中国水泥生产碳排放系数测算典型研究，本文主要内容关键词为：系数论文,中国论文,典型论文,水泥生产论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
20世纪70年代末期，美国橡树岭实验室学者Gregg Marland和Ralph M.Rotty就提出了化石能源燃烧和石灰石煅烧工艺是工业生产过程碳排放的主要来源。在气候变化与温室气体排放问题受到全球高度关注和重视的今天，水泥工业作为既有化石能源排放，又有石灰石等原料工艺排放的典型产业，已然成为碳排放与碳减排的重点产业。中国是水泥生产大国，2011年水泥产量已接近21亿t，占世界水泥总产量61.47％[1-3]。从我国水泥生产规模比较与初步测算，水泥生产碳排放已成为我国工业产业部门中仅次于燃煤发电外的第二大碳排放源。但我国目前还没有制定和实施一套完整的水泥生产
排放核算标准，也没有国家排放系数体系，导致无法科学地测定全国水泥生产排放量。
水泥生产排放核算因子和排放系数体系，是我国应对气候变化国际谈判和实现节能减排目标的重要基础，故构建中国自身的水泥生产碳排放核算因子与排放系数体系，已成为中国当前开展水泥生产碳排放测算的当务之急。其中，开展碳排放系数实证研究又是建立系数体系的重要步骤。目前，一些国际组织和发达国家已形成较为成熟的水泥排放测算体系，如政府间气候变化专门委员会(IPCC)、世界可持续发展工商理事会(WBCSD)等已颁布一系列具有普适性的测算方法，美国、欧盟等提出了自己的测算标准[4-6]。可以认为，IPCC、WBCSD、WRI等国际组织已颁布一系列具有普适性的核算方法，美国、欧盟等发达国家提出了适合本国自身的核算体系，对我国均具有较好的比较和借鉴意义，而要证实这些方法在中国的适用性和科学性，实证研究是必要步骤。由于生产线是构成区域水泥生产的基本物质转换载体，并且以生产线为基础，可以从投入产出周期性生产把握整个排放过程，从而测定开发严格的特定工厂级排放系数，进而测算出区域排放系数的修正参数，最后集成得到较准确和真实的国家排放系数。因此，以生产线作为实证研究对象来考察水泥生产排放系数，具有较高的准确性和科学性。此外，以水泥生产排放分析和计算为基础，可以对的减排方法和效果进行更深入地研究，有效促进水泥企业发展循环经济，推动CDM项目的研究和实施。就水泥生产碳排放的相关研究而言，国内外目前已开展了相应实证性应用研究与相关实证测算，国内如何宏涛、汪澜、吴萱等的相关研究，均是以生产线为实证抽样对象与测算[7-9]；国外亦有相应以生产线为对象并包括方法在内的实证性研究，如M.B.Ali、R.Saidur、M.S.Hossain、Jan Deja、Alicja Uliasz-Bochenczykb、Eugeniusz Mokrzycki等人的相关研究[10，11]。从已有研究结果分析，对于水泥生产线的碳排放测算，基本上集中于某一种方法的具体运用，如熟料法的具体运用，结果可能会导致与实际出现偏差。为此，本文在充分了解和掌握国内外已有的水泥排放系数测算方法与开展全国水泥生产线碳排放抽样调查的基础上，选取我国中西部两条典型的新型干法水泥生产线作为实证研究对象，用目前主流的几种计算方法进行计算演示，重点是将生料法与熟料法一并进行测算，对结果进行分析比较，进一步探讨结果偏差的原因，并在差异中寻求水泥生产减排的方向。
2 水泥生产碳排放系数测算体系及方法简述
