技术 | 碳中和目标下海螺水泥减排二氧化碳的实践

引言

面对日益严峻的气候变化形势，关于碳中和的行动举措已经被多个国家列入了发展行动计划。2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论会上发表重要讲话时提出，我国二氧化碳排放力争于2030年前达峰，进而实现碳中和。2019年中国二氧化碳年排放量约100亿t，占世界二氧化碳年排放量的30％，其中水泥行业排放约13.2亿t，占全国工业企业二氧化碳总排放量的15％，二氧化碳减排任务艰巨。本文介绍水泥企业的碳排放及海螺集团在碳减排领域的举措。

01水泥生产过程中二氧化碳的排放

按照二氧化碳排放来源，水泥生产企业二氧化碳排放可分为直接排放和间接排放。直接排放主要是生料中碳酸盐分解和燃料燃烧产生的二氧化碳排放，排放主要集中于水泥熟料烧成工序；间接排放主要是各工艺过程电力消耗产生的二氧化碳排放，其直接排放点主要集中在火力发电厂。根据相关计算推算，水泥企业二氧化碳排放中直接排放约占总排放的98％，间接排放仅占2％。

02二氧化碳减排技术在海螺的应用

针对水泥生产企业，碳减排主要途径有：一是技术性减排，即通过改善工艺优化指标、使用替代原燃料、添加矿化剂降低熟料烧成温度、利用水泥窑余热进行发电、新能源技术、水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化、提高熟料质量以及强化生产管理；二是市场与产业政策结合减排，即通过淘汰落后产能等手段进行碳减排。现结合上述二氧化碳减排途径及相关实例，多角度阐述二氧化碳减排技术在海螺水泥的应用。

2.1 提高能源利用率

新型干法水泥生产线的热耗主要集中在熟料煅烧；电力消耗主要发生在原料开采及均化，生料制备，熟料煅烧，煤粉粉磨，水泥粉磨、输送及包装等环节。以海螺水泥CZ公司3号线项目为载体，开展生产线综合能效提升研究。具体措施：生料粉磨系统更换为辊压机终粉磨系统以降低电耗；预热器系统采用低阻旋风筒和管道式分解炉、新型隔热纳米耐火材料，以提高系统的换热效率、生料的分解率及降低设备表面的散热量；优化风管设计，以降低系统阻力；窑主电机更换交流变频电机，冷却风机群启用变频高效风机，以降低电耗；篦冷机整体采用新型高效第四代篦冷机，以提高熟料冷却效率和热回收效率。

以上技术方案的实施，CZ公司3号线系统标煤耗较改造前降低约10kg/t熟料，熟料综合电耗较改造前降低约10kWh/t，按照年产熟料200万t计算，则全年减少二氧化碳排放约67500t，若该改造方案在海螺集团全面推广，年减排二氧化碳约850万t。

2.2 采用替代燃料

在“循环经济”和“绿色能源低碳化”理念的指引下，海螺ZL公司生产线启动替代燃料项目。通过研究生物质替代燃料的物理特性、燃料特性及污染物排放特性，通过CFD模拟等手段对生物质替代燃料使用后对分解炉工况参数进行模拟分析，提出生物质替代燃料技术应用的最佳技术方案，开发生物质替代燃料系统，降低煤炭资源的消耗，达到能源结构绿色低碳化的创新目标。

海螺ZL公司替代燃料项目总规模为30万t/a，项目已于2020年10月建成投产（见图1），根据当地替代燃料资源情况，每年可消纳稻草、油菜杆及树皮总计26万t，年节约标煤7.5万t，年减排二氧化碳20万t。该项技术若在海螺集团全面推广应用，年节约标煤1080万t，年减排二氧化碳约2800万t。

2.3 选用替代原料

水泥熟料生产的主要原料是石灰石矿，主要成分是碳酸盐，其分解过程中CO2产生量约占水泥生产企业二氧化碳排放的65%。在研究替代原料成分、生料配料最佳掺量的基础上，选择部分替代原料，可降低最低共熔点温度，进而降低系统能耗。海螺集团LP公司采用黄磷渣配料，煅烧温度降低，吨熟料煤耗下降1.5kg；采用电石渣、粉煤灰、硫酸渣等工业废料替代部分原料，既减少了矿山的开采量，又降低了二氧化碳的排放。

