中国环境科学 2022,42(4):1934~1944 China Environmental Science 中国水泥生命周期粉煤灰替代的 CO 2 减排研究 肖静, 梁学敏, 张逸畅, 张岳玲 * ( 华北电力大学环境科学与工程学院, 资源环境系统优化教育部重点实验室, 北京 102206) 摘要 : 采用中国水泥企业温室气体排放核算方法及政府间气候变化专门委员会的能源使用 CO 2 排放计算方法, 将不同粉煤灰替代率下原料及能源使用引起的 CO 2 减排进行核算. 结果表明, 与燃煤电厂产业共生可减排 92.676kgCO 2 /t 水泥. 而粉煤灰替代熟料是中国水泥 CO 2 减排的主要部分, 与替代生料结合可产生最大 CO 2 减排 373.303kg/t 水泥. 另外, 粉煤灰替代部分水泥形成混凝土的碳化作用, 到 2050 年可吸收 192.015kgCO 2 /t 水泥. 粉煤灰替代后, 对余热发电变化及外购清洁电力使用比例增加引起的减排进行预测, 发现此项举措可有效促进水泥行业 双碳 目标达成. 关键词 : 水泥 ; 生命周期 ; 粉煤灰替代 ;CO 2 减排 ; 产业共生中图分类号 :X511 文献标识码 :A 文章编号 :1000-6923(2022)04-1934-11 Study on CO 2 reduction of cement with fly ash substitute from the perspective of life cycle in China. XIAO Jing, LIANG Xue-min, ZHANG Yi-chang, ZHANG Yue-ling * (MOE Key Laboratory of Resources and Environmental Systems Optimization, College of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China). China Environmental Science, 2022,42(4):1934~1944 Abstract:The CO 2 reduction induced by material in the situation of fly ash replacement is calculated by the guideline of Greenhouse Gas Emissions of Chinese Cement Enterprises. Meanwhile, the CO 2 reduction induced by energy employment also defined by the methods from Intergovernmental Panel on Climate Change. The results show that considering industrial symbiosis with coal-fired power plants, 92.676kg/t cement of CO 2 are reduced. It is demonstrated that the replacement of clinker with fly ash is the main part leading to CO 2 reduction in China's cement industry. When combined with the replacement of raw materials, the maximum CO 2 reduction per ton of cement can be up to 373.303kg. In the application stage, the carbonization effect of concrete formed by fly ash and Portland cement has increased, and one ton of cement will adsorb 192.015kg of CO 2 by 2050. In the context of fly ash replacement, the emission reduction caused by the change of waste heat generation and the clean electricity employment with different proportion are forecasted. It is found that the measure can also effectively promote the achievement of carbon peak and neutrality goals. Key words:cement;life cycle;fly ash substitution;co 2 reduction;industry symbiosis 我国水泥行业在 双碳 目标中面临的减排压力巨大 [1], 粉煤灰替代带来的 CO 2 减排效应是水泥行业绿色发展的重要方法. 目前粉煤灰替代的研究 [24] 主要集中在部分熟料和水泥的替代 [56], 以往研究表明粉煤灰替代后均可显著减少 CO 2 排放, 但鲜有粉煤灰替代原料的研究以及水泥生命周期粉煤灰替代引起的 CO 2 减排计算, 大多数研究聚焦水泥生产过程的 CO 2 排放, 然而我国水泥制品在其使用阶段长期以来对 CO 2 的吸收量巨大 [7], 对 CO 2 减排意义重大, 从全生命周期角度更能精确核算, 从而更为全面体现粉煤灰替代对水泥行业 CO 2 减排的影响. 