目前全球涉及水泥生产碳排放测算的国际核算体系和标准主要有3个，由政府间气候变化专业委员会(IPCC)、世界资源研究所(WRI)和世界可持续发展工商理事会(WBCSD-CSI)提出[4-6]，大部分国家和组织依据标准中的方法和默认排放因子进行水泥生产二氧化碳排放的测算，也有一些发达国家和组织如美国环保署、澳大利亚水泥协会、欧盟成员国等提出了自己的计算方法体系，并依据国家排放因子计算[12-14]。
笔者曾对国内外水泥生产碳排放计算方法进行过比较与总结[15]，认为现有水泥生产排放计算方法体系(包括IPCC和WBCSD以及一些发达国家和组织提出的报告)整体框架和计算过程大致相同，而在运营边界的范围、每个排放过程中的具体计算方法以及具体排放系数上存在差异。综合考虑国内外各计算体系，以及我国实际情况，在测算我国水泥生产的碳排放总量时，其运营边界可划分为3个部分，即：工艺排放(包括原料煅烧和粉尘煅烧)，熟料生产燃料燃烧排放(包括化石燃料和替代燃料)，间接排放(包括外购电力消耗和余热发电抵减项目)。工艺排放部分有两种计算方法——生料法和熟料法在理论上是等同的，都是基于物料平衡，可根据工厂实测数据来测算。对企业而言，生料中碳酸盐种类、含量、煅烧比例等能够方便获得，生料法相对于熟料法更准确，但熟料法操作更容易一些，熟料数据也更容易获得。要构建国家水泥生产碳排放系数，用修正后的熟料法比较合适。燃料燃烧排放部分，在国家层面只计算传统化石燃料和替代化石燃料的燃烧，计算方法一般依据物料平衡法中的发热值来计算[16]，各国根据自身情况选择高/低位发热值，中国因水泥生产的煤炭品质一般采用低位发热值。间接排放部分要根据面向对象和实际情况来选择计算范围。余热发电等抵减项目减少的排放量应在总量中予以减除。
为此，本文将通过具体的生产线排放调查与测算，来阐述相关的方法和具体运用，并进行相应的比较分析。
3 水泥生产线的测算实例分析
美国橡树岭实验室计算了中国1928年-2008年的水泥工艺煅烧碳排放，全国单位熟料排放最高达到690kg/t熟料。由于国外的研究机构不能获取中国准确的工厂级数据，其计算依据是中国的熟料水泥产量及IPCC或者CSI的缺省排放因子，结果会产生多大的偏差，在此用中国中西部两省区两条新型干法生产线来详细分析和说明。
3.1 水泥生产线基本信息
实证研究对象数据来自抽样调查生产线数，两条生产线分别为代表当前中国水泥生产主流的2500t/d和5000t/d新型干法熟料生产线，两生产线在2011年运营状况良好，原材料使用也较为典型，且排放运营边界范围内的数据统计相对规范(见表1，表2，表3)，具有一定的代表性。两条生产线的生料构成中，除了80％左右的石灰石外，还掺拌了20％左右的砂岩、页岩、钢渣、硫酸渣等，这些辅料与介质原料也存在一定量的CaO和MgO。在此采用两条生产线2011年的数据对排放计算方法进行实证分析测算研究。
3.2 排放系数计算
3.2.1 工艺排放系数 水泥生产的工艺排放，指生料中的碳酸盐和少量部分有机碳在高温煅烧处理过程中释放。此外，水泥窑粉尘(CKD)的煅烧也视为相关排放源。主要有3种计算方法，均是基于生产线活动数据不同来选择。
(1)方法1是基于从水泥生产数据推断出的熟料生产估算，并按熟料的进出口量进行修正，排放系数采用国际标准提供的默认排放系数，IPCC 默认熟料中CaO 含量为65％，并且假定100％的CaO来自碳酸盐材料，不考虑碳酸镁分解产生的，为CKD合并2％的修正因子，得到熟料默认排放系数为0.520t/t熟料，CSI加入碳酸镁的矫正，推荐默认值为0.525t/t熟料。
