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水泥生产的能源环境分析与生命周期评价

SRTP课外研学论文

水泥生产的能源环境分析与生命周期评价LCA

摘要：

中国的水泥工业发展迅速，产量居世界前列，新型干法水泥生产的装备及生产工艺水平不断提高，但同时水泥工业也是高污染行业，其资源消耗与生态破坏非常突出。

本文基于生命周期理论，对水泥生产流程进行能源环境分析，本课题的研究对于水泥行业的技术改进、产业结构优化、污染防治将产生积极意义。

关键词：

水泥；能源消耗；环境排放；生命周期评价

EnergyandEnvironmentalAnalysisandLifeCycleAssessmentofCementproduction

CHOUWenzhang，ZHUHonglei，LIJiaqi

Abstract：

Ourcountry’scementindustryhasdevelopedrapidlyrecently,withthehighestproductionintheworld.WhiletheequipmentandtechnologyofNSPcementproductionimprovealot,cementindustryistrulyahigh-pollutingindustry,foritconsumingalargeamountofresourcesanddoingalotharmtoourenvironment.Thisarticleanalysistheenergyconsumptionandenvironmentalinfluenceofcementproduction,basedontheoryofLCA.Thisarticlewillhavepositiveeffectsontechnologicalimprovement,structureoptimizationandpollutionpreventionofcementindustry.

Keywords:

Cement;Energyconsumption;Environmentalemission;LCA

目录

第一章绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2水泥工业生产概况1

1.3研究思路与方法2

1.3.1研究思路2

1.3.2LCA方法介绍2

第二章水泥生产主要环节能源消耗4

2.1联合粉磨系统介绍4

2.2其他主要设备4

2.3主要设备电力消耗计算…………….....................................................................................................................4

第三章水泥生命周期评价LCA6

3.1水泥生命周期6

3.2本文所采用的水泥生产的生命周期模型6

3.3生命周期评价LCIA特征化指标结果……………………………………………………………………………………………………….7

3.4水泥生产各环节的环境排放汇总…………………………………………………………………………………………………………….9

3.5结果分析…………………………………………………………………………………………………………………………………………………18

第四章水泥工业的污染防治技术……………………………………………………………………………………………………………….23

4.1源头控制23

4.1.1矿山开采23

4.1.2原辅材料及燃料的使用23

4.1.3生产工艺过程…………………………………………………………………………………………………………………………………..23

4.1.4节能与余热回用………………………………………………………………………………………………………………………………23

4.2大气污染物排放控制23

4.2.1颗粒物排放控制23

4.2.2SO2排放控制24

4.2.3NOx排放控制……………………………………………………………………………………………………………………………………24

4.3新技术与新材料24

第五章结语与不足25

5.1结语25

5.2不足25

参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….25

第一章绪论

1.1研究背景与意义

随着环境资源恶化程度的加深，环境破坏对人类生存和发展的威胁越大。

因此，人们对环境的利用和环境的保护越来越重视。

绿色环保、低碳经济在2009年12月的哥本哈根环境大会上被大力倡导，“低能耗、低污染、低排放”的理念被越来越多的国家和地区认可并执行。

近年来，我国水泥产业随着国家基础建设规模的扩大而迅猛发展，但水泥行业同时也是重点污染行业，其颗粒物排放占全国颗粒物排放量的20－30％，SO2排放占全国SO2排放量的5－6％，NOx排放占全国NOx排放量的12－15％，所造成的资源消耗和生态破坏十分严重。

在当今绿色环保、可持续发展的时代主题下，水泥工业的节能减耗、污染控制成为该行业发展的必然趋势。

水泥工业的污染物主要是在水泥的生产环节产生，本文通过对水泥生命周期的研究，定量分析水泥生产主要环节的能源消耗与环境排放，建立水泥生产的生命周期报告，为水泥工业的技术革新、节能减排提供理论依据，对水泥生产企业提高可持续发展竞争力具有积极意义。

