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水泥生產中減排二氧化碳措施和效果分析
http://www.gqldtu.live 2015-02-28 16:11:47

1 前言
  為了21世紀的地球免受氣候變暖的威脅,1997年12月,在日本東京召開的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第三次會議通過了旨在限制發達國家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》。2004年11月,俄羅斯總統普京在《京都議定書》上簽字,截至2004年12月,已有129個國家及地區批準加入議定書,議定書將于2005年2月16日正式生效。《京都議定書》規定,2012年前,主要工業發達國家溫室氣體排放量要在1990年的基礎上平均減少5%。
  為了促進各國完成溫室氣體減排目標,議定書允許采取以下四種減排方式:
  (1)兩個發達國家之間可以進行排放額度買賣的“排放權交易”,即難以完成削減任務的國家,可以花錢從超額完成任務的國家買進超出的額度。
  (2)以“凈排放量”計算溫室氣體排放量,即從本國實際排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的數量。
  (3)可以采用綠色開發機制,促使發達國家和發展中國家共同減排溫室氣體。
  (4)可以采用“集團方式”,即歐盟內部的許多國家可視為一個整體,采取有的國家削減、有的國家增加的方法,在總體上完成減排任務。
  該議定書確定的溫室氣體,二氧化碳占首位,我國是締約國之一,雖然在2012年之前不承擔減排溫室氣體的任務,但是可以通過“清潔發展機制”,由減排獲得我國發展急需的資金,也為承擔減排溫室氣體任務積累技術和經驗,這就必須研究各部門減排二氧化碳的實用技術。為此,本文根據水泥生產工藝,從理論上分析水泥生產中削減排放二氧化碳的措施和效果。
2 水泥生產通常排放的二氧化碳量
  水泥生產排放的二氧化碳包括:由生產水泥的主要原料石灰石中的碳酸鈣分解生成水泥熟料必需的氧化鈣的同時生成的二氧化碳;煅燒水泥熟料和烘干原料用燃料燃燒產生的二氧化碳。
普通硅酸鹽水泥熟料含氧化鈣65%左右,根據化學反應方程式:
  CaCO3=CaO+CO2
  每生成1份CaO同時生成0.7857份CO2,所以每生產1t水泥熟料生成0.511t CO2。
  水泥廠用的燃料煤發熱量為22 000kJ/㎏時,約含有65%左右的固定碳,根據化學反應方程式:
  C+ O2=CO2
  碳完全燃燒時,每噸煤產生2.38t CO2。
  水泥生產過程所用燃料分為熟料燒成用燃料和原燃料烘干用燃料,熟料燒成用燃料的多少與生產水泥熟料的生產工藝及規模有關,現行我國各水泥生產工藝、規模和熱耗、燒成用煤的關系見表1。烘干用燃料的多少與對余熱的利用程度和原燃料的自然水分有關,不考慮烘干物料對余熱的利用,按原燃料的自然水分為18%,生產1t熟料需烘干0.5t左右原燃料計算,烘干用煤約為0.02t。
  生產1t熟料需0.161~0.296t煤,煤燃燒產生0.383~0.704t CO2。加上生成熟料時碳酸鈣分解產生的CO2,每生產1t水泥熟料排放0.894~1.215t CO2。一般地說,每生產1t水泥熟料排放約1t CO2。按此計算,我國2004年生產7億t以上的水泥熟料,排入大氣中的CO2超過7億t。
3 減排二氧化碳措施
3.1 改變原料種類或熟料化學成分
3.1.1 用含有CaO但不產生CO2的物質作原料
  不產生CO2又含有CaO且對水泥熟料形成無不利影響的物質在天然原料中很難找到,但是其它工業的廢渣中往往含有CaO而不會產生CO2,如化工行業的主要化學成分為Ca(OH)2,1t無水電石渣含0.54tCaO,用電石渣作為生產原料,則可減排0.424t CO2。另外,高爐礦渣、粉煤灰、爐渣中都比粘土中含有更多的CaO,能減少配料中石灰石的比例。上述廢渣每提供1t CaO則減少排放0.7857t CO2。另外,上述廢渣作為原料生產水泥還能降低熟料燒成溫度,從而降低煤耗,也起到減排CO2的作用。成都建材設計研究院和合肥水泥研究設計院分別設計了四川宜賓30萬t電石渣水泥廠和安徽皖維高新材料股份有限公司年處理18萬t工業廢渣(其中濕排電石渣為7.5萬t)水泥廠,都取得了安全運行、達標達產的良好效果,明顯地減排CO2。若全用電石渣提供水泥熟料中的CaO,生產每噸水泥熟料可減排0.511t CO2。
3.1.2 降低水泥熟料中CaO的含量
  現行硅酸鹽水泥熟料要求含有較高的硅酸三鈣(C3S),因此,熟料的化學成分中CaO含量在65%左右,若在保證水泥熟料性能的前提下,降低熟料化學成分中CaO的含量,可減少生產水泥熟料需要的碳酸鈣用量,有助于減排CO2。水泥熟料中CaO含量每降低1%,生產1t水泥熟料可減排7.857㎏ CO2。目前,國內外進行低鈣水泥熟料體系的研究和開發,即降低熟料組成中CaO的含量,相應增加低鈣貝利特礦物的含量,或引入新的水泥熟料礦物,可有效降低熟料燒成溫度,減少配合生料的石灰石的用量,降低熟料燒成熱耗。低鈣高貝利特水泥是以貝利特礦物(C2S)為主,其含量在50%左右,該水泥與通用硅酸鹽水泥同屬硅酸鹽水泥體系,其燒成溫度為1 350°C左右,比通用硅酸鹽水泥低100℃,在水泥性能上,低鈣硅酸鹽水泥28天抗壓強度與通用硅酸鹽水泥相當,后期強度高出通用硅酸鹽水泥5~10MPa,在水泥熟料生產過程中,比現行硅酸鹽水泥熟料少排10%左右CO2。貝利特硫鋁酸鹽水泥可把熟料中CaO降到45%,生產每噸熟料比現行硅酸鹽水泥熟料少排CO2約0.16t。

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