水泥生产技术改进的四大目标外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

水泥生产技术改进的四大目标

G.Habert，C.Billard，P.Rossi，C.Chen，N.Roussel

关键词：二氧化碳 水泥生产

摘要：本研究中，对潜在技术改进对水泥行业的影响与政府间气候变化专门委员会提出的全球可持续发展的目标进行了比对。换句话说，在水泥和混凝土行业中，当前的标准技术知识是否能实现“四因素”的设想？该设想目的是，在发达国家到2050年使碳减排从1990的水平达到因素四的水平，第一次减排到因素二的目标在2020年。目前研究表明，通过水泥生产的进步设计出满足“因素二”目标的混凝土具有技术可能性，但要达到因素四的目标需要一个技术的腾飞。该技术的突变不仅需要改变混凝土的原材料和配合比设计方法，而且也需要有新的能利用较少原材料达到相同最终结构的建筑技术。

1.引言

在工业界和欧洲联盟中，建材行业是第三大二氧化碳排放行业。这代表有10%的二氧化碳排放量与混凝土生产有关；大约85%的排放量来自于水泥的生产。一个水泥生产周期的评估显示，95%的二氧化碳排放量来自于生产过程中，只有5%来自于原材料和成品的运输。由于水泥工业的重要性，许多研究已经讨论了它的未来前景，主要集中二氧化碳的减排潜力、改善能源效率的方案以及水泥生产中的预期变化。在本文中，我们将比较全球可持续发展目标潜在技术改进的影响。必须注意的是，研究技术改进，只有那些尚未大规模工业化的，有科学和技术背景的工厂可以接受。“清洁发展机制”和新的粘合剂都将不被考虑。本研究的目的是评估是否了解水泥和混凝土行业当前的技术知识，有可能实现全球可持续发展的目标，如气候变化政府间小组（IPCC）。在长期的二氧化碳减排政策下，这些设想通过在2005年的气候行动计划已被引入法国法律，同时转变为“四因素的概念”，目的是为了到2050年减少发达国家的排放量达到四个设想，以达到全球减少50%（相对于1990水平）。产业是强烈地鼓励尊重这个协议，因为将有一个成本的影响超过限额。这种影响显然对二氧化碳密集型行业更为重要，如水泥工业，拥有高达50%的生产成本。

在本文的第一部分，详细地描述了水泥的生产，为了确定主要的可以被修改以减少二氧化碳排放量的技术参数。这些参数的演变，用来解决过去30年（1975-2005），每吨水泥在二氧化碳减排方面，每个参数单独的作用。最后，全球二氧化碳排放量相较于因素四的目标，超过在历史时期和角度的计算。目前的研究仅限于在法国的背景下，不同数据的一个重要组技术是可用的。但是它可以被注意的主要是这里得到的结果和趋势，一般来说，也适用于西方的欧洲国家。

2.建设系统的描述

温室气体（GHG）排放的影响从混凝土生产来看，可以减少超过水泥生产在建设方面排放的80%。图1示意了水泥生产过程。

在水泥生产中，石灰石是主要原料。这是在1450°C生产熟料，接着混入了添加剂。成品被精细地接地来产生不同种类的水泥。在水泥生产过程中，生产每吨熟料约释放二氧化碳0.92吨。这种排放主要是共享在脱碳石灰石之间（0.53t）和用于加热碳基燃料（0.39t）。一般二氧化碳的排放伴随着每吨水泥磨削加工过程0.1t的二氧化碳排放量，主要与电力生产有关。这些都远远低于脱碳加热的贡献。因此在本文中将被忽视。这种简化在法国无疑是合理的，这里电力生产在核电厂，因此对二氧化碳的排放量影响非常低。因此，这两种主要的方法减少与水泥供应相关联的二氧化碳排放量，对于混凝土生产被认为是减少熟料生产的二氧化碳排放量和减少在水泥中熟料的含量。确定在熟料生产中二氧化碳排放的三个