(3)方法3是，根据所有原材料和燃料来源中所有碳酸盐给料的权重和成分、碳酸盐的排放因子和实现煅烧的比例，其排放因子基于碳酸盐造成的实际含量。中国建筑材料科学研究总院等机构联合制定的《水泥生产企业二氧化碳排放量计算方法(征求意见稿)》中针对工艺排放的计算方法是以生料为基准，进行生料中碳酸盐分解产生的排放量统计计算，其原理同方法3类似，结果应最为准确，但是根据直接的碳酸盐分析来频繁计算排放，工作量大，对于工厂来说可能成为一种负担，并且水泥生产一般只控制生料中Si、Al、Fe、Ca和Mg的比例即可，碳酸盐数据与水泥企业生产控制指标关系不大，企业一般不做这方面的统计，因此该方法在当前实际计算操作中存在难度，此处不再赘述。
比较计算结果，用修正后的计算方法得到的排放系数明显低于修正前所求值和国际标准默认值，而且2500t/d 生产线的结果差异显著(见表4)。原因是该生产线在原料配比中加入了钢渣，使石灰石的用量大幅减少，钢渣中40.79％的CaO含量，不经过碳酸盐分解直接带入熟料中，因此需将这部分CaO从熟料中扣减去才能得到准确的排放系数。目前，我国已有相当一部分水泥生产企业采用电石渣、钢渣等替代原料，单纯的从熟料中CaO和MgO反推或者采用国际标准默认值，必然会高估水泥生产工艺排放系数。
3.2.2 燃料燃烧排放系数 化石燃料排放计算方法主要有两个：烟气监测法和物料平衡法。烟气监测成本高和实际操作不够精确，因此各国在测算燃料排放系数时一般采用物料平衡法，物料平衡法可以基于燃料的体积、质量和热值3种方式计算。IPCC和CSI提供的化石燃料的排放因子都是基于燃料的低位发热量，即排放因子的单位都是kg/TJ。
当前主要研究认为IPCC的燃料分类标准以及排放因子缺省值会导致各国排放计算出现很大误差，因此，国内外研究焦点主要是对IPCC的排放因子(表5)进行区域级的修正和对其分类体系提出改进。中国的煤炭分类是按煤的挥发分分为无烟煤、烟煤和褐煤，而水泥企业用煤只需控制一些指标，如内水，S含量，灰分，挥发分，收燥基发热值等，对煤炭种类并没有强制性的要求，因此用IPCC的默认排放因子与实际有比较大的出入。实际中国的水泥生产基于技术装备、工艺和运营成本控制和需要，基本用烟煤作为生产用化石燃料，故在此将燃料默认为烟煤，用公式(4)、公式(5)可得到煤炭和柴油的默认排放值。
由于燃料的高/低位发热值要比燃料中的含碳量或者固定碳更容易获取，并且水泥企业都需要控制进厂煤收燥基发热值，所以在计算工厂级的排放系数时用发热值来计算较为合适。在已知煤炭年加权平均低位发热值的基础上，可以通过标煤的热值和排放因子来转化得到煤炭燃烧碳排放实测值，在此假定国家标煤排放因子为2.75t/tce。柴油在水泥生产中使用量较小，并且其发热值变化不大，可直接采用IPCC默认值作为实测值。
由于水泥生产一般只需要将煤炭的收燥基发热值控制在20 MJ/kg以上即可，因此中国大多数水泥企业在煤炭入窑之前都有一个配煤过程，IPCC默认的烟煤低位发热值与实际水泥生产用煤的发热值差距较大，导致碳排放的计算结果上呈现显著差异，按照中国实际情况，水泥生产煤炭燃烧的碳排放系数应在(250～350)kg/t熟料的范围内(表6)。
3.2.3 间接排放系数 水泥生产的间接排放需要核算并报告包括外购电力和外购熟料两部分，以及余热发电等二氧化碳的抵减项目。研究对象都没有外购熟料，因此只计算外购电力的二氧化碳排放和余热发电项目的抵减量。
