水泥生命周期碳排放研究

水泥生命周期碳排放研究 俞海勇１,杨 辉１,张 贺2,曾 杰2 (１．上海建科检验有限公司,上海 20１１08; 2．上海市建筑科学研究院(集团)有限公司,上海 20１１08) 收稿日期:20１6 -１１ -１2 作者简介:俞海勇,男,教授级高工,主要从事低碳建筑材料的研究。 基金项目:住建部资助项目(20１4 - H - 003);上海市科委资助项目 (１5DZ１204605);上海市国资委资助项目(20１502７) 摘 要:以上海地区使用的P· I型硅酸盐水泥为例,对水泥 的生命周期碳排放进行了研究。通过资料分析得知,上海地 区使用的水泥及熟料主要来自江苏省。在合理假定进沪水 泥的运输方式及路程的前提下,计算了从水泥原材料开采到 成品运输至使用企业大门的水泥生命周期碳排放量。结果 显示,１ t P· I型硅酸盐在生命周期将产生约１t CO2,其中 92%的碳排放来自生料煅烧时的矿物分解和工厂生产能耗, 6%的碳排放来自水泥成品运输。 关键词:水泥;碳排放;全生命周期;低碳 中图分类号:TQ１７2文献标志码:A 文章编号:１6７2 -40１１(20１７)0１ -000１ -03 DOI:１0． 3969/ j． issn． １6７2 -40１１． 20１７． 0１． 00１ Research of Carbon Emission of Cement in Lifecycle YU Haiyong１,YANG Hui１,ZHANG He2,ZENG Jie2 (１． Shanghai Jianke Technical Assessment of Construction Co． ,Ltd,Shanghai 20１１08,China;2． Shanghai Research Institute of Building Schience Group,Shanghai 20１１08,China) Abstract:Type I Portland cement used in Shanghai was taken as example to research the carbon emission of cement in lifecycle in this paper． By investigating and analyzing data,one could find that cement and clinker used in Shanghai mostly come from Jian- gshu Province． The mode of transport and distance were assumed in this article． Then carbon emission of cement used in Shanghai in lifecycle was calculated,where the lifecycle was from raw ma- terial extraction to cement product be transported to users． The results show that,about １t CO2 was emitted in lifecycle per ton type I Portland cement,and 92% carbon emission was generated by mineral decomposition in the raw material calcination stage as well as energy consumption in cement plant,6% carbon emission was emitted by transportation of cement products． Key words:cement;carbon emission;lifecycle;low carbon 0 前 言 自20世纪80年代中期以来,我国水泥产量常年保持世 界第一[１]。据统计,20１5年我国水泥产量为23． 48亿t,占同 期全球水泥产量约5７%。上海地区经过多年建设发展,水泥 用量自2009年达到历史最高峰2 ７50万t之后有所回落[2]。 图１为上海市水泥行业协会披露的上海地区近三年水泥用 量情况,可见目前上海水泥用量总体稳定在2 450万t左右, 上海本地水泥产量呈较明显下降趋势。