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(huì)面臨的緊迫任務(wù)。工業(yè)生產(chǎn)是CO：排放的主要來(lái)源。統(tǒng)計(jì)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(shí)水泥生產(chǎn)也是一個(gè)高耗能的工藝過(guò)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(chǎn)過(guò)程中，為提供原料反應(yīng)所必需的能量和溫度，需要消耗一定的燃料，燃料的燃燒產(chǎn)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(lái)自于化石燃料燃燒和石灰石的分解，間接排放來(lái)自于生產(chǎn)過(guò)程中因使用火力發(fā)電所導(dǎo)致的CO：排放。水泥工業(yè)減排CO：對(duì)于緩解氣候變暖具有深遠(yuǎn)影響[2】。因此，世界各國(guó)在考慮CO：減排時(shí)，都把水泥工業(yè)作為一個(gè)重要領(lǐng)域來(lái)對(duì)待。

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

　　1 國(guó)際水泥工業(yè)C02排放估算方法

　　目前，國(guó)外水泥工業(yè)計(jì)算CO：排放量主要是基于2006年政府間氣侯變化專門委員會(huì) (IPCC)在《國(guó)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(zhǔn)，先確定各種排放源的排放系數(shù)，再根據(jù)水泥的產(chǎn)量和熟料系數(shù)求得排放總量。有的計(jì)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(duì)CO：排放的影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。分析過(guò)程分3個(gè)階段進(jìn)行：首先，調(diào)查墨西哥各工業(yè)部門的能源強(qiáng)度和能源消費(fèi)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(jì)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(guó)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(jì)算CO，排放的總量。為了評(píng)估工業(yè)與能源消耗連帶CO，排放的變化情況，采用式(1)對(duì)所有工業(yè)部門的CO2排放量進(jìn)行計(jì)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(dòng)水平；EC為排放系數(shù)。針對(duì)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(kāi)采、水泥的公路和鐵路運(yùn)輸。CO：排放部門主要指水泥的生產(chǎn)廠。通過(guò)該方法計(jì)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(chǎn)1 t水泥所產(chǎn)生的C02為0．5 t。為分析評(píng)價(jià)不同發(fā)展中國(guó)家水泥生產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)水平為基準(zhǔn)(認(rèn)為該廠的能量效率最佳，EEl為100％)，定義各個(gè)發(fā)展中國(guó)家的EEI為該國(guó)水泥工業(yè)的實(shí)際能量強(qiáng)度與所選基準(zhǔn)的能量強(qiáng)度之比，并且以能量強(qiáng)度的差異分析CO：的減排潛能。分析指出：如果能達(dá)到所選基準(zhǔn)，巴西、中國(guó)、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(guó)水泥工業(yè)1995年的C02排放量可降低37％。

　　目前，國(guó)際上主要采用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)法‘5’61和動(dòng)態(tài)體系(sD)法門’8】評(píng)價(jià)各因素對(duì)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(guò)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?zāi)?rdquo;或“從搖籃到fJj廠”)評(píng)價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)或工業(yè)過(guò)程CO：排放的一種系統(tǒng)方法。采用該方法對(duì)水泥丁業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先需確定研究目標(biāo)及范圍，即研究目的、研究結(jié)果使用者、研究對(duì)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(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，即采用一定的換算模型將編目分析過(guò)程得到的關(guān)于產(chǎn)品壽命周期的大量環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為叮比較的環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。采用LCA法對(duì)水泥工業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)所需的水泥壽命周期流程示意見(jiàn)圖1。

　　1．2 SD法

　　SD法是按時(shí)間步長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各種因素對(duì)產(chǎn)品或工業(yè)行為影響的一種系統(tǒng)方法，具有宏觀預(yù)測(cè)作用。采用SD法對(duì)水泥工業(yè)的CO，排放進(jìn)行評(píng)估時(shí)，首先需確定影響水泥工業(yè)CO，排放的因素，即人口增長(zhǎng)率、GDP增長(zhǎng)速率、技術(shù)進(jìn)步程度等；其次，繪制因果回路圖，定性表示與水泥生產(chǎn)相關(guān)的一些交互作用和相應(yīng)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(chǎn)生運(yùn)行方案，模擬計(jì)算水泥工業(yè)的能耗、熟料量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和CO：排放量，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個(gè)基本方案和多個(gè)改進(jìn)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(jì)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(chǎn)量、生鐵生產(chǎn)量和礦渣供應(yīng)量的子系統(tǒng)流程圖；計(jì)算原料(石灰石、原煤)由礦山運(yùn)抵水泥廠過(guò)程中CO：排放量的子系統(tǒng)流程圖；計(jì)算水泥由生產(chǎn)廠運(yùn)抵市場(chǎng)過(guò)程排放CO：的子系統(tǒng)流程圖。