1.2水泥工业生产概况

我国是水泥生产与消费大国，2011年我国水泥产量达到20.9亿吨，占世界水泥产量的一半以上，其中新型干法水泥比例接近90%，结构调整取得突破性进展。

现有规模以上水泥生产企业约4000家，新型干法水泥生产线1500多条。

水泥生产的核心工艺是“两磨一烧”，即以石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料，按一定比例配合，磨细成适当成分的生料，煅烧至部分熔融（1450℃），得到以硅酸钙为主要成分的熟料，经冷却后加入适量的石膏或其他混合材料，磨成细粉即制得水泥。

（如图一所示）

水泥熟料生产主要有两种方式：

一种是以回转窑为主要生产设备，包括新型干法窑、预热器窑、余热发电窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑；另一种则是以立式窑为主要生产设备，包括普通立窑和机械化立窑。

不同的水泥生产工艺与设备在规模效益、能源消耗、资源利用、污染排放等方面存在较大的差别。

其中新型干法窑是一种先进的生产工艺，具有高产低耗、规模效益好的特点，同时污染物排放量也大为减少，是技术发展的方向。

国外自上世纪七十年代发展新型干法窑外预分解技术以来，到九十年代已成为国际主流技术，在日本、德国、意大利等工业发达国家占水泥生产总量的95％以上，其他发达国家也多在80％左右。

而我国同期（2000年）的立窑水泥则占绝对主导地位，占水泥总产量的75％以上，新型干法水泥比例不足10%。

我国从1999年开始，以淘汰立窑“小水泥”为突破口，开始了水泥工业结构调整。

至今已累计淘汰落后水泥生产能力4亿多吨。

淘汰“小水泥”为技术装备先进、生产效率高、环境友好的新型干法水泥腾出了发展空间，优化了产业结构。

在淘汰立窑“小水泥”以及其他落后水泥生产工艺（机立窑、干法中空窑、立波尔窑、湿法回转窑等）的同时，我国也于1970年开始新型干法窑外预分解窑的研究，与德国、日本起步时期相同，历经工业实验、产业化推广，直到2000年以后才进入发展的快车道。

从2000年占水泥产量的10%（0.6亿吨），到2010年占水泥产量的85%（16亿吨），产量年增长率接近40%。

1.3研究思路与方法

1.3.1研究思路

本文的研究思路：

水泥生命周期建模

清单数据选择与基准流设定

主要环节的能源消耗计算

建立LCIA生命周期报告

各环节对比分析

1.3.2LCA方法简介

LCA，LifeCycleAssessment，简称生命周期评价。

LCA生命周期评价采用e-BALANCE软件，对于选定的项目，进行生命周期建模，通过实景过程清单数据收集，从数据库中进行背景过程清单数据选择，设定计算基准流和计算条件，最后得到LCIA（生命周期报告）结果和ECER（节能减排）评价。

国际上常用的此对制造业进行产品生命周期评价（LCA），为厂商对提供其产品的原材料、能源、生产制造流程乃至整个生命周期作出能效、环境影响、改进潜力的分析评估，帮助企业从成本、技术和环保（如：