图1：水泥制造过程简化，二氧化碳排放量的具体利益。箭头的厚度是材料的数量比例。细节详见本文。

主要因素是：使用的燃料的性质，窑炉的热效率和冷却系统，以及使用原材料的性质。水泥行业的二氧化碳排放量可以由式（1）计算。

在这里Fuel_emis代表燃料燃烧释放的二氧化碳，它的单位是t_CO2/MJ；Energy_kiln是与窑技术相关，单位是MJ/t_clinker；Raw-mat_emis指从原材料释放的二氧化碳量，用t_co2/t_clinker表示；Clinker_content表示水泥熟料的比例（t_clinker/t_cement），还有每年的水泥产量（Production_cement/year）用t_cement/year表示。这里介绍水泥系统的描述和Gartner的比较，显示在与原材料使用相关排放量的差异。Gartner使在燃料燃烧所产生的二氧化碳（FD-CO₂)和原料来源的二氧化碳(RM-CO₂)之间产生差异，这相当于Fuel_emis和Energy_kiln参数在FD-CO₂参数方程，以及Raw-mat_emis和Clinker_content在RM-CO₂中。相较于RM-CO₂式（1）考虑材料在燃烧前和燃烧后存在的差异。这种差异在本文中将被讨论，这里的两个主要技术效率的参数群是熟料生产衍生的二氧化碳参数（包括Fuel_emis，Energy_kiln和Raw-mat_emis）和水泥生产来源的二氧化碳参数如Clinker_content。最后，为了预测水泥工业二氧化碳排放量的全球演化，有必要介绍水泥生产。在其他工业部门和国家的具体影响评价研究中，一个经典提高产品需求量之间的平衡技术的改进是使用霍尔德伦/埃利希框架，这就是众所周知的I=PAT方程，这里I代表环境影响，P是人口规模，A是人均富裕程度，T是科技的作用。该模型表明，二氧化碳排放将继续增加，假如效率（减少T）过度提高，通过增加人口规模（P）或人均富裕程度（A）（在最近的一篇的综述里看到的IPAT方程）。在IPAT方程的框架中，t_CO2/t_cement反映水泥技术和水泥生产，反映了AP的结果。在这项研究中仅T参数的变化规律。AP产品进化将被视为一个外生参数。

3.从1975到2005的数据和透视评估

在这一节中，主要讨论各主要参数的历史演变影响水泥行业的二氧化碳排放量的检查，和每一个参数的潜在未来演变的提出。此外，每个参数的极端技术（根据目前的文献）也被提出并合理化。

3.1水泥厂效率（MJ/t_clinker）

水泥厂的效率主要取决于水泥窑的种类。欧洲目前使用四种不同的工艺技术，已经描述了它们的能量效率，列在表一中。节能高效的是长回转窑，燃烧的是湿原材料（5000–6000 MJ / t_clinker），半干过程中，预热器的干法，或预分解窑和最有效的预热器回转窑、分解炉、废热回收系统，燃烧的是干物质（3000 MJ / t_clinker）。Gartner指出，理论上的焓要求是1800 MJ / t_clinker左右。接近这个理论的一种方法

表1不同水泥窑的能源利用

是，最大能量效率地用纯氧气代替空气，以便于减少窑废气和相关的体积热损失。对这种投资的进一步证明可能是这样的，应该产生一种基本上是简单的混合物的废气的二氧化碳和水蒸气，然后可以很容易地液化，然后注入地下含水层的二氧化碳封存。然而，消极的一方面是，有一个非常重要的与生产的纯氧气相关的能量成本，这可能有利于明显提高大多数熟料生产过程的效率。法国窑热效率的历史演变的计算和数据，来源于那里工厂的百分比，使用不同的技术报告，并获取水泥窑的能源效率从（表1）。结果如图2所示。表现出了一个重大的改善在1973到2000年期间。

图2：水泥窑的能量利用从1973到2000年

Gartner指出，欧佩克石油禁运，迫使1973的水泥工业，为减少对石油的依赖，更普遍地提高了整体的能源效率。欧佩克石油禁运造成的冲击，导致西方国家变得更为良性地节约能源和为应对短期经济危机，强迫工业采取新的工艺技术。这些新技术的整体发展有长期的行业效率利益，降低平均燃料能源约10%，在十年中熟料生产的要求，从1973开始，但在过去的二十年（图2）观察到改善率的下降。最近的趋势表明，大投资窑的改造不再是目前的在欧洲水泥工业的政策。这是因为一个新建设的水泥厂的成本相当于该工厂3年活动的收入，给了一个30年到50年的回报期。作为欧洲联盟国家水泥使用的长期趋势不确定，导致这样大的投资不再是优先投资。从这个观点来看，所有水泥厂的改造使用预热器及分解炉干法可以考虑作为一个雄心勃勃的目标，但在这项研究的框架内，可作为一个可获得潜在价值的目标。理论焓要求被认为是极端的解决方案（表2）。这个解决方案即使在一个系统中，使用纯氧气代替空气，也永远无法到达仍有大量的窑废气，因为至少总有一些需要蒸发来自原材料的水。因此，表2中的值是一个极端的值，它是不可能实现的，这将有可能大大低于2500 MJ / t_clinker，即使生产氧气所需的能量被忽略（这是不应该的）。

