中国水泥工业CO2排放量的定量分析

龚秀美　刘　燚　孙崇文　周聪聪　何鹏涛　沈卫国

1. 湖北省水利水电职业技术学院，湖北 武汉 4300702. 武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉　430070



中国水泥工业CO2排放量的定量分析

龚秀美1刘燚2孙崇文1周聪聪2何鹏涛2沈卫国2

1. 湖北省水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430070
2. 武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430070

我国水泥产量占全球60%左右，水泥工业碳排放长期以来被国际社会严重高估，采用LCA方法对我国2011年碳排放进行了定量计算，中国水泥平均CO2直接排放系数和平均CO2排放生产系数分别是0.477 8 t/ t和0.545 0 t/t，2011年中国的水泥工业直接排放的CO2和生产排放CO2量分别是9.983亿t和11.364亿t；而水泥生命周期碳排放量和直接碳排放量分别是8.553亿t和6.386亿t。RMCO2、FDCO2、EDCO2、TDCO2和CSCO2的比例为53.8%、28.3%、7.94%、0.86%和-29.64%，与发达国家相比，我国水泥工业碳排放指数较低。

水泥工行业碳排放LCA碳排放指数

0　引言

水泥生产排放CO2是全球人为排放CO2的一个主要组成部分，占全球人为碳排放量的7%，占工业碳排放的26%[1]。近年来中国水泥工业技术得到显著的提高，资源能源利用率显著提高，但是由于缺乏准确的统计数据，中国水泥行业的碳排放水平在国际上长期被高估[2]。本文采用生命周期评价方法对中国水泥工业的碳足迹进行了定量评估，从水泥工业碳排放的六种来源进行计算，从四个方面对碳排放进行评估，希望能建立对我国水泥工业的真实碳排放的正确认识，并从全寿命周期的视角提出水泥工业低碳转型路径。

1　研究方法

我国水泥行业的CO2排放量是由生命周期评估（LCA）测定，其中包括原材料、熟料煅烧、水泥生产、混凝土制备、运输、建筑、应用、拆除与再生利用和填埋[3]。水泥生命周期中碳排放量的评估，研究了六个独立的碳来源：原材料的CO2（RMCO2）[4]、能源CO2（FDCO2）、电力CO2（EDCO2）、运输的CO2（TDCO2）、混凝土生命周期的CO2（LCCO2）和混凝土碳沉淀（CSCO2）。水泥生产产生的CO2包括RMCO2、FDCO2、EDCO2和部分TDCO2，直接碳排放包括RMCO2、FDCO2，因为电力衍生的CO2和交通运输产生的CO2是能源燃烧和交通运输直接排放的，净碳排放包括RMCO2、FDCO2和CSCO2。

1.1原材料CO2

原材料碳排放（RMCO）的计算公式：

其中MCaO和MMgO是熟料中CaO和MgO的质量，RCaCO3和RMgCO3是碳酸钙和碳酸镁中钙和镁的质量。波特兰水泥熟料中MCaO和MMgO通常是65%和1.8%[5]。由于各种固体废物，例如电石、粉煤灰和用作钙原料的钢渣，RCaCO3被设定为95%。这些钙原料在烧结过程中不会产生CO2。由于钙原料中的Mg大多数来自白云石，黏土中的镁主要来自水镁石，RMgCO3被设定为75%。从公式（1）可知，生产每吨熟料可产生0.500 t的CO2。在2001年，据评估在全球范围内每吨熟料也可产生0.500 t的CO2[6]。在中国生产硫铝酸盐水泥（其占水泥生产中的0.8%）需要更少的石灰石和磷石膏。因此，中国水泥工业的RMCO2平均值应小于0.500 t/t熟料。

1.2燃料燃烧排放的CO2

FDCO2是用于生产水泥熟料和机械的燃料燃烧排放的CO2（不含原材料运输所需的燃料，这一部分燃料算在TDCO2中），可以按公式（2）进行计算:

