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1、水泥行业碳达峰碳减排技术路径（一）原燃料替代技术中国是全球最大的水泥生产国和消费国，2021年中国水泥生产占世界的573中国共生产水泥23.63亿吨，共消费水泥23.8亿吨，消费量也占全球一半以上。2021年水泥行业碳排放量约为13.45亿吨,占全国碳排放总量的13%左右,是次于电力行业和钢铁行业的第三大碳排放行业，所以水泥行业是中国实现碳中和的关键行业之一。科学做好水泥行业节能降碳改造升级，推动水泥行业节能降碳和绿色转型，实现2025年，水泥行业能效标杆水平以上的熟料产能比例达到30%,能效基准水平以下熟料产能基本清零，行业节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅增强。到2030年，能效基准水
2、平和标杆水平进一步提高，达到标杆水平企业比例大幅提升，行业整体能效水平和碳排放强度达到国际先进水平，为如期实现碳达峰目标提供有力支撑。Part.Ol水泥行业节能降碳主要技术Ii由于固有原料结构、燃料结构和生产工艺限制，水泥行业是碳排放大户。水泥行业碳排放分为宜接排放和间接排放，宜接排放包括燃料燃烧排放和生产过程（碳酸盐分解）排放两部分；间接排放包括水泥生产环节中的电力消耗、以及发电、供热和运输等IE生产环节的能耗所折合的二氧化碳排放。水泥行业二氧化碳排放主要源于熟料生产过程，约占整个水泥行业碳排放量的95%,其中碳酸盐分解所排放的二氧化碳，约占碳排放总量的60%；燃料燃烧产生的二氧化碳，约占排
3、放总量的35%：电力消耗间接产生的二氧化碳，约占排放总量的5%。对照碳排放产生环节和影响因素，节能降碳主要技术包括：提升能效技术、原燃料替代技术、低碳水泥技术、碳捕集封存技术。本系列将分四期详细介绍节能降碳技术，本期为原燃料替代技术介绍。表1.1水泥行业节能降碳技术汇总表;技术名称1提升能效技术1.水泥窑炉用耐火材料整体提升技术2.依热B分离效率梃升及降限优化技术3.五级懵热B改造低能四六馒情热B技水I.分”炉臼脱硝及犷*优化技术5.冷却机升级换代技末（三代更模力凶代）6.冷却机更换为中置里破技术7.注氯燃烧枝术8.窑头燃烧B优化改造9.生料易燃性和It作或慢升技术10.:式皂磨生料外循环被术
4、Il.叙国钝生科终粉故才12.水泥除磨代化提开校术13.钢灌/矿渣鞋压机终粉磨技术M.铜演终吩*技术15.风机效率提升节能技术16.水泥工业智能化技术2原烤料替代技术1.等代燃料协同处置技术2.替代燃料愕般烧装事及技术3.新能源替代技术1.电石法替代石女石鹿原料生产水泥熟料技术工超细将金法立式磨劣磨袋各技术3低赚水龙技术1.高贝利料嚎霜酸硅酸盐（铁铝酸硅酸盐）水泥技术2.低热硅酸着水泥与中热破陂皱木泥及其制备技术3.分级分别水泥历腐技术I.高岭土炒烧生产低碟水泥5.工业副产6育机也酸衽uW.昭成白枝术1覆捕集豺存枝术1.全氧燃烧Il令低能内理捕集枝术2.水泥炉?Ca技术Part.02水泥行业节
5、能降碳技术路径-原燃料替代技术水泥工业C02排放的60%左右来自于碳酸盐分解，35%左右来自于燃料燃烧，5%左右来自发电的间接排放。用垃圾衍生燃料(RDF).生物质燃料、塑料、橡胶、皮革、废弃轮胎等替代燃料来替代化石能源，可减少燃料产生的碳排放。另一方面用钙质工业固废来替代石灰石，可显著减少碳酸盐分解的碳排放。该技术方向旨在从原、燃料替代出发，通过采用不同的原料或燃料，从工艺角度减少水泥系统的碳排放量。1.替代燃料协同处置技术替代燃料可分为固体、液体和气体替代燃料，其中固体替代燃料主要包括垃圾衍生燃料（RDF）、生物质燃料、塑料、橡胶、皮革、废弃轮胎等；液体替代燃料主要包括矿物油和液压油等；气
