肖 静,梁学敏,张逸畅,张岳玲

中国水泥生命周期粉煤灰替代的CO2减排研究

肖 静,梁学敏,张逸畅,张岳玲*

(华北电力大学环境科学与工程学院,资源环境系统优化教育部重点实验室,北京 102206)

采用中国水泥企业温室气体排放核算方法及政府间气候变化专门委员会的能源使用CO2排放计算方法,将不同粉煤灰替代率下原料及能源使用引起的CO2减排进行核算.结果表明,与燃煤电厂产业共生可减排92.676kgCO2/t水泥.而粉煤灰替代熟料是中国水泥CO2减排的主要部分,与替代生料结合可产生最大CO2减排373.303kg/t水泥.另外,粉煤灰替代部分水泥形成混凝土的碳化作用,到2050年可吸收192.015kgCO2/t水泥.粉煤灰替代后,对余热发电变化及外购清洁电力使用比例增加引起的减排进行预测,发现此项举措可有效促进水泥行业“双碳”目标达成.

水泥；生命周期；粉煤灰替代；CO2减排；产业共生

我国水泥行业在“双碳”目标中面临的减排压力巨大[1],粉煤灰替代带来的CO2减排效应是水泥行业绿色发展的重要方法.目前粉煤灰替代的研究主要集中在部分熟料[2-4]和水泥的替代[5-6],以往研究表明粉煤灰替代后均可显著减少CO2排放,但鲜有粉煤灰替代原料的研究以及水泥生命周期粉煤灰替代引起的CO2减排计算,大多数研究聚焦水泥生产过程的CO2排放,然而我国水泥制品在其使用阶段长期以来对CO2的吸收量巨大[7],对CO2减排意义重大,从全生命周期角度更能精确核算,从而更为全面体现粉煤灰替代对水泥行业CO2减排的影响.水泥生命周期各阶段都会对CO2排放造成影响,需要科学系统的方法进行定量分析和评价.因此本文从生命周期视角出发,考虑电厂作为上游产业,粉煤灰在水泥生产中的CO2减排效应,探讨了不同替代率下生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨及使用过程中对CO2减排的影响,核算了余热发电的变化以及清洁电力使用引起的CO2减排量.

1 数据来源和方法

1.1 系统边界及数据来源

资源开采数据获取较为复杂且其CO2排放对整个生产流程影响较小,假设水泥企业未配备自有矿山,系统内所有原料及能源获取均采用外购方式.如图1所示,系统边界包括原料运输(包括替代材料粉煤灰)、一次能源运输、生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨以及水泥使用等阶段,功能单元为1t水泥.系统边界内所有过程数据来自于数据库和文献.其中水泥基础情景(BS)下水泥原料和回转窑各过程热耗数据来源于《水泥生产技术基础(第二版)》[8],水泥厂和电厂的分布数据来源于中国工程院能源专业知识服务系统数据库,其他数据来源于一些行业报告和相关文献.

图1 水泥生产CO2排放系统边界

1.2 研究方法

1.2.1 CO2排放、吸收原理及核算方法 如图2所示,水泥生产CO2排放分为直接排放和间接排放,其中直接排放由碳酸钙分解和煤炭燃烧产生,间接排放来自电力使用;CO2吸收来自水泥使用阶段的碳酸化反应.

图2 水泥生命周期CO2排放及吸收原理

水泥生产过程的CO2排放依据《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》计算,能源消耗产生的CO2依据政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的方法计算.水泥生产各阶段CO2排放及吸收计算公式见表1.