　　2 國(guó)外水泥工業(yè)C02減排的技術(shù)

　　措施

　　目前，國(guó)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(jìn)展。通過(guò)這些措施，能夠減排 CO：或?qū)O：分離，隨后將其儲(chǔ)存或處理，從而實(shí)現(xiàn)CO：的回收利用。

　　2．1 歐洲

　　歐洲國(guó)家主要通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)CO：減排： (1)采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)及工藝，提高水泥窯爐的能量利用率以減少CO：排放；(2)通過(guò)實(shí)施節(jié)電技術(shù)及采用節(jié)電設(shè)備降低電耗，減少與發(fā)電相關(guān)的CO：排放；(3)通過(guò)集約化、規(guī)模化生產(chǎn)減少CO：的排放；(4)使用替代原料作為生產(chǎn)熟料的原料；(5)使用磨細(xì)的礦渣、粉煤灰、天然火山灰或石灰石細(xì)粉來(lái)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(guó)水泥工業(yè)二次燃料的平均替代率為12％，荷蘭高達(dá)72％，瑞士、比利時(shí)、奧地利和法國(guó)的替代率27％～3l％；(7)提高水泥的品質(zhì)，延長(zhǎng)水泥、混凝土的使用壽命，以減少水泥的用量。英國(guó)除采取與大多歐洲國(guó)家相同的減排途徑外，還進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃。英國(guó)計(jì)劃在2010年前，在水泥工業(yè)CO：減排新技術(shù)方面投資3．5億英磅，措施包括擴(kuò)大廢棄物燃料的使用、降低填埋和焚燒過(guò)程中CO，的排放量等，預(yù)計(jì)替代燃料的使用將從1998年的6％增至2010年的15％。該國(guó)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(shè)計(jì)方案，掌握可持續(xù)發(fā)展水泥工業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題，并努力在建筑過(guò)程中激發(fā)水泥和混凝土的潛在性能。到2030年前，在評(píng)價(jià)體系方面，英國(guó)水泥工業(yè)協(xié)會(huì)將建立合理的評(píng)價(jià)體系，以便更好地反映由于窯效率改進(jìn)、替代或升級(jí)到更高標(biāo)準(zhǔn)所取得的額外CO：減排量，并借助基于《京都議定書》進(jìn)行的關(guān)于CO：減排項(xiàng)目聯(lián)合行動(dòng)，及水泥公司的清潔生產(chǎn)機(jī)制，使成本最小化。減排技術(shù)的努力方向包括：高效用電，減少間接排放；合理有效使用運(yùn)輸車隊(duì)和選擇高效節(jié)能設(shè)備，減少?gòu)S外運(yùn)輸排放；擴(kuò)大混凝土中氫氧化鈣晶體再碳化生成碳酸鈣的效果；擴(kuò)大使用可再生含氫量高的生物質(zhì)燃料；試驗(yàn)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(jìn)一步評(píng)估CO：減排目標(biāo)，以反映通過(guò)改進(jìn)窯效率和替代或升級(jí)到更高標(biāo)準(zhǔn)所取得的額外CO：減排量；2050年前，通過(guò)原創(chuàng)性技術(shù)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(guò)程中C02的排放；在水泥工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用CO：捕獲和分離技術(shù)；推進(jìn)節(jié)能建筑，最終使水泥工業(yè)成為～個(gè)低消耗基礎(chǔ)材料的工業(yè)；生產(chǎn)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(kāi)始實(shí)施溫室氣體減排計(jì)劃。該計(jì)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(bào)告——溫室能量管理系統(tǒng)(GEMS)。 2005年的調(diào)查結(jié)果顯示，該協(xié)議已取得成效，減排效果達(dá)47％，優(yōu)于1997年所簽協(xié)議中規(guī)定的減排目標(biāo)，同時(shí)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(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)成果，這些技術(shù)包括：(1)使用預(yù)分解窯生產(chǎn)熟料；(2)在粉磨設(shè)備上安裝高效分級(jí)機(jī)；(3)在收塵器卜采用動(dòng)力控制；(4)開(kāi)始對(duì)余熱回收利用；(5)采用低能耗傳送系統(tǒng)輸送設(shè)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(shù)措施有：

