首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工业综合论文 > 无机化工论文 > 浅析水泥行业燃料替代实现碳减排的成效

浅析水泥行业燃料替代实现碳减排的成效

2024-11-24 66 上传者：管理员

摘要：福建省三明市一水泥企业为了减少化石能源消耗及降低碳排放，利用一般固体废物燃烧热替代部分燃料煤。通过对企业熟料产能、物料消耗、能源消耗以及燃料替代种类、规模等进行详细调查，结合水泥行业碳排放计算公式，确定了燃料替代前后CO2排放量，分析了燃料替代对于该企业节能降碳的实际成效，为水泥行业的节能降碳提供一定的理论参考。

关键词：
水泥生产
水泥行业
燃料替代
碳减排
能源消耗
加入收藏

水泥生产是一个高能耗、高排放的过程，尤其是CO2排放，根据统计，2023年中国碳排放总量1.26×1010t，其中水泥行业碳排放量1.21×109t，占比9.6%，仅次于电力和钢铁行业。因此，寻找有效的碳减排技术和燃料替代方案对于实现水泥行业的低碳转型至关重要。

水泥行业碳排放分为直接排放和间接排放2种，直接排放包括燃料燃烧排放和生产过程（碳酸盐分解）排放2部分，间接排放包括水泥生产环节的电力消耗，以及发电、供热和运输等非生产环节的能耗所折合的CO2排放。水泥行业CO2排放主要源于熟料生产过程，其中碳酸盐分解所排放的CO2约占碳排放总量的60%；燃料燃烧产生的CO2约占排放总量的35%；电力消耗间接产生的CO2约占排放总量的5%[1]。碳酸盐分解排放的CO2主要来自原料———石灰石的煅烧过程，石灰石由固定矿山开采，碳酸盐含量相对固定，在不改变原料配比的情况下，从原料碳酸盐分解环节实现碳减排的可能性较小。

目前，行业内已经开始利用固体废物燃烧热替代部分化石能源实现碳减排。本文以福建省三明市一水泥企业4 500 t/d水泥熟料生产线为例，通过对该企业年熟料生产总量、物料消耗、工艺流程等展开调查，结合水泥行业碳排放计算公式，以燃料替代前后CO2排放量分析碳减排的成效，为水泥行业的节能降碳提供一定的理论参考。

1、企业燃料替代前后物料及能源消耗

1.1 燃料替代前物料及能源消耗调查

该水泥企业建有1条4 500 t/d熟料生产线，产品为熟料，未进行水泥粉磨调配。该熟料产能为1.485×106t，原料中生料用量为石灰石1.871 0×106t/a，粉砂岩0.119 7×106t/a，高硅土0.227 2×106t/a，铁矿石0.047 7×106t/a，生料总用量为2.265 6×106t/a；燃料无烟煤用量为1.879×105t；购入电力6.440×107k W·h。

1.2 燃料替代后物料及能源消耗分析

1.2.1 拟利用固体废物替代燃料情况

该水泥企业为减少化石能源消耗及降低碳排放，利用一般固体废物燃烧热替代部分燃料煤。拟利用一般固体废物包括工业废渣类（废旧纺织品、废皮革制品）和废生物质类（废木制品、植物残渣）等，其中，工业废渣类替代量为6.0×104t/a，废生物质类替代量为4.0×104t/a，合计为1.0×105t/a。该企业委托检测单位对拟利用固体废物进行检测，检测结果如表1所示。

表1拟利用固体废物热值检测结果一览表

1.2.2 燃料替代后物料变化情况

受替代燃料热值、含水量影响，熟料生产线燃料煤用量将有一定程度的减少，分析如下。

1）入窑固体废物热吸收量。该企业设计使用废生物质类替代燃料4.0×104t/a，工业废渣类替代燃料6.0×104t/a，根据含水率计算，二者共含水约3 530 m3/a。替代燃料入窑温度按常温20℃设计，固体废物进入三次风管与分解炉之间，也进入分解炉，分解炉炉内温度高于1 200℃，平均达到1 400℃。废生物质类替代燃料比热容为1.62×103J/（kg·K），工业废渣类替代燃料比热容为1.35×103J/（kg·K），则进入分解炉焚烧处置物料的吸收热量为：Q废生物质=c×m×t=1.62×103×4.0×104×（1 400-20）≈8.9×1010k J/a,Q工业废渣=c×m×t=1.35×103×6.0×104×（1 400-20）≈1.12×1011k J/a。其中，Q为吸热量，c为比热容，m为替代燃料质量，t为温度。标况下100℃时水的汽化热为2 260 k J/kg，则入窑物料携带水分汽化吸热量≈2 260×3 530×1 000=7.98×109k J/a。以上吸热量总计2.018×1011k J/a。