水泥生命周期各阶段都会对 CO 2 排放造成影响, 需要科学系统的方法进行定量分析和评价. 因此本文从生命周期视角出发, 考虑电厂作为上游产业, 粉煤灰在水泥生产中的 CO 2 减排效应, 探讨了不同替代率下生料制备 熟料煅烧 水泥粉磨及使用过程中 对 CO 2 减排的影响, 核算了余热发电的变化以及清洁电力使用引起的 CO 2 减排量. 1 数据来源和方法 1.1 系统边界及数据来源资源开采数据获取较为复杂且其 CO 2 排放对整个生产流程影响较小, 假设水泥企业未配备自有矿山, 系统内所有原料及能源获取均采用外购方式. 如图 1 所示, 系统边界包括原料运输 ( 包括替代材料粉煤灰 ) 一次能源运输 生料制备 熟料煅烧 水泥粉磨以及水泥使用等阶段, 功能单元为 1t 水泥. 系统边界内所有过程数据来自于数据库和文献. 其中水 收稿日期 :2021-09-13 基金项目 : 中国工程院咨询项目 (2016-ZD-14); 总理基金资助项目 (DQGG0209-13) * 责任作者, 讲师, zhangyueling@ncepu.edu.cn
4 期肖静等 : 中国水泥生命周期粉煤灰替代的 CO 2 减排研究 1935 泥基础情景 (BS) 下水泥原料和回转窑各过程热耗数据来源于 水泥生产技术基础 ( 第二版 ) [8], 水泥厂和电厂 的分布数据来源于中国工程院能源专业知识服务系统数据库, 其他数据来源于一些行业报告和相关文献. 图 1 水泥生产 CO 2 排放系统边界 Fig.1 System boundary of CO 2 emissions from cement 1.2 研究方法 1.2.1 CO 2 排放 吸收原理及核算方法如图 2 所示, 水泥生产 CO 2 排放分为直接排放和间接排放, 其 中直接排放由碳酸钙分解和煤炭燃烧产生, 间接排放来自电力使用 ;CO 2 吸收来自水泥使用阶段的碳酸化反应. 图 2 水泥生命周期 CO 2 排放及吸收原理 Fig.2 Principle of CO 2 emissions and absorption from cement life cycle
0.1211 1936 中国环境科学 42 卷 水泥生产过程的 CO 2 排放依据 中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南 计算, 能源消耗产生 的 CO 2 依据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 提供的方法计算. 水泥生产各阶段 CO 2 排放及吸收计算公式见表 1. 表 1 水泥全生命周期过程 CO 2 排放计算方法 Table 1 Calculation method of CO 2 emissions during the life cycle of cement 运输阶段 材料运输 tr 上游企业粉煤灰分配的 CO 2 E = Mi Di 2 Vby-product Ce = Vtotal Ce EFe Eash= M 0.109 ash E tr 为运输产生的 CO 2,kg;M i 为生产 1t 水泥所需材料 i 的质量,t;D i 为运输材料 i 的距离,km;0.1211 为 18t 重型柴油货车单位重量 单位运输距离的 CO 2 排放 [9] 因子,kgCO 2 /(t km); 2 指考虑空驶率, 原料产地到水泥企业距离的 2 倍 V byproduct 为粉煤灰的市场价格, 元 ; V total 为粉煤灰和电力的市场价格, 元 ;E ash 为粉煤灰承担的上游电厂 CO 2,kg;M ash 为掺加粉煤灰的质量,kg;0.109 为燃煤电厂生产 1kW h 电生成粉煤灰的质量,kg 生料制备熟料煅烧水泥粉磨使用阶段余热发电 E =AD EF 电耗 e e e E pr = Q c 原料分解 44 44 ( FR FR ) + ( FR FR ) 1000 1 10 2 20 56 40 燃料燃烧 E = 2.7725 M c c 电耗 e e e E e 为电力使用 CO 2 排放,t;AD e 使用电量,MWh;EF e 为电力 CO 2 排放因子,0.6101tCO 2 / MWh [10] E pr 为原料中碳酸盐分解产生的 CO 2 排放,t;Q c 为水泥熟料产量,t;FR 1 为熟料中氧化钙 (CaO) 的含量,%;FR 10 为熟料中不是来源于碳酸盐分解的氧化钙 (CaO) 的含量,%;FR 2 为熟料中氧化镁 (MgO) 的含量,%;FR 20 为熟料中不是来源于碳酸盐分解的氧化镁 (MgO) 的含量,% E c 为煤炭燃烧产生的 CO 2 排放,kg;M C 为耗煤量,kg;2.7725 为标煤的 CO 2 排放因子,kgCO 2 /kg [11] E = AD EF 同生料制备 碳化反应 E E 29.64% n E pr u 为单位水泥年吸收的 CO 2,kg;29.64% [12] 为不掺粉煤灰单位水泥 100a 内通 = 100 过碳化反应吸收的 CO 2 ;n 为水泥碳化速度为不掺粉煤灰时的倍数 u u Q 30% 95% 13.5% AD = 3.6 Q 为水泥生产总热耗,kJ;AD u 为余热发电量,kW h;30% [13,14] 95% [15] 和 13.5% [16] 分别为水泥生产总热耗未利用的百分比 余热回收热效率和余热发电热效率 图 3 水泥厂和电厂分布示意 Fig.3 Schematic diagram of the distribution of cement plants and power plants