温室气体二氧化碳的排放，废水，废弃物的排放等）方面进行决策优化，为企业制定符合未来发展要求的战略。

水泥生产过程生命周期分析步骤如下图所示：

图二.水泥生产生命周期分析步骤

第二章水泥生产主要环节能源消耗

2.1联合粉磨系统介绍

本次计算采用的粉磨系统为Φ3.8*13m闭流管磨工艺，即辊压机+选粉机+闭路管磨机。

设备：

辊压机、V型选粉机、V型选粉机循环风机、球磨机、磨头提升机、磨尾提升机、磨机选粉机、磨机选粉机循环风机、V型选粉机机后收尘风机、磨尾收尘风机。

各设备的规格如下：

表1

设备

型号

电机功率/kw

性能参数

球磨机

Φ3.8*13m

2500

转速16r/min

辊压机

CLF-14065-D-SD

500*2

通过能力245~334t/h

V型选粉机

VX5815

通过能力410t/h

V型选粉机循环风机

G4-73-18D

220

风量144000

全压4350Pa

磨头提升机

NSE600

110

最大提升量600

后续除尘

磨尾提升机

NSE300

55

最大提升量300

磨机选粉机

K200-C

110

通过能力85~110t/h

磨机选粉机循环风机

G4-7314.2D

280

风量161647

全压4226Pa

V型选粉机机后收尘风机

G4-73-11D

75

风量54000

全压3000Pa

磨尾收尘风机

G5-4812.5C

75

风量44000

全压4450Pa

水泥粉磨系统中两台Φ3.8*13m磨机的单机稳定产量可达120~140t/h，

2.2其他主要设备

其他设备：

带分解炉的五级旋风预热器RF5/1800（RSP）5级整机重量：

56（t）

总功率：

100（w）KW

篦式冷却机：

规格809S-1033S，生产能力2500t/D，料层厚度600mm，出料温度65度，电机动率为20+30kw

回转窑：

规格型号Φ4.2*60，斜度3.5%，产量110t/h，主减速机型号ZSY710-35.5，速比35.5，主电动机型号ZSN4-355-12，功率355kw，重量576.1t，转速1000r/min

2.3主要设备电力消耗计算

以每小时生产120*2t水泥为例：

粉磨系统耗电为

Pcmm=（辊压机电耗+球磨机+辊压机选粉机能耗+辊压机V型选粉机循环风机能耗+磨头提升机能耗+磨尾提升机能耗+磨机选粉机能耗+磨机选粉机循环风机能耗+磨尾收尘风机能耗+V型选粉机机后收尘风机能耗）／水泥产量

