工業固廢替代原料與水泥行業可持續發展

歐盟制定的《歐盟2050低碳經濟路線圖》明確提出，與1990年相比，2050年全球温室氣體排放總量要降低80％～90％。國際能源署在《清潔能源轉型中的材料效率》中提出“清潔技術方案2050計劃”，對各行業如何實現 “碳中性”目標給出了明確的執行路線和發展目標。

隨着“碳中性”理念的提出，世界各國對温室氣體排放的控制標準越來越嚴格。水泥工業作為碳排放重點行業，如何有效降低碳排放，成為一個無法迴避而又十分緊迫的課題。

一、水泥行業面臨的問題

（一）碳排放

作為碳排放大户，水泥行業面臨的減排挑戰正成為積極推進行業轉型升級、實現綠色環保發展的契機。世界水泥可持續發展促進會預計，到2050年，水泥行業需要實現0.79GtCO₂減排目標。其中，提高能效佔比10％、使用替代燃料佔比24％、降低熟料用量佔比10％、碳捕獲佔比56％。對比分析國際發展需求，國內對水泥行業碳排放控制會越來越緊迫，標準也必然會越來越高。

針對我國水泥行業技術發展現狀，實現上述國際減排目標仍然需要在各個領域進一步開展廣泛而深入的技術研究，並借鑑一些發達國家成功的減排技術與經驗，儘量少走彎路。

（二）資源消耗

在考慮碳排放的同時，水泥行業也是資源消耗大户。以國內2019年熟料總產量15.2億噸計算，消耗礦產資源高達24億噸左右（按照完全使用自然礦產資源生產熟料進行核算）。周邊有限的礦產資源已經使部分水泥企業出現或者即將面臨“無米下鍋”的窘境。如果原材料需要通過長距離運輸，其帶來的成本上升將成為企業難以承受的負擔。

二、工業固廢作為替代原料

（一）潛在資源

鋼鐵、火力發電、乙炔、氨鹼等生產企業每年排放大量的鋼渣、礦渣、粉煤灰、硅鈣渣、電石渣、鹼渣等固體廢棄物，資源化利用這些大宗固體廢棄物，實現變廢為寶，值得不斷深入研究。

我國每年產生40億噸左右此類工業固體廢棄物，如果將其作為水泥企業的替代原料，以年利用率20％計算，能夠節省約8億噸的天然礦產資源，具有極大的社會價值與經濟價值。

水泥行業的主要原料為石灰石，約佔80％～85％左右，每生產1噸水泥熟料需要消耗約1.3噸～1.4噸的石灰石。很多鋼渣類的固體廢棄物，其有效化學成分與水泥熟料的化學成分比較接近，具有作為水泥替代原料的可行性。

（二）降低碳排放

礦（鋼）渣固廢作為水泥替代原料不會分解產生CO₂，因此，可以降低碳排放。

針對不同替代原料，依據温室氣體排放核算國家標準GB／T32150－2015《工業企業温室氣體排放核算和報告通則》和GB／T32151.8－2015《温室氣體排放核算與報告要求第8部分：水泥生產企業》，通過理論計算，確定使用不同替代原料、不同替代比例時的碳減排量。

按照常規的原材料配料方案（石灰石83％、黏土12％、硅質校正料與鐵質校正料總計5％為計算標準）計算，單位熟料CO₂排放量約為520kg／t.cl。

國內在電石渣作為水泥替代原料替代石灰石比例達到60％～100％，如果以60％的替代率進行核算，單位熟料CO₂排放量約為300kg／t.cl，比常規生產單位熟料碳排放量降低約220kg／t.cl；以硅鈣渣替代30％左右石灰石質原料，單位熟料CO₂排放量約為425kg／t.cl，比常規生產單位熟料碳排放量降低約95kg／t.cl；以鋼渣替代15％左右石灰石質原料，單位熟料CO₂排放量約為475kg／t.cl，比常規生產時碳排放量降低約45kg／t.cl。

2018年國內熟料產量14億噸，2019年達到15.2億噸，按照常規生產方案核算，每年碳排放量將達到驚人的7億噸～8億噸。如果能夠採取替代原料等措施，將有助於實現30％左右碳減排目標。因此，使用工業固廢作為水泥替代原料，在降低碳排放方面極具研究與應用價值。

（三）降低系統能耗

使用礦（鋼）渣類固廢作為替代原材料，不僅降低CO₂排放量，而且會降低系統煙氣總量，從而使預熱器內通風量降低、各個控制點的風速下降，預熱器系統壓損減少，高温風機和尾排風機的電耗降低，實現系統增產。

此外，因礦（鋼）渣類固廢中存在硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物，在水泥熟料煅燒過程中起到晶種作用，可以改善生料的易燒性、降低煅燒温度。

（四）典型案例

2010年，德國洪堡（KHD）公司在俄羅斯投建兩條3000t／d熟料生產線，利用附近鋼廠的鋼渣替代30％左右的原材料。根據國內相關標準進行核算，單位熟料CO₂排放量僅為415kg／t.cl左右，比常規降低約105kg／t.cl；現場檢測數據顯示，實際碳排放量只有385kg／t.cl左右。按照兩條熟料生產線年產140萬噸熟料進行核算，則年減排CO₂約14萬噸～18萬噸。同時，熟料生產電耗下降1.5kwh／t.cl；熱耗降低至600kcal／kg.cl左右，低於系統生產熱耗指標保證值716kcal／kg.cl。節電節煤，又進一步降低碳排放量。

三、存在的問題與應對措施

需要注意的是，部分工業固廢中含有一定比例的金屬成分或者氯離子等對生產過程和水泥性能有害的成分，摻入比例有嚴格的限制。因此，需要進行預處理從而提高替代比例。

同時，硅酸二鈣和硅酸三鈣晶種等因素降低了出現高温液相的温度，因此需要對現有燒成系統的熱工制度進行適當調整，如降低總喂煤量（主要是降低尾煤量）、控制分解爐內部及出口風温、控制各級旋風筒出口風温等，以防止生產過程中過早出現液相，造成預熱器系統結皮、堵料及黃心料等現象。

替代原料種類和替代比例，需要在生產中根據實際情況進行摸索，確定具有針對性的熱工制度。考慮到替代原料本身的特點，礦（鋼）渣類替代原料與“4級預熱器”的熱工制度有很多契合點，在節能及工程量投入等方面有更大的效益空間。

鑑於工業固廢作為替代原材料對水泥行業的重要潛在價值，北京建築材料科學研究總院依託固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室和金隅集團所屬水泥企業的技術和資源優勢，根據水泥企業周邊工業固廢的具體成分與形態，研究適合實際情況的處理技術，積極探索具有共性及針對性的生產與控制標準，最大化地發揮工業固廢在降低碳排放、替代天然礦產資源及節能等方面的綜合效應。

四、結語

控制温室氣體排放，實現“碳中性”目標，是大勢所趨。通過大力開展工業固廢替代水泥原材料的研究和規模化應用，可顯著降低對天然礦產資源和能源消耗，是我國水泥行業實現綠色、可持續發展的重要途徑之一，更是踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的積極行動。

責編：喻悦 張子豫

校對：和新龍

監審：王怡潔