4 期肖静等 : 中国水泥生命周期粉煤灰替代的 CO 2 减排研究 1937 1.2.2 情景分类运输阶段 (T) 如图 3 所示, 根据电厂和水泥厂分布情况及电厂粉煤灰储量 [17], 水泥厂直线距离 10km 的电厂覆盖率约为 13.64%, 可提供 1.8 亿 t 粉煤灰, 代表产业共生政策尚未实施时 ; 水泥厂直线距离 50km 的电厂覆盖率约为 64.37%, 可提供 6.1 亿 t 粉煤灰, 代表产业共生政策初步实施 ; 水泥厂直线距离 70km 的电厂覆盖率约为 79.13%, 可提供 6.8 亿 t 粉煤灰, 代表产业共生政策实施良好. 故将粉煤灰运输距离分 3 种情景 :10km(T1) 50km(T2) 70km(T3). 石灰石 黏土 铁粉等运输到水泥厂的公路距离为 3km [18], 石膏的运输距离为 7km [19], 煤炭运输距离为 50km [18]. 生料替代 (R) 为了保证水泥的性能, 在水泥生产中要对二氧化硅 氧化钙 氧化铝和三氧化二铁 4 种主要氧化物的投入量严格控制. 通常用水硬率 (HM) 硅率(SM) 和铝率 (IM) 作为水泥质量控制的指标,HM 的取值范围为 1.8~2.4;SM 的取值范围为 1.7~2.7;IM 的取值范围为 0.8~1.7,3 个指标的数学表达式如式 1 式 2 和式 3 [8] 所示, 可通过 HM SM 和 IM 3 个指标综合确定粉煤灰的替代率. HM CaO = (1) Al O + SiO + Fe O 2 3 2 2 3 SiO SM 2 = Al O 2 3 + Fe O 2 3 IM Al O (2) 2 3 = (3) Fe O 2 3 式中 :CaO Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 分别为原料中该化学成分的质量分数. 石灰石 黏土 铁粉 以及粉煤灰中 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO 等化学成分的质量分数见表 2 [8], 其中 LOSS 为烧失量. 表 2 原料的化学成分及质量分数 Table 2 Chemical composition and mass fraction of materials 原料 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO LOSS 石灰石 0.021 0.004 0.003 0.530 0.003 0.436 粘土 0.758 0.120 0.039 0.005 0.010 0.051 铁粉 0.336 0.043 0.496 0.051 0.019 0.022 粉煤灰 0.369 0.201 0.108 0.184 0.008 0.032 如图 4 所示, 将粉煤灰的替代率从 1% 开始, 以 1% 的间隔增加, 代入式 1 式 2 式 3 进行计算, 符合这 3 个指标, 替代率继续增加, 直至达到值 ω 不符合 为止, 水泥生料中粉煤灰的最大替代率为 (ω-1)%. 通过计算,9% 为最大整数替代率, 粉煤灰的生料替代率为 3%(R1) 6%(R2) 和 9%(R3). 图 4 粉煤灰替代率计算流程 Fig.4 Calculation process of fly ash replacement rate 熟料替代 (C) 粉煤灰代替 10% 的熟料制成普通硅酸盐水泥 (C1) 粉煤灰代替 20% 的熟料制成粉煤灰硅酸盐水泥 (C2) 和粉煤灰代替 40% 的熟料制成粉煤灰硅酸盐水泥 [8] (C3). 水泥替代 (F) 粉煤灰替代 10% 的硅酸盐水泥制成混凝土 (F1) 粉煤灰替代 30% 的硅酸盐水泥 [19 制成混凝土 (F2) 粉煤灰替代 50% 的硅酸盐水泥 20] 制成混凝土 (F3). 1.3 清单分析 表 3 水泥生产原料清单 (t/t 水泥 ) Table 3 List of materials for cement production(t/t cement) 水泥石灰石粘土铁粉粉煤灰石膏 BS 1.386 0.134 0.042 / 0.050 R1 1.345 0.130 0.041 0.029 0.050 R2 1.303 0.126 0.039 0.059 0.050 R3 1.262 0.122 0.038 0.088 0.050 C1 1.248 0.120 0.038 0.095 0.050 C2 1.109 0.107 0.034 0.190 0.050 C3 0.832 0.080 0.025 0.380 0.050 F1 1.386 0.134 0.042 0.111 0.050 F2 1.386 0.134 0.042 0.429 0.050 F3 1.386 0.134 0.042 1.000 0.050 物质输入部分只考虑石灰石 粘土 铁粉 粉煤灰和石膏等主要水泥生产原料, 原料清单如表 3