6、体替代燃料主要包括焦炉气、炼油气、裂解气和氢能源等。将废弃物进行破碎、筛分、分选等预处理，直接喂入水泥烧成系统的不同位置。通过预处理工艺降低废弃物的细度、水分等，提升其燃料特性，可作为燃料替代使用，从而减少化石燃料的使用量。以下总结了2种主要的替代燃料：1）生物质燃料生物质燃料可以作为可再生清洁能源，其同时也是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，约占世界能源消费的10%。使用替代燃料能够在熟料生产能耗基本不变的情况下节约一次能源的使用，所产生的二氧化碳享受无排放待遇。由于能源结构的不同，相较于国内，国外的生物质替代燃料技术已有较多的工业化应用，应用场景多为燃料需求大旦集中的发电厂。在应用中发
7、现纯生物质替代燃料的应用目前存在以下问题：一是生物质燃料的季节性，还有运输等成本因素；二是生物质燃料技术还不够完善，能够持续运行的周期也较短：个别生物质燃料的还可能存在高硫或高氮成分，在政策补贴不到位的情况下，要达到排放标准可能需要额外投入。为了解决因农林废料或生活垃圾中的碱金属、Cl含量过多而产生的结皮现象，可采用旁路放风的方法改善分解炉以及各级旋风处的炉内状况。另外，燃煤混合生物质燃料燃烧也能够或多或少地解决以上问题。近些年来欧洲多国以及日本由于政策驱动，这些国家的燃煤耦合生物质燃烧技术得到很好的推广应用，而且在完善政策法规方面和相关技术方面得到了宝贵的经验。我国的国家能源局于2017年年
8、底启动了生物质混烧发电试点工作也取得了不俗的成绩。应用于水泥工业的生物质燃料替代技术也得到了研究。2）生活垃圾及城市污泥近年来，国内外正开展将城市垃圾中的污泥等作替代燃料应用于水泥熟料生产，实现可燃废弃物资源化，减少热能浪费的同时可以减少碳排放。另一个水泥窑处理垃圾的好处是，水泥生产可以将原本逸出到大气中的垃圾燃烧产生的二嗯英等有毒残留物固定到熟料当中。生活垃圾及城市污泥也屈于生物质燃料的范围，但是各方对生活垃圾及城市污泥的研究着重于废料的合理处理和减少排放，而在水泥工业中城市污泥的应用研究集中于其作为燃料的性能。2 .替代燃料预烟烧装备及技术采用预煨烧设备直接处理适宜于改造现场的生活垃圾、生
9、物质、固体废弃物等，替代燃料预帽烧设备可实现原生废弃物的干燥、气化及焚烧过程，实现废弃物的预处理及预燃烧，可大幅提升水泥烧成工艺的昔代燃料使用量及替代率。3 .新能源替代技术利用水泥厂的Fl然环境和地理位置，使用风电、光电技术、风光储技术，吸收工业领域新能源技术探索经验，通过绿色能源技术途径减少水泥生产过程中的电力消耗，结合余热发电，改造现有水泥厂使其实现“零购电”或“近零购电”，促进水泥生产的绿色能源低碳转型。4 .替代原料生产水泥熟料技术石灰石是水泥生产的主要原料，每生产1吨水泥熟料需要消耗约1.3吨的石灰质原料，这些原料在高温分解炉中高温分解会产生大量C02,这些C02占据水泥生产碳排放