=（2500+500+220+110+75+55+75+110+280）／120

=32.7083kwh/t

旋风预热器为1800t/D，即75t/h，生产240t熟料时电耗为120/75*100=320kw

篦式冷却机为105t/h，生产240熟料的电耗为240/105*50=114.2857kw

回转窑为110t/h，生产240t熟料的电耗为240/110*355=774.5455kw

取工厂其他设备电耗为40kw

综上可得，考虑生产水泥的辅助过程用电（包括厂内线路损失以及车间办公室、仓库的照明等消耗），生产一吨水泥的综合电耗为

32.7083*2+（240/75*100+240/105*50+240/110*355）/240+40=110.5974kwh/t>105kwh/t

粉磨系统的单位水泥耗电较多，超过了已建水泥厂的可比水泥综合标电耗。

第三章水泥生命周期评价LCA

3.1水泥生命周期

典型的硅酸盐水泥生命周期如下图：

图三.硅酸盐水泥生命周期

3.2本文所采用的水泥生产的生命周期模型

本次研究主要集中于水泥生产的各个主要环节的环境分析，采用的生产流程和生命周期模型如下图：

图四.本文采用的水泥生产的生命周期模型

3.3生命周期评价LCIA特征化指标结果

通过e-BALANCE软件进行LCIA结果计算，所得基于特征化指标的排放加权综合指标如以下各图所示：

图五.石灰石开采加权综合指标

图六.粘土开采加权综合指标

图七.重型柴油货车（46t）运输加权综合指标

图八.煤炭开采加权综合指标

图九.粉磨加权综合指标

图十.高温煅烧加权综合指标

图十一.石膏矿开采加权综合指标

图十二.普通硅酸盐水泥加权综合指标

3.4水泥生产各环节的环境排放汇总

基于CN-2010归一化方案的各主要生产环节的LCIA计算结果汇总表格如下：

表二.石灰石开采

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

1.51276478670019E-08

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

0.000112480699629752

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

0.0152516774753254

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

.027*********

PED

一次能源消耗

kgce

0.0024164961812658

CO2

二氧化碳

kg

0.00482390486002797

COD

化学需氧量

kg

4.20347799041398E-06

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0.0000186299890029893

GWP

全球变暖潜值

IPCC2007

KgCO2eq

0.00548382330698481

IWU

工业用水量

kg

0.0161492516645233

NH3-N

氨氮

kg

1.15784779133867E-07

N

氮氧化物

kg

0.000105602353974671

RI

可吸入颗粒物

IMPACT2002+

kgPM2.5eq

0.0000298565619820634

SO2

二氧化硫

kg

0.0000148619193842629

WasteSolids

固体废弃物

kg

0.169922346322016

WaterUse

淡水消耗量

kg

0.0173065968164992

加权综合指标

ECER-125

kg

2.63226658462277E-14

表三.粘土开采

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

0

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

0

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

0

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

0

PED

一次能源消耗

kgce

0

CO2

二氧化碳

kg

0.6532

COD

化学需氧量

kg

0

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0

GWP

全球变暖潜值

IPCC2007

KgCO2eq

0.6532

IWU

工业用水量

kg

0

NH3-N

氨氮

kg

0

N

氮氧化物

kg

0

RI

可吸入颗粒物

IMPACT2002+

kgPM2.5eq

11.41551

SO2

二氧化硫

kg

0

WasteSolids

固体废弃物

kg

32.1728300600029

WaterUse

淡水消耗量

kg

0

加权综合指标

ECER-125

kg

4.62722896586775E-13

表四.重型柴油货车（46t）运输

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

2.21573507709257E-07

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

0.00118023345852997

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

0.384025670692248

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

0.424895543233866

PED

一次能源消耗

kgce

.021*********

CO2

二氧化碳

kg

0.0525998916440713

COD

化学需氧量

kg

0.000103270902259344

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0.000211821547255623

GWP

全球变暖潜值

IPCC2007

KgCO2eq

.0595********

IWU

工业用水量

kg

.0456********

NH3-N

氨氮

kg

2.48074658751212E-06

N

氮氧化物

kg

0.00159215042953883

RI

可吸入颗粒物

IMPACT2002+

kgPM2.5eq

0.00022294177284078

SO2

二氧化硫

kg

0.0000649753523489571

WasteSolids

固体废弃物

kg

0.000353680067012046

WaterUse

淡水消耗量

kg

.0835********

加权综合指标

ECER-125

kg

3.37104215074437E-13

表五.煤炭开采

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

0.000969427939233095

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

0.308203904945729

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

1197.59286764208

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

1202.55985593268

PED

一次能源消耗

kgce

853.720240761924

CO2

二氧化碳

kg

35.8727972352763

COD

化学需氧量

kg

0.0503797425890422

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0.0086092808911309

GWP

全球变暖潜值

IPCC2007

KgCO2eq

164.198********4

IWU

工业用水量

kg

376.557384538183

NH3-N

氨氮

kg

0.0000367792795138552

N

氮氧化物

kg

.0561********

RI

可吸入颗粒物

IMPACT2002+

kgPM2.5eq

0.0484936120816277

SO2

二氧化硫

kg

0.262409440031355

WasteSolids

固体废弃物

kg

97.8442106954867

WaterUse

淡水消耗量

kg

376.805960449913

加权综合指标

ECER-125

kg

1.89569599170977E-09

表六.粉磨

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

0.000145681

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

0.047749386

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

180.0688634

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

180.8904445

PED

一次能源消耗

kgce

128.0871416

CO2

二氧化碳

kg

6.120835431

COD

化学需氧量

kg

0.007672885

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0.00155929

GWP

全球变暖潜值

IPCC2007

KgCO2eq

25.37863769

IWU

工业用水量

kg

56.57788032

NH3-N

氨氮

kg

8.35E-06

N

氮氧化物

kg

0.010336592

RI

可吸入颗粒物

IMPACT2002+

kgPM2.5eq

41.75299215

SO2

二氧化硫

kg

0.039471126

WasteSolids

固体废弃物

kg

48.32646651

WaterUse

淡水消耗量

kg

56.65651378

加权综合指标

ECER-125

kg

2.85E-10

表七.高温煅烧

简称

中文名称

方法名称

单位

特征化指标总量

ADP

非生物资源消耗潜值

CM2002

kgantimonyeq.

0.000187929

AP

酸化潜值

CM2002

KgSO2eq.

8.782712708

CADP（fossilfuel）

中国化学能源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

232.2888337

CADP

中国资源消耗潜值

ISCP2010

KgCoal-Req.

233.3486734

PED

一次能源消耗

kgce

165.2324127

CO2

二氧化碳

kg

8.165377705

COD

化学需氧量

kg

0.009898021

EP

富营养化潜值

CML2002

KgP043-eq

0.506316196

GWP

全球变暖潜值

IP