1938 中国环境科学 42 卷 所示. 2 结果与讨论 2.1 运输阶段 2.1.1 原料运输水泥企业所需粉煤灰的常规运输距离为 100km [21], 但粉煤灰直线运输距离为 70km, 粉煤灰总质量约为 6.8 亿 t, 基本已经满足按照 2020 年水泥产量 23 亿 t, 需 6.9 亿 t 粉煤灰的需求 [22], 在水泥厂 70km 范围内实现与电厂的产业共生是可行的. 表 4 原料运输 CO 2 排放量及其与常规运距的比较 (kg/t 水泥 ) Table 4 CO 2 emissions from material transportation and the difference from conventional distance(kg/t cement) 水泥 T1 T2 T3 100km BS 0.614 0.614 0.614 0.614 R1 0.633 0.777 0.849 0.956 R2 0.652 0.939 1.083 1.298 原料运输 R3 0.671 1.102 1.317 1.64 CO 2 排放量 C1 0.673 1.137 1.368 1.716 C2 0.732 1.659 2.123 2.818 C3 0.849 2.704 3.631 5.022 BS / / / / R1-0.323-0.18-0.108 / R2 原料运输排 -0.646-0.359-0.215 / R3 放与常规运 -0.97-0.539-0.323 / C1 距差值 -1.043-0.58-0.348 / C2-2.086-1.159-0.695 / C3-4.172-2.318-1.391 / 注 : 负值为 CO 2 减少, 正值为 CO 2 增加. 各替代率下 CO 2 排放量及其与常规运输距离比 较结果如表 4 所示, 其中基准情形 (BS) 为无粉煤灰替代. 表 5 显示与 BS 相比, 粉煤灰的运输距离越长, 替代率越高,CO 2 排放增加越多, 尽管粉煤灰添加使其他原料量减少, 继而减少其运输 CO 2 排放, 但粉煤灰的运输距离较长, 造成该阶段排放增加. 与常规运输距离 100km 相比, 通过与电厂相对地理位置优化出的距离 70km, 最多可减少 1.391kg/t 水泥的 CO 2 排放. 另外, 粉煤灰作为燃煤电厂的副产品, 与石灰石 粘土 铁粉等原料相比, 粉煤灰没有开采阶段的 CO 2 排放, 所以产业共生时, 考虑无需开采的优势, 可抵消其运输的 CO 2 排放. 不同替代率下二者抵消结果如表 5 所示. 表 5 产业共生下粉煤灰添加引起的 CO 2 减排量 (kg/t 水泥 ) Table 5 CO 2 reduction caused by fly ash addition under industrial symbiosis (kg/t cement) 项目 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 T1 / 7.395 14.789 22.184 23.869 47.739 95.478 T2 / 7.251 14.502 21.753 23.406 46.812 93.624 T3 / 7.179 14.359 21.538 23.174 46.348 92.696 100km / 7.072 14.143 21.215 22.826 45.653 91.306 由表 5 可知, 产业共生情况下粉煤灰的替代均使 CO 2 排放减少, 当运输距离为 70km, 产业共生下粉煤灰引起的 CO 2 减排最大为 92.696kg/t 水泥. 可出台相关政策, 促进水泥厂和电厂的产业共生, 从最大程度上减少由粉煤灰运输带来的 CO 2 排放, 不仅可推动粉煤灰的资源化利用, 而且有助于实现水泥行业低碳发展. 表 6 回转窑热耗 煤炭用量以及煤炭运输 CO 2 排放量 (kj/t 水泥 ) Table 6 Heat consumption, coal consumption in kilns and CO 2 emissions from coal transportation (kj/t cement) 项目 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 吸热过程 放热过程 物料自 25 加热到 450 717.472 709.468 701.464 693.460 689.363 661.255 605.038 黏土脱水 65.471 63.507 61.543 59.579 58.924 52.377 39.283 物料自 450 加热到 900 822.271 813.098 803.925 794.752 790.057 757.843 693.414 碳酸盐 900 分解 2279.471 2211.087 2142.702 2074.319 2051.524 1823.577 1367.683 分解的碳酸盐自 900 加热到 1400 599.680 581.689 563.699 545.709 539.712 479.744 359.808 熔融净热 105.807 104.627 103.446 102.266 101.662 97.517 89.226 合计 4590.172 4483.475 4376.779 4270.085 4231.242 3872.312 3154.452 脱水黏土产物结晶 16.466 15.972 15.478 14.984 14.819 13.173 9.880 水泥化合物形成 421.212 416.513 411.814 407.116 404.711 388.209 355.205 合计 437.678 432.485 427.292 422.099 419.530 401.381 365.084 理论热耗 Q 4152.494 4050.990 3949.487 3847.985 3811.713 3470.931 2789.367 标煤 (kg) 141.748 138.283 134.818 131.353 130.115 118.482 95.217 煤炭运输 CO 2 排放量 (kg/t 水泥 ) 1.717 1.675 1.633 1.591 1.576 1.435 1.153
