水泥工业低碳发展

1. 中国建筑材料科学研究总院 水泥工业低碳发展 房晶瑞 010-51167451 fangjingruicbma@163.com

2. 国内外背景 低碳 经济 低碳旨在倡导一种低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，减少有害气体排放 碳 排放 碳 标签 低碳 核心 减少CO2排放 发展绿色经济 碳 交易 碳 足迹

3. 国内外背景 国际背景

4. 国内外背景 国内背景 • 《中国21世纪议程》 • ——1994年3月，中国21世纪人口、环境与发展白皮书 • 《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》 • ——2004年10月，国家气候变化对策协调机构，国家温室气体清单 • 《中国应对气候变化国家方案》 • ——明确了到2010年中国应对气候变化的具体目标、基本原则、重点领域及其政策措施。 • 我国控制温室气体排放行动目标确定 • ——到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％-45％，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。 • 《“十二五”控制温室气体排放工作方案》 • —— 到2015年全国单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年下降17%。 • 综合运用多种控制措施，如加快调整产业结构、推进节能降耗、发展低碳能源、增加碳汇等；加强温室气体排放核算工作。

5. 国内外背景 国家应对气候变化规划 （2014-2020年） 实现到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%、非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右、森林面积和蓄积量分别比2005年增加4000万公顷和13亿立方米的目标等。 低碳试点示范取得显著进展，适应气候变化能力大幅提升，能力建设取得重要成果，国际交流合作广泛开展。

6. 国内外背景 • 煤炭是建材工业的主要能源品种，占建材工业能源消耗总量的80%，其次是电力，电力消耗占建材工业能源消耗总量的12%。 • 水泥、平板玻璃、建筑陶瓷、卫生陶瓷是建材工业中的主要能耗产品，能源消耗占建材工业总能耗的70%以上，是推进建材工业节能的重要环节。

7. 水泥行业相关政策 • 国务院 《“十二五”节能减排综合性工作方案》 加快水泥工业的科技进步，推动水泥工业绿色、低碳发展，促进水泥工业大幅度节能减排，是水泥工业发展面临的紧迫任务，也是实现经济社会发展和生态文明建设的主要内容。 • 工信部 《关于水泥工业节能减排的指导意见》 到“十二五”末，全国水泥生产平均可比熟料综合能耗小于114kg标准煤/t，水泥综合能耗小于93kg标准煤/t。水泥颗粒物排放在2009年基础上降低50%，氮氧化物在2009年基础上降低25%，二氧化碳排放强度进一步下降。

8. 水泥年产量 24.2 亿吨 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 18.8 16.5 5.74 1980 1990 2000 2009 2010 2013 2.1 0.87 水泥工业现状 水泥工业——国民经济支柱产业 • 2013年水泥总产量24.18亿吨； • 水泥产量连续29年世界第一； • 全国有新型水泥干生产线1700多条； • 年均增长3%~4%； 水泥工业——高能耗高排放行业 发展需求 ◎ 用量最大的基础建设材料 ◎ 国家社会经济快速发展 ◎ 基本建设投入不断加大 ◎ 城镇化速度不断加快 ◎ 人均住房面积逐步增加 • 能源消耗总量约为1.9亿吨标准煤，占全国能源消耗总量的5.8%左右； • CO2排放量占全国总量的9~10%； • 污染物：NOx、粉尘、SO2等；

9. 水泥工业现状 全国水泥熟料生产线规模 2013年，新增熟料生产线72条，4000t/d以上规模的49条， 2000~4000t/d规模的23条，新增熟料产能9430万吨。 设计熟料产能达到17亿吨。

10. 世界水泥产量 水泥工业现状

11. 水泥工业现状 世界水泥产量

12. 水泥工业现状—欧盟 • 欧盟 • 2001年的水泥产量近2.2亿吨，而由于金融危机的影响，其在2011年降到约2.0亿吨，人均水泥消费量约400kg。 • 作为世界水泥行业技术最为先进的地区之一，欧盟拥有世界六强水泥企业中的五强（2005年），分别为法国Lafarge集团、瑞士Holcim公司、德国Heidelberg集团、意大利Italcementi公司和BuzziUnicim公司。 • 拥有先进的技术工艺、完整的装置设备、充足的资金等优势，再辅以欧盟的严格标准，使得欧盟各国的水泥技术均处于先进水平，如部分欧洲国家水泥行业平均替代燃料率可达50%，甚至部分水泥企业全年替代燃料率达80%；世界上先进的技术一般都来源于欧洲。

