水泥企業碳減排技術路徑淺析
水泥企業碳減排技術路徑淺析

在碳達峰、碳中和“3060”目標背景下,水泥企業應從排放端和吸收端同時發力,積極采取有效的節能減排措施,為行業碳減排做貢獻。本文將簡要分析和探討水泥企業碳減排技術路徑。

2020年9月,習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策措施,力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和?!笆奈濉蹦酥廖磥砗荛L的一段時期,減排降碳、低碳發展都將是我國經濟社會發展的重要主題。

2021年1月,中國建筑材料聯合會發布《推進建筑材料行業碳達峰、碳中和行動倡議書》,提出“水泥等行業要在2023年前率先實現碳達峰”。水泥行業作為碳排放大戶,實現碳達峰、碳中和“3060”目標是一項長期、復雜而艱巨的任務,需要在排放端和吸收端同時發力。在排放端,要從源頭減少排放源、降低排放強度,應從結構調整、技術創新、節能降耗等方面大力推進碳減排。在吸收端,推動碳捕集、利用和封存,降低碳排放。此外還應大力推進碳排放權交易市場建設,通過經濟手段引導鼓勵碳減排。

一、碳達峰、碳中和概念

1、碳達峰

碳達峰是指二氧化碳排放總量在某個時間點達到歷史最高值,之后二氧化碳的排放總量不再增長而是逐漸回落。這個時間點并非是一個特定時間,而是一個平臺期。碳達峰目標包括達峰年份和峰值。

2、碳中和

碳中和是指企業、團體或個人在一定時間內直接和間接產生的二氧化碳排放總量,通過二氧化碳去除手段予以抵消平衡,達到二氧化碳“凈零排放”。碳達峰是碳中和的基礎,碳中和則是低碳發展的最終目標。

二、水泥企業產生的二氧化碳

1、水泥行業二氧化碳占比

統計數據顯示,我國2020年水泥產量達23.77億t,水泥熟料產量達到15.79億t。我國2020年水泥行業碳排放總量約12.3億t,約占全國二氧化碳排放總量的15%左右。我國水泥企業生產1t水泥熟料平均排放0.8~0.9tCO2。

2、水泥企業二氧化碳來源

水泥企業產生的二氧化碳可分為直接排放和間接排放,其中直接排放主要是生料中碳酸鹽礦物分解、原料有機碳燃燒、燃料燃燒產生的二氧化碳,集中在熟料燒成環節;間接排放主要是水泥生產消耗電力產生的二氧化碳,其直接排放點并不在水泥廠,而是在火力發電廠。

三、水泥企業碳減排技術路徑

1、原料替代技術

石灰石是水泥熟料生產的主要原料,主要成分是碳酸鹽礦物,其分解產生的二氧化碳約占水泥企業排放總量的40%~65%,平均值為58.5%。水泥企業通過利用含有鈣質但不額外產生二氧化碳的物質作替代原料,能有效降低碳酸鹽礦物分解產生的二氧化碳排放量;同時通過減少水泥熟料使用量,也能夠減少二氧化碳排放。

研究表明,隨著水泥生產技術和裝備水平的提升,電石渣可完全替代石灰石生產水泥。新疆米東天山電石渣綜合利用工程利用100%的濕排電石渣生產優質水泥熟料。譚明洋等研究表明,磷石膏制酸聯產水泥具有良好的前景,使用工業石膏也可減少水泥生料配料中石灰石的使用比例。

2、燃料替代技術

水泥熟料生產需要經過1300~1450℃的高溫煅燒,將會消耗大量的化石能源,化石燃料燃燒所產生的二氧化碳約占水泥企業碳排放總量的30%~35%。水泥行業可通過利用廢輪胎、衍生燃料、生物質燃料、廢油及溶劑、生活垃圾、市政污泥等作為替代燃料。

歐盟等發達國家的水泥企業化石燃料替代率已平均在28%以上,其中德國已達60%以上。我國水泥企業化石燃料替代率還較低,其中海螺在樅陽建成國內首條生物質替代化石燃料項目,一期正常運行后預計可每年節省原煤約4.9萬t,實現生物質燃料替代率超過45%。

3、節能減排技術

水泥企業參考二代水泥技術標準對存量生產線進行技術改造和裝備升級,推廣應用高效粉磨、高效低阻預熱器、高能效分解爐及第四代冷卻機等節能減排技術與裝備,提高余熱利用效率,進而降低單位產品的綜合能耗,是實現低碳生產的重要途徑。

國外水泥企業已廣泛利用富氧燃燒技術,美國水泥企業平均提產8%~10%,燃料消耗降低3%~5%。天津院研發了六級組預熱預分解系統和生料輥壓機終粉磨技術,可實現噸熟料標煤耗低于93kg。我國先進的余熱發電噸熟料發電可達40kWh。

4、低碳水泥技術

高貝利特水泥、BCT水泥(貝利特-硫鋁酸鹽水泥)及LC3水泥等低碳型水泥有望替代普通硅酸鹽水泥,能夠顯著降低水泥生產過程的碳排放,已成為水泥企業關注的重點。

高貝利特水泥熟料中以C2S為主,熟料燒成溫度僅為1350℃,因此與普通硅酸鹽水泥相比,高貝利特水泥具有低資源消耗、低二氧化碳排放等特點,但早期強度較低。德國海德堡公司發明BCT水泥,其熟料煅燒溫度在1250~1300℃,預計可節約燃料和電力消耗10%~15%,CO2排放相比傳統普通硅酸鹽水泥熟料降低30%。瑞士聯邦理工學院(洛桑)開發了LC3水泥,通過火山灰反應和石灰石-黏土的相互作用增強膠凝材料的性能,預計可減少30%的CO2排放和15%~20%的生產能耗。

5、碳捕集技術

碳捕集技術是從工業生產過程中將二氧化碳分離出來,分為燃燒前、燃燒后和富氧燃燒捕捉。燃燒前捕捉具備工藝廣泛、能耗比較小、分離設備尺寸相對小、投資低等特點;燃燒后捕捉能耗較高、燃燒設備尺寸龐大,投資運營成本高;富氧燃燒捕捉需要特殊燃燒設備和技術手段,對材料的耐熱性也是一個巨大的挑戰。

拉法基豪瑞在西班牙建設大型碳捕集及利用項目,主要是收集水泥生產過程中排放的二氧化碳用于農業生產,預計2022年可投入使用,每年可處理70萬tCO2。海螺2018年在蕪湖白馬山水泥廠建成世界首條、規模為5萬tCO2/年的水泥窯煙氣二氧化碳捕集純化示范項目。臺泥在花蓮和平廠建成了首個鈣循環碳捕集試驗廠,二氧化碳經固碳轉換成可供生物代謝運用的有效碳源,并導入富含蝦紅素成分的微藻養殖,并成功開發生物醫藥領域產品。

四、結束語

水泥企業在碳達峰、碳中和“3060”目標背景下,應該加快構建清潔低碳、循環高效的生產體系,推廣廢物利用、原燃料替代、節能減排、低碳水泥及碳捕集等技術應用,持續提高能源和資源利用效率,助力水泥行業綠色低碳、高質高效發展。

轉載:作者單位:中國葛洲壩集團水泥有限公司

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