地球變暖和極端氣候事件頻頻出現(xiàn)，人類生存條件急劇惡化，溫室氣體特別是CO：的大量排放是氣候變暖的主要因素，控制和減少CO：排放已成為人類社會面臨的緊迫任務。工業(yè)生產是CO：排放的主要來源。統(tǒng)計資料表明，水泥工業(yè)排放的CO：約占全球人為CO：排放量的5％?。同時水泥生產也是一個高耗能的工藝過程(水泥工業(yè)耗能約占全球一次能源的2％、全球工業(yè)能耗的5％)。

　　在水泥生產過程中，為提供原料反應所必需的能量和溫度，需要消耗一定的燃料，燃料的燃燒產生大量的CO：。水泥工業(yè)CO：的排放包括直接排放和間接排放兩部分。直接排放來自于化石燃料燃燒和石灰石的分解，間接排放來自于生產過程中因使用火力發(fā)電所導致的CO：排放。水泥工業(yè)減排CO：對于緩解氣候變暖具有深遠影響[2】。因此，世界各國在考慮CO：減排時，都把水泥工業(yè)作為一個重要領域來對待。

　　本文介紹了國際水泥工業(yè)CO，的排放估算方法，以及國外各主要水泥工業(yè)大國CO：的減排措施，為我國水泥工業(yè)CO：減排的評價和今后發(fā)展提供參考。

　　1 國際水泥工業(yè)C02排放估算方法

　　目前，國外水泥工業(yè)計算CO：排放量主要是基于2006年政府間氣侯變化專門委員會 (IPCC)在《國家溫室氣體清單編制指南》中推薦的方法。這種方法是以單位熟料為基準，先確定各種排放源的排放系數(shù)，再根據(jù)水泥的產量和熟料系數(shù)求得排放總量。有的計算考慮間接排放，有的則不考慮。Sheinbaum等"’采用IPCC法就墨阿哥工業(yè)的能源使用對CO：排放的影響進行了分析評價。分析過程分3個階段進行：首先，調查墨西哥各工業(yè)部門的能源強度和能源消費總量；其次，分析工業(yè)部門下屬各行業(yè)燃料燃燒的最終能源消耗，計算墨西哥全部工業(yè)與能源消耗連帶的CO：排放總量，分析能源消耗的變化情況；最后，根據(jù)全國上業(yè)一次燃料總量的變化和發(fā)電使用燃料總量的變化，計算CO，排放的總量。為了評估工業(yè)與能源消耗連帶CO，排放的變化情況，采用式(1)對所有工業(yè)部門的CO2排放量進行計算：

式中：TE為C02排放的總量，t；D為排放地區(qū)；S為排放源；Ss為排放部門；AL為活動水平；EC為排放系數(shù)。針對水泥行業(yè)，CO：排放源主要指：碳、油和天然氣的燃燒；油和天然氣的萃取、精煉和加工；碳的開采、水泥的公路和鐵路運輸。CO：排放部門主要指水泥的生產廠。通過該方法計算出了 1998年印度水泥行業(yè)CO：的排放系數(shù)為0．5，即每生產1 t水泥所產生的C02為0．5 t。為分析評價不同發(fā)展中國家水泥生產的能源使用效率和CO：減排潛能，Price等引入了能量效率指數(shù)(EEI)。Price以ffti雅圖Ash Grove水泥廠的生產技術水平為基準(認為該廠的能量效率最佳，EEl為100％)，定義各個發(fā)展中國家的EEI為該國水泥工業(yè)的實際能量強度與所選基準的能量強度之比，并且以能量強度的差異分析CO：的減排潛能。分析指出：如果能達到所選基準，巴西、中國、印度和墨西哥水泥行業(yè)1995年的CO：排放量呵分別減少1．13，44．54，5．80，1．50 Mt，其中中國水泥工業(yè)1995年的C02排放量可降低37％。

　　目前，國際上主要采用生命周期評價(LCA)法‘5’61和動態(tài)體系(sD)法門’8】評價各因素對C02排放的影響，以確定減排方案。

　　1．1 LCA法

　　LCA 法也叫生命循環(huán)過程模型(LCPA)法，是基于排放系數(shù)和能源消耗量按系統(tǒng)路徑(“從搖籃到墳墓”或“從搖籃到fJj廠”)評價產品生產或工業(yè)過程CO：排放的一種系統(tǒng)方法。采用該方法對水泥丁業(yè)進行評價時，首先需確定研究目標及范圍，即研究目的、研究結果使用者、研究對象、研究的邊界條件；其次，確定編日，即T豈流程圖繪制、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)邊界確定、數(shù)據(jù)處理；最后進行環(huán)境影響評估，即采用一定的換算模型將編目分析過程得到的關于產品壽命周期的大量環(huán)境數(shù)據(jù)轉換為叮比較的環(huán)境影響指標進行評估。采用LCA法對水泥工業(yè)進行評價所需的水泥壽命周期流程示意見圖1。