表1 水泥全生命周期过程CO2排放计算方法

图3 水泥厂和电厂分布示意

1.2.2 情景分类 运输阶段(T)——如图3所示,根据电厂和水泥厂分布情况及电厂粉煤灰储量[17],水泥厂直线距离10km的电厂覆盖率约为13.64%,可提供1.8亿t粉煤灰,代表产业共生政策尚未实施时;水泥厂直线距离50km的电厂覆盖率约为64.37%,可提供6.1亿t粉煤灰,代表产业共生政策初步实施;水泥厂直线距离70km的电厂覆盖率约为79.13%,可提供6.8亿t粉煤灰,代表产业共生政策实施良好.故将粉煤灰运输距离分3种情景:10km(T1)、50km(T2)、70km(T3).石灰石、黏土、铁粉等运输到水泥厂的公路距离为3km[18],石膏的运输距离为7km[19],煤炭运输距离为50km[18].

生料替代(R)——为了保证水泥的性能,在水泥生产中要对二氧化硅、氧化钙、氧化铝和三氧化二铁4种主要氧化物的投入量严格控制.通常用水硬率(HM)、硅率(SM)和铝率(IM)作为水泥质量控制的指标,HM的取值范围为1.8～2.4;SM的取值范围为1.7～2.7;IM的取值范围为0.8～1.7,3个指标的数学表达式如式1、式2和式3[8]所示,可通过HM、SM和IM 3个指标综合确定粉煤灰的替代率.

式中:CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3分别为原料中该化学成分的质量分数.石灰石、黏土、铁粉、以及粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等化学成分的质量分数见表2[8],其中LOSS为烧失量.

表2 原料的化学成分及质量分数

如图4所示,将粉煤灰的替代率从1%开始,以1%的间隔增加,代入式1、式2、式3进行计算,符合这3个指标,替代率继续增加,直至达到值不符合为止,水泥生料中粉煤灰的最大替代率为(-1)%.通过计算,9%为最大整数替代率,粉煤灰的生料替代率为3%(R1)、6%(R2)和9%(R3).

图4 粉煤灰替代率计算流程

熟料替代(C)——粉煤灰代替10%的熟料制成普通硅酸盐水泥(C1)、粉煤灰代替20%的熟料制成粉煤灰硅酸盐水泥(C2)和粉煤灰代替40%的熟料制成粉煤灰硅酸盐水泥[8](C3).

水泥替代(F)——粉煤灰替代10%的硅酸盐水泥制成混凝土(F1)、粉煤灰替代30%的硅酸盐水泥制成混凝土(F2)、粉煤灰替代50%的硅酸盐水泥[19-20]制成混凝土(F3).

1.3 清单分析

表3 水泥生产原料清单(t/t水泥)

物质输入部分只考虑石灰石、粘土、铁粉、粉煤灰和石膏等主要水泥生产原料,原料清单如表3所示.

2 结果与讨论

2.1 运输阶段

2.1.1 原料运输 水泥企业所需粉煤灰的常规运输距离为100km[21],但粉煤灰直线运输距离为70km,粉煤灰总质量约为6.8亿t,基本已经满足按照2020年水泥产量23亿t,需6.9亿t粉煤灰的需求[22],在水泥厂70km范围内实现与电厂的产业共生是可行的.

表4 原料运输CO2排放量及其与常规运距的比较(kg/t水泥)

注:负值为CO2减少,正值为CO2增加.

各替代率下CO2排放量及其与常规运输距离比较结果如表4所示,其中基准情形(BS)为无粉煤灰替代.表5显示与BS相比,粉煤灰的运输距离越长,替代率越高,CO2排放增加越多,尽管粉煤灰添加使其他原料量减少,继而减少其运输CO2排放,但粉煤灰的运输距离较长,造成该阶段排放增加.与常规运输距离100km相比,通过与电厂相对地理位置优化出的距离70km,最多可减少1.391kg/t水泥的CO2排放.

另外,粉煤灰作为燃煤电厂的副产品,与石灰石、粘土、铁粉等原料相比,粉煤灰没有开采阶段的CO2排放,所以产业共生时,考虑无需开采的优势,可抵消其运输的CO2排放.不同替代率下二者抵消结果如表5所示.