各国在计算外购电力排放量时，方法基本一致，基于耗电量和不包括运输配送损失的电力排放系数(EPA，2008年)来计算，而电力排放系数则是根据实际情况，选择场地、区域或者国家排放系数。CSI 认为中国电网平均排放因子为0.74kg/kWh，则2500t/d和5000t/d生产线电力排放系数默认值分别为58.76kg/t 熟料和34.10kg/t熟料；基于生产线实际用电量和中国区域电网的排放因子(表7)，计算结果得到2500t/d生产线电力排放系数为77.84kg/t熟料，5000t/d生产线电力排放系数为47.44kg/t熟料。
力排放系数(kg/kWh)。
3.2.4 单位熟料和单位水泥排放系数 在计算水泥碳排放系数时，全世界生产的多数水硬水泥，不是波特兰水泥，就是基于波特兰水泥(即波特兰水泥(或熟料)加上火山灰或粘性添加剂)或建筑水泥(波特兰水泥加上塑化材料，例如重质碳酸钙)的掺配(组合)水泥。如果水泥产量不能按品种进行分别计算，而且怀疑生产波特兰水泥时还生产了大量掺配和/或建筑水泥，那么可接受的优良作法是假定综合熟料含量为75％。如果已知水泥产量几乎全是波特兰水泥，则优良作法是使用缺省值95％ 的熟料[5]。国外学者在计算中国水泥碳排放量时通常认为中国的熟料水泥比在80％～85％之间，在此取其中间值83％来代表国际计算数据[17]。
图1 单位熟料和水泥排放计算结果偏差
注：偏差为正，实测值小于标准值；偏差为负，实测值大于标准值
图2 水泥生产排放系数国际标准默认值与实测值的偏差
加总三个部分的碳排放系数值，既可以得到单条生产线熟料和水泥总碳排放系数，熟料水泥比可根据生产线实际用于生产水泥的熟料产量和水泥产量来确定现场值，经计算的两条生产线熟料水泥比分别为77.5％和76.2％(参见表8、图1)。
图1显示了两条生产线熟料和水泥的碳排放系数，国际标准默认值与实测值之间存在10％～17％的偏差。
4 问题探讨
4.1 水泥生产碳排放系数计算结果差异分析
在确定的运营边界内，对实证的两条生产线每个排放过程进行排放系数的测算，国际标准默认值与实测值之间的偏差度如图2所示，分析可得以下结论。
(1)2500t/d生产线工艺排放系数偏差较大，方法修正后所求值明显低于修正前所求值和国际标准默认值，原因是该生产线在原料配比中加入了钢渣，使石灰石的用量大幅减少，钢渣中非碳酸盐形式存在的CaO，不经过分解直接带入熟料中，因此需对这部分CaO从熟料中进行扣减。目前，我国水泥生产企业大多采用电石渣、硫酸渣、钢渣等替代原料和介质原料，单纯从熟料中CaO 和MgO反推或者采用国际标准默认值，必然会高估水泥生产工艺排放系数。单条生产线计算如此，国家工艺排放系数计算的优良做法也应是基于大规模调查，获取中国水泥生产中使用替代原料的种类和在生料中的平均占比，以及各种替代原料中非碳酸盐存在的CaO和MgO含量数据，通过此计算方法折算成一个参数，对熟料法进行修正。
(2)两条生产线燃料燃烧排放系数偏差都达到27％以上，原因是IPCC在温室气体清单中单独设立能源章节，燃料燃烧并没有包含在采矿工业排放章节内，其燃料默认排放值并不只针对水泥行业。水泥生产用煤实际情况是只需控制一些指标，如内水，S含量，灰分，挥发分，收燥基发热值等，对煤炭种类并没有强制性的要求。目前，我国国家标准要求旋窑煤炭发热量大于21MJ/kg，立窑的煤发热量大于22.99MJ/kg，因此中国大多数水泥企业在煤炭入窑之前都有一个配煤的过程，IPCC默认的煤炭分类标准、低位发热值以及排放因子缺省值与实际水泥生产用煤的发热值差距较大，在碳排放的计算结果上必然呈现显著差异，按照中国实际情况，水泥生产煤炭燃烧的碳排放系数应在250～350kg/t熟料的范围内。