4 期肖静等 : 中国水泥生命周期粉煤灰替代的 CO 2 减排研究 1939 2.1.2 煤炭运输与水泥生产中煤炭的使用量相比, 柴油的使用量可以忽略不计, 此部分只对煤炭运输产生的 CO 2 排放进行计算 [23]. 所需煤炭量根据煅烧阶段所需热耗计算, 水泥生产中主要的吸热来自于黏土脱水, 物料的加热, 碳酸盐分解以及加热 熔融净热等过程, 主要的放热来自脱水黏土产物结晶放热 水泥化合物形成等过程 [8], 回转窑热耗理论值为总吸热量与总放热量的差值. 粉煤灰不同替代率下上述过程的热耗结果如表 6 所示. 与 BS 相比, 粉煤灰替代使煤炭的使用量减少, 随着替代率的增加, 煤炭的用量减少越多. 添加粉煤灰之后, 常规原料的使用减少, 这使相关吸热过程的单位质量热耗减少. 另外, 粉煤灰还有其独特的优势, 与黏土相比, 粉煤灰含水率低, 所以黏土脱水所需热耗降低. 而且粉煤灰有相当数量的 CaO 以硅酸盐等形式存在, 节省大量碳酸盐分解热. 物料自 450 加热到 900 时, 由于粉煤灰的蓄热系数为 3.92W/(m 2 K) [24], 而黏土和石灰石的蓄热系数高达 10W/(m 2 K) [25], 加热到同一个温度所需热耗也较少. 粉煤灰的加入有效减少了煅烧阶段的热耗, 进而使所需煤炭减少, 因此煤炭的运输阶段 CO 2 排放减少. 该阶段 CO 2 排放量以及其与 BS 的差值如图 5(a) 所示, 生料替代最多可减少 CO 2 排放 0.063kg/t 水泥, 熟料替代最多可减少 CO 2 排放 0.282kg/t 水泥. 2.2 生料制备粉煤灰的含水量一般低于 1%, 而粘土等原料的含水量高达 15% 以上 [26], 另外粉煤灰粒径一般小于 10µm [27], 而主要原料石灰石 铁粉等粒径大约为厘米和毫米, 粉煤灰的替代可节省干燥耗电和粉磨耗电. 单位原料干燥耗电 8.19kW h [28], 单位原料粉磨耗电 16kW h [29]. 不同替代率下该阶段耗电量如表 7 所示,CO 2 排放量及其与 BS 的差值如图 5(b) 所示. 粉煤灰的替代率越大, 干燥和粉磨所需电耗越小, 相应的 CO 2 减排量就越大, 此处最大减排量为 9.220kg CO 2 /t 水泥. 另外, 如前文 2.1 所述, 粉煤灰替代造成煤炭用量减少, 煤粉制备耗电也相应减少. 单位煤粉制备耗电 30kW h [29], 则不同替代率下煤粉粉磨耗电量如表 8 所示, 产生的 CO 2 排放量及其与 BS 的差值如图 5(c) 所示. 此处最大减排量为 0.852kg CO 2 /t 水泥. 表 7 各替代率下原料干燥和粉磨的耗电量 (kw h) 及 CO 2 排 放量 (kg/t 水泥 ) Table 7 Electricity consumption(kw h) and CO 2 emissions (kg/t cement) of material drying and grinding at various substitution rates 水泥 耗电量 CO 2 排放量原料干燥原料粉磨原料干燥原料粉磨 BS 12.792 24.991 7.804 15.247 R1 12.408 24.241 7.570 14.789 R2 12.025 23.491 7.336 14.332 R3 11.641 22.741 7.102 13.875 C1 11.513 22.492 7.024 13.722 C2 10.234 19.992 6.244 12.197 C3 7.675 14.994 4.683 9.148 表 8 各替代率下煤炭粉磨耗电量 (kw h) 和 CO 2 排放量 (kg/t 水泥 ) Table 8 Electricity consumption(kw h) and CO 2 emissions (kg/t cement) of coal grinding at various replacement rates 项目 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 耗电量 4.252 4.148 4.045 3.941 3.903 3.554 2.856 CO 2 排放量 2.594 2.531 2.468 2.404 2.381 2.169 1.743 2.3 熟料煅烧原料中碳酸盐分解和煤炭燃烧产生的 CO 2 约占总排放的 92% [23,3031], 不同替代率下该阶段由原料分解和煤炭燃烧产生的 CO 2 见表 9. 表 9 各替代率下熟料煅烧的 CO 2 排放量 (kg/t 水泥 ) Table 9 CO 2 emissions from Calcination at various replacement rates (kg/t cement) 项目 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 碳酸盐分解 583.625 566.290 548.955 531.620 526.567 466.900 350.175 煤炭燃烧 392.995 383.389 373.782 364.176 360.743 328.491 263.988 表 10 各替代率下水泥粉磨电耗 (kw h) 及 CO 2 排放量 (kg/t 水泥 ) Table 10 Electricity consumption(kw h) and CO 2 emissions (kg/t cement) from cement grinding at various replacement rates 项目 BS C1 C2 C3 电耗 25 22.625 20.25 15.5 CO 2 排放量 15.253 13.804 12.355 9.457 原料分解方面, 粉煤灰替代生料, 由于粉煤灰中的 CaO 以硅酸盐 氯酸盐和铁酸盐形式存在, 含碳