　　1．2 SD法

　　SD法是按時間步長，動態(tài)模擬評價系統(tǒng)中各種因素對產品或工業(yè)行為影響的一種系統(tǒng)方法，具有宏觀預測作用。采用SD法對水泥工業(yè)的CO，排放進行評估時，首先需確定影響水泥工業(yè)CO，排放的因素，即人口增長率、GDP增長速率、技術進步程度等；其次，繪制因果回路圖，定性表示與水泥生產相關的一些交互作用和相應的CO：排放；第三，繪制流程圖，展示SD模型中的物理信息流；最后，模擬、產生運行方案，模擬計算水泥工業(yè)的能耗、熟料量、產品結構和CO：排放量，在此基礎上產生一個基本方案和多個改進方案。

　　水泥工業(yè)的SD模型因果回路量圖中包括很多子系統(tǒng)流程圖：表示人口數(shù)量、水泥需求量和總熟料使用量之間相瓦作用的子系統(tǒng)流程圖；計算電能和熱能消耗及CO：總排放量的子系統(tǒng)流程圖；綜合煤耗、粉煤灰生產量、生鐵生產量和礦渣供應量的子系統(tǒng)流程圖；計算原料(石灰石、原煤)由礦山運抵水泥廠過程中CO：排放量的子系統(tǒng)流程圖；計算水泥由生產廠運抵市場過程排放CO：的子系統(tǒng)流程圖。

　　2 國外水泥工業(yè)C02減排的技術

　　措施

　　目前，國外水泥T業(yè)在CO：減排方面采取了各種有效措施，已取得顯著進展。通過這些措施，能夠減排 CO：或將CO：分離，隨后將其儲存或處理，從而實現(xiàn)CO：的回收利用。

　　2．1 歐洲

　　歐洲國家主要通過以下途徑實現(xiàn)水泥工業(yè)CO：減排： (1)采用先進的節(jié)能技術及工藝，提高水泥窯爐的能量利用率以減少CO：排放；(2)通過實施節(jié)電技術及采用節(jié)電設備降低電耗，減少與發(fā)電相關的CO：排放；(3)通過集約化、規(guī)?；a減少CO：的排放；(4)使用替代原料作為生產熟料的原料；(5)使用磨細的礦渣、粉煤灰、天然火山灰或石灰石細粉來替代熟料，到2010年，西歐的熟料系數(shù)將從目前的0．77降至0．73一J，從而使CO：排放系數(shù)降至0．62左右；(6)大量使用某些廢棄物作為水泥窯爐的二次替代燃料，2005年歐盟成員國水泥工業(yè)二次燃料的平均替代率為12％，荷蘭高達72％，瑞士、比利時、奧地利和法國的替代率27％～3l％；(7)提高水泥的品質，延長水泥、混凝土的使用壽命，以減少水泥的用量。英國除采取與大多歐洲國家相同的減排途徑外，還進行了詳細的規(guī)劃。英國計劃在2010年前，在水泥工業(yè)CO：減排新技術方面投資3．5億英磅，措施包括擴大廢棄物燃料的使用、降低填埋和焚燒過程中CO，的排放量等，預計替代燃料的使用將從1998年的6％增至2010年的15％。該國還規(guī)劃深入研究碳捕獲方案，規(guī)范低值熱源利用裝置的優(yōu)化設計方案，掌握可持續(xù)發(fā)展水泥工業(yè)的關鍵問題，并努力在建筑過程中激發(fā)水泥和混凝土的潛在性能。到2030年前，在評價體系方面，英國水泥工業(yè)協(xié)會將建立合理的評價體系，以便更好地反映由于窯效率改進、替代或升級到更高標準所取得的額外CO：減排量，并借助基于《京都議定書》進行的關于CO：減排項目聯(lián)合行動，及水泥公司的清潔生產機制，使成本最小化。減排技術的努力方向包括：高效用電，減少間接排放；合理有效使用運輸車隊和選擇高效節(jié)能設備，減少廠外運輸排放；擴大混凝土中氫氧化鈣晶體再碳化生成碳酸鈣的效果；擴大使用可再生含氫量高的生物質燃料；試驗新的建筑方案，提高混凝土的耐久性，減少水泥基膠凝材料的用量；進一步評估CO：減排目標，以反映通過改進窯效率和替代或升級到更高標準所取得的額外CO：減排量；2050年前，通過原創(chuàng)性技術的研發(fā)，例如使用非石灰石基的膠凝材料，減少在水泥制造過程中C02的排放；在水泥工業(yè)生產中應用CO：捕獲和分離技術；推進節(jié)能建筑，最終使水泥工業(yè)成為～個低消耗基礎材料的工業(yè)；生產適宜多氣候變化環(huán)境的建筑所需的材料。