其中FDCO2是燃料中的碳排放量，P是熟料系统中消耗的热能，包括回转窑、预热器和分解炉中每吨水泥熟料消耗的热能。Vdiesel是水泥生产过程中机器所使用的柴油量。EFcoal和EFdiesel是标准煤和柴油的碳排放系数。每吨标准煤EFcoal排放2.456 7 t CO2[7]，而每升柴油EFdiesel排放2.764 kg CO2[8]。

熟料煅烧过程所需的热能是原料吸热反应所需的能量，形成稳定的水泥熟料所需温度为1 450 ℃。因此每吨水泥熟料若完成这个工序[9]，在理论上需要热能为1.65～1.80 GJ。水泥熟料烧结过程中消耗大量能量。水泥熟料需要的额外能量取决于原料中的水分含量，每吨水泥熟料需要的额外能量约为0.2～1.0 GJ（对应于3%～15%的水分含量），一些输入的能量通过高温烟气、冷却器及窑壳[10]散失。能量损失还依赖于回转窑[10]的类型和回转窑的大小。分解炉及大型窑都具有较高的热效率，燃料排放的CO2主要是来自水泥熟料的烧结。

2005年，预分解窑生产的水泥份额仅为45%左右[11]，2011年通过这一新型干法工艺生产的熟料为86.83%和水泥为89%。有10个7 200 t/d以上的熟料窑（其中7个窑日产10 000 t熟料），超过一半的水泥生产窑的日生产能力超过4 000 t。一个最新设计的窑炉每生产一吨熟料需消耗的热能约为2.95 GJ，2011年有人估算过在中国生产每吨熟料平均热耗为3.10 GJ（见表1）。由于对于机械产生的碳排放并没有正式的记录数据，所以这些数据用来推导出不同水泥生产窑生产水泥的产量。

1.3电力产生排放的CO2

EDCO2是水泥生产过程中电力消耗产生的碳排放量，包括露天采石、原料粉碎、生料研磨、熟料煅烧、熟料研磨和水泥包装。

表1　2011年中国水泥工业窑容量份额和热能消耗

其中Mi是生产过程中生产1 t熟料需要原料的质量，Eli是生产过程中使用的电力，EFelectricity是每消耗一度电排放的二氧化碳系数，单位为kg /kWh。2011年根据国际能源署（IEA）公布的数据，中国这一系数是0.974 6[12]。用于生料研磨和熟料粉磨的电力分别是12～22 kWh/t和28～55 kWh/t[13]。

自2000年以来，节能立式辊磨和辊压机已被广泛使用。生料研磨和熟料粉磨的平均电力消耗分别是18 kWh/t和32 kWh/t。中国平均有80%的窑采用中低温余热发电技术来回收窑的废热。统计显示，可通过采用该技术[5]生产约60%的熟料，生产每吨熟料可平均节约24 kWh的电。

1.4交通运输产生的CO2

交通运输产生的二氧化碳TDCO2可以写为：

其中FC是运输中消耗的能源（2011年在中国每运输10万t约消耗6.03升的能源），Di是运输距离，该胶凝材料可以通过公路、铁路或船舶运输。各种胶凝材料平均运输距离Di分别是原料10，石膏和煤300，矿物掺合料20，废矿物掺合料50，水泥运输80～120，新拌混凝土及拆除混凝土运输分别是30～50和50。燃料消耗目前高于其它发达国家，但是最近改善公路系统和大型专业车辆的使用将减少运输成本。通过分别考虑水泥和混凝土的生命周期计算所述的TDCO2。表2列出了中国2011年熟料、波特兰水泥及普通水泥平均运输产生的碳排放量。