CO2 排放量 ( 10 CO2 排放量 (kg/t 水泥 ) CO2 排放量 (kg/t 水泥 ) CO2 排放量 ( 10 CO2 排放量 (kg/t 水泥 ) 1940 中国环境科学 42 卷 酸盐的原料使用量下降, 煅烧时 CO 2 排放减少, 而在替代熟料时, 减少了熟料的使用量, 也相应减少了熟料生产的 CO 2. 煤炭燃烧方面, 粉煤灰替代生料, 由 2.1 中对煤炭用量的分析可知, 其独特的物理性质和化学成分可明显降低煅烧时的理论热耗, 煤炭用量相应减少, 燃烧产生的 CO 2 也减少. 粉煤灰替代熟料, 减少了熟料用量, 相应减少了熟料生产的煤炭燃烧 CO 2 排放. 与 BS 的差值如图 5(d) 所示, 此阶段最大可 减排 363.231kg CO 2 /t 水泥. 2.4 水泥粉磨粉煤灰替代熟料, 由于其自身粒度较小, 可减少粉磨耗电, 粉磨单位水泥耗电量为 25kW h [29], 各替代率下粉磨电耗和 CO 2 排放如表 10 所示. 粉煤灰的替代率越高, 此阶段 CO 2 排放量越少. 与 BS 的差值如图 5(e) 所示. 此阶段最大 CO 2 减排量为 5.796kg/t 水泥. ) 水泥 kg/t 1-9.0 8.5 8.0 7.5 (a) 煤炭运输 ) 水泥 kg/t 1-24 20 16 (b) 原料干燥和粉磨 原料干燥原料粉磨 7.0 6.5 6.0 12 8 5.5 2.6 2.4 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 (c) 煤炭粉磨 4 1000 900 800 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 (d) 熟料煅烧 煤炭燃烧碳酸盐分解 2.2 700 2.0 1.8 600 500 400 16 15 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 (e) 水泥粉磨 300 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 14 13 12 11 10 9 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 图 5 各替代率下不同阶段 CO 2 排放量 Fig.5 CO 2 emissions from different stages at various substitution rates 2.5 使用阶段表 11 各替代率下水泥使用阶段 CO 2 减排量预测 (kg/t 水泥 ) Table 11 Prediction of CO 2 reduction in cement application at various replacement rates (kg/t cement) 年份 BS F1 F2 F3 2030 17.299 27.678 41.517 64.005 2050 51.896 83.034 124.550 192.015 水泥制成混凝土后, 在使用过程中, 空气中 CO 2 可渗透到混凝土内, 与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水, 使混凝土碱度降低, 此过程称为碳化过程 [32]. 碳化条件相同, 粉煤灰掺量越大, 越有利于 CO 2 气体扩散, 粉煤灰水泥的抗碳化性能越差, 粉煤 灰替代水泥有助于自身使用阶段的 CO 2 减排 [33]. 张 [34] 扬等选取粉煤灰掺量为 0% 10% 20% 和 30% 的混凝土为研究对象, 通过自然条件下的碳化, 研究了粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响, 实验结果表明 : 掺 10% 20% 和 30% 粉煤灰的混凝土碳化速度分别为不掺粉煤灰的 1.6 1.9 2.4 倍. 线性拟合发现混凝土碳化速度和粉煤灰添加量之间呈线性关系, 当粉煤灰掺加量为 40% 和 50% 时, 混凝土碳化速度分别为不掺粉煤灰的 2.8 和 3.7 倍. 根据以上研究, 各替代率下碳化作用的 CO 2 减排情况如表 11 所示. 当替代率为 F3 时, 到 2030 年 CO 2 减排量为 64.005kg/t 水泥, 到 2050 年 CO 2 减排量为 192.015kg/t 水泥. 2.6 余热发电及清洁电力使用
