水泥生产的碳排放因子研究进展

彭腊梅

洛浦天山水泥有限责任公司 , 新疆 洛浦 848200

摘要：近几十年来，中国水泥工业实现了从生产工艺到技术的全面升级改造。加强水泥生产碳排放因素的研究，对于科学准确地核算我国水泥生产碳排放具有重要的现实意义。从核算边界和计算方法入手，比较了国内外水泥生产碳排放因子的计算方法，在区分参数选择和不确定性差异的基础上，揭示了水泥生产碳排放因子的影响因素，为今后我国水泥生产碳排放系数计算方法的选择和构建提供参考。

关键词：水泥生产；碳排放因子；

水泥生产过程中会排放大量的二氧化碳。作为水泥生产大国，中国水泥的碳排放已经引起了全世界的关注。我国水泥行业结构发生了较大变化，但国外学者对我国水泥行业的现状并没有充分了解，导致我国水泥碳排放量的计算与实际排放量不一致甚至相差较大。本文对我国水泥生产现状、二氧化碳排放现状、二氧化碳减排现状和二氧化碳减排潜力进行了详细的总结和分析。分析表明，国外学者对中国水泥碳排放的高估是因为他们不了解主流工艺类型、碳排放因素、替代原料燃料的使用和熟料水泥比。

一、核算的边界

水泥生产过程可概括为两次研磨和一次燃烧，即生食的制备，这是指生粉的混合/均匀化、研磨和预热过程。熟料煅烧是指原料在900 ~ 1 500 C高温预热器和回转窑中反应产生熟料的过程。水泥粉碎，用添加剂粉碎冷却熟料并使其均匀化。水泥生产产生的碳排放主要来自碳酸盐分解和燃料消耗。一般而言，水泥生产产生的碳排放包括直接和间接排放，其中直接排放包括工艺排放和矿物燃料消耗，而间接排放主要包括能源消耗排放和熟料排放全球水泥生产碳排放计算方法的代表性研究机构有:政府间气候变化专门委员会(气专委)、世界可持续发展商业理事会(WBCSD)、自愿水泥可持续发展协议(CSI)、WBCSD / CSI和中国木材研究所当气专委、WBCSD/CSI和AMRC测量水泥生产产生的碳排放量时，研究系统的具体核算要素和局限性有所不同。

二、方法的比较

1.参数选择。比较IPCC、WBCSD/CSI和CDMA水泥生产碳排放因子的计算方法，根据研究规模、计算方法和细度的不同，计算水泥生产碳排放因子所需的参数也不同。在研究规模上，IPCC方法1和方法2以国家为研究对象，IPCC方法3、WBCSD/CSI(方法A1、A2、B1和B2)和CDMA均以工厂为研究对象。在计算方法上，IPCC(方法1和方法2)、WBCSD/CSI(B1和B2)和CDMA是熟料法。气专委(方法3)和促发世商会/CSI(A1，A2)是生物量方法。美国和日本广泛使用生料法。熟料法是1996年IPCC《国家温室气体清单指南(修订版)》中提出的。目前大部分报道主要集中在熟料法。理论上，熟料法和生料法的计算结果是一致的。

2.不确定性。不确定性是编制温室气体清单的长期挑战，值得特别关注。IPCC认为水泥生产碳排放的不确定性主要来自活动数据和熟料排放因素。该方法的不确定性主要来自水泥生产的熟料/水泥比、熟料进出口数据和默认CKD修正系数；该方法的不确定性主要来自熟料中氧化钙的含量。当熟料数据准确时，熟料排放系数的不确定性主要来自熟料中CaO含量和CaO来源于CaCO3的假设。方法化学法测定碳酸盐排放因子的不确定度较小，但假设CKD中的碳酸盐完全煅烧，也会造成不确定度。根据WBCSD/CSI ，水泥行业CO2排放清单的不确定性主要来自熟料产量、生料消耗、煅烧排放系数、燃料消耗、燃料低热值和燃料排放系数六个方面。从科学的角度来看，水泥生产碳排放因子的估算不应是精确的点估计，而应表示为不确定区间或置信区间。此外，WRI/世界可持续发展工商理事会开发了一个工具(www.ghgprotocal.org)，以帮助和指导水泥生产中碳排放不确定性的估计。码分多址水泥生产碳排放因子的计算是基于工厂的实际测试数据，不确定度相对较小。水泥生产过程碳排放因素的不确定性来源及对策。气专委 国家温室气体清单指南方法1和方法2对应于促排委/CSI熟料法(B1和B2)；方法3对应WBCSD/CSI生料法(A1、A2)。气专委方法3无法在大多数水泥厂操作，因为它需要大量原材料投入和对化学成分数据的持续监测。目前，由于生料均化和物流已成为常规测试(包括化学分析过程和质量控制)，基于生料消耗的WBCSD/CSI方法已成功应用于不同国家的水泥企业，比IPCC方法3更具实用性。CDMA与IPCC、WBCSD/CSI方法兼容性好，涉及水泥生产直接和间接碳排放的所有环节，完全涵盖水泥生产碳排放的核算内容。相应的，它涉及到很多核算环节和参数，目前还处于普及阶段。与IPCCC和WBCSD/CSI相比，CDMA只考虑工厂级核算，没有兼顾宏观和微观，因此其计算方法较为复杂。

