工业固废替代原料与水泥行业可持续发展

欧盟制定的《欧盟2050低碳经济路线图》明确提出，与1990年相比，2050年全球温室气体排放总量要降低80%~90%。国际能源署在《清洁能源转型中的材料效率》中提出“清洁技术方案2050计划”，对各行业如何实现 “碳中性”目标给出了明确的执行路线和发展目标。

随着“碳中性”理念的提出，世界各国对温室气体排放的控制标准越来越严格。水泥工业作为碳排放重点行业，如何有效降低碳排放，成为一个无法回避而又十分紧迫的课题。

一、水泥行业面临的问题

（一）碳排放

作为碳排放大户，水泥行业面临的减排挑战正成为积极推进行业转型升级、实现绿色环保发展的契机。世界水泥可持续发展促进会预计，到2050年，水泥行业需要实现0.79 Gt CO2减排目标。其中，提高能效占比10%、使用替代燃料占比24%、降低熟料用量占比10%、碳捕获占比56%。对比分析国际发展需求，国内对水泥行业碳排放控制会越来越紧迫，标准也必然会越来越高。

针对我国水泥行业技术发展现状，实现上述国际减排目标仍然需要在各个领域进一步开展广泛而深入的技术研究，并借鉴一些发达国家成功的减排技术与经验，尽量少走弯路。

（二）资源消耗

在考虑碳排放的同时，水泥行业也是资源消耗大户。以国内2019年熟料总产量15.2亿吨计算，消耗矿产资源高达24亿吨左右（按照完全使用自然矿产资源生产熟料进行核算）。周边有限的矿产资源已经使部分水泥企业出现或者即将面临“无米下锅”的窘境。如果原材料需要通过长距离运输，其带来的成本上升将成为企业难以承受的负担。

二、工业固废作为替代原料

（一）潜在资源

钢铁、火力发电、乙炔、氨碱等生产企业每年排放大量的钢渣、矿渣、粉煤灰、硅钙渣、电石渣、碱渣等固体废弃物，资源化利用这些大宗固体废弃物，实现变废为宝，值得不断深入研究。

我国每年产生40亿吨左右此类工业固体废弃物，如果将其作为水泥企业的替代原料，以年利用率20%计算，能够节省约8亿吨的天然矿产资源，具有极大的社会价值与经济价值。

水泥行业的主要原料为石灰石，约占80%~85%左右，每生产1吨水泥熟料需要消耗约1.3吨~1.4吨的石灰石。很多钢渣类的固体废弃物，其有效化学成分与水泥熟料的化学成分比较接近，具有作为水泥替代原料的可行性。

（二）降低碳排放

矿（钢）渣固废作为水泥替代原料不会分解产生 CO2，因此，可以降低碳排放。

针对不同替代原料，依据温室气体排放核算国家标准 GB/T 32150-2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》和GB/T 32151.8-2015《温室气体排放核算与报告要求第 8 部分：水泥生产企业》，通过理论计算，确定使用不同替代原料、不同替代比例时的碳减排量。

按照常规的原材料配料方案（石灰石83%、黏土12%、硅质校正料与铁质校正料总计5%为计算标准）计算，单位熟料CO2排放量约为520kg/t.cl。

国内在电石渣作为水泥替代原料替代石灰石比例达到60%~100%，如果以60%的替代率进行核算，单位熟料CO2排放量约为300 kg/t.cl，比常规生产单位熟料碳排放量降低约220kg/t.cl；以硅钙渣替代30%左右石灰石质原料，单位熟料CO2排放量约为425 kg/t.cl，比常规生产单位熟料碳排放量降低约95kg/t.cl；以钢渣替代15%左右石灰石质原料，单位熟料CO2排放量约为475kg/t.cl，比常规生产时碳排放量降低约45kg/t.cl。

2018年国内熟料产量14亿吨，2019年达到15.2亿吨，按照常规生产方案核算，每年碳排放量将达到惊人的7亿吨~8亿吨。如果能够采取替代原料等措施，将有助于实现30%左右碳减排目标。因此，使用工业固废作为水泥替代原料，在降低碳排放方面极具研究与应用价值。

（三）降低系统能耗

使用矿(钢)渣类固废作为替代原材料，不仅降低CO2排放量，而且会降低系统烟气总量，从而使预热器内通风量降低、各个控制点的风速下降，预热器系统压损减少，高温风机和尾排风机的电耗降低，实现系统增产。

此外，因矿（钢）渣类固废中存在硅酸二钙和硅酸三钙矿物，在水泥熟料煅烧过程中起到晶种作用，可以改善生料的易烧性、降低煅烧温度。

（四）典型案例

2010年，德国洪堡（KHD）公司在俄罗斯投建两条3000t/d熟料生产线，利用附近钢厂的钢渣替代30%左右的原材料。根据国内相关标准进行核算，单位熟料CO2排放量仅为415 kg/t.cl左右，比常规降低约105kg/t.cl；现场检测数据显示，实际碳排放量只有385kg/t.cl左右。按照两条熟料生产线年产140万吨熟料进行核算，则年减排CO2约14万吨~18万吨。同时，熟料生产电耗下降1.5kwh/t.cl；热耗降低至600kcal/kg.cl左右，低于系统生产热耗指标保证值716 kcal/kg.cl。节电节煤，又进一步降低碳排放量。

三、存在的问题与应对措施

需要注意的是，部分工业固废中含有一定比例的金属成分或者氯离子等对生产过程和水泥性能有害的成分，掺入比例有严格的限制。因此，需要进行预处理从而提高替代比例。

同时，硅酸二钙和硅酸三钙晶种等因素降低了出现高温液相的温度，因此需要对现有烧成系统的热工制度进行适当调整，如降低总喂煤量（主要是降低尾煤量）、控制分解炉内部及出口风温、控制各级旋风筒出口风温等，以防止生产过程中过早出现液相，造成预热器系统结皮、堵料及黄心料等现象。

替代原料种类和替代比例，需要在生产中根据实际情况进行摸索，确定具有针对性的热工制度。考虑到替代原料本身的特点，矿（钢）渣类替代原料与“4级预热器”的热工制度有很多契合点，在节能及工程量投入等方面有更大的效益空间。

鉴于工业固废作为替代原材料对水泥行业的重要潜在价值，北京建筑材料科学研究总院依托固废资源化利用与节能建材国家重点实验室和金隅集团所属水泥企业的技术和资源优势，根据水泥企业周边工业固废的具体成分与形态，研究适合实际情况的处理技术，积极探索具有共性及针对性的生产与控制标准，最大化地发挥工业固废在降低碳排放、替代天然矿产资源及节能等方面的综合效应。 

四、结语

控制温室气体排放，实现“碳中性”目标，是大势所趋。通过大力开展工业固废替代水泥原材料的研究和规模化应用，可显著降低对天然矿产资源和能源消耗，是我国水泥行业实现绿色、可持续发展的重要途径之一，更是践行“绿水青山就是金山银山”理念的积极行动。