表5 产业共生下粉煤灰添加引起的CO2减排量(kg/t水泥)

由表5可知,产业共生情况下粉煤灰的替代均使CO2排放减少,当运输距离为70km,产业共生下粉煤灰引起的CO2减排最大为92.696kg/t水泥.可出台相关政策,促进水泥厂和电厂的产业共生,从最大程度上减少由粉煤灰运输带来的CO2排放,不仅可推动粉煤灰的资源化利用,而且有助于实现水泥行业低碳发展.

表6 回转窑热耗､煤炭用量以及煤炭运输CO2排放量(kJ/t水泥)

2.1.2 煤炭运输 与水泥生产中煤炭的使用量相比,柴油的使用量可以忽略不计,此部分只对煤炭运输产生的CO2排放进行计算[23].所需煤炭量根据煅烧阶段所需热耗计算,水泥生产中主要的吸热来自于黏土脱水,物料的加热,碳酸盐分解以及加热、熔融净热等过程,主要的放热来自脱水黏土产物结晶放热、水泥化合物形成等过程[8],回转窑热耗理论值为总吸热量与总放热量的差值.粉煤灰不同替代率下上述过程的热耗结果如表6所示.

与BS相比,粉煤灰替代使煤炭的使用量减少,随着替代率的增加,煤炭的用量减少越多.添加粉煤灰之后,常规原料的使用减少,这使相关吸热过程的单位质量热耗减少.另外,粉煤灰还有其独特的优势,与黏土相比,粉煤灰含水率低,所以黏土脱水所需热耗降低.而且粉煤灰有相当数量的CaO以硅酸盐等形式存在,节省大量碳酸盐分解热.物料自450℃加热到900℃时,由于粉煤灰的蓄热系数为3.92W/(m2·K)[24],而黏土和石灰石的蓄热系数高达10W/(m2·K)[25],加热到同一个温度所需热耗也较少.粉煤灰的加入有效减少了煅烧阶段的热耗,进而使所需煤炭减少,因此煤炭的运输阶段CO2排放减少.该阶段CO2排放量以及其与BS的差值如图5(a)所示,生料替代最多可减少CO2排放0.063kg/t水泥,熟料替代最多可减少CO2排放0.282kg/t水泥.

2.2 生料制备

粉煤灰的含水量一般低于1%,而粘土等原料的含水量高达15%以上[26],另外粉煤灰粒径一般小于10µm[27],而主要原料石灰石、铁粉等粒径大约为厘米和毫米,粉煤灰的替代可节省干燥耗电和粉磨耗电.单位原料干燥耗电8.19kW×h[28],单位原料粉磨耗电16kW×h[29].不同替代率下该阶段耗电量如表7所示,CO2排放量及其与BS的差值如图5(b)所示.粉煤灰的替代率越大,干燥和粉磨所需电耗越小,相应的CO2减排量就越大,此处最大减排量为9.220kg CO2/t水泥.

另外,如前文2.1所述,粉煤灰替代造成煤炭用量减少,煤粉制备耗电也相应减少.单位煤粉制备耗电30kW×h[29],则不同替代率下煤粉粉磨耗电量如表8所示,产生的CO2排放量及其与BS的差值如图5(c)所示.此处最大减排量为0.852kg CO2/t水泥.

表7 各替代率下原料干燥和粉磨的耗电量(kW×h)及CO2排放量(kg/t水泥)

表8 各替代率下煤炭粉磨耗电量(kW×h)和CO2排放量(kg/t水泥)

2.3 熟料煅烧

原料中碳酸盐分解和煤炭燃烧产生的CO2约占总排放的92%[23,30-31],不同替代率下该阶段由原料分解和煤炭燃烧产生的CO2见表9.

