摘要：我國已經將雙碳目標納入生態文明建設整體布局，制定碳達峰行動計劃，全力以赴實現雙碳目標。我國水泥產量已經穩居世界第一，水泥行業碳排放比例已經在我國工業生產中排在前列，在雙碳背景下的水泥行業降碳已經迫在眉睫。本文介紹了雙碳背景對水泥行業的影響，提出了一些水泥行業降碳的措施，為水泥行業碳達峰、碳中和提供一種思路。
1.前言
2020年我國建筑材料二氧化碳排放高達14.8億噸，電力消耗1.7億噸，排放總量16.5億噸。其中水泥行業碳排放12.3億噸，電力消耗8955萬噸，排放總量13.2億噸，占建材行業排放總量的75%。2020年全球水泥總產量41億噸，我國水泥產量23.3億 噸，占世界水泥總產量的55%。水泥行業二氧化碳排放量占全國排放總量的16.6%，二氧化碳排放量與熟料的產量有很大關系。
2 水泥行業碳排放來源
2.1 生料碳酸鹽分解
水泥生產過程就是將生料制備成為熟料，再將熟料制備成為水泥的過程。其中熟料的制備其中重要一環就是將生料中碳酸鹽分解。影響碳酸鹽分解的因素主要有石灰石性質、生料細度和顆粒級配、生料懸浮分散程度、分解爐溫度、窯內通風和粘土質原料性質等因素。
2.2 燃料的燃燒
生料在制備成為熟料的過程中需要大量的熱，一般國內水泥廠使用煤粉在窯頭和分解爐進行燃燒產生熱量。煤粉的主要成分是碳，碳燃燒后產生大量的二氧化碳。煤粉的燃燒過程分為干燥、熱解及揮發分析出、揮發分燃燒、焦炭燃燒。
2.3 協同處置廢棄物產生
廢棄物主要包括污泥、污染土、垃圾、危險廢物等，協同處置廢棄物產生的二氧化碳相對于熟料生產較小，但是廢棄物中存在的大量氟、氯、硫、堿等有害物質在處置過程中會對回轉窯系統帶來較大危害，間接增加了二氧化碳產生。
2.4 水泥生產用電消耗
水泥在生產過程中會使用大量電力資源，電力的生產也會產生二氧化碳。新出臺的《水泥單位產品能源消耗限額》GB16780-2021規定的熟料單位產品綜合電耗和水泥工段電耗限額標準較老版本（GB16780-2012）都有所提升。
新標準的熟料和水泥電力消耗標準都有所提升，也為水泥行業節能降碳進行了更加嚴格的標準約束。
3.水泥行業碳減排措施
3.1 使用替代原材料
水泥生產中，石灰石中碳酸鈣分解產生的CO2約占水泥廠CO2排放總量的60%，是水泥廠最重要的碳排放源。因此使用含CaO的替代原料代替石灰石減碳的措施是一個行之有效的方法。
化工行業電石渣可以替代石灰石生產熟料，電石渣的主要成分是Ca(OH)2，電石渣的CaO含量約為54%左右，使用1t電石渣替代石灰石可以減排0.424tCO2。工業廢棄物，如高爐礦渣和粉煤灰，其CaO含量較粘土更高，也可以有效降低配料過程中石灰石用量。經研究表明，使用1t高爐礦渣替代可以減35kgCO2。
3.2 技術性減排
3.2.1 窯爐節煤
回轉窯及預熱器用煤產生的CO2占水泥廠排放比例也較大，約占所有排放量的35%左右。因此，窯爐方面先進的技術性減排措施可以有效降低CO2排放量。