4 期肖静等 : 中国水泥生命周期粉煤灰替代的 CO 2 减排研究 1941 水泥生产总热耗定义为单位熟料 (kg) 所需热量 (kj), 即物料预热 脱水 分解 化合吸收热 + 综合损失热. 从水泥生产总热耗的定义来看水泥生产总热耗为 2.1.2 的理论热耗 Q. 由 2.1.2 中讨论, 粉煤灰替代使物料的生产总热耗变低, 余热发电量相应变低, 由 2.2 2.3 和 2.4 的讨论, 粉煤灰替代节省电耗 余热发电及外购电力的变化如表 12 所示. 余热发电量的减少小于粉煤灰替代引起的电耗节省, 因此可以减少外购电力, 由此带来的最大 CO 2 减排量为 12.484kg/t 水泥. 表 12 水泥生产外购电量减少 (kw h) 及 CO 2 减排量 (kg/t 水泥 ) Table 12 Reduction of purchased electricity(kw h) and CO 2 emission (kg/t cement) 项目 BS R1 R2 R3 C1 C2 C3 余热量 (kj/t 159.767 155.862 151.956 148.051 146.656 133.544 107.321 水泥 ) 余热发电量 44.380 43.295 42.210 41.125 40.738 37.096 29.811 余热发电的 0.000 1.085 2.170 3.254 3.642 7.284 14.568 减少量节省电耗 0.000 10.019 11.324 12.576 15.382 21.932 35.031 减少的外购 0.000 8.934 9.154 9.322 11.740 14.648 20.463 电量 CO 2 减排量 0.000 5.451 5.585 5.687 7.163 8.937 12.484 表 13 2030 年 2040 年和 2050 年我国能源发电结构预测 Table 13 Forecast of China's energy generation structure in 2030, 2040 and 2050 年份燃煤 (%) 清洁能源 (%) 2030 47 53 2040 36 64 2050 9 91 水泥企业通过粉煤灰替代策略可有效减少外购电量, 但仍然需要大量的外购电力才能满足生产需要,2030 年 2040 年和 2050 年的能源发电结 [3537] 构如表 13 所示. 若外购电力采用清洁电力, 各替代率下外购电量和采用清洁电力可实现的 CO 2 减排量如表 14 所示, 外购电量仅考虑生料制备阶段及水泥粉磨阶段电耗之和减去余热发电量. 水泥企业的外购电力采用清洁电力在 CO 2 减排方面有巨大空间. 随着清洁电力比例的逐渐增加,CO 2 减排量在 2030 年 2040 年 2050 年都有显著增加, 到 2050 年最大 CO 2 减排量为 17.319kg/t 水泥. 表 14 外购电量 (kw h) 及清洁电力 CO 2 减排量 (kg/t 水泥 ) Table 14 CO 2 reduction of purchased electricity(kw h) and clean electricity (kg/t cement) 项目 R1 R2 R3 C1 C2 C3 外购电量 31.195 22.261 22.041 21.874 19.455 16.547 2030 10.087 7.198 7.127 7.073 6.291 5.351 2040 12.181 8.692 8.606 8.541 7.597 6.461 2050 17.319 12.359 12.237 12.144 10.801 9.187 2.7 CO 2 减排评价 2020 年我国水泥产量约 23 亿 t, 排放 CO 2 约 14.66 亿吨, 约占中国 CO 2 排放总量的 14.30%. 如表 15 所示, 各阶段 CO 2 减排量从高到低依次是熟料煅烧 使用阶段 运输阶段 生料制备及水泥粉磨. 熟料煅烧阶段的 CO 2 减排量可使全国 CO 2 排放减少 8.57%, 运输阶段产业共生后的 CO 2 减排量可使全国 CO 2 排放减少 2.08%; 到 2050 年, 粉煤灰替代的水泥制品吸收的 CO 2 可使全国 CO 2 排放减少 1.23%. 实际生产中, 生料制备和熟料煅烧两个阶段可同时进行粉煤灰替代, 若结合清洁电力使用, 单位水泥 CO 2 减排为 461.675kg,CO 2 总减排量为 10.619 亿 t, 占 2020 年总排放量的 74.10%. 如果要使全球温度升高控制在 2 以内, 到 2050 年全球 CO 2 排放量要比峰值水平减少 50% 以上 [3839]. 麦肯锡测算, 要使全球温度升高不超过 1.5, 中国水泥行业到 2050 年碳减排要达到 70% 以上. 研究结果表明, 要达到 双碳 目标, 粉煤灰替代及清洁电力使用可以是水泥行业未来的主要发展方向. 表 15 水泥生命周期各阶段最大 CO 2 减排量及贡献 Table 15 Maximum CO 2 emission reduction and its contribution in each stage of cement life cycle 单位水泥 CO 2 减总减排量水泥行业占比阶段排量 (kg/t 水泥 ) ( 亿 t) ( 全国占比 ) 运输阶段 92.676 2.132 14.54%(2.08%) 生料制备 10.072 0.232 0.58% (0.23%) 熟料煅烧 363.231 8.354 56.96%(8.57%) 水泥粉磨 5.796 0.133 0.89% (0.13%) 使用阶段 (2050 年 ) 192.015 4.416 8.57% (1.23%) 3 经济可行性如表 16 所示, 将最大替代率下水泥企业的原料和煤耗 电耗等成本与 BS 成本进行比较, 粉煤灰替代后 1t 水泥可节省成本 159.973 元, 说明水泥企业采用粉煤灰作为替代物具有良好的经济可行性.