　　(1)使用低溫余熱發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)實(shí)施的前提條件是干式回轉(zhuǎn)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(dá)35 kW·h左右，約有50％的水泥窯都配有余熱發(fā)電裝置，全國(guó)回收的電能約為水泥工業(yè)耗電的30％。2003年日本全國(guó)投產(chǎn)的水泥窯有64臺(tái)，窯的平均生產(chǎn)能力為4 180 t／d，全部均為PC窯，多數(shù)為4級(jí)預(yù)熱器窯，生產(chǎn)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(guó)平均每噸熟料發(fā)電量近40 kw·h，全國(guó)回收電能已達(dá)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(chǎn)l t水泥應(yīng)利用廢棄物400 kg，目前包括太平洋水泥株式會(huì)社和三菱綜合材料株式會(huì)社在內(nèi)的大型水泥企業(yè)實(shí)際熟料利用量均已達(dá)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(huì)社在日本政府的資助下，于20世紀(jì)80年代末，開(kāi)始研發(fā)“生態(tài)水泥”生產(chǎn)線，采用城市垃圾焚燒灰和下水道淤泥為基本原料進(jìn)行水泥生產(chǎn)。目前日本正著手進(jìn)行生態(tài)水泥標(biāo)準(zhǔn)的制定工作‘1 2|。

　　2．4 美國(guó)

　　2001年，全球有超過(guò)150 個(gè)國(guó)家生產(chǎn)水泥，美國(guó)水泥年產(chǎn)量為9．1×10 7 t，僅次于中國(guó)(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(guó)水泥工業(yè)能量消耗呈下降趨勢(shì)。1992 年至1993年，年平均增長(zhǎng)率為4．5％。美國(guó)水泥T業(yè)能量消耗的下降歸因于干法工藝對(duì)濕法工藝的逐步取代。美國(guó)水泥工業(yè)CO：減排主要通過(guò)以下技術(shù)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(chǔ)藏CO：。

　　3 結(jié)語(yǔ)

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

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Ernst W，Lynn P，Nathan M，et a1．Carbon dioxide emis．sion from the global cement industry．Annu Rev EnergyEnviron，200l，26(5)：303～329

　　2 Cahn D，Greer W，Moir R．Atmospheric CO，and the UScement industry．World Cement，1997，(8)：64—68

　　3 Sheinbaum C。Luis R V．Recent uends in Mexican indus．trial energy use and their inpact on carbon dioxide emis—
sions．Energy Policy，1997，25(7～9)：825～831

　　4 Garg A，Bhattacharya S，Shukla P R，et a1．Regional andsectoral assessment of greenhouse gas emission in India．Atmos Environ，2001，35(15)：2 679—2 695

　　5 Gabel K，F(xiàn)orsberg P，Tillman A M．The design anbuilding of a life cycle—based process model for simulatingenvironmental performance，product performance and cosin cement manufacturing．J Cleaner Production，2004，12(1)：77 —93

　　6 Carlson R，Tillman A M，Steen B，et a1．LCI data model．1ing and a database design．Int J Life Cycle Assessm．1998，3(2)：106～113

　　7 Ford A．Testing snake fiver explorer．Systcm DynamicsReview，1996， (12)：305～329

　　8 Saysel A K，Barlas Y，Yenig O．Environmental sustai—nability in an agricultural development project：a systemdynamics approach．J Environ Manag，2002，64(3)：247—260

　　9 Joachim H．Development of clinker substitutes in thecement industry．Z K G Int，2006，59(2)：58—64

　　lO 高長(zhǎng)明．循環(huán)經(jīng)濟(jì)與水泥工業(yè)的“四零一負(fù)”戰(zhàn)略．新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2005，1l(3)：I～4

　　ll 李慧芳．我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要途徑和潛力分析．中國(guó)水泥，2005，18(4)：29～3l

　　12王世忠．日本生態(tài)水泥的發(fā)展動(dòng)向．中國(guó)建材科技，2001，23(3)：36～38