3.2利用废弃物作为替代燃料（g_CO2/ MJ）

加热原料（主要是石灰石）最多至1450°C，需要燃料燃烧诱导二氧化碳的释放。为了降低生产成本和更低的二氧化碳排放量，替代燃料的使用。然而，大多数替代燃料经由IPCC是不被认为是碳中性的。水泥厂使用不同燃料的二氧化碳排放量见表3。碳中性燃料是欧洲委员会定义的，基本上是生物量，其中包括农业和森林生物量，生物降解城市垃圾，动物粪便，造纸废物（表3）。事实上，某些作者认为，燃烧这些碳中性废物可以被认为是一种温室气体排放，因为它们会腐烂，形成甲烷，这是更多的比二氧化碳更强大的温室气体。来自化石的垃圾材料如溶剂、塑料燃料，使用的轮胎是不被视为“碳中性”的。然而，转移废燃料从焚烧厂到水泥窑的结果，在一个显著的二氧化碳减排网中更需重点注意，因为

表2：水泥生产效率的中长期视角。为研究不同的参数，潜在的可访问的值和极端值的报告。细节见本文。

表3：水泥燃料的能源效率

水泥窑是更有效的。另一个优点是没有残留物产生，因为灰烬是完全包含在熟料中的。最后，化石燃料可以或多或少同能源生产的二氧化碳密集型相似。生产的相同能源，天然气比煤炭释放更少的二氧化碳（表3）。在过去的30年中，降低能源成本的持续压力，在大多数国家已经导致水泥行业比石油和石油产品使用更多的煤炭，使用时，选择廉价的副产品如石油焦。为了评估潜力和极端的变化这个参数，从法国水泥协会报告中使用燃料的组成来看。替代燃料中碳中性燃料的百分比被假定为常数，等于40%，这是目前欧洲的数值。结果显示在图3中。

在2001年（34%）替代量峰值后，燃料替代量下降，达到稳定值（28%）。在2001年这种增长可能是由于牛海绵状脑病危机（疯狂的牛病）的产生，作为水泥行业已经大规模地投入，基本上已经安全销毁所有受污染的肉类和骨头。燃料效率的潜在价值为，假设为65克CO₂/ MJ（表2）。极端的燃料效率在本文中定义为，一个荷兰水泥厂使用低碳化石燃料和70%的替代燃料。这将导致54gCO₂/ MJ（表2）的二氧化碳排放。

3.3替代石灰石在窑中的替代原材料（t_CO2/ t_clinker）

标准原材料脱碳（主要是石灰石）约有0.53t_CO2/ t_clinker排放的产生。石灰石可以用较低的碳含量材料代替，类似于钙含量；然而，这样的材料不丰富，主要包括渣类（如高炉渣矿渣（BFS）和钢渣），和水泥的废弃物。很少有数据关于水泥窑替代原材料的现状；10%更换为一些“最佳实践”的水泥厂。从那时起，没有理由假设已经在过去或已经发生了很大变化的替代物。作为在BFS 中CaO含量为40%，最大程度地替代石灰石介于20%和30%之间。这个替换的可能性也是有限的，在2005年，有效的可用性产品的全球生产约一亿五千万吨，相较于二十五亿吨的熟料生产。此外，应该指出的是，渣类也可作为胶凝材料，将减少甚至更多的有效可用性的添加剂，这些产品中，作为替代原料在窑饲料中的使用。因此，可以假设，目前的更替水平接近于零，一个潜在的改善可能导致10%的更换，极端的更换可以固定在25%（表2）。

3.4工业副产品作为水泥的成分（t_clinker / t_cement）

此外，熟料本身可以部分取代工业副产物如粉煤灰或粒状高炉矿渣。此外，石灰石和天然火山灰也可以使用。这些水泥和它们的成分在欧洲标准中是标准化的，而且是常用的。

图4介绍了矿物添加在水泥中的演化过程从1973至2007年。这表明，在过去30年中，这个比例一直保持在大约20%左右，但它的性质已经改变了，矿渣在缩减，同时石灰石添加量在增加。这可以参考下降的钢铁行业，开始在上世纪70年代末的法国，因为有标准的变化，允许更高的石灰石添加量。需要注意的是，这样的替换不完全是在水泥生产过程中，也可以在混凝土生产过程中。在EN 206-1中，混凝土生产商允许混合CEM（由专

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[150063]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word