13. 水泥工业现状—美国 • 美国： • 美国水泥行业技术水平较其经济和科技水平较为落后，但其采取积极措施来降低水泥行业CO2排放量。 • 从2010年开始美国环保署强制水泥厂将其排放状况及时报告给美国政府，其CO2减排目标是降低吨水泥的CO2排放量，包括使用能源效率更高的工艺技术、非碳酸盐原料部分替代原料中的氧化钙、使用火山灰等部分替代波特兰水泥、开发可以替代水泥的新品种等。

14. 水泥工业现状—印度 • 印度 • 印度是仅次于中国的第二大水泥制造国，2009年印度水泥产能2.1亿吨（中国21亿吨），企业513家（中国5103家），新型干法占97%（中国70%）。 • 关于能耗水平，印度水泥工业在企业、设备供应商、咨询部门等的共同努力下，达到了世界先进水平。2005年，印度吨水泥（OPC）综合电耗达到了82kWh/t，熟料烧成热耗3022kJ/kg。 • 印度工业联合会已将印度水泥发展定位在了世界级水准，并制定了力争电耗降至56~62kWh/t，熟料热耗2717kJ/kg的未来发展目标。

15. 水泥工业现状—俄罗斯 • 俄罗斯 • 俄罗斯的水泥行业却处于全球相对最差的水平：俄罗斯1990年有234条湿法生产线、29条干法生产线；1998年有191条湿法生产线、25条干法生产线；2007年有190条湿法生产线、25条干法生产线；2010年俄罗斯水泥生产能力为7600万吨，其中工艺湿法窑占83%，产能利用率仅为66%。而俄罗斯的水泥产量早在1990年时，就达到9000万吨，但是历经1990年的政治风波后，俄罗斯水泥工业年产量仅2600万吨左右，大量的水泥厂倒闭，而且其企业存在着生产效率偏低、规模偏小、能耗偏高的特点，已远远落后于世界发达国家的水泥行业。。

16. CO2排放量计算及认证

17. 水泥工业CO2排放情况 • 直接排放 • 碳酸盐的分解 CaCO3  CaO + CO2 • 燃料的燃烧 • 间接排放 • 电力消耗

18. 水泥工业CO2排放情况 -2.43 余热发电CO2减排量 5.93 每生产1吨水泥熟料会产生直接CO2排放0.853吨，其中0.320吨是由于燃料燃烧产生的，0.533吨是由于原料中的碳酸盐分解产生的；由于电力消耗，每生产1吨水泥熟料还会产生间接CO2排放约0.06吨。 水泥熟料生产各工艺过程CO2排放量所占比例见左图。 电力消耗产生的CO2排放量 34.90 58.47 碳酸盐分解产生的CO2排放量 实物煤燃烧产生的CO2排放量 单位水泥熟料CO2排放量示意图

19. 水泥工业CO2排放情况 理论分析: 每吨水泥熟料生产平均热耗为0.12吨标准煤，平均电耗为120kW·h；产生的CO2排放约为600千克。 统计分析: 水泥行业在全国工业行业废气排放总量中，位于火力发电业和冶金工业之后列第三位。 水泥行业CO2排放占全社会总排放18%左右。 19

20. 水泥工业CO2排放情况 我国2000年-2011年CO2排放量情况 水泥工业的CO2减排对我国节能减排有举足轻重的作用，也是中国应对气候变化的重要措施和水泥工业可持续发展的重要保证。

21. 水泥工业CO2排放情况 • 窑炉烟气大部分从窑尾烟囱排出，CO2浓度约达30%，少量从窑头烟囱排出，CO2浓度低于1%； 5000t/d生产线 烟气量系数为3964 m3/t-熟料（2007全国污染源普查） 每年可产生CO2约185万吨