1.5混凝土生命周期中的CO2排放

为了简化计算过程，本文没有计算其他相关粒料的碳排放量。水可确保混凝土的和易性、水泥水化反应及混凝土的强度发展，需在混凝土生命排放周期中合理地估算水的排放量。因此，在混凝土生命周期中的水泥的物料流是水泥浆体的质量。研究发现：在混凝土的拌合、浇筑、拆除过程中产生的二氧化碳量分别为：0.000 4 kgCO2/ kg、0.002 5 kgCO2/kg、0.000 538 kgCO2/kg[8]。在中国常规混凝土28 d的平均强度为30 MPa。鉴于在每立方混凝土中平均要用320 kg的水泥，其水灰比为0.45。1.45 t的水泥和水被用来计算普通水泥在混凝土生命周期中排放的二氧化碳量。用于制备高强度混凝土的波特兰水泥28 d平均强度为60 MPa。然而通常每立方混凝土需要450 kg的波特兰水泥，其水灰比为0.35。1.35 t的水泥和水被用来计算波特兰水泥在混凝土生命周期中排放的二氧化碳量。

表2　计算运输产生的碳排放量

1.6碳化作用的碳沉淀

为了计算混凝土使用寿命期内或填埋后通过碳化作用产生的碳沉淀，瑞典科学家估计原料脱碳产生的50%～57%的二氧化碳在100年内碳化。本文中在混凝土使用寿命期内或拆除后100年，每吨熟料可碳沉淀275 t二氧化碳。

本文中对水泥生产直接碳排放、水泥生产过程碳排放、水泥生产净碳排放及水泥生命周期碳排放进行了评估，运用方程5～8计算碳排放量：

水泥生产过程排放CO2=RMCO2+FDCO2+EDCO2+

水泥生产净排放CO2= RMCO2+FDCO2+EDCO2+

水泥生命周期排放

2　碳足迹评价

2.1水泥生命周期CO2平均排放

水泥CO2的排放评估应该包括整个水泥生命周期过程，从原材料到混凝土被拆除。表3介绍了生产每吨波特兰水泥熟料和每吨普通水泥熟料过程中每步工艺的物料流、能源强度及二氧化碳排放。波特兰水泥模型是由95%的水泥熟料和5%的石膏混合而成，普通水泥是5%的石膏和62.7%的熟料。图1介绍了水泥生产过程的物料流，图2介绍了熟料、波特兰水泥、普通水泥的物料流。

图1　1 t水泥熟料在生命周期中的物料流

图2　1 t水泥产品的物料流

近年来中国国家发展和改革委员会（NDRC）已经制定了一些新的政策。为了较少能源和电力的消耗，水泥工业已经禁止使用落后的生产设施，包括立窑、长干法窑、湿法窑及小型的预热预分解窑，这些能耗和排放标准比以前也要低得多。激烈的市场竞争和扶持政策鼓励节能环保，使得有较大规模的工厂取代了落后产能的工厂。中低温热电技术被广泛用于窑的余热回收，在水泥生产中大量的固体废物被用于生产混合水泥和减少熟料强度[14]。图3介绍了中国在2005～2011年间水泥熟料的生产和熟料的强度，大规模窑生产的水泥熟料的强度高于老窑，制备强度等级相同的水泥时可以加入更多的矿物掺合量。注意：在2011年，熟料强度仅为62.8%，这比2050全球范围内发展蓝图目标的71%要低，这是因为大部分的矿物掺合料具有较高的水化活性。在中国运用高炉矿渣和粉煤灰是大幅削减二氧化碳排放来生产具有较高的矿物质含量复合水泥[15]的有效途径。

