0、前言

水泥工業(yè)是資源和能源消耗型工業(yè)， 水泥生產(chǎn)需要消耗大量的石灰石和煤碳原料及電力消耗，因此水泥工業(yè)是工業(yè)部門中排放CO2的大戶， 在生產(chǎn)1t 普通硅酸鹽水泥大約排放10t CO2， 如按2007 年水泥總產(chǎn)量為13.6 億t 計(jì)算，則2007 年水泥工業(yè)排放13.6 億t CO2。與電力、鋼鐵等其它部門相比，水泥工業(yè)溫室氣體排放的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它不僅排放燃料燃燒產(chǎn)生的CO2， 還排放原料中石灰石的主要成分碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO2以及原料中碳酸鎂分解產(chǎn)生的CO2， 因此受到政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的特別關(guān)注，水泥工業(yè)也因此成為我國(guó)開發(fā)CDM 項(xiàng)目的主要工業(yè)部門。

國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)開發(fā)CDM 項(xiàng)目發(fā)展較快，截止到2008年9 月10 日， 經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)的水泥企業(yè)CDM 項(xiàng)目有128 個(gè)，占總數(shù)量（1 551）的9%。在EB成功注冊(cè)的水泥企業(yè)CDM 項(xiàng)目只有9 個(gè)，其年減排量只占年減排總量的0.48%，其減排類型單一，均為“節(jié)能和提高能效”方面，且局限于余熱發(fā)電項(xiàng)目。其中獲得執(zhí)行理事會(huì)CERs 簽發(fā)的項(xiàng)目只有一個(gè)。

國(guó)內(nèi)對(duì)水泥企業(yè)開發(fā)和實(shí)施CDM 項(xiàng)目的研究和開發(fā)工作還處于初期階段， 對(duì)水泥生產(chǎn)二氧化碳排放分析缺乏系統(tǒng)深入的分析， 排放分類和來(lái)源不夠全面且缺乏定量化的計(jì)算分析。本文結(jié)合本人的研究和工作實(shí)際對(duì)水泥生產(chǎn)二氧化碳排放進(jìn)行分析且作出定量化探討，以供進(jìn)行水泥企業(yè)CDM 項(xiàng)目研究和開發(fā)工作的單位和技術(shù)人員參考。

1、水泥生產(chǎn)二氧化碳排放的分類和來(lái)源

根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝和技術(shù)，在參閱WBCSD（世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會(huì)）編制的“水泥工業(yè)二氧化碳計(jì)算和報(bào)道標(biāo)準(zhǔn)”（縮寫為CSI）的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)水泥生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、原料消費(fèi)、燃料消耗、水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和電力消耗等方面的實(shí)際情況， 將我國(guó)水泥生產(chǎn)的二氧化碳排放分為直接排放和間接排放， 根據(jù)二氧化碳排放來(lái)源對(duì)兩類排放進(jìn)行了范圍的界定。直接排放的主要來(lái)源為本水泥工廠原料煅燒分解和原料燃燒以及燃料燃燒， 間接排放的來(lái)源是由其他工廠和實(shí)體擁有和控制的。

從水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程可分析， 水泥廠中直接二氧化碳排放的主要來(lái)源有五個(gè)：