(3)文中所用2011年中国区域电网排放因子是国家发改委气候变化司根据电力系统中所有电厂的总净上网电量、燃料类型及燃料总消耗量计算得到，该排放因子比CSI默认值高出25％左右，更符合中国实际情况。
(4)单位水泥排放系数偏差明显大于单位熟料排放系数的偏差，原因在于熟料水泥比的偏差。国外学者在计算中国水泥碳排放量时通常认为中国的熟料水泥比在80％～85％之间，然而中国的实际情况却是在熟料中添加混合材的比例在20％～50％之间，因此平均熟料水泥比应在65％左右。若给定熟料排放系数，由于熟料水泥比的差异，单位水泥排放系数仍然高出10％的偏差，可以说国外学者估算的中国水泥排放总量远远高于实际排放量。
4.2 水泥生产的减排方向
由于碳排放系数的计算过程涉及水泥生产从投入到产出整个生命周期的碳排放，通过对所有碳源的分析计算，可以更准确的把握生产过程中碳减排的方向。
4.2.1 替代原料的使用 水泥生产中碳酸盐分解产生50％以上的，用工业废弃物来替代碳酸盐可以显著减少的排放，使水泥工业真正成为减排大户。可利用的工业废弃物有高炉矿渣、钢渣、电石渣及粉煤灰等。以本文中2500t/d生产线为例，原料中只添加了6.18％的钢渣，但是工艺排放却减少了将近10％。
4.2.2 替代燃料的使用 水泥生产过程中还可以使用替代燃料来减少的排放，替代燃料有固态替代燃料木屑、塑料、农业残余物、废弃轮胎、石油焦等；液态替代燃料矿物油、液压油等；气态替代燃料焦炉气、炼油气、裂解气、埋填的废物产生的气体等。这些替代燃料来源稳定，数量大，发热量也高，一般一个企业仅仅燃烧其中几项废料，工艺过程比较易于控制[18]。
4.2.3 余热发电 目前中国水泥生产主流的窑外分解技术工艺，仍有大量的350℃以下的废热没有被充分利用，约占系统总热量30％以上[19]，因此利用余热发电技术来回收这些余热是较好的节能途径。本文中5000t/d生产线比2500t/d生产线电力排放系数低将近40％，正是5000t/d生产线配备了余热发电机组，减少外购电量，间接的减少了的排放。实际上，2500t/d生产线也可配备技术装备成熟的低温余热发电机组，减少外购电力消耗。
4.2.4 增加熟料中混合材比例 近年来，混合材作为辅助性胶凝材料被越来越多地应用到水泥生产中。混合材的使用不仅可以改善水泥的各项性能，提高水泥的使用寿命，而且也可以减少对熟料的需求[20，21]。在保证相同水泥性能的前提下，熟料质量越好，就可以掺入越多的混合材[19]。而当混合材用量增加1％时，水泥熟料用量就可减少1％，并可使生产每吨水泥减少1％的排放[8]。
5 结论
建立中国完整的水泥生产排放核算标准和国家排放系数体系，对应对气候变化的国际谈判和实现我国节能减排目标具有重要意义，而对排放系数计算方法的实证研究是建立水泥生产碳排放系数体系的重要步骤。本文选取了中国中西部两条典型的新型干法熟料生产线作为实证研究对象，用目前主流的几种计算方法进行计算演示，并对结果进行分析比较，探讨了结果偏差的原因，认为国际标准中的默认排放系数与中国实际排放系数差距较大，国外学者由于缺少中国准确的工厂级数据，在计算中国水泥排放量时一般采用IPCC或者CSI默认排放系数，其估算量远远高于中国实际水泥生产排放量，这也进一步说明我国建立自己的国家排放系数体系已迫在眉睫。
另外，本文通过对水泥生产碳源的分析计算，提出4点水泥生产碳减排对策和措施，如果在水泥生产中，能够有效地实施这些节能减排对策和措施，不但可以尽早实现国家下达的节能减排指标，更可以促进水泥行业循环经济的发展，实现水泥生产的绿色制造和资源的可持续开发利用。