2.4 充分回收利用水泥窑余热

在熟料生产过程中，由预热器出口和篦冷机排出的废气余热约占熟料烧成热耗的33%。海螺水泥生产企业配套建设余热发电系统（见图2），利用预热器出口和篦冷机中段出口的废气余热进行发电，并将这些电能用于企业生产，减少外电的采购量，实质上减少了燃煤发电厂的煤的用量，间接地减少了二氧化碳排放。同时利用发电锅炉后的废气余热进行物料的烘干，减少烘干物料所用的燃料，海螺集团年余热发电量约为87亿kWh，水泥企业用电量大幅减少，全年减少二氧化碳的排放约790万t。

2.5 富氧助力水泥熟料煅烧

采用高于普通空气的助燃气体，有利于入窑炉煤粉的充分燃烧，海螺集团在充分调研制氧技术发展现状和研究利用富氧对水泥熟料煅烧产生影响的基础上，以海螺CZ公司2号线为项目载体实施富氧燃烧技术，制取富氧代替一次风和窑炉送煤风，助力煤粉的燃烧，提高火焰的强度和窑内温度。

项目于2020年9月建成（见图3）投运，实际测试，熟料烧成系统标煤耗较技改前降低约6kg/t熟料，按照年产熟料200万t计算，则全年减少二氧化碳排放约31000t。若该技术在海螺集团全面推广，年节约标煤约150万t，年减排二氧化碳约387万t。

2.6 水泥窑烟气中二氧化碳的捕集利用

国际能源署发布2020年水泥行业技术路线图，预计到2050年，水泥行业通过采取其他常规碳减排方案后，仍剩余48%的碳排放量。二氧化碳捕集利用是水泥等难以减排行业实现净零排放为数不多的可行性技术方案。目前，二氧化碳捕集利用技术在水泥行业的可行性已经得到验证，海螺集团于2018年建成世界首条水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化示范项目（见图4），规模为50000tCO2/a，实现了二氧化碳资源化利用。下一步将加大二氧化碳捕集利用技术和高附加值二氧化碳衍生产品的研发投入，争取在“十四五”期间建成水泥厂全规模二氧化碳捕集利用示范项目，为水泥行业碳减排起示范引领作用。

2.7 新能源技术开发应用

为加速推进新能源业务发展，提升增长动能，满足绿色发展需要，海螺集团全资成立海螺投资公司，聚焦新能源、新材料等新兴产业。目前已利用建构筑物屋顶及空地布局光伏发电、风能发电和储能等产业，以实现减排任务。

公司光伏项目截止2020年底装机量为130MW，累积发电量为2.79亿度电，减排二氧化碳约25万t。在海螺某子公司建成分散式风电示范项目，装机1.5MW，年发电量320万度，年减排二氧化碳约3000t。同时在海螺某子公司开发建设了化学储能示范项目，储能电站装机总容量12MW/44MWh，共实现电力峰谷转移4000万度，为实现能源梯级利用、合理利用发挥能量。

2.8 创建“三绿”工厂，进而实现碳汇

碳汇是指通过植树造林、森林管理、植被恢复等措施，利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植被和土壤中，从而减少温室气体在大气中的浓度。海螺集团每个工厂大力开展矿山覆绿、植树造林等，广泛创建绿色矿山、绿色工厂和绿色供应链，实现部分碳汇。

03结束语

水泥行业是二氧化碳排放大户，其排放主要来自碳酸盐的分解、燃料的燃烧和电力消耗。进一步在生产工艺碳减排（如替代原料、熟料替代技术等）、生产能耗碳减排（如替代燃料、富氧燃烧技术、高效粉磨、余热发电等）、新技术碳减排（如水泥窑二氧化碳捕集利用）及新能源技术等方面加强技术研发力度，大力推广应用节能减排技术实现水泥行业的节能减排目标，实现水泥行业绿色转型发展，进而为达到碳中和目标作出积极贡献。