10、的大部分。但是这种石灰质原料并非必须原料，只要应用不分解或者分解产物不含C02的可提供CaO的原料即可生产出合格的熟料。应用电石渣，钢渣，黄肝石等多种固体废料进行制高抗硫酸盐硅酸盐水泥的实验研究，验证了各种固体废料应用于水泥工业的可行性。以下总结了几种主要的可能应用于生料成分替代的一些原料。1)电石渣替代电石在制取乙焕的过程当中会产生大量电石渣废料，电石渣主要由70%的Ca(OH)2组成。由于生产工艺简单，所产生的电石渣成分不会有较大变化，如果对电石渣的应用工艺成熟，完全可以作为水泥生产的钙质原料。而且Ca(OH)2相比于CaC03更易分解，应用电石渣的分解炉所需温度较低，从这方面讲，电石渣的
11、应用可能有利于水泥生产的运行并降低燃料带来的碳排放。有统计显示，我国每年电石渣排放量超过IOMt,存量数千万吨，在水泥生产中如果能完全利用这些电石渣，将大大减少水泥行业CO2的排放量。电石渣应用于水泥原料的替代生产已经有了较为成熟的工业实践，在我国有许多条成功的生产线实例，例如：成都建筑材料工业设计研究院成功设计了“四川宜宾年处理30万t电石渣水泥生产线”等，合肥水泥研究设计院成功设计了“安徽皖维公司利用电石渣生产水泥的100Ot/d熟料生产线”、“淄博宝生公司利用电石渣生产水泥的1200td熟料生产线”和“浙江衢州巨泰利用也石渣生产水泥年产49万吨熟料生产线”等，新疆建材设计研究院成功设计了
12、“新福天业利用电石渣生产水泥2000td熟料生产线”和“内蒙古亿利冀东水泥有限公司综合利用工业废渣2500td熟料生产线”等，这些生产线通过对原有技术进行针对性的改造后，都可以达到对电石渣的可嵬应用，有效降低水泥生产中产生的碳排放。出于减少碳排放方面的考虑，电石渣占生产原料的比例应尽可能地高，甚至希望完全取代石灰质原料。但同时利用电石渣作为原料也存在一定劣势。电石渣的应用中最突出的困难在于电石渣的含水量较大，这是由乙焕生产特性导致的而含水量大就意味着电石渣的运输成本增加，电石渣的脱水也会导致燃料的需求量有所增加。另外值得注意的是电石渣的化学成分与传统石灰质原料的不同，这会导致水泥生产中的分解炉
13、和预热器里实际生产状况与普通干法水泥生产有较大区别。其根本原因是电石渣主要成分Ca(OH)2的分解温度大约在500600C,远小于碳酸钙的分解温度，这导致了两个结果，其一是如果在传统干法水泥生产线中，电石渣的分解将发生在各级旋风预热器而非分解炉中：另一个结果是在预热器中分解产生的水蒸气有可能在局部低温的区域与氧化钙颗粒结合粘连，产生结皮堵塞现象，针对这些情况，应当适当地调整运行参数，避免各级旋风分离器中出现温度场不均匀，为了更有效地生产，应当优化工艺路线和生产线各部分结构。另外还有一些观点认为应用电石渣需要付出额外的热量进行干燥，也可能造成其他污染物，如氮氧化物和二氧化硫的排放，权衡包括C、S
14、、等各种污染物的排放之后，应用电石渣有可能并不能降低总体的环境负荷。2)硅钙渣替代硅钙渣是指从高铝粉煤灰中提取氧化铝时产生的工业废渣。当前的主要处理方式是寻址填埋，其中可以再次利用的资源没有有效的利用，对土地、水源都有一定的影响。硅钙渣的主要成分是SiO2、CaO、A1203、Fe203.Mg0、S03等，包含生产水泥所需的各种原料矿物。与传统石灰石原料相比，煨烧过程熟料形成热低，烧成温度降低，而且由于其中CaO不以碳酸钙的形式存在，在理论上既降低了分解碳酸钙所需要的燃料产生C02的量，同时降低了碳酸盐分解产生C02的量。而且硅钙渣的加入后生成的熟料的易磨性好，可能降低水泥生产的电耗，十分有利
