解率来确定。式中:EFCKD—未完全煅烧水泥窑窑灰的排放因子,tCO2/t水泥窑粉尘;EFCli—工厂的熟料排放因子,tCO2/t熟料;d—排放窑灰的煅烧分解率(优先采用工厂实际数据,如未获得此数据,可选取默认值1)。如未取得工厂的实际净排放窑灰量和相应排放因子,针对净排放窑灰的分解产生的CO2可使用IPCC默认值,即熟料产生CO2的2%。选取该默认值应特别关注旁路放风的使用情况,以及窑灰的内部循环和对外净排放情况,否则可能带来较大误差。本例中,由于未取得净排放窑灰量以及相应煅烧分解率数据,结合该水泥厂旁路放风和净排放窑灰的情况,我们可以采用IPCC默认值来估算水泥窑系统净排放窑灰所产生的CO2排放,计算如下。每生产1t熟料,水泥窑系统净排放窑灰产生的CO2为:2.2.2水泥企业的碳含量生产水泥的原料中一般都含有一些有机碳。有机碳在生料高温煅烧过程中大多转化为二氧化碳。议定书采用的数据来自于所收集的相关研究结果,即生料中总有机碳含量的典型数值大约为0.1%~0.3%(生料干基),议定书建议的默认值是0.2%。水泥企业一般都有生料与熟料比的实际数据,如果不能获得可靠数据也可以选取议定书建议的默认值1.542。本例中,生料与熟料比:1.490;默认的生料总有机碳含量取值:2kg/t生料(相当于生料干基0.2%)。则1t熟料对应原料中有机碳产生的CO2=m(有机碳)×M(CO2)÷M(C)=1.490×0.2%×44÷12=0.0109(tCO2)2.2.3燃料燃烧默认值ph水泥窑传统燃料为化石燃料,包括煤、石油焦、燃油和天然气。二氧化碳排放计算主要基于燃料消耗、低热值和相应的二氧化碳排放因子计算。如有可靠数据可用,一般鼓励企业使用工厂数据或国家级排放因子,否则,使用IPCC上的默认值。此外,IPCC推荐统计化石燃料的不完全燃烧,但是在水泥窑中,由于燃烧温度非常高和停留时间较长,因此所有水泥窑用燃料中的碳应作为完全氧化处理。IPCC推荐的主要矿物燃料燃烧排放CO2的默认值分别是为焦煤及其它烟煤94.5kg/GJ,次烟煤96kg/GJ、无烟煤98.2kg/GJ、褐煤101kg/GJ、超级重油77.3kg/GJ、柴油74kg/GJ、天然气(干燥)56.1kg/GJ、汽油69.1kg/GJ、油页岩107kg/GJ,石油焦的CSI推荐默认值92.8kg/GJ。本例中,熟料烧成用煤消耗:0.1307kg/kg熟料,烧成燃料为烟煤,选取IPCC推荐的CO2排放默认值94.5kg/GJ。则1t熟料烧成用煤产生的CO2:2.2.4其他生物质燃料的co排放按照循环经济节能减排的要求,目前水泥行业越来越多开始利用各种废料作为替代燃料。以往这些废料基本上都是焚烧法或填埋法进行销毁和处理。替代燃料包括诸如废轮胎、废油和塑料等化石燃料部分,也有诸如废木料和污水污泥等生物质燃料。结合IPCC和WRI/WBCSD的指南内容,议定书对如何统计和计算替代燃料燃烧带来的CO2排放进行了专门说明。替代生物质燃料(包括生物废料)燃烧直接排放CO2的计算方法,如果无法获得可靠的排放因子,可采用IPCC默认的固体生物质燃烧排放CO2因子(110kg/GJ)。但基于这一过程同时减排了原处理这些生物质燃料所对应的CO2排放,因此这些替代生物质燃料排放的CO2不计入排放总量,只作为备忘项目报告。一些主要替代生物质燃料的IPCC默认值有干化污泥110kg/GJ、木材和未防腐处理的锯末110kg/GJ、纸饭盒110kg/GJ、CSI默认值有动物骨及骨料89kg/GJ、农业废物110kg/GJ、有机废物110kg/GJ、纺织废物110kg/GJ、木炭110kg/GJ。替代化石燃料燃烧排出的CO2需计入直接排放CO2总量之中。这些化石替代燃料的CO2排放因子,如果无法获取工厂生产实际数据,可参考IPCC或CSI提出的相关物质的默认值。