水泥生产碳减排路径评述

水泥生产碳减排路径评述

廖宝车

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摘要：实现“碳达峰、碳中和”的中长期目标，是我国基于推动高质量、可持续绿色发展和构建人类命运共同体的责任担当而作出的重大战略决策。“十四五”时期，我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。

关键词：水泥生产；碳减排；路径评述

引言

我国水泥生产量会有逐步下降的趋势，未来一段时期的产能置换是实现水泥生产碳减排的最佳契机，这就需要在实落企业节能降碳主体责任的同时，通过国家政策的支持和全社会的共同参与，加速新技术新装备新能源的研发和应用，培养水泥生产低碳、零碳标杆示范企业，推动全行业的节能降碳工作，为实现国家“双碳”目标作出较大贡献，进而引领世界水泥行业低碳与零碳流程再造技术发展。

1.水泥生产的工艺流程

水泥生产要先经过粉磨这个流程，用来进行这项工作的设备有三种。一是球磨机开路粉磨系统。这种系统操作简单，可以将硬度不同的各种水泥熟料混合粉磨，经过球磨机研磨转换成最终的物料成品；其缺点是不易控制，很容易出现过粉磨。二是球磨机闭路粉磨系统。它和第一种设备的区别是要先通过一个选粉机把水泥熟料分成成品和粗粉，粗粉返回粉磨系统进行二次研磨。这样一来就能解决第一种粉末方式的缺陷，而且产品质量能够得到控制。但是这种系统设备投资较大而且操作起来相当困难，在应用面上不如第一种广泛。三是辑压机预粉磨系统，可以满足的生产规模非常大，其是将水泥熟料先进行粉磨，减小水泥物料的粒度之后，破坏原本的岩石结构，提高耐磨性。经过前期加工准备之后，再按照第二种或第一种方法进行粉磨。这样一来，虽然过程烦琐，但是能够提高效率并降低能耗。

2.新型干法水泥生产技术

（1）完善各项工艺，提高技术水平，优化管理模式并通过规范的工程设计保证生产高效进行，进一步降低能源和成本的消耗。认真研究并使用原料预均化技术，并对工业废弃物和废水废渣进行二次利用，强化各个生产环节的环保工作，减少生产过程中的无意义消耗。（2）加大对各种粉磨设备的开发力度，并且鼓励各大企业应用更加节能环保的设备，降低自身生产过程中产生的污染。对关键技术不断进行创新性研发和应用，开发出新一代的水泥生产设备，进一步提高水泥生产的效率和质量。（3）注重环保工作，使用先进技术降低有害气体和粉尘排放，防止生产过程中产生的各种废弃物对环境造成污染，在节约成本的同时让生产过程变得更加绿色环保。要重视生态环境的建设，将水泥生产和我国的生态保护工程联系在一起，注意人为活动和自然保护的结合。

3.直接分离的捕碳技术

Calix的直接分离技术是将目前用于石灰和水泥煅烧的最优技术流程进行重新设计。间接逆流加热时煅烧碳酸盐，烟气不与碳酸盐矿物中的二氧化碳混合，将碳酸盐分解出的高纯CO2气体直接捕集，可达到纯度较高的CO2。这项技术已经在菱镁矿煅烧行业实现商业规模应用。2021年在比利时的海德堡水泥厂已经建成捕集CO2为2.5万t/年的工厂，计划在2024年建成捕集CO2为10万t/年的工厂。Calix使用直接分离反应器（DSR）。DSR是一种特殊的钢管，相当于一个大型热交换器。试验中，天然气沿着外炉燃烧，加热炉的外部温度大约10000℃。原材料从DSR的顶部掉落到内部，然后慢慢下降，被反应堆的传导和辐射传热加热导致它被煅烧，释放出二氧化碳。在底部固体和气体被分离。