窯爐節煤可以從以下幾方面考慮，（1）新型高性能窯頭燃燒器應用。水泥企業在選用窯頭燃燒器時，必須選用與本企業水泥窯型相適應的燃燒器，窯頭一次風機的選型也是燃燒器節煤的關鍵，根據相關研究表明，窯頭一次風用量每降低1%，噸熟料煤耗降低1kg/t。（2）高性能隔熱材料應用。窯、預熱器、篦冷機等熱工設備的隔熱也是窯爐節煤較為關鍵的一環。傳統不定型耐火材料施工采用硅酸鈣板隔熱，硅酸鈣板較厚，隔熱效果也一般，新型納米隔熱材料更薄，隔熱效果更好。采用新型納米隔熱材料替代硅酸鈣板可以有效降低熱工設備表面溫度，也可以擴充分解爐爐容，水泥企業可以重點考慮。窯耐火磚也可以采用隔熱效果更好的耐火磚，有效降低窯筒體表面溫度，降低水泥窯熱損失，從而起到節煤作用。另外三次風管砌磚時，采用保溫磚替代硅酸鈣板也可以有效降低表面溫度，也可以延長耐火磚使用壽命。（3）治理系統漏風。理論上，每增加1%過?？諝庀禂?，熟料煤耗增加1kg/t·cl。一般窯尾氧含量控制在2%~3%，窯尾煙囪氧含量控制在7%以下。水泥企業重點檢查窯頭、窯尾密封，預熱器檢修門、窯投窯門、預熱器翻板閥等處漏風，保證在窯系統用風基礎上，盡量降低系統漏風，節能降耗。（4）合理工藝參數設置。企業應根據自身窯爐特點制定合理的工藝技術指標，確定料、煤（油）、風、窯速、溫度、壓力等合理參數范圍，處理好窯、爐、篦冷機的相互關系，穩定系統熱工制度，提高窯系統穩定性和運轉率，延長安全運轉周期。
3.2.2 低溫余熱發電
新型干法水泥生產線窯尾廢氣溫度為320℃左右。排氣量約2.5Nm3／kg熟料；冷卻熟料產生的廢氣除用于二、三次風及烘干燃料外，排放的尾氣溫度為250℃左右，排氣量約1.5Nm3／kg熟料。這些帶有余熱的廢氣可用于烘干原燃料和低溫余熱發電。目前大部分水泥帶窯企業都配備了余熱發電設備，現在水泥窯窯頭發電設備一般配備AQC爐，窯尾采用PH爐或者SP爐。
提高余熱發電效率，可以降低水泥廠外購電量，對水泥廠降碳具有積極意義。各企業也要著重研究提高余熱發電效率的方法，從新建生產線余熱發電設計安裝、設備及管道漏風漏氣治理、管道及設備保溫設置、設備本身技術更新及與窯熱工系統匹配等多方面綜合考慮，提升余熱發電發電效率。
3.2.3 設備升級改造
對水泥廠設備的升級改造也是降低碳排放的另一主要措施。目前新建生產線建設會采用最新的節能技術及設備，現有原料粉磨設備通常會使用立磨，立磨較球磨機電耗低、臺時高，但是相比較于最新的輥壓機終粉磨技術，其電耗較高的缺點就顯露出來?，F有的輥壓機終粉磨較立磨在臺效不變的情況下生料電耗可以降低2KW/T。折算成熟料電耗可以降低3KW/T以上，其節電效果十分明顯。
新型篦冷機改造：原生產線篦冷機電耗高也是熟料綜合煤耗和綜合電耗偏高的原因之一，有的篦冷機甚至可以達到8KW/T以上。新型篦冷機冷卻效果好，二次風溫、三次風溫高，對熟料煤耗有一定的降低作用。改造完成現在進口篦冷機的熟料電耗可以保證在5KW/T以下，國產先進篦冷機熟料電耗可以保證在5.5KW/T以下，新型篦冷機節電效果非常不錯。另外篦冷機改造后，余熱發電系統入口溫度也有提升，對提升余熱發電量也有積極作用。
大型風機高效節能升級：現在水泥企業高溫風機、窯頭、窯尾EP風機等大型風機普遍存在風機效率偏低等問題，有些風機的效率甚至低于70%，對效率低的大型風機進行升級十分必要。升級后風機效率可以提升到80%以上，可以有效降低系統耗電量。
高效節能電機應用：現在許多水泥廠在實際應用中，存在大量電機所驅動的負載功率遠遠小于電機本身的功率，造成大量的電機處于低效運行狀態。在設計選型時，設計人員為了保證動力足夠，層層加余，造成了“大馬拉小車”的狀態，許多電機的效率甚至低于50%。因此，對水泥廠電機節能升級必須合理選擇電機功率，讓電機的運行效率保持在負荷率0.7~0.85之間。
另外，要推廣永磁電機應用、變頻調速等先進技術，使電機運行在最佳效率狀態，有效避免能源浪費。