表9 各替代率下熟料煅烧的CO2排放量(kg/t水泥)

表10 各替代率下水泥粉磨电耗(kW×h)及CO2排放量(kg/t水泥)

原料分解方面,粉煤灰替代生料,由于粉煤灰中的CaO以硅酸盐、氯酸盐和铁酸盐形式存在,含碳酸盐的原料使用量下降,煅烧时CO2排放减少,而在替代熟料时,减少了熟料的使用量,也相应减少了熟料生产的CO2.煤炭燃烧方面,粉煤灰替代生料,由2.1中对煤炭用量的分析可知,其独特的物理性质和化学成分可明显降低煅烧时的理论热耗,煤炭用量相应减少,燃烧产生的CO2也减少.粉煤灰替代熟料,减少了熟料用量,相应减少了熟料生产的煤炭燃烧CO2排放.与BS的差值如图5(d)所示,此阶段最大可减排363.231kg CO2/t水泥.

2.4 水泥粉磨

粉煤灰替代熟料,由于其自身粒度较小,可减少粉磨耗电,粉磨单位水泥耗电量为25kW×h[29],各替代率下粉磨电耗和CO2排放如表10所示.粉煤灰的替代率越高,此阶段CO2排放量越少.与BS的差值如图5(e)所示.此阶段最大CO2减排量为5.796kg/t水泥.

图5 各替代率下不同阶段CO2排放量

2.5 使用阶段

表11 各替代率下水泥使用阶段CO2减排量预测(kg/t水泥)

水泥制成混凝土后,在使用过程中,空气中CO2可渗透到混凝土内,与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水,使混凝土碱度降低,此过程称为碳化过程[32].碳化条件相同,粉煤灰掺量越大,越有利于CO2气体扩散,粉煤灰水泥的抗碳化性能越差,粉煤灰替代水泥有助于自身使用阶段的CO2减排[33].张扬等[34]选取粉煤灰掺量为0%、10%、20%和30%的混凝土为研究对象,通过自然条件下的碳化,研究了粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响,实验结果表明:掺10%、20%和30%粉煤灰的混凝土碳化速度分别为不掺粉煤灰的1.6、1.9、2.4倍.线性拟合发现混凝土碳化速度和粉煤灰添加量之间呈线性关系,当粉煤灰掺加量为40%和50%时,混凝土碳化速度分别为不掺粉煤灰的2.8和3.7倍.根据以上研究,各替代率下碳化作用的CO2减排情况如表11所示.当替代率为F3时,到2030年CO2减排量为64.005kg/t水泥,到2050年CO2减排量为192.015kg/t水泥.

2.6 余热发电及清洁电力使用

水泥生产总热耗定义为单位熟料(kg)所需热量(kJ),即物料预热—脱水—分解—化合吸收热+综合损失热.从水泥生产总热耗的定义来看水泥生产总热耗为2.1.2的理论热耗.由2.1.2中讨论,粉煤灰替代使物料的生产总热耗变低,余热发电量相应变低,由2.2、2.3和2.4的讨论,粉煤灰替代节省电耗、余热发电及外购电力的变化如表12所示.余热发电量的减少小于粉煤灰替代引起的电耗节省,因此可以减少外购电力,由此带来的最大CO2减排量为12.484kg/t水泥.

表12 水泥生产外购电量减少(kW×h)及CO2减排量(kg/t水泥)

表13 2030年､2040年和2050年我国能源发电结构预测

水泥企业通过粉煤灰替代策略可有效减少外购电量,但仍然需要大量的外购电力才能满足生产需要,2030年、2040年和2050年的能源发电结构[35-37]如表13所示.若外购电力采用清洁电力,各替代率下外购电量和采用清洁电力可实现的CO2减排量如表14所示,外购电量仅考虑生料制备阶段及水泥粉磨阶段电耗之和减去余热发电量.水泥企业的外购电力采用清洁电力在CO2减排方面有巨大空间.随着清洁电力比例的逐渐增加,CO2减排量在2030年、2040年2050年都有显著增加,到2050年最大CO2减排量为17.319kg/t水泥.