（1）含在原料中的碳酸鹽的煅燒和有機(jī)碳的燃燒；

（2）傳統(tǒng)化石燒成燃料的燃燒；

（3）可替代化石燒成燃料（也稱為化石廢棄物）的燃燒；

（4）生物質(zhì)燒成燃料（包括生物質(zhì)廢棄物）的燃燒；

（5）非燒成燃料的燃燒。通過(guò)分析研究可得出直接二氧化碳排放的構(gòu)成和參數(shù)表,如表1。

水泥生產(chǎn)間接CO2排放有不同的來(lái)源， 具體有四個(gè)：

（1） 水泥制造單位消耗的電力的外部發(fā)電；

（2）從其他制造單位購(gòu)買熟料的生產(chǎn)和用自己?jiǎn)挝划a(chǎn)品建設(shè)的；

（3）第三方傳統(tǒng)和可替代燃料的生產(chǎn)和處理；

（4）第三方提供的原燃料輸入和水泥、熟料等輸出產(chǎn)品的運(yùn)輸。其中前兩個(gè)來(lái)源的間接排放是主要的。

2、水泥生產(chǎn)直接CO2 排放的分析和定量化探討

2.1 從原料煅燒排放的CO2

原料煅燒二氧化碳排放是指原料在高溫處理過(guò)程中碳酸鹽（如碳酸鈣和碳酸鎂）分解釋放的CO2，此部分CO2與熟料產(chǎn)品有直接關(guān)系。另外，從窯系統(tǒng)排出的窯灰和旁路粉塵的煅燒也是排放CO2的一個(gè)相關(guān)來(lái)源，這些窯灰和旁路粉塵可以直接銷售、添加到水泥中或作為廢棄物處置。

水泥廠原料煅燒排放的CO2有兩種計(jì)算方法：

一是基于所消耗原料的碳酸鹽含量來(lái)計(jì)算， 二是基于熟料和窯灰的化學(xué)成分來(lái)計(jì)算。這兩種計(jì)算方法在理論上是相當(dāng)?shù)摹１救苏J(rèn)為采用第二種計(jì)算方法更加合理，如選用原料基計(jì)算方法，在計(jì)算總的排放量時(shí)， 則沒有考慮到因窯灰的不完全煅燒引起計(jì)算量比實(shí)際排放量偏大?；谑炝虾透G灰的化學(xué)成分來(lái)計(jì)算的方法分析如下。

（1）熟料：煅燒排放的CO2是基于熟料產(chǎn)量和每噸熟料的排放因子來(lái)計(jì)算的。排放因子取決于熟料中CaO 和MgO 的測(cè)定含量， 當(dāng)由非碳酸鹽原料生成的熟料時(shí)，相應(yīng)的CaO 和MgO 的量需要修正，當(dāng)硅酸鈣和飛灰被當(dāng)作原材料入窯就是典型例子。

在缺乏更好數(shù)據(jù)的情況下， 熟料排放因子可以采用缺省值527 kg/t。具體計(jì)算過(guò)程是在正常情況下，普通硅酸鹽水泥熟料含氧化鈣65%左右，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：CaCO3= CaO+CO2， 每生成1 份CaO 同時(shí)生成0.785 7 份CO2， 故每生產(chǎn)1 t 水泥熟料CO2排放量為：1×65%×0.785 7=0.511 t。另外，考慮熟料中典型的MgO 含量為1.5％左右， 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式： MgCO3 = MgO + CO2，每生成1 份MgO 同時(shí)生成1.092 份CO2， 所以每生產(chǎn)1 t 水泥熟料CO2排放量為：1×1.5%×1.092=0.016 t。綜合計(jì)算得煅燒熟料排放因子為527 kg/t。

（2）窯灰：從窯系統(tǒng)排出的窯灰（簡(jiǎn)稱CKD）和旁路粉塵的煅燒排放的CO2可通過(guò)灰塵量和排放因子計(jì)算出來(lái)。計(jì)算時(shí)要取從窯系統(tǒng)排出的灰塵的總量，不論是直接賣出的、加到水泥中的還是當(dāng)作廢棄物處置的都要算進(jìn)去。旁路粉塵通常是完全煅燒的，所以與旁路粉塵有關(guān)的排放可以采用熟料排放因子進(jìn)行計(jì)算。CKD 與旁路粉塵不同，通常不完全煅燒，CKD 的排放因子取決于熟料排放因子和CKD 的煅燒率，具體參見如下公式：

式中：EFCKD—部分煅燒水泥熟料灰的排放因子；EFcli—熟料排放因子；d—CKD 煅燒率，即排放的CO2量占原料中碳酸鹽的CO2總量的比例。

CKD 的煅燒率可采用水泥廠的測(cè)定數(shù)據(jù)，在缺乏此數(shù)據(jù)的情況下，缺省值可以設(shè)定為1。本人認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)保守， 這在大多數(shù)情況下將較高估計(jì)了相關(guān)CKD 排放， 因?yàn)镃KD 在通常情況下是不完全煅燒的，其實(shí)際煅燒率通常更接近于0 而不是1。