光伏發電、風力發電等清潔電力能源在水泥行業的應用也可以降低CO2排放。
3.2.4 富氧燃燒技術應用
富氧燃燒技術是指以高于空氣氧氣含量(20.947%)的含氧氣體進行助燃燃燒的技術，是一種高效節能燃燒技術。
燃料可以在富氧環境充分燃燒，熱輻射會迅速增強，從而提高了燃料的燃燒速度和燃盡率。富氧煅燒將燃料本身具有的能量比較集中的釋放出來，減小了燃燒的邊際效應，減少了由于不完全燃燒導致的浪費，通過提高燃料能量的利用率實現了節能的目的。同時，富氧環境還具有可以減少燃料用風并提高燃燒溫度，減少廢氣排放等優點。
但是現在水泥企業在制氧設備應用上還有存在諸多問題，制氧設備耗電量大是水泥企業在富氧燃燒應用上面臨的一個較大挑戰，新增加的耗電量不符在GB16780-2021降低熟料綜合電耗宗旨。富氧燃燒節煤降低與新制氧設備電耗增加的CO2之間的比較還需要進一步測算。
3.3 替代燃料應用
廢棄物對于水泥廠而言也是一種資源，將生物質以及其他廢棄物開發成為水泥生產中的替代燃料，既有利于促進水泥行業健康發展，又有利于環境生態的保護、減少CO2排放。
生物質燃料一般指農作物秸稈、枯枝落葉、廢棄林木、動物排泄物、城鄉生活以及工農業有機廢棄物等，其他廢棄物燃料包括廢輪胎、廢塑料、廢棄潤滑油等。生物質廢棄物的處置一般采用就地焚燒的方式，就地焚燒容易引發安全事故，釋放大量CO2，造成氣候變暖、土壤破壞等危害。輪胎、廢塑料、廢氣潤滑油等廢棄物一般使用焚燒和填埋的方式進行處置，處置過程不僅消耗大量清潔能源，也會引發一系列問題。
生物質廢棄物作為替代燃料進行水泥生產具有可再生、著火點低、接近CO2排放接近零等優點，可以有效降低化石燃料的使用，減少能源消耗節能減排。廢舊輪胎、廢塑料等物質替代燃料使用，可以通過長時間高溫熱處理，讓其中的能量得到充分發揮，燃燒后的灰燼可以轉化為水泥有用成分，減碳優勢明顯。
但是以上廢棄物作為替代燃料利用，也有部分缺點，比如廢棄物熱值不穩定、運輸儲藏不方便、燃燒過程有害物質富集造成煅燒過程波動較大影響生產等。這些問題可以通過技術手段減輕或者消除，這就需要各企業綜合考量，將必要的技術提前設置完畢后，再進行替代燃料的使用。
3.4 減少水泥熟料用量
減少水泥熟料用量的主要途徑表現在水泥生產過程中減少熟料用量，加大混合材摻加量。另一方面為在拌制混凝土時減少水泥用量，使用粉煤灰等替代水泥材料。
要想在水泥生產中減少熟料用量，其主要手段是提高熟料強度。提高熟料強度可以從穩定原材料進廠、穩定三率值控制、優化工藝操作等方面考慮。熟料強度增加后，可以加大混合材用量，有效降低CO2排放。拌制混凝土時減少水泥用量也在間接降低熟料用量，有效減排CO2。目前國內磨細高爐礦渣替代水泥可以到達40%，國外已有研究單位達到80%。另外，我國進行的高摻量粉煤灰水泥研究，也為水泥工業減排CO2提供技術途徑。但是值得注意的是，以上技術均應符合國標要求。
4.結束語
我國是一個水泥大國，水泥產量已居全球首位，水泥再生產過程中，不僅使用燃料在產生，還排放石灰石分解產生的CO2。在“碳達峰、碳中和”的背景下，水泥行業降碳已經迫在眉睫。本文通過以上論述，介紹了使用替代原材料、生產過程中的技術性減排、富氧燃燒應用、減少水泥熟料用量等碳減排的主要路徑，為我過水泥行業碳達峰和碳中和提供了一種思路。
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