中国水泥网公开的 资料显示,20１4年上海地区使用的水泥有近７3%来自外地, 有近4１%的水泥来自江苏省,上海本地水泥所占市场份额仅 为2７%(如图2)。出于环保的考虑,近年来上海市逐步关停 了水泥熟料生产企业,据了解,目前仅留有五家左右熟料粉 磨厂通过外购熟料自行粉磨生产水泥。 图１ 近三年上海地区水泥用量情况 图2 20１4年上海水泥市场供应比例 水泥生产过程中既有化石能源燃烧,又有石灰石煅烧工 艺,且我国水泥产量巨大,因此,水泥生产碳排放是我国工业 产业部门的一大碳排放源,仅次于燃煤发电[3]。二氧化碳对 区域乃至全球的环境影响,尤其是所产生的温室效应已引起 世界范围内的关注,各国政府相继投入资源对其加以研究, 并陆续制定了一系列节能减排措施[4 -5]。全生命周期碳排 放技术是一种全面核算产品碳排放的方法,可追溯产品自原 料开采阶段至使用废弃(或产品出厂)全过程产生的二氧化 碳排放,具有全面、准确等特点。本文针对上海地区水泥供 应情况的特点,采用全生命周期碳排放技术对本地区用水泥 的碳排放进行了详细研究,为政府部门制定符合本地区实际 情况的减排措施提供参考,也为下游水泥及建材的碳排放研 究提供基础数据支持。 1 碳排放边界的确定 水泥的生产工艺包括湿法和干法。以主流的干法工艺 为例,其流程主要包括原料开采和破碎、生料粉磨和均化、 熟料煅烧和粉磨等。考虑到水泥并非一种终端消费品,其下 ·１·万方数据 游使用过程十分复杂繁琐,因此,将水泥的全生命周期碳排 放边界设定为从“摇篮”到“使用大门”,即自能源上游的开 采、生产及运输阶段算起,至成品水泥运输至使用企业大门 为止,边界范围如图3所示。 能源开采、 生产及运输→ 原料开采、生 产及运输→ 原料破碎, 配料、均化→ 生料 粉磨→ 水泥 粉磨 运输→ ┈ ┈ ┈ ┈ ┈ ┈┈┈ ┈ ┈水泥使用 及废弃 图3 水泥全生命周期碳排放边界 2 边界内碳排放源识别 一般工业生产中碳排放的来源可分为直接排放和间接 排放。直接排放包括化石燃料燃烧和碳酸盐矿物煅烧分解, 间接排放则是生产消耗的某项能源所带来的排放,如电能、 柴油等。从图3可知,水泥全生命周期碳排放的来源主要包 括五个方面,即能源开采、生产及运输能耗,原料开采、生产 及运输能耗,碳酸盐分解,生产能耗和产品运输能耗。 3 碳排放计算 水泥全生命周期碳排放计算的功能单位为１ t P· I型硅 酸盐水泥。考虑到上海市水泥主要来自江苏,选取文献[6] 中生产工艺配方作为研究对象,其配方如表１所示。 表１典型P· I型硅酸盐水泥生产工艺配方 原材料石灰石砂岩黏土钢渣二水石膏 CaO含量/ % 52． 52 0． 9７ 0． 9７ 43． 9７ / MgO含量/ % 0． 44 0． 44 １． 96 9． 25 / 生料配料比/ % ７７． 69 ７． 94 6． 44 5． 50 / 生产１t水泥所需原料/ kg １ 099 １１2 9１ ７8 50 注:生料烧失量为32．8%。 3． 1 原材料开采、生产及运输阶段产生的碳排放 水泥生产过程中使用的矿物原材料主要包括石灰石、砂 岩、黏土、钢渣和二水石膏。由于钢渣是冶金工业产生的固 体废弃物,因此不考虑其碳排放。表2为文献[７]提供的几 种非金属资源开采的生命周期碳排放。由于原材料开采生 命周期碳排放已包含过程中使用能源的碳排放,因此,不再 单独计算此阶段能源开采、生产及运输能耗产生的碳排放。 据此可得生产１ t P· I型硅酸盐水泥时,在原材料开采和生 产阶段产生的碳排放为2７． 42 kg。 表2几种非金属资源开采的生命周期碳排放kg 原材料石灰石砂岩黏土二水石膏 CO2 １． ７2 ×１0 -2 １． 42 ×１0 -2 2． 9１ ×１0 -4 １． 38 ×１0 -１ 表3 20１2年江苏省交通运输能耗kgce/百吨千米 运输方式单位运输能耗 公路货运７． 33 水陆货运6． 52 假定生产水泥的所有原材料均来自当地,运输路程为30 km,运输方式为柴油车陆运。文献[8]给出了江苏省不同运 输方式的单位能耗,如表3所示。根据国家发改委公布的燃 煤碳排放系数2． 456 ７ kg CO2 / kg及上述运输路程假定,可 得生产１ t P· I型硅酸盐水泥,在原材料运输阶段产生的碳 排放为７． ７3 kg。 