1942 中国环境科学 42 卷 表 16 粉煤灰替代后的水泥企业经济效益 Table 16 Cement economic benefit induced by fly ash substitution 项目石灰石粘土铁粉粉煤灰煤炭 生料制备 电力 (kw h) 水泥粉磨 BS(t) 1.386 0.134 0.042 0.000 0.142 42.045 25.000 / 生料 9%+ 熟料 40%(t) 0.707 0.068 0.021 0.481 0.085 21.814 13.363 / 单价 ( 元 ) 130 [40] 126.30 [41] 1800 [42] 45 [43] 601 [44] 0.635 [45] / 购置成本 ( 元 ) -88.270-8.336-37.800 +21.645-34.257-12.847-7.389-167.254 单位运输成本 [46] ( 元 /t) 4.970 4.970 4.970 26.150 26.150 / / / 运输成本 ( 元 ) -3.375-0.328-0.104 +12.578-1.491 / / +7.281 合计 ( 元 ) / / / / / / / -159.973 注 :- 表示成本减少,+ 表示成本增加. 合计 4 结论 4.1 水泥企业与直线距离 70km 的电厂进行产业共生, 可满足水泥企业的粉煤灰需求, 并有效降低其运输 CO 2 排放. 4.2 保证水泥质量前提下, 生料替代率最高可为 9%, 该替代率下 CO 2 减排量为 82.511kg/t 水泥. 4.3 同时进行生料替代和熟料替代, 最多可减少 CO 2 排放 452.586kg/t 水泥. 4.4 在清洁电力预测情况下, 到 2050 年 CO 2 减排最大为 17.319kg/t 水泥. 4.5 最高的生料和熟料替代率, 结合清洁电力使用, 到 2050 年, 减排量为 461.675kg/t 水泥, 占 2020 年水泥行业总排放的 74.10%. 参考文献 : [1] Liu J, Tong D, Zheng Y, et al. Carbon and air pollutant emissions from China's cement industry 1990 2015: trends, evolution of technologies, and drivers [J]. Atmospheric chemistry and physics, 2021,21(3):1627-1647. [2] Jamora J B, Gudia S E L, Go A W, et al. Potential CO 2 reduction and cost evaluation in use and transport of coal ash as cement replacement: A case in the Philippines [J]. Waste Management, 2020,103:137-145. [3] Wen Z, Chen M, Meng F. Evaluation of energy saving potential in China's cement industry using the Asian-Pacific Integrated Model and the technology promotion policy analysis [J]. Energy Polic, 2015,77: 227-237. [4] Wei J, Cen K. Empirical assessing cement CO 2 emissions based on China's economic and social development during 2001~2030 [J]. The Science of the total environment, 2019,653:200-211. [5] Kayali O, Sharfuddin Ahmed M. Assessment of high volume replacement fly ash concrete Concept of performance index [J]. Construction and Building Materials, 2013,39:71-76. [6] Hussain S, Bhunia D, Singh S B. Comparative study of accelerated carbonation of plain cement and fly-ash concrete [J]. Journal of Building Engineering, 2017,10:26-31. [7] Guo R, Wang J, Bing L, et al. Global CO 2 uptake by cement from 1930 to 2019 [J]. Earth System Science Data, 2021,13(4):1791-1805. [8] 刘辉敏. 水泥生产技术基础 [M]. 北京 : 化学工业出版社, 2016. Liu M H. Fundamentals of cement production technology [J]. Beijing: Chemical Industry Press, 2016. [9] 章玉容. 粉煤灰混凝土生命周期环境影响综合评价 [D]. 北京 : 北京交通大学, 2016. Zhang Y R. Comprehensive assessment of life cycle environmental impact of fly ash concrete [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2016. [10] 中华人民共和国生态环境部. 关于做好 2018 年度碳排放报告与核查及排放监测计划制定工作的通知 [EB/OL]. http://www.mee.gov. cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/201904/t20190419_700400.shtml2019-04-1 9/2019-07-10. Ministry of Ecology and Environment of the People s Republic of China.The Circular on reporting and verifying carbon emissions in 2018and formulating emission monitoring plans [EB/OL]. http:// www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/201904/t20190419_700400.sh tml2019-04-19/2019-07-10. [11] 杨昆, 王永胜, 刘翠玲. 山西省重点行业碳排放情况的 LMDI 分析和聚类评价 [J]. 低碳世界, 2016,6(10):3-4. Yang K, Wang Y S, Liu C L.LMDI Analysis and cluster evaluation of Carbon Emission of Key Industries in Shanxi Province [J]. Low carbon world, 2016,6(10):3-4. [12] Shen W, Cao L, Li Q, et al. Quantifying CO 2 emissions from China's cement industry [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015,50:1004-1012. [13] Yin Q, Du W, Cheng L. Optimization design of waste heat power generation systems for cement plants based on the thermal resistances analyses [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 118:1190-1204. [14] Rad E A, Mohammadi S. Energetic and exergetic optimized Rankine cycle for waste heat recovery in a cement factory [J]. Applied Thermal Engineering, 2018,132:410-422. [15] 彭菊生. 低温余热朗肯循环发电系统的设计研究 [J]. 低温工程, 2020,42(6):69-73. Peng J S. Design and research of low temperature waste heat rankine cycle power generation system [J]. Cryogenic Engineering, 2020,42(6): 69-73.
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