2.2 從原料中有機(jī)碳排放的二氧化碳

除了無(wú)機(jī)碳酸鹽以外， 用于熟料生產(chǎn)的原材料中通常含有小部分有機(jī)碳， 其在生料高溫處理過(guò)程中大部分轉(zhuǎn)化成CO2，原料中總有機(jī)碳（簡(jiǎn)稱TOC）的含量隨著地點(diǎn)和使用原料類型的不同而改變。原料中TOC 的典型含量大約為0.1%～0.3% (干基)，這相當(dāng)于每噸熟料有10 kg 的CO2排放， 這大約是原料煅燒和燒成燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放的1%。它們對(duì)整個(gè)排放的貢獻(xiàn)是小的， 其排放計(jì)算的正常缺省值為：原料與熟料比為1.55，原料中總TOC 的含量為2 kg/t(干基，相當(dāng)于0.2%)。沒有必要深入分析這種排放，除非有機(jī)碳的排放對(duì)計(jì)算影響較大，這種有現(xiàn)實(shí)的例子。例如，當(dāng)工廠消耗了頁(yè)巖或飛灰等用作原料入窯，頁(yè)巖或飛灰的TOC 含量較高。

2.3 從傳統(tǒng)的燒成燃料排放的CO2

傳統(tǒng)的燒成燃料是包括煤、焦碳、燃油和天然氣等在內(nèi)的化石燃料。計(jì)算傳統(tǒng)燒成燃料排放CO2的首選方法是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應(yīng)的燃料排放因子的計(jì)算。其中，燃料消耗和燃料的低位熱值在工廠都是可以測(cè)定的。對(duì)于排放因子，工廠應(yīng)盡量使用本廠和國(guó)內(nèi)經(jīng)計(jì)算的排放因子， 當(dāng)很難得到相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，也可以參考IPCC 和CSI 推薦的缺省值，各種化石燃料每GJ 低位熱值的排放因子列表如表2。假設(shè)水泥廠用的燃料煤的低位熱值為230000 kJ/kg，排放因子按照IPCC 的缺省值960kg/GJ計(jì)算，則可計(jì)算出每噸煤產(chǎn)生2.21 t 的CO2，再根據(jù)燃料消耗就可計(jì)算出該燒成燃料CO2的排放。

其次，當(dāng)燃料成分有具體的變化，尤其是水含量計(jì)算進(jìn)去的情況下，可以選取另一種計(jì)算方法，即基于燃料消耗（以噸計(jì)）和燃料碳含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）的排放計(jì)算。通常情況下， 化石燃料存在不完全燃燒，對(duì)于水泥窯，此影響可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗喔G具有很高的燃燒溫度和長(zhǎng)停留時(shí)間的特點(diǎn)， 在水泥窯中只能發(fā)現(xiàn)極少的殘余碳。因此，在所有燒成燃料中的碳可以認(rèn)為是完全氧化。假設(shè)水泥廠用的燃料煤的固定碳含量為65%， 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：C+O2=CO2，對(duì)于水泥窯，假定碳完全燃燒，則每噸煤產(chǎn)生2.38 t 的CO2，再根據(jù)燃料消耗也可計(jì)算出該燒成燃料CO2的排放。

2.4 從可替代燒成燃料排放的二氧化碳

水泥工業(yè)越來(lái)越多地使用各種可替代燃料（簡(jiǎn)稱AF），這些燃料主要來(lái)源于廢棄物。如果不用作可替代燃料，就必須采用其他處置方式，通常采用衛(wèi)生填埋和焚燒兩種方式?？商娲剂习ㄏ駨U輪胎、廢油、廢塑料等化石燃料和像廢木材和污泥等生物質(zhì)燃料?？商娲剂峡勺鳛榛剂系囊环N替代品。

2.4.1 從生物質(zhì)燃料排放的二氧化碳

計(jì)算生物質(zhì)燃料排放CO2的方法也是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應(yīng)的燃料排放因子的計(jì)算。其中，燃料消耗和燃料的低位熱值在工廠都是可以測(cè)定的。對(duì)于排放因子，可以參考IPCC 和CSI 推薦的缺省值，各種生物質(zhì)燃料每GJ 低位熱值的排放因子列表如表3。因生物質(zhì)燃料自身的特殊性，從生物質(zhì)燃料（包括生物質(zhì)廢物）燃燒直接排放的CO2不計(jì)入排放總量中。