15、于碳减排。3）钢渣替代钢渣主要由Ca.Mg、Fc、Si、Al等元素的氧化物组成,包含水泥生产的大多数原料成分。部分钢渣中CaO含量达40%左右，如果替代生料当中的石灰质原料，在熟料的生产过程中可有效减少石灰石分解引起的C02排放。同时企业生产实践表明，钢渣的使用可以明显改善生料易烧性，进一步削减燃料燃烧C02排放，表明钢渣也是一种环境友好的替代原料。由于炼钢工艺的不同，产生的钢渣化学成分不尽相同，针对不同种类的钢渣可能需要不同比例的生料配方，甚至可能导致所生产的水泥质量不稳定，比如早期强度不高、凝结时间较长、甚至安定性不良、水泥强度较低等问题，这就导致钢渣的再利用性受到极大限制。并且由于钢渣的
16、易磨性较差，钢渣作水泥的混合材与水泥熟料共同粉磨的过程中，会使混合水泥中的钢渣颗粒比表面积比熟料粉小，使得钢渣的活性得不到充分的发挥，这也是影响钢渣应用的一个因素。4）石英污泥替代石英污泥是再石英砂厂采掘的石英矿经破碎、水洗、筛选、烘干、提炼硅后剩下的废污泥。石英污泥的主要化学成分为CaO.SiO2、A1203Fe2O3、S03和MgO等，具有水泥生产所需要的基础成分。蚌埠中联水泥有限公司一条4600td生产线，应用石英污泥替代砂岩进行技术改造，调配出的生料易磨性好、成分稳定，生产效率明显提高，生料配料质量稳定，易烧性好，因此电耗、煤耗降低，在烧成过程中熟料的结粒情况比以前有明显好转，窑的产量
17、也有进一步提高。每吨水泥可降低生产成本2.6元。实现了废弃物料的综合利用，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。5)造纸污泥替代造纸污泥中含有钙、硅、铝、铁、镁等元素，而且其中A1203含量较高，可以代替水泥生产当中的铝质校正原料。而且造纸污泥不仅可以作为水泥原料原料，其较高的热值可以在入窑的同时替代一部分燃料，如果能有效利用，造纸污泥的减碳效能将十分可观。理论上每掺入战的湿造纸污泥，吨熟料实物煤耗可降低1.91kg(5 .超细冶金渣立式磨粉婚装备技术采用立式磨粉磨工艺对大量矿渣、钢渣等固体废弃物进行资源化处置，提升其利用领域和经济价值。为地方消化大量矿渣、钢渣等固体废弃物，促进水泥生产熟料
18、减量化技术发展，降低碳排放总量。Part.03原燃料替代技术存在的挑战（1）由于水泥厂缺乏统一的收购替代原料、燃料标准，使收来的替代原料、燃料性质参差不齐。（2）我国部分水泥企业对于使用废弃物替代燃料的认可度较低。替代燃料含水率及热值影响窑内工况，在一定程度上会影响水泥熟料品质，燃料的不稳定使产出熟料质量存在差异,且部分替代燃料的有害元素超标，如Cl-等元素，使窑体出现结皮现象。（3）废弃物被水泥生产线利用为替代燃料本身是一件多方共羸的合作机会，但由于收储废弃物有一定成本，不能弥补自身水泥熟料产量减少及质量降低的损失。故从经济层面上使水泥企业利用替代燃料技术的积极性有所打击。Part.04总结总书记提出的碳达峰、碳中和指明了我国经济发展低碳之路的大方向和总目标。水泥行业的碳排放也应当沿着低碳的方向走下去。本文着重分析了从原料、燃料二个方面进行替代的多种实现方式和研究应用现状，从而达到碳减排目的。结合国内现状和国际能源署发布的水泥工业低碳转型技术路线图，对水泥行业低碳技术做出展望。在当前“十四五”期间，限于技术与成本，熟料替代应用依然广泛：燃料和生料替代率预期会逐步提高。到了2030年（预期碳达峰之年）左右，大数据与运筹学应用于政府决策和全国统一大市场的统筹规划，替代燃料和替代原料技术的信息成本和运输成本将极大下降，其应用能力达到最大化。