22. 中国环境标志产品认证 环境标志产品是对产品生命周期全过程的环境行为进行控制。由国家指定的机构依据环境标志产品标准（也称技术要求）及有关规定，对产品的环境性能及生产过程进行确认，并以标志图形的形式告知消费者哪些产品符合环境保护要求，对生态环境更为有利。 环保部环境认证中心 （中环联合） 经国家环境保护部授权、经国家认证认可监督管理委员会认可的，代表国家对绿色产品进行权威认证并授予产品环境标志的机构。 中国建筑材料科学研究总院 编写《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法》，协助环保部制定低碳水泥国家标准，为环境标志产品认证提供技术支持和技术服务。

23. 中国环境标志产品认证 政府绿色采购与环境标志 自2006年起，环境标志产品认证结果被财政部政府采购中心所采信，为中国政府实施绿色采购制度提供支持，目前财政部与环境保护部已经共同发布了十三期环境标志产品政府清单。环保部每月都会发布通过中国环境标志认证的企业名单。 国际互认 中国环境标志分别与日本，韩国，澳大利亚，新西兰，香港、德国、北欧和泰国环境标志机构签署了互认合作协议，为中日、中韩、中澳、中新、中港、中德、中北欧和中泰间建立绿色通道奠定了基础。

24. 中国环境标志产品认证 基于《水泥生产企业二氧化碳排放计算方法》、《环境标准产品技术要求 水泥》，已为国内大型水泥集团的30余家企业进行了中国环境标志低碳产品认证。 将继续推广低碳水泥和预拌混凝土认证。 截止到2014年6月

25. 《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法》标准《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法》标准 “水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法”标准 规范了水泥生产企业CO2排放量计算的基准、范围、换算、报告进行了规范，为水泥工业提供了计算二氧化碳排放量的统一方法。 为认证标准进行碳排放量核算的重要依据。

26. 《环境标志产品技术要求》标准 • 《环境标志产品技术要求水泥》 规定了水泥环境标志产品的术语和定义、基本要求、技术内容及其检验方法。 本标准适用于新型干法水泥生产工艺生产的通用硅酸盐水泥。。 • 《环境标志产品技术要求预拌混凝土》 规定了预拌混凝土环境标志产品的术语和定义、 基本要求、技术内容和检验方法。 本标准适用于集中搅拌站生产的预拌混凝土。

27. 水泥行业碳减排技术 • 原料替代 • 降低水泥中熟料系数 2 降低热耗 3 降低电耗 • CCUS：CO2捕集、转化利用 • 水泥窑能源管控系统 4 其他 1 减少原料分解产生的CO2

28. 水泥工业碳减排技术

29. 提高产能 • 最大可以达到超过20%产能的提高 • 根据炉窑具体情况，产能提高能力在5-20%之间 提高燃烧效率 • 燃料节省3-5%，最大可节约10%以上 • 当用替代燃料时，燃料节约效果更明显 改造便利性 • 最少的初期投入 • 在合同签订的60天内，达到产能提高的目的 其他 • 可延长耐才寿命 • 减少烟气中的粉尘 • 提高炉窑稳定性 水泥行业碳减排技术—富氧燃烧 1 富氧燃烧 • 向燃烧区通入充足的氧气，使燃料在富氧乃至纯氧条件下进行燃烧。 富氧燃烧技术优势

30. 企业 地点 日期 窑型 燃料 效果 美国加州波特兰水泥厂 Mojave, CA 2003 预热/ 预分解 煤和燃料油 • 产能提高20% • 吨氧提高4-4.5吨熟料产能 • 没有增加氮化物排放 欧洲水泥生产厂家 意大利 2001 煤和燃料油 • 产能提高大于20% • 没有增加氮化物排放 亚洲水泥生产厂家 韩国 1995 预热 燃料油 • 产能提高10% • 燃料节省6% • 吨氧提高3-3.5吨熟料产能 Hercules 水泥厂 Stockertown, 宾州，美国 1999-2001 预热/ 预分解 焦油 • 产能提高8-10% • 吨氧提高熟料产能4吨左右 • 燃料节约3-5% • 没有增加氮化物排放 Ash Grove 水泥厂 Chanute, 堪萨斯州 1994 湿法 煤和垃圾 吨氧提高1.3吨熟料产能 Mountain 水泥厂 Laramie, 怀俄明州 1994 预热 煤 • 产能提高10-14% • 吨氧提高2.3-5.2吨熟料产能 • 没有增加氮氧化物排放 国外水泥厂应用现状