表14 外购电量(kW×h)及清洁电力CO2减排量(kg/t水泥)

2.7 CO2减排评价

2020年我国水泥产量约23亿t,排放CO2约14.66亿吨,约占中国CO2排放总量的14.30%.如表15所示,各阶段CO2减排量从高到低依次是熟料煅烧、使用阶段、运输阶段、生料制备及水泥粉磨.熟料煅烧阶段的CO2减排量可使全国CO2排放减少8.57%,运输阶段产业共生后的CO2减排量可使全国CO2排放减少2.08%;到2050年,粉煤灰替代的水泥制品吸收的CO2可使全国CO2排放减少1.23%.

实际生产中,生料制备和熟料煅烧两个阶段可同时进行粉煤灰替代,若结合清洁电力使用,单位水泥CO2减排为461.675kg,CO2总减排量为10.619亿t,占2020年总排放量的74.10%.如果要使全球温度升高控制在2℃以内,到2050年全球CO2排放量要比峰值水平减少50%以上[38-39].麦肯锡测算,要使全球温度升高不超过1.5℃,中国水泥行业到2050年碳减排要达到70%以上.研究结果表明,要达到“双碳”目标,粉煤灰替代及清洁电力使用可以是水泥行业未来的主要发展方向.

表15 水泥生命周期各阶段最大CO2减排量及贡献

3 经济可行性

如表16所示,将最大替代率下水泥企业的原料和煤耗、电耗等成本与BS成本进行比较,粉煤灰替代后1t水泥可节省成本159.973元,说明水泥企业采用粉煤灰作为替代物具有良好的经济可行性.

表16 粉煤灰替代后的水泥企业经济效益

注:-表示成本减少,+表示成本增加.

4 结论

4.1 水泥企业与直线距离70km的电厂进行产业共生,可满足水泥企业的粉煤灰需求,并有效降低其运输CO2排放.

4.2 保证水泥质量前提下,生料替代率最高可为9%,该替代率下CO2减排量为82.511kg/t水泥.

4.3 同时进行生料替代和熟料替代,最多可减少CO2排放452.586kg/t水泥.

4.4 在清洁电力预测情况下,到2050年CO2减排最大为17.319kg/t水泥.

4.5 最高的生料和熟料替代率,结合清洁电力使用,到2050年,减排量为461.675kg/t水泥,占2020年水泥行业总排放的74.10%.

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致谢：本研究的水泥企业和电厂空间分布情况由中国科学院青岛生物能源与过程研究所田亚峻老师协助完成,在此表示感谢.

Study on CO2reduction of cement with fly ash substitute from the perspective of life cycle in China.

XIAO Jing, LIANG Xue-min, ZHANG Yi-chang, ZHANG Yue-ling*

(MOE Key Laboratory of Resources and Environmental Systems Optimization, College of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2022,42(4)：1934～1944

The CO2reduction induced by material in the situation of fly ash replacement is calculated by the guideline of Greenhouse Gas Emissions of Chinese Cement Enterprises. Meanwhile, the CO2reduction induced by energy employment also defined by the methods from Intergovernmental Panel on Climate Change. The results show that considering industrial symbiosis with coal-fired power plants, 92.676kg/t cement of CO2are reduced. It is demonstrated that the replacement of clinker with fly ash is the main part leading to CO2reduction in China's cement industry. When combined with the replacement of raw materials, the maximum CO2reduction per ton of cement can be up to 373.303kg. In the application stage, the carbonization effect of concrete formed by fly ash and Portland cement has increased, and one ton of cement will adsorb 192.015kg of CO2by 2050. In the context of fly ash replacement, the emission reduction caused by the change of waste heat generation and the clean electricity employment with different proportion are forecasted. It is found that the measure can also effectively promote the achievement of carbon peak and neutrality goals.

cement；life cycle；fly ash substitution；CO2reduction；industry symbiosis

X511

A

1000-6923(2022)04-1934-11

肖 静(1996-),女,河北石家庄人,华北电力大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要研究方向为水泥生产碳排放计算.发表论文2篇.

2021-09-13

中国工程院咨询项目(2016-ZD-14);总理基金资助项目(DQGG0209-13)

*责任作者, 讲师, zhangyueling@ncepu.edu.cn