图3　2005～2011年中国水泥和熟料的产量

2.2中国水泥工业CO2排放因素

通过采用图1、2中相关的物料流，在表3中列出了能量消耗、排放系数和熟料、波特兰水泥、普通水泥的碳排放。表4列出了熟料、波特兰水泥、普通水泥的碳排放系数。熟料生产直接碳排放系数为0.762 8 tCO2/t，熟料生产碳排放系数为0.814 2 t CO2/t。波特兰水泥生产碳排放系数为0.807 7 t CO2/t，普通水泥生产直接碳排放系数为0.478 8 t CO2/t。由于加入了高矿物掺合料和改进设备，使得普通水泥生产直接碳排放系数比1995年的0.787 t减少了0.308 t CO2，比2005年的0.592 t减少了0.113 t CO2[14]。熟料的强度从2005年的72.9%减少到2011年的62.7%，减少熟料的份额（最高强度的CO2排放）导致CO2的排放显著减少。生产总排放系数为0.545 t CO2/t，比2009 年[14]以来减少了0.138 t CO2/t，是由于减少了立法窑、湿法窑的容量份额和使用余热回收的贡献。净二氧化碳排放为0.306 3 t CO2/t，这类似于水泥的RMCO2排放。普通水泥的生命周期中的碳排放系数为0.410 2 t CO2/t。

2.3中国水泥行业的碳排放

表5介绍了中国水泥行业的碳排放量，其中直接碳排放总量为9.983亿t，占2011年IEA[15]统计的全球碳排放总量89.6亿t的11.1%，低于国际能源署估计的15%。大多数研究机构估算中国的碳排放量是基于2005年到2007年中国水泥年鉴上的能源消耗数据[16]。中国水泥工业的技术和设备发展快速[14]，2011年水泥生命周期中CO2排放量为8.53亿t，在水泥生产中的碳排放量包括电力产生的CO2和运输产生的CO2总共为11.36亿t，这与2009年Jing Ke[17]估算的碳排放量11.364亿吨的数据相近。在2009～2011年间，尽管中国水泥产量增加了26.5%，但二氧化碳的排放量几乎没变，这主要是实施了相关政策，废除陈旧的水泥产量设备和使用大型预分解窑、大型立磨、辊压机和余热回收技术。

表3　2011年中国普通水泥的碳排放

表4　2011年水泥产品的CO2排放系数

表5　2011年中国水泥工业碳排放量

图4　2011年中国普通水泥不同碳排放比重

图5 水泥工业低碳排放原理示意图

图4提供了2011年中国水泥工业碳排放的六种来源的比重，第一，原料中的RMCO2占的比重最高，为53.8%，第二，燃料中FDCO2占的比重为28.3%，电力产生的 EDCO2和运输产生的TDCO2所占的比重相近，在混凝土浇铸成型后的100年间，通过碳化作用碳沉淀的CO2为29.64%。图5为水泥工业低碳排放原理示意图。

3　结束语

鉴于水泥产量高和缺乏对中国水泥行业的碳排放量的统计数据，本文水泥生命周期评估是用来评估其CO2排放量，探讨了减少碳排放的方法，并得出以下结论：

（1）中国生产的水泥占全球的60%，中国人均水泥产量为1.55 t，是世界平均水平的三倍，每使用286 g水泥就会产生一美元的GDP，这是世界平均水平的5.7倍，大型水泥的生产确保了中国的快速城市化。

（2）水泥CO2直接排放系数为0.478 8 t，二氧化碳排放量比1995年减少了0.308 t，比2005年减少了0.113 t。每吨水泥CO2计算排放总量为0.545 t，比2009年每吨水泥减少排放了0.138 t CO2。

（3）2011年水泥生产直接碳排放总量为9.983亿t，这占国家碳排放总量的11.1%，且比以前的排放要低得多。在2009～2011年间，尽管中国水泥产量增加了26.5%，但CO2的排放量几乎没变。

（4）在2011年水泥工业的碳排放量中，原料中的RMCO2占的比重为53.8%，燃料中FDCO2占的比重为28.3%，电力产生的 EDCO2和运输产生的TDCO2所占的比重分别为7.94% 和0.86%，在混凝土浇铸成型后的100年内，通过碳化作用碳沉淀的CO2量为29.64%。

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TQ172.687

B

1008-0473(2016)03-0001-07DOI编码：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.03.001