　　2．2 澳大利亞

　　早在1997年澳大利亞的水泥企業(yè)便與澳大利亞政府簽訂了自愿協(xié)議，開始實施溫室氣體減排計劃。該計劃要求企業(yè)每年都必須以工業(yè)發(fā)展草案的形式，向政府遞交本年度溫室氣體排放報告——溫室能量管理系統(tǒng)(GEMS)。 2005年的調查結果顯示，該協(xié)議已取得成效，減排效果達47％，優(yōu)于1997年所簽協(xié)議中規(guī)定的減排目標，同時每噸膠凝材料的CO：排放量減少21％。

　　上述成果得益于澳洲水泥企業(yè)采用了一些國際領先的技術成果，這些技術包括：(1)使用預分解窯生產熟料；(2)在粉磨設備上安裝高效分級機；(3)在收塵器卜采用動力控制；(4)開始對余熱回收利用；(5)采用低能耗傳送系統(tǒng)輸送設備材料；(6)使用溫搴氣體排放低的燃料替代煤；(7)使用溫室氣體排放低的原料替代石灰石；(8)使用工業(yè)廢渣作為輔助材料替代混凝土中的水泥；(9)建立溫室氣體捕集體系。

　　2．3 日本

　　日本水泥工業(yè)在 CO：減排方面主要采取的技術措施有：

　　(1)使用低溫余熱發(fā)電技術。該技術實施的前提條件是干式回轉窯(PC窯)裝置系統(tǒng)的大型化。

　　1995 年日本的每噸熟料發(fā)電量就達35 kW·h左右，約有50％的水泥窯都配有余熱發(fā)電裝置，全國回收的電能約為水泥工業(yè)耗電的30％。2003年日本全國投產的水泥窯有64臺，窯的平均生產能力為4 180 t／d，全部均為PC窯，多數(shù)為4級預熱器窯，生產熟料80 300 kt，有近80％的水泥窯都有純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，全國平均每噸熟料發(fā)電量近40 kw·h，全國回收電能已達水泥工業(yè)電耗的48％，水泥工業(yè)近一半的電能為自供¨剛；

　　(2)使用輔助水泥材料。日本政府規(guī)定水泥工業(yè)每生產l t水泥應利用廢棄物400 kg，目前包括太平洋水泥株式會社和三菱綜合材料株式會社在內的大型水泥企業(yè)實際熟料利用量均已達300 kg／t?J；

　　(3) 加大牛態(tài)水泥的研發(fā)力度。日本的小野田和太平洋水泥株式會社在日本政府的資助下，于20世紀80年代末，開始研發(fā)“生態(tài)水泥”生產線，采用城市垃圾焚燒灰和下水道淤泥為基本原料進行水泥生產。目前日本正著手進行生態(tài)水泥標準的制定工作‘1 2|。

　　2．4 美國

　　2001年，全球有超過150 個國家生產水泥，美國水泥年產量為9．1×10 7 t，僅次于中國(6．61×10^8 t)和印度(1×10^8 t)。水泥種類主要為波特蘭水泥和砌筑水泥，其中波特蘭水泥占90％以上。1970年到90年代初期，美國水泥工業(yè)能量消耗呈下降趨勢。1992 年至1993年，年平均增長率為4．5％。美國水泥T業(yè)能量消耗的下降歸因于干法工藝對濕法工藝的逐步取代。美國水泥工業(yè)CO：減排主要通過以下技術途徑：(1)采用干法工藝代替濕法工藝；(2)用低碳燃料取代高碳燃料；(3)用混合材料取代水泥熟料；(4)從煙氣中捕獲和儲藏CO：。

　　3 結語

　　自1985年起中國水泥產量已連續(xù)23年居世界第一。2007年中國水泥產量為1．36×109 t，占全球水泥總產量的50．37％，全球第二大水泥生產國印度僅占6％。對國際水泥工業(yè)CO：排放計算方法進行深入研究，可為正確、客觀地評價我國水泥工業(yè)CO：排放提供參考；通過對國外各主要水泥生產區(qū)域和國家減排措施的總結，根據(jù)中國水泥工業(yè)發(fā)展的實際情況，可更為合理有效地利用各種資源。這些工作將對我國水泥工業(yè)順利承擔CO：減排任務
具有積極意義。

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