因此,生产１ t P· I型硅酸盐水泥,在原材料开采、生产 及运输阶段产生的碳排放为35． １5 kg。 3． 2 生料煅烧过程中矿物分解,产生的碳排放 原材料按照生产配料经过预均化、粉磨和均化的流程 后,进入回转窑煅烧。生料中各种矿物含有的碳酸钙、碳酸 镁成分在回转窑的高温环境下将发生分解,释放大量二氧化 碳。假定表１水泥生产工艺配方中所示各原材料(由于钢渣 是高温冶炼废弃物,故不考虑其贡献)的CaO含量和MgO含 量均来自于矿物原材料中的CaCO3和MgCO3,且煅烧过程中 两种碳酸盐均完全分解,根据物料平衡,可得生产１ t P· I型 硅酸盐水泥时,在生料煅烧过程中由矿物分解产生的碳排放 为462． 8７ kg。 3． 3 工厂生产能耗产生的碳排放 水泥生产过程中的能耗主要包括煤耗和电耗。为了推 动水泥行业节能降耗,指导行业绿色发展,国家和地方相继 出台了水泥限耗标准。由于缺少江苏省水泥生产能耗统计 数据,因而采用江苏省地方标准DB32/１364 - 2009《水泥单 位产品能源消耗限额》中对产量小于2 000 t/ d水泥企业的 能耗(见表4)要求进行保守碳排放计算。 表4现有水泥企业水泥单位产品能耗限额 分类可比熟料综合煤耗/ (kgce· t -１)可比熟料综合电耗 a / (kW· h· t -１) 可比水泥综合电耗b / (kW· h· t -１) 可比熟料综合能耗 / (kgce· t -１) 可比水泥综合能耗 (kgce · t -１) 4 000 t/ d以上 (含4 000 t/ d) ≤ １１8 ≤ 66 ≤ １03 ≤ １26 ≤ １05 2 000 ~4 000 t/ d(含2 000 t/ d) ≤ １23 ≤ ７１ ≤ １06 ≤ １32 ≤ １0７ 5且≤ 20 850． 0 ~１ 009． 4 矿渣硅酸盐水泥 P· S· A 20且≤ 50 53１． 2 ~850． 0 P· S· B 50且≤ ７0 3１8． 8 ~53１． 2 火山灰质硅酸盐水泥P· P 20且≤ 40 63７． 5 ~850． 0 粉煤灰硅酸盐水泥P· F 20且≤ 40 63７． 5 ~850． 0 复合硅酸盐水泥P· C 20且≤ 50 53１． 2 ~850． 0 4 结 论 水泥工业是典型的窑炉工业,碳排放量巨大,是国家节 能减排政策的重点考察行业。本文以上海地区用水泥为研 究对象,通过核算自原材料开采到运输至下游使用企业大门 的生命周期碳排放,得到如下结论:①上海地区用１ t P· I 型硅酸盐,其生命周期将产生１． 062 t CO2,据此结合不同水 泥品;②生料煅烧时的矿物分解和工厂生产能耗产生的碳排 放是水泥生命周期碳排放的主要来源,分别占总碳排放 44%和48%;水泥成品运输产生的碳排放占总排放的6%, 亦不可忽略。 [ID:00366７] 参考文献: [１] 白文琦,杜强,吕晶,等．通用硅酸盐水泥生产的碳足迹研究 [J]．西安工程大学学报,20１3,2７(4):5１ -55． [2] 徐世琳．浅析上海水泥市场发展及趋势[J]．上海建材,20１１, 30(１):39 -40． [3] 赵建安,魏丹青．中国水泥生产碳排放系数测算典型研究[J]． 资源科学,20１3,35(4):１22 -１30． [4] M B Ali,R Saidur,M S Hossain． A review on emission analysis in cement industries [ J]． Renewable and Sustainable Energy Re- views,20１１,１5(5):2252 -226１． [5] MATTHEWS H S,HENDRICKSONC,WEBER C． The importance of carbon footprint estimation boundaries [ J ]． Environmental Science& Technology,2008,42:5839 -5842． [6] 李文,杨凯敏,卢都友,等．钢渣替代铁粉制备硅酸盐水泥熟料 [J]．江苏建材,20１2,32(4):5 -8． [７] 狄向华．资源与材料生命周期分析中若干基础问题的研究 [D]．北京:北京工业大学,2005． [8] 欧阳斌,凤振华,李忠奎,等．交通运输能耗与碳排放测算评价 方法及应用[J]．软科学,20１5,29(１):１39 -１44． ·3·万方数据