水泥生料配料中加入煤矸石的情况,由于其中的碳在生料煅烧过程中燃烧排放CO2,我们可以将其视为替代化石燃料进行统计和计算其CO2排放。一些主要替代性矿物燃料的CSI默认值有废油74kg/GJ、轮胎85kg/GJ、塑料制品75kg/GJ、混合工业废料83kg/GJ、其它矿物废料80kg/GJ。替代燃料的组成可能较为复杂,有时受条件限制无法准确定量某一燃料的成分和含量,这时应按照保守的原则加以计算。由于使用替代燃料减少了原本需要处理废料带来的温室气体排放,即间接减排了温室气体,因此在统计和计算并编写一个水泥企业的排放报告时,应将直接排放、间接排放、资源效率三者结合起来,综合考虑。本例中,水泥厂未使用替代燃料。2.2.5运输对熟料的影响非水泥窑用燃料主要指用于单独设置的原料烘干、设备和车辆、室内供暖和空调、现场自备发电等工艺过程或装备所需的燃料,其计算方法与传统燃料燃烧产生二氧化碳一致。这些排放源较为零散,可以按照使用情况分类统计和计算,以确保企业排放报告的完整性。《协定书》对车辆运输作了专门说明。为了运输原料和产品的自备车辆,不管是运行于场内或场外,其消耗的燃料都计入直接排放,电力消耗计入间接排放(如有自备发电的除外)。如果运输由独立第三方进行,相关排放都被认为是间接排放。本例中,没有采用原料烘干,无自备发电。室内供暖和空调用电计入了熟料电耗未单独统计,量很小。设备和运输全年耗用柴油810t,汽油75t,柴油的发热值为48150kJ/kg,汽油的发热值为43900kJ/kg,分别采用IPCC推荐的柴油和汽油的CO2排放默认值74kg/GJ和69.1kg/GJ,分别计算每吨熟料由它们带来CO2排放如下。1t熟料生产过程使用柴油产生的CO2:1t熟料生产过程使用汽油产生的CO2:该厂非水泥窑用燃料带来的CO2排放很小,合计约为1.89kgCO22.2.6水泥企业量化废水中的o2排放一些企业可能会在水泥窑中加入废水,废水含碳产生CO2排放。但由于这些排放量很小,也难以量化,所以协定书未要求水泥企业量化与废水相关的CO2排放。本例中,未统计计算废水产生CO2排放情况使用替代燃料。2.2.7熟料nox排放量《议定书》所涵盖的其他温室气体,诸如CH4、N2O、PFC、HFC、SF6等,CH4、N2O排放量很少,PFC、HFC、SF6等基本与水泥行业无关。在水泥窑很高的燃烧温度下,CH4的排放量很少,其排放量以二氧化碳当量法计算约为水泥窑二氧化碳排放量的0.01%左右。水泥窑窑尾烟气中NOx的排放量可以测定,但其中的一氧化二氮(N2O)排放量相当少,已有研究和数据也非常有限。通过测定水泥窑预热器一级筒出口排风量中NOx含量,可以计算出吨熟料NOx的排放量,但这些不计入温室气体。本例中,未对非二氧化碳温室气体统计计算。2.3电力co排放因子间接排放源主要是指水泥企业外购电力、外购熟料加工水泥、委托第三方承担运输、委托第三方生产和加工原燃料等,这些排放是由编写报告的水泥企业的生产带来的,但实际排放源属于其他实体所有的或控制,由于该水泥企业的生产给其它企业的排放源带来间接排放。议定书只要求统计计算,并报告外购电力和外购熟料这两种情况的间接排放,其计算所需的参数和参数源见表6。统计和计算外购电力产生的CO2排放首先需要获得电网电力的实测消耗量,排放因子如果不能在电力供应商处获得,可以使用本国的平均排放因子。我国电力CO2排放因子为0.740tCO2/MWh(WRI/WBCSD公布2002年我国电力CO2排放因子)外购熟料产生的CO2是针对企业的净购入熟料进行计算,即以购买的熟料减去售出的熟料计算,议定书提出熟料的默认排放因子为862kgCO2/t熟料。这个排放因子只适用于计算净购入熟料带来的间接排放。生产水泥所用的其他行业产