2.4.2 從可替代化石燃料排放的二氧化碳

計(jì)算可替代化石燃料排放CO2的方法也是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應(yīng)的燃料排放因子的計(jì)算。其中，燃料消耗和燃料的低位熱值在工廠都是可以測(cè)定的。對(duì)于排放因子，可以參考CSI 推薦的缺省值，各種生物質(zhì)燃料每GJ 低位熱值的排放因子列表如表4。

從可替代化石燃料燃燒直接排放的CO2應(yīng)計(jì)入直接CO2排放總量中，CO2排放因子主要取決于可替代化石燃料的類型， 因此各工廠可以建立自己的燃料排放因子清單。當(dāng)工廠缺乏這些數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用以上表格提供的缺省排放因子， 這些是CSI 通過(guò)測(cè)量和估算再匯總出來(lái)的。對(duì)于一些如用過(guò)的輪胎和鋸灰等可替代化石燃料, 他們既含有化石碳又含有生物質(zhì)碳，在計(jì)算合理的排放因子時(shí)，應(yīng)考慮化石碳在燃料中整個(gè)碳含量的份額比例。然而，這個(gè)份額的測(cè)量非常困難且昂貴， 因?yàn)橐恍┤剂鲜墙?jīng)常變化的。因此，在計(jì)算時(shí)，可采用保守的方法，即假設(shè)這些燃料中，化石碳占100%。

2.5 從非燒成燃料排放的二氧化碳

非燒成燃料包括熱處理設(shè)備（例如烘干機(jī)）、自己發(fā)電、工廠和采石場(chǎng)的交通工具、房間供熱等使用的燃料。這些燃料在水泥廠現(xiàn)場(chǎng)的燃燒會(huì)排放CO2。

從非燒成燃料排放的CO2可以根據(jù)應(yīng)用類型分別記錄。主要應(yīng)用類型為：

（1） 設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)交通工具；

（2） 房間供熱和制冷；

（3） 原料烘干，包括烘干黏土、鐵粉、煤、礦渣等；

（4） 工廠現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電。非燒成燃料可假定為完全氧化， 在煙或灰中碳的殘余量忽略不計(jì)。高估排放的結(jié)果誤差經(jīng)常比較小，大約為1%。對(duì)于使用固定的燃料也可以按照不完全燃燒來(lái)計(jì)算。

2.5.1 原料烘干用燃料排放的二氧化碳

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，黏土、鐵粉、礦渣等原料因水分超過(guò)正常指標(biāo)需要進(jìn)行烘干， 烘干用燃料的多少與對(duì)余熱的利用程度和原燃料的自然水分有關(guān)，如不考慮烘干物料對(duì)余熱的利用， 按原燃料的自然水分為18%， 按生產(chǎn)1 t 熟料需烘干0.5 t 左右原燃料計(jì)算，烘干用煤約為0.02t。煤的低位熱值按230000kJ/kg 計(jì)算。下面按兩種計(jì)算方法計(jì)算CO2排放。

（1）基于燃料消耗和燃料碳含量計(jì)算CO2排放。假設(shè)水泥廠烘干原料用的煤的固定碳含量為65%，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：C+O2=CO2，對(duì)于烘干機(jī)，假定碳完全燃燒，則每噸煤產(chǎn)生2.38 t 的CO2。則每生產(chǎn)1 t 水泥熟料，烘干原料用燃料煤因燃燒產(chǎn)生的CO2為0.02×2.38=0.048 t。

（2）基于燃料消耗、燃料低位熱值和排放因子計(jì)算CO2排放。假設(shè)水泥廠用的燃料煤的低位熱值為230000 kJ/kg， 煤排放因子按照IPCC 的缺省值960kg/GJ 計(jì)算，則生產(chǎn)1 t 水泥熟料，烘干原料用燃料煤因燃燒產(chǎn)生的CO2為0.02×23 000×96=0.044 t。