31. 减排效果： 吨熟料CO2削减量约为2.0-3.7%，5000t/d生产线年减排CO2约2.7-4.5万吨。 社会效益： 促进劣质燃料的使用。 经济效益： 综合煤耗降低5-10%，吨熟料增加电耗1-3kwh，设备投资1500-4500万元，则回收期为1-7年。 示范情况： 烟台海洋水泥有限公司， 河南天瑞集团汝州水泥有限公司等。 某企业锅炉富氧燃烧打开/关闭对比图

32. 水泥行业碳减排技术—燃料替代 2 燃料替代技术 替代燃料是指CO2排放因子小于标煤的替代燃料，标煤CO2排放因子为0.094kgCO2/MJ，而废轮胎的排放因子为0.085kg/MJ，废玻璃钢为0.083kg/MJ，均低于标煤CO2排放因子，因此使用这类替代燃料，可以降低CO2排放量。 对于浸渍木屑污泥木材、木材废弃物农业、有机织物废弃物、生活垃圾筛上物等含100%生物质碳，可不计入其CO2排放量，因此生物质燃料的使用也可以降低CO2排放量。 对于废弃玻璃钢10%替代传统燃料，其指标如下： 减排效果：吨熟料CO2减排量4.2kg，年减排CO2约0.63万吨； 经济效益：设备投资400-500万元，则投资回收期为0.25-0.31年； 社会效益：废弃物回收量11.1kg/tcl，年回收废弃玻璃钢1.7万吨； 示范情况：北京水泥厂利用废弃玻璃钢项目、华新秭归自用长江漂浮物项目等。

33. 污泥燃料化技术 优点： 1. 工艺简单，运行容易 循环利用污泥的蒸发蒸汽，仅排出剩余蒸汽的简单工艺； 2. 对恶臭气体容易采取相应措施 干燥机内为微负压，不会有恶臭气体漏出，恶臭气体在热源炉内可以得到分解； 3. 干燥热源的多样化 蒸汽、空、低温废气等热源可以得到利用 33

34. 20 min 25 min 10 min 水泥行业碳减排技术—协同处置废弃物 3 协同处置废弃物 • 利用窑炉高温特性，焚毁废物中的有害组分，并达到综合利用的目的。 烟气（750℃） 预热器+分解炉 物料 燃烧器（ 1250℃） 预热+升温 （+ 1250℃ ） 分解+升温（850℃） 物料（900℃） 燃烧器 （1850℃） 固-液相反应（1450℃） 部分分解+升温（1250℃） 熟料冷却 熟料 (1350℃） 水泥窑处置固体废物优势

35. 生料（炉渣配料） 污泥 生料(炉渣配料） 飞灰 去煤磨 去增湿塔 替代燃料 废液 C1 C1 浆渣废弃物 C2 C2 污泥拌和料 C3 C3 飞灰 去煤磨 C4 C4 C5 C5 去增湿塔 替代燃料、废液 浆渣废弃物 水泥窑协同处置废弃物流程图

36. 根据2006年GNR的数据，全球范围内水泥行业能源供给的7%是替代燃料，3%是生物质，剩余90%是传统化石燃料。根据2006年GNR的数据，全球范围内水泥行业能源供给的7%是替代燃料，3%是生物质，剩余90%是传统化石燃料。 2008年德国水泥工业按全国熟料热耗计的替代燃料对化石燃料的替代率已达58%、荷兰81%、法国34%、比利时50%、瑞典29%、捷克45%、美国24%、日本12%。 右表：2010年日本水泥工业消纳的废弃物（万吨） 。

37. 城市生活垃圾具有一定热值，其灰渣可用作熟料烧成原料或水泥制备混合材，因此协同处置城市生活垃圾具有一定的燃料替代率和原料替代率。城市生活垃圾具有一定热值，其灰渣可用作熟料烧成原料或水泥制备混合材，因此协同处置城市生活垃圾具有一定的燃料替代率和原料替代率。 减排效果： 对5000t/d新型干法线，其处理垃圾量为200t/d，即处置垃圾量占总熟料产量4%，其燃料替代率为5-10%，原料替代率为2-4%，则年减排CO2排放量约为0.9-1.6万吨； 社会效益： 吨熟料回收城市生活垃圾40kg，年处置垃圾量为6万吨； 经济效益： 设备投资7000-12000万元，以政府每吨垃圾补贴150元，则回收期为5-12年； 示范情况： 台湾水泥有限公司，北京金隅集团琉璃河水泥有限公司 ，安徽铜陵海螺 ，华新等。