2）入窑固体废物产热量。根据上述固体废物热值、规模等分析，废生物质类入窑燃烧提供的热量为Q=4.0×107×11.52=4.608×1011k J，工业废渣类入窑燃烧提供的热量为Q=6.0×107×15.08=9.048×1011k J，在利用1.0×105t/a固体废物的规模下可提供热值总和为1.400×1012k J/a。

3）物料入窑后窑内燃煤变化情况。根据上述分析，入窑固体废物吸热总量为2.018×1011k J/a，拟利用固体废物产热量为1.400×1012k J/a，则利用固体废物后，窑内热供应量为1.198×1012k J/a。该企业燃煤热值约22 363 k J/kg，因此将替代燃煤53 624 t/a，实施后，煤炭用量由187 900 t/a降低至134 276 t/a，替代燃料的作用明显。

1.2.3 燃料替代后生料变化分析

一般固体废物替代燃料焚烧后最终形成少量灰渣进入熟料中，同时减少燃煤用量，也减少灰分进入熟料中。生物质灰分质量分数为3%～10%，布条、皮革灰分质量分数为1%～5%，按中值计算燃烧后灰渣进入熟料量约为4 400 t，燃料无烟煤灰分质量分数约为12%，减少进入熟料量约为6 364.8 t，相差约2 034.8 t，需要由生料补充，按企业熟料产量与生料用量比例计算，替代燃料后需要新增生料用量为3 083 t。

1.2.4 燃料替代前后消耗对比分析

根据以上分析，燃料替代前后物料及能源消耗情况如表2所示。

表2燃料替代前后物料及能源消耗一览表

2、碳排放计算分析

2.1 碳排放相关参数调查

通过调查，该企业原辅材料、能源消耗及成分情况如表3所示。

表3原辅材料、能源消耗及成分调查一览表

2.2 碳排放计算分析

水泥生产企业的CO2排放总量ECO2等于企业边界内所有的燃料燃烧排放量E燃烧、工业生产过程排放量E过程、企业净购入电力和热力对应的CO2排放量E电和热之和[4]，按式（1）计算：

式中：E燃烧1为企业所消耗的化石燃料燃烧产生的CO2排放量，E燃烧2为企业所消耗替代燃料或废弃物燃烧产生的CO2排放量，E工艺1为核算和报告期内原料碳酸盐分解产生的CO2排放量，E工艺2为核算和报告期内生料中非燃料碳煅烧产生的CO2排放量。

2.2.1 化石燃料燃烧碳排放

企业涉及化石燃料包括无烟煤、柴油，化石燃料燃烧产生的CO2排放量按式（2）计算：

式中：QNCV,i为企业燃料低位发热量的数值，无烟煤为20.363 GJ/t，柴油为42.652 GJ/t;QFCV,i为燃料用量的数值，燃料替代前无烟煤用量为187 900 t/a，柴油用量为120 t/a，燃料替代后无烟煤用量为134 276 t/a，柴油用量为120 t/a;CC,i为单位热值含碳量的数值，根据《水泥行业碳减排技术指南（2022）》（以下简称《指南》）附表2.2，无烟煤单位热值含碳量为0.027 49 t/GJ，柴油单位热值含碳量为0.020 20 t/GJ;OF,i为碳氧化率，根据《指南》附表2.2，无烟煤碳氧化率为98%，柴油碳氧化率为99%;44/12为CO2与C的相对分子质量之比。

根据公式计算，燃料替代前E燃烧1=378 330.9 t/a，燃料替代后E燃烧1=270 467.7 t/a。

2.2.2 替代燃料中非生物质碳的燃烧排放

企业替代燃料包括工业废渣类和废生物质类。生物质燃料在燃烧过程中会排放CO2，但生物质在生长过程中通过光合作用吸收CO2，生物质能源也被称为“零碳”能源，且根据《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》（发改办气候〔2013〕2526号）、GB/T 32151.8—2015《温室气体排放核算与报告要求第8部分：水泥生产企业》，均未将生物质燃料碳排放纳入计算范畴。因此，本文废生物质类燃料燃烧碳排放不纳入计算，替代燃料中非生物质碳燃烧产生的CO2排放量按式（3）计算：

式中：Qi为工业废渣类替代燃料量的数值，取60 000 t/a;QHV,i为工业废渣类燃料平均低位发热量的数值，取15.08 GJ/t;EF,i为排放因子，根据《指南》附表2.4，废皮革CO2排放因子为0.11 t/GJ;αi为碳质量分数，根据《指南》附表2.4，废皮革非生物质碳质量分数为20%。

根据公式计算，工业废渣类替代燃料燃烧碳排放E燃烧2=19 905.6 t/a[5]。

2.2.3 原料分解产生的碳排放

该企业未设置旁路放风系统，熟料产能不变，炉窑排放的粉尘基本不受燃料替代影响，因此，燃料替代前后原料碳酸盐分解产生的CO2排放量相当。原料碳酸盐分解产生的CO2排放量包括3部分，即熟料对应的CO2排放量、窑炉排气筒（窑头）粉尘对应的CO2排放量、旁路放风粉尘对应的CO2排放量。原料碳酸盐分解产生的CO2排放量可按公式（4）计算：

