摘要：我国已经将双碳目标纳入生态文明建设整体布局，制定碳达峰行动计划，全力以赴实现双碳目标。我国水泥产量已经稳居世界第一，水泥行业碳排放比例已经在我国工业生产中排在前列，在双碳背景下的水泥行业降碳已经迫在眉睫。本文介绍了双碳背景对水泥行业的影响，提出了一些水泥行业降碳的措施，为水泥行业碳达峰、碳中和提供一种思路。 

　　1.前言 

　　2020年我国建筑材料二氧化碳排放高达14.8亿吨，电力消耗1.7亿吨，排放总量16.5亿吨。其中水泥行业碳排放12.3亿吨，电力消耗8955万吨，排放总量13.2亿吨，占建材行业排放总量的75%。2020年全球水泥总产量41亿吨，我国水泥产量23.3亿 吨，占世界水泥总产量的55%。水泥行业二氧化碳排放量占全国排放总量的16.6%，二氧化碳排放量与熟料的产量有很大关系。 

　　2 水泥行业碳排放来源 

　　2.1 生料碳酸盐分解 

　　水泥生产过程就是将生料制备成为熟料，再将熟料制备成为水泥的过程。其中熟料的制备其中重要一环就是将生料中碳酸盐分解。影响碳酸盐分解的因素主要有石灰石性质、生料细度和颗粒级配、生料悬浮分散程度、分解炉温度、窑内通风和粘土质原料性质等因素。 

　　2.2 燃料的燃烧 

　　生料在制备成为熟料的过程中需要大量的热，一般国内水泥厂使用煤粉在窑头和分解炉进行燃烧产生热量。煤粉的主要成分是碳，碳燃烧后产生大量的二氧化碳。煤粉的燃烧过程分为干燥、热解及挥发分析出、挥发分燃烧、焦炭燃烧。 

　　2.3 协同处置废弃物产生 

　　废弃物主要包括污泥、污染土、垃圾、危险废物等，协同处置废弃物产生的二氧化碳相对于熟料生产较小，但是废弃物中存在的大量氟、氯、硫、碱等有害物质在处置过程中会对回转窑系统带来较大危害，间接增加了二氧化碳产生。 

　　2.4 水泥生产用电消耗 

　　水泥在生产过程中会使用大量电力资源，电力的生产也会产生二氧化碳。新出台的《水泥单位产品能源消耗限额》GB16780-2021规定的熟料单位产品综合电耗和水泥工段电耗限额标准较老版本（GB16780-2012）都有所提升。 

　　新标准的熟料和水泥电力消耗标准都有所提升，也为水泥行业节能降碳进行了更加严格的标准约束。 

　　3.水泥行业碳减排措施 

　　3.1 使用替代原材料 

　　水泥生产中，石灰石中碳酸钙分解产生的CO2约占水泥厂CO2排放总量的60%，是水泥厂最重要的碳排放源。因此使用含CaO的替代原料代替石灰石减碳的措施是一个行之有效的方法。 

　　化工行业电石渣可以替代石灰石生产熟料，电石渣的主要成分是Ca(OH)2，电石渣的CaO含量约为54%左右，使用1t电石渣替代石灰石可以减排0.424tCO2。工业废弃物，如高炉矿渣和粉煤灰，其CaO含量较粘土更高，也可以有效降低配料过程中石灰石用量。经研究表明，使用1t高炉矿渣替代可以减35kgCO2。 