2.5.2 因交通運(yùn)輸排放的二氧化碳

和其他制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程一樣， 水泥生產(chǎn)需要運(yùn)輸以提供原料和燃料， 還需要運(yùn)輸發(fā)送熟料和水泥等產(chǎn)品。在某些情況下，熟料需要輸送到其他地方進(jìn)行粉磨。輸送方式包括輸送帶、鐵路、水路和公路。如果輸送是由獨(dú)立的第三方執(zhí)行， 相關(guān)的排放被認(rèn)定為間接的排放。具體與水泥生產(chǎn)有關(guān)的運(yùn)輸詳細(xì)分類見表5。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自己運(yùn)輸（包括出租的交通工具）的能量消耗分析可計(jì)算出相關(guān)的排放，主要包括交通工具的燃料消耗和輸送帶的電力消耗。另外，關(guān)系到電力消耗的排放認(rèn)定為間接排放， 自己公司發(fā)電的除外。

對(duì)于與以下類型的運(yùn)輸相關(guān)的排放， 可以不計(jì)入工廠邊界內(nèi)的排放。（1）由第三方實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸（即交通工具不被工廠主體擁有）；（2）所有廠外運(yùn)輸（例如燃料、半成品和成品等），不管運(yùn)輸是否由第三方或公司自己船隊(duì)來(lái)執(zhí)行。這種例外主要是因?yàn)橄嚓P(guān)的排放與窯排放相比較較小。

3、水泥生產(chǎn)間接CO2 排放的分析和定量化探討

3.1 由外部電力生產(chǎn)產(chǎn)生的間接二氧化碳排放

由外部電力生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳可基于測(cè)量的電力消耗、優(yōu)先從電力供應(yīng)者獲得的CO2排放因子為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。也可以采用各國(guó)家的平均排放因子，此排放因子覆蓋所有用于發(fā)電的燃料，如煤、油和天然氣等。測(cè)量電力消耗時(shí)可不考慮傳輸和分配損失。根據(jù)國(guó)家公布的火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗356 g/kWh計(jì)算，即發(fā)電1 kWh 需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.356 kg，按1 t煤產(chǎn)生2.38 t 的CO2計(jì)算， 則發(fā)電1 kWh 排放二氧化碳0.847 kg。

3.2 由購(gòu)買熟料生產(chǎn)產(chǎn)生的間接二氧化碳排放

由購(gòu)買熟料的生產(chǎn)產(chǎn)生的間接二氧化碳排放可基于購(gòu)買的凈熟料量、熟料的CO2排放因子進(jìn)行計(jì)算。其缺省的CO2排放因子為862 kg/t。對(duì)于某個(gè)公司有多個(gè)工廠時(shí)，為確保公司整體利益，內(nèi)部各工廠之間經(jīng)?；ハ嗾{(diào)劑熟料量，為避免重復(fù)計(jì)算，對(duì)各個(gè)工廠均應(yīng)該填報(bào)熟料流量表， 購(gòu)買的凈熟料量等于購(gòu)買量減去賣出量。對(duì)于單純從其他廠家購(gòu)買熟料，購(gòu)買的凈熟料量就是購(gòu)買總量。

4、結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合我國(guó)水泥生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備、原料消費(fèi)、燃料消耗、水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和電力消耗等方面的實(shí)際情況， 水泥生產(chǎn)的二氧化碳排放可分為直接排放和間接排放，水泥廠直接二氧化碳排放有五個(gè)來(lái)源，間接二氧化碳排放有四個(gè)來(lái)源。

（2）根據(jù)水泥生產(chǎn)二氧化碳排放分類和來(lái)源，從原料煅燒、原料中有機(jī)碳、傳統(tǒng)燒成燃料、可替代燒成燃料和非燒成燃料五個(gè)方面分析研究了水泥生產(chǎn)直接二氧化碳排放的計(jì)算方法， 并進(jìn)行了定量化探討。

（3）根據(jù)水泥工廠實(shí)際運(yùn)行情況，水泥廠間接二氧化碳排放有兩個(gè)主要來(lái)源， 從外部電力生產(chǎn)和購(gòu)買熟料的生產(chǎn)兩個(gè)方面產(chǎn)生的二氧化碳排放可以進(jìn)行定量分析和計(jì)算。

（4）以水泥生產(chǎn)二氧化碳排放分析和計(jì)算為基礎(chǔ)， 可以對(duì)二氧化碳的減排方法和效果進(jìn)行更深入地研究，可以研究得到更多更優(yōu)的減排方法，可有效促進(jìn)水泥企業(yè)CDM 項(xiàng)目的研究和開發(fā)實(shí)施。

作者：何紅濤

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