式中：Qi、Qckd、Qbpd、FR1、FR10、FR2、FR20参数取值如表3所示，44/56为CO2与CaO的相对分子质量之比，44/40为CO2与Mg O的相对分子质量之比。

根据公式计算，企业原料碳酸盐分解产生的CO2排放量E工艺1=792 915.4 t/a。

2.2.4 生料中非燃料碳煅烧的碳排放

水泥生产的生料中非燃料碳煅烧产生的CO2排放量按式（5）计算：

式中：Q为生料总用量的数值，燃料替代前生料总用量为2 265 600 t/a，燃料替代后生料总用量为2 268 683 t/a;FR0取值如表3所示。

根据公式计算，燃料替代前E工艺2=8 307.2 t/a，燃料替代后E工艺2=8 318.5 t/a。

2.2.5 净购入使用的电力和热力对应的碳排放

企业未购入热力，主要是电力输入，燃料替代前后电力输入基本不变，净购入使用电力所对应生产活动的CO2排放量E电按式（6）计算：

式中：AD，电力、EF，电力取值如表3所示。

根据公式计算，购入电力碳排放量E电=36 727.3 t/a。

2.2.6 碳排放总量合计

根据以上分析，按公式（1）计算，利用燃料替代前合计碳排放量ECO2=1 216 280.8 t/a，利用燃料替代后合计碳排放量ECO2=1 128 334.5 t/a。

2.3 燃料替代后碳减排成效分析

通过以上计算分析，该水泥企业碳排放量由固体废物替代燃料前1 216 280.8 t/a降低至1 128 334.5 t/a，燃料替代后可减少CO2排放量为87 946.3 t/a，燃料替代前折算单位熟料CO2排放量为0.819 t/t，燃料替代后折算单位熟料CO2排放量为0.760 t/t。根据《福州市生态环境局关于福州市重点行业建设项目碳排放环境影响评价的指导意见》（榕环保综〔2021〕62号），2022年福建省分配指标为0.825 3 t/t。该企业采用一般固体废物替代部分燃料后，单位熟料CO2排放指标明显低于2022年福建省熟料CO2排放分配指标，降碳效果显著。

3、进一步节能降碳措施

根据各类型碳排放量核算可知，主要碳排放集中在燃煤燃烧排放和原料分解碳排放。降低燃煤燃烧碳排放可以从降低燃煤使用量和提高燃煤品质2方面挖掘；降低原料分解碳排放可以通过优化熟料原料配比（减少石灰石用量、提高含有CaO但不含CaCO3的原料用量）挖掘。降碳建议如下。1）采用精准给煤控制系统。窑用燃烧器采用多通道喷煤管，使入窑一次风比例降低到6%～9%，相应增加了入窑高温的二次风量，进而改善了窑内的燃烧条件，提高了燃烧效率，从而达到降低煅烧热耗的目的。2）提高燃煤品质。当选用碳排放因子比无烟煤更低的固体燃料（褐煤、其他洗煤等）或其他气体燃料时，可以降低燃料燃烧碳排放。3）合理降低单位水泥熟料用量。推动以高炉矿渣、粉煤灰等工业固体废物为主要原料的超细粉替代普通混合材，提高水泥粉磨过程中固废资源替代熟料比例，降低水泥产品中熟料系数，减少水泥熟料消耗量，提升固废利用水平。

4、结束语

福建省三明市一水泥企业建有1条4 500 t/d熟料生产线，熟料产能为1.485×106t，为减少化石能源消耗及降低碳排放量，该企业利用一般固体废物燃烧热替代部分燃料煤，利用规模为1.0×105t/a。固体废物种类包括工业废渣类和废生物质类等，根据水泥行业碳排放公式计算分析，燃料替代后可减少CO2排放量为87 946.3 t/a，相对燃料替代前降低了7.23%，单位熟料CO2排放量降低至0.760 t/t。因此，燃料替代技术的应用对于水泥行业实现碳减排具有积极意义，并在一定程度上降低了水泥生产企业的CO2排放量。

参考文献:

[1]中国建筑材料联合会.水泥行业碳减排技术指南(2022)[S].2022-11-20.

[2]史家乐,李静,海燕.水泥行业碳源分析及碳排放核算研究[J].水泥,2023(11):20-23.

[3]生态环境部办公厅.关于做好2023—2025年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知:环办气候函[2023]43号[A].2023-02-07.

[4]中国建筑材料联合会.温室气体排放核算与报告要求第8部分:水泥生产企业:GB/T 32151.8—2015[S].2015-11-19.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行):发改办气候[2013]2526号[A].2013-10-15.

文章来源:纪开敏.浅析水泥行业燃料替代实现碳减排的成效[J].能源与节能,2024,(11):109-112.