4.原料替代技术

石灰石是水泥生产的主要原料，每生产1t水泥熟料需消耗约1.3t石灰质原料，这些原料在高温分解炉中高温分解会产生大量CO2。但这种石灰质原料并非必须原料，只要应用时不分解或分解产物不含CO2且可提供CaO的原料即可生产出合格的熟料。其中较典型的是陕西北元集团水泥有限公司应用电石渣、钢渣、黄矸石等多种固体废料制备高抗硫酸盐硅酸盐水泥的试验研究，验证了各种固体废料应用于水泥工业的可行性。应用替代燃料降低煤炭使用或提高煤炭燃烧效率备受关注，水泥工业同样如此。虽然理论上减排潜力较大，但我国应用替代燃料的生产线较少，技术推广受到成本和政策的制约。国际能源机构路线图预期，世界范围内替代燃料应用会从2006年的3%增至2050年的37%，到2050年达到CO2排放总体减少15%的目标。

5.活性炭吸附脱汞

目前有较多业绩的专用脱汞技术是利用活性炭脱汞，因为活性炭可以吸收大部分气体污染物。针对活性炭的研究也是目前的热点技术。活性炭脱汞在水泥厂还没有案例，主要应用都是在电厂，一般布置在袋收尘器之前，将活性炭颗粒喷入，然后用收尘器将活性炭颗粒捕捉下来，如意大利Redecam公司开发的MAS脱汞技术。MAS技术的原理为：将烟气降温后，利用气动装置喷入粉末状的活性炭在反应塔内吸附汞及其化合物，然后用静电/袋式收尘器将反应物搜集下来实现烟气脱汞，最高脱汞效率据称达到90%。影响活性炭脱汞效率的因素很多，比如反应区温度、投入活性炭的相对位置等。活性炭脱汞的主要问题是，其高昂的投资和运行成本，一条5000t/d的水泥生产线，活性炭喷射设施的建设费用是惊人的1.4亿人民币，年运行成本高达0.3亿人民币，这还没有考虑活性炭的处置费用。我国水泥企业的汞排放基本都可以满足现行标准，但是面对严峻的环保压力，我国水泥企业迟早要面对汞减排问题。水泥行业的汞排放具有一定的特殊性，潜在可供选择的脱汞技术也较多，笔者认为利用汞循环富集并配合生料磨运行间隔，间歇性地将高汞浓度回灰外排用作混合材是一个可以关注的方向。

6.错峰生产

年初以来，尽管全国各地水泥错峰生产执行情况良好，部分地区企业甚至延长错峰生产，但受疫情和需求疲软影响，全国水泥库容比持续在高位波动。即便6月份大部分水泥企业被迫延长错峰生产，仍然无法缓解市场严重供大于求的现状。常态化错峰生产政策是现阶段化解产能严重过剩矛盾最有效的政策。常态化水泥错峰生产，是污染防治攻坚战和行业供给侧结构性改革的重要保障措施。当前，水泥行业已经进入高成本时代，企业生产经营面临极大挑战，降低库存、做好错峰生产、避免低价无序竞争是当前摆脱困境的唯一措施。大企业应该肩负起引领作用，强化行业自律，加大错峰力度，精准错峰、刚性错峰。展望未来，水泥需求总量持续下降、企业亏损面不断扩大、产能严重过剩加重等，都将促使研究过剩产能退出的产业政策提前启动。与此同时，对有实力的大企业来说，这将是一次市场整合的机会。产业集中度持续提升、市场布局不断优化和矿山资源整合，正是未来水泥行业供给侧结构性改革的重要方向。

结束语

“双碳”背景下，低碳水泥生产技术势在必行。生料替代的主要发展方向是了解替代原料的成分和性质，调整生产参数以适应新原料。分析生物质对分解炉燃烧和熟料烧成的影响，提高生物质对燃煤的替代率，了解生物质窑炉中温度、气氛分布等具体参数以指导提高生产质量尤为重要。在提升能源利用效率方面，受成本因素制约，能源利用中的资源开发、能量输送在水泥生产应用中浪费严重，我国节能降耗技术及应用潜力巨大。CCS技术中的碳捕集技术已实现工业化应用，被认为是能够实现温室气体规模化控制的技术路径之一。

参考文献

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