　　3.2 技术性减排 

　　3.2.1 窑炉节煤 

　　回转窑及预热器用煤产生的CO2占水泥厂排放比例也较大，约占所有排放量的35%左右。因此，窑炉方面先进的技术性减排措施可以有效降低CO2排放量。 

　　窑炉节煤可以从以下几方面考虑，（1）新型高性能窑头燃烧器应用。水泥企业在选用窑头燃烧器时，必须选用与本企业水泥窑型相适应的燃烧器，窑头一次风机的选型也是燃烧器节煤的关键，根据相关研究表明，窑头一次风用量每降低1%，吨熟料煤耗降低1kg/t。（2）高性能隔热材料应用。窑、预热器、篦冷机等热工设备的隔热也是窑炉节煤较为关键的一环。传统不定型耐火材料施工采用硅酸钙板隔热，硅酸钙板较厚，隔热效果也一般，新型纳米隔热材料更薄，隔热效果更好。采用新型纳米隔热材料替代硅酸钙板可以有效降低热工设备表面温度，也可以扩充分解炉炉容，水泥企业可以重点考虑。窑耐火砖也可以采用隔热效果更好的耐火砖，有效降低窑筒体表面温度，降低水泥窑热损失，从而起到节煤作用。另外三次风管砌砖时，采用保温砖替代硅酸钙板也可以有效降低表面温度，也可以延长耐火砖使用寿命。（3）治理系统漏风。理论上，每增加1%过剩空气系数，熟料煤耗增加1kg/t·cl。一般窑尾氧含量控制在2%~3%，窑尾烟囱氧含量控制在7%以下。水泥企业重点检查窑头、窑尾密封，预热器检修门、窑投窑门、预热器翻板阀等处漏风，保证在窑系统用风基础上，尽量降低系统漏风，节能降耗。（4）合理工艺参数设置。企业应根据自身窑炉特点制定合理的工艺技术指标，确定料、煤（油）、风、窑速、温度、压力等合理参数范围，处理好窑、炉、篦冷机的相互关系，稳定系统热工制度，提高窑系统稳定性和运转率，延长安全运转周期。 

　　3.2.2 低温余热发电 

　　新型干法水泥生产线窑尾废气温度为320℃左右。排气量约2.5Nm3／kg熟料；冷却熟料产生的废气除用于二、三次风及烘干燃料外，排放的尾气温度为250℃左右，排气量约1.5Nm3／kg熟料。这些带有余热的废气可用于烘干原燃料和低温余热发电。目前大部分水泥带窑企业都配备了余热发电设备，现在水泥窑窑头发电设备一般配备AQC炉，窑尾采用PH炉或者SP炉。 

　　提高余热发电效率，可以降低水泥厂外购电量，对水泥厂降碳具有积极意义。各企业也要着重研究提高余热发电效率的方法，从新建生产线余热发电设计安装、设备及管道漏风漏气治理、管道及设备保温设置、设备本身技术更新及与窑热工系统匹配等多方面综合考虑，提升余热发电发电效率。 

　　3.2.3 设备升级改造 

　　对水泥厂设备的升级改造也是降低碳排放的另一主要措施。目前新建生产线建设会采用最新的节能技术及设备，现有原料粉磨设备通常会使用立磨，立磨较球磨机电耗低、台时高，但是相比较于最新的辊压机终粉磨技术，其电耗较高的缺点就显露出来。现有的辊压机终粉磨较立磨在台效不变的情况下生料电耗可以降低2KW/T。折算成熟料电耗可以降低3KW/T以上，其节电效果十分明显。 

　　新型篦冷机改造：原生产线篦冷机电耗高也是熟料综合煤耗和综合电耗偏高的原因之一，有的篦冷机甚至可以达到8KW/T以上。新型篦冷机冷却效果好，二次风温、三次风温高，对熟料煤耗有一定的降低作用。改造完成现在进口篦冷机的熟料电耗可以保证在5KW/T以下，国产先进篦冷机熟料电耗可以保证在5.5KW/T以下，新型篦冷机节电效果非常不错。另外篦冷机改造后，余热发电系统入口温度也有提升，对提升余热发电量也有积极作用。 

　　大型风机高效节能升级：现在水泥企业高温风机、窑头、窑尾EP风机等大型风机普遍存在风机效率偏低等问题，有些风机的效率甚至低于70%，对效率低的大型风机进行升级十分必要。升级后风机效率可以提升到80%以上，可以有效降低系统耗电量。 

　　高效节能电机应用：现在许多水泥厂在实际应用中，存在大量电机所驱动的负载功率远远小于电机本身的功率，造成大量的电机处于低效运行状态。在设计选型时，设计人员为了保证动力足够，层层加余，造成了“大马拉小车”的状态，许多电机的效率甚至低于50%。因此，对水泥厂电机节能升级必须合理选择电机功率，让电机的运行效率保持在负荷率0.7~0.85之间。 