38. 国家标准《水泥窑协同处置固体废物技术规范》国家标准《水泥窑协同处置固体废物技术规范》 标准规定了水泥窑协同处置固体废物的术语和定义、协同处置固体废物的鉴别和检测、处置工艺技术和管理要求、入窑生料和水泥熟料重金属含量限值及水泥可浸出重金属含量限值、检测方法及检测频次等。

39. 水泥行业碳减排技术—预烧成技术 土立窑 立窑 4 预烧成窑炉技术 回转窑中仍存在堆积态传热，窑尾部分生料传热及反应热量需求与热量供给间存在矛盾，限制了熟料烧成热耗的降低和单机窑产量的提高；通过提高入窑生料活性,缩短物料在窑内的缓慢升温，加快后续固液相反应。 基于熟料烧成过程中多阶段形成的客观事实，提出的具有创新性的概念型生产工艺--水泥预烧成技术，以期进一步增强换热效率，提高物料反应活性，减少回转窑热损失和热负荷，建立新一代，高能效水泥窑炉工艺模型。 湿法窑 回转窑

40. 针对预分解窑炉存在的“热瓶颈”，研究提高入窑物料反应活性的条件，加速水泥熟料固相反应及形成过程，并研究生产过程中有害元素控制措施。 理论研究 通过现场检测和模拟分析，提出预分解窑炉技术改进方向、思路、方案；并确定新型RSP分解炉的结构参数和优化运行参数。 模拟分析 为实现新型RSP型分解炉技术及示范应用，开发多功能耐高温材料，研发了镁铝尖晶石-堇青石材料新体系。 材料研发 强调增强分解炉煅烧功能，使物料全部分解反应及部分固相反应在分解炉中进行；物料入窑后直接进行后续的固相反应和液相反应，提高反应速率，增强有效传热，从而大幅度提高回转窑产量，降低生产热耗。

41. 鲁南中联水泥有限公司2000t/d预分解窑炉进行技术改造，以验证水泥预烧成技术理论成果及配套研发的多功能耐高温材料。鲁南中联水泥有限公司2000t/d预分解窑炉进行技术改造，以验证水泥预烧成技术理论成果及配套研发的多功能耐高温材料。 减排效果： 吨熟料CO2削减量约为2.0-3.7 %， 5000t/d生产线年减排CO2约2.7-4.5万吨。 经济效益： 综合能耗降低5-10%，吨熟料运行成本降低5.9-10.8元，设备投资3000-9000万元，则回收期为1.5-9年。

42. 水泥行业碳减排技术--CCUS 5 CCUS

43. ECRA

44. post-combustion capture • 工业化应用 • 2025 燃烧后捕集 • 2030 全氧燃烧捕集 • 成本分析 (包含投资、运输、储存） • 燃烧后: 50−100 €/t • 全氧燃烧: 40−60 €/t oxy-fuelprocess successful demonstration projects ECRA

45. Air Separation空气分离 Air空气 N2  Atmosphere大气 废气再循环 Exhaust Gas Recirculation O2 废气（富含二氧化碳）Exhaust Gas with rich CO2 熟料煅烧工艺Clinker Calcination Technology 原材料Raw Meal 熟料Clinker 水泥窑全氧燃烧技术 水泥窑全氧燃烧就是把燃料与85% ~ 100%的氧气以及富含CO2的循环废气按预定燃料比混合，将其代替空气鼓入分解炉和回转窑炉中助燃燃料的技术。

46. 水泥窑全氧燃烧流程示意图

48. Oxy-fuel process O2-generation CO2-processing

49. (混合气体——21%O2+79%CO2) 空气和混合气体的热传递系数和热容 提高热传递系数和热容 有益于熟料的烧成和冷却!

50. CO2浓度对窑炉工况的影响 二次/三次空气中CO2浓度对回转窑烟温的影响 气体中CO2浓度对预热 器、冷却机效率的影响