三、影响的因素

全球水泥生产的碳排放中，50%来自碳酸盐分解，40%来自燃料煅烧，间接排放约占水泥碳排放总量的10%。 对于CaO含量约为64%~67%的熟料，排放系数为0.5 gco 2/kg熟料。根据生产过程中燃料种类的不同，每生产1t熟料将排放0.9到1tCO2。此外，水泥生产的碳排放也取决于熟料/水泥比，范围从0.5到0.95。波兰水泥行业采取了大量减排措施，包括采用能耗更低的生产技术和工艺(如新型干法工艺)、废物作为替代原料和燃料、碳捕集与封存技术、混凝土的碳吸收等。 综上所述，水泥生产的碳排放主要受生产工艺类型、熟料中原料碳酸盐含量、燃料类型、熟料/水泥比以及动力生产排放因素的影响。有鉴于此，水泥生产的降碳措施主要包括升级生产工艺和设备、替代燃料、降低熟料/水泥比(替代原材料)、采用碳捕集与封存技术(CCS)、以混凝土为碳汇等。(1)升级生产技术、设备和工艺，提高能效。安装辊压机、立磨、高效分离器等。 通过升级旧的生产工艺、设备和工艺(如由湿法改为新的干法)，仅在窑内燃烧燃料的过程中就可节约2%~10%的燃料。(2)用低碳燃料代替高碳燃料。根据替代燃料的种类，替代度可达80%~100%。在比利时、法国、德国、荷兰和瑞士，替代能源占总能源的平均比例从35%上升到70%。美国水泥厂20%~70%的能源来自替代能源。用废弃燃料替代化石燃料将减少(0.1~0.5)千克二氧化碳/千克水泥的排放。替代燃料不会带来新的排放，但应特别注意汞和铊等一些挥发性元素造成的严重环境污染。此外，废能(热)、可再生能源和核能可用作替代能源。(3)原材料的替代和熟料/水泥比的降低。为了节约熟料，降低能耗，提高性能，水泥厂经常添加混合材(如粉煤灰、矿渣、石膏、萤石等)来制造混合水泥。通过生产混合水泥，将为全球水泥生产带来至少5%~20%的减排配额。混合水泥的减排潜力因国家和地区而异。（4）碳捕获和储存技术。CCS技术包括燃烧前和燃烧后捕获，以及富氧燃料燃烧捕获。 在水泥生产中采用CCS技术，可减少排放65%~70%。目前CCS相关政策主要倾向于能源及相关部门，CCS技术在水泥行业层面尚不成熟。CSI将考虑在CCS技术产业成熟、CO2可长期安全储存后，将CCS技术应用于水泥行业(WBCSD-CSI，2011)。(5)混凝土的碳吸收。混凝土浇筑凝固后，大气中的CO2被混凝土重新吸收。然而，重新吸收的二氧化碳只占很小的份额，因此在计算碳排放量时可以忽略不计。 混凝土达到使用寿命后，通过拆除和破碎增加了表面积，带来了巨大的碳化吸收潜力，水泥生产中至少有10%~15%的碳排放被碳化过程吸收。综上所述，水泥生产的碳排放中，共有20%~25%被碳化过程吸收。 关于水泥和混凝土作为碳汇吸收CO2的准确定量数据还缺乏，但这将成为未来研究的重要内容之一。

总之，目前，关于中国水泥生产的碳排放因素和核算问题，迫切需要建立和完善企业微观数据库，实现会计方法体系的标准化。中国水泥生产碳排放因子数据库的物理性质建设和测试以及中国水泥生产行业碳排放因子的测量对控制中国水泥生产碳排放的实际情况具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]王平.水泥生产CO2排放量计算方法及评述.2019.

[2]刘雪莲，浅谈水泥生产的碳排放因子研究进展.2020.