　　另外，要推广永磁电机应用、变频调速等先进技术，使电机运行在最佳效率状态，有效避免能源浪费。 

　　光伏发电、风力发电等清洁电力能源在水泥行业的应用也可以降低CO2排放。 

　　3.2.4 富氧燃烧技术应用 

　　富氧燃烧技术是指以高于空气氧气含量(20.947%)的含氧气体进行助燃燃烧的技术，是一种高效节能燃烧技术。 

　　燃料可以在富氧环境充分燃烧，热辐射会迅速增强，从而提高了燃料的燃烧速度和燃尽率。富氧煅烧将燃料本身具有的能量比较集中的释放出来，减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的浪费，通过提高燃料能量的利用率实现了节能的目的。同时，富氧环境还具有可以减少燃料用风并提高燃烧温度，减少废气排放等优点。 

　　但是现在水泥企业在制氧设备应用上还有存在诸多问题，制氧设备耗电量大是水泥企业在富氧燃烧应用上面临的一个较大挑战，新增加的耗电量不符在GB16780-2021降低熟料综合电耗宗旨。富氧燃烧节煤降低与新制氧设备电耗增加的CO2之间的比较还需要进一步测算。 

　　3.3 替代燃料应用 

　　废弃物对于水泥厂而言也是一种资源，将生物质以及其他废弃物开发成为水泥生产中的替代燃料，既有利于促进水泥行业健康发展，又有利于环境生态的保护、减少CO2排放。 

　　生物质燃料一般指农作物秸秆、枯枝落叶、废弃林木、动物排泄物、城乡生活以及工农业有机废弃物等，其他废弃物燃料包括废轮胎、废塑料、废弃润滑油等。生物质废弃物的处置一般采用就地焚烧的方式，就地焚烧容易引发安全事故，释放大量CO2，造成气候变暖、土壤破坏等危害。轮胎、废塑料、废气润滑油等废弃物一般使用焚烧和填埋的方式进行处置，处置过程不仅消耗大量清洁能源，也会引发一系列问题。 

　　生物质废弃物作为替代燃料进行水泥生产具有可再生、着火点低、接近CO2排放接近零等优点，可以有效降低化石燃料的使用，减少能源消耗节能减排。废旧轮胎、废塑料等物质替代燃料使用，可以通过长时间高温热处理，让其中的能量得到充分发挥，燃烧后的灰烬可以转化为水泥有用成分，减碳优势明显。 

　　但是以上废弃物作为替代燃料利用，也有部分缺点，比如废弃物热值不稳定、运输储藏不方便、燃烧过程有害物质富集造成煅烧过程波动较大影响生产等。这些问题可以通过技术手段减轻或者消除，这就需要各企业综合考量，将必要的技术提前设置完毕后，再进行替代燃料的使用。 

　　3.4 减少水泥熟料用量 

　　减少水泥熟料用量的主要途径表现在水泥生产过程中减少熟料用量，加大混合材掺加量。另一方面为在拌制混凝土时减少水泥用量，使用粉煤灰等替代水泥材料。 

　　要想在水泥生产中减少熟料用量，其主要手段是提高熟料强度。提高熟料强度可以从稳定原材料进厂、稳定三率值控制、优化工艺操作等方面考虑。熟料强度增加后，可以加大混合材用量，有效降低CO2排放。拌制混凝土时减少水泥用量也在间接降低熟料用量，有效减排CO2。目前国内磨细高炉矿渣替代水泥可以到达40%，国外已有研究单位达到80%。另外，我国进行的高掺量粉煤灰水泥研究，也为水泥工业减排CO2提供技术途径。但是值得注意的是，以上技术均应符合国标要求。 

　　4.结束语 

　　我国是一个水泥大国，水泥产量已居全球首位，水泥再生产过程中，不仅使用燃料在产生，还排放石灰石分解产生的CO2。在“碳达峰、碳中和”的背景下，水泥行业降碳已经迫在眉睫。本文通过以上论述，介绍了使用替代原材料、生产过程中的技术性减排、富氧燃烧应用、减少水泥熟料用量等碳减排的主要路径，为我过水泥行业碳达峰和碳中和提供了一种思路。