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來(lái)源: 潔普智能環(huán)保 發(fā)表時(shí)間:2023-11-27
水泥工業(yè)過(guò)程中釋放的二氧化碳主要來(lái)自熟料生產(chǎn)過(guò)程,一方面產(chǎn)生于碳酸鈣高溫分解生成的CO2,另一方面在超高溫加熱的過(guò)程中,化石燃料燃燒排放的CO2。目前煤炭依舊是現(xiàn)階段石灰石煅燒使用的主要燃料源,為超過(guò)95%的水泥生產(chǎn)供熱。
燃料替代的發(fā)展進(jìn)程
燃料替代技術(shù)目前是水泥行業(yè)發(fā)展較為成熟的減碳技術(shù)。從世界范圍來(lái)看,歐洲處于領(lǐng)先地位,替代燃料替代率高達(dá)約39%,接下來(lái)是巴西和北美地區(qū),大約5%左右,而我國(guó)水泥行業(yè)燃料替代率不足2%,位于末位。[1]
目前我國(guó)水泥行業(yè)燃料替代技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后,仍處于使用水泥窯爐協(xié)同處置技術(shù)的階段。多數(shù)水泥企業(yè)建設(shè)的水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的“替代燃料”由于廢棄物的預(yù)處理處置質(zhì)量不高,導(dǎo)致生產(chǎn)的“替代燃料”熱值波動(dòng)大,對(duì)水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行造成較大影響,并未達(dá)到國(guó)際上認(rèn)可的替代燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。[2]
各替代燃料的介紹
替代燃料(AF)是指能替代傳統(tǒng)化石燃料的總稱(chēng),分為生物質(zhì)替代燃料和非生物質(zhì)替代燃料,一般由可燃的廢棄物制備而成。水泥工業(yè)可利用的替代燃料達(dá)上百種,如廢舊輪胎、RDF、秸稈、廢油、焦油、垃圾沼氣等。[3]
本文將對(duì)生物質(zhì)燃料、輪胎衍生燃料(TDF)、廢棄物衍生物(RDF)及新型能源氫能、電力及太陽(yáng)能作主要介紹。
能作為水泥替代燃料的固體廢棄物燃料分類(lèi)復(fù)雜,種類(lèi)繁多,除部分生物質(zhì)燃料外,主要包括輪胎衍生燃料(TDF)、廢電解池(SPL)、干市政污泥(DSS)、固體回收燃料(SRF)、城市固體廢棄物(MSM)、垃圾衍生燃料(RDF)、次煤和塑料廢棄物等,其中以城市固體廢棄物來(lái)源最廣,加工為RDF后能使燃料品質(zhì)更穩(wěn)定。[4]
在水泥工業(yè)應(yīng)用可燃廢棄物工程技術(shù)方面,發(fā)達(dá)國(guó)家早已步入應(yīng)用“替代燃料”的高級(jí)階段,而我國(guó)還處在水泥窯爐協(xié)同處置的初級(jí)階段,多數(shù)水泥企業(yè)建設(shè)的水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的“替代燃料”并未達(dá)到國(guó)際上認(rèn)可的替代燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家發(fā)改委于2019年公布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019本)》,首次將“水泥窯協(xié)同處置”和“替代燃料技術(shù)”分開(kāi),作為兩項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容提出,表明我國(guó)對(duì)水泥窯爐協(xié)同處置可燃廢棄物工藝技術(shù)和替代燃料應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)知水平已有了很大的提升和轉(zhuǎn)化,對(duì)其發(fā)展均已提出了重點(diǎn)要求。盡管目前我國(guó)水泥行業(yè)的可燃廢棄物仍處于于一家一戶(hù)、自制自用、效率極低的階段,相信未來(lái)隨著對(duì)替代燃料認(rèn)識(shí)及配套鏈條的完善,我國(guó)水泥行業(yè)也會(huì)步入替代燃料的高級(jí)階段。
1. 生物質(zhì)燃料
生物質(zhì)是指所有植物、微生物、部分動(dòng)物等及其廢棄物的總稱(chēng)。生物質(zhì)燃料泛指由生物質(zhì)萃取的固體、液體或氣體燃料。水泥工業(yè)常用的生物質(zhì)替代燃料主要有:秸稈、稻殼、廢木材、農(nóng)林廢棄物等。不同于石油、煤炭等傳統(tǒng)燃料,這新興的生質(zhì)燃料是種可再生燃料,相較于其他燃料也較不容易造成環(huán)境污染。[3]
生物質(zhì)燃料具備碳中性、可再生性、環(huán)境友好性(碳含量低、不含硫、重金屬等元素)的特點(diǎn),成為未來(lái)各國(guó)水泥公司發(fā)展的重要方向之一。
我國(guó)生物質(zhì)資源豐富,每年約可產(chǎn)生秸稈約8.29億噸,其中約6.94億噸可收集;產(chǎn)生的林業(yè)殘余物中有960.4萬(wàn)噸未來(lái)可用于能源;未來(lái)與CCUS結(jié)合時(shí)可成為負(fù)碳技術(shù)。總之,我國(guó)的生物質(zhì)燃料碳潛力巨大,但由于生物質(zhì)燃料存在熱值波動(dòng)性大、回收難度大、燃燒穩(wěn)定性差等特點(diǎn),目前生物質(zhì)替代燃料在我國(guó)的水泥行業(yè)還未得到大規(guī)模應(yīng)用。[4]
國(guó)外生物質(zhì)燃料替代進(jìn)程起步較早,Holcim、Cemex、Heildelberg的生物質(zhì)燃料(動(dòng)物骨粉、農(nóng)作物、木屑和其他農(nóng)作物)在替代燃料中的占比超過(guò)了15%。2021年,Heidelberg Cement替代燃料在燃料結(jié)構(gòu)中的比例為26.4%。其中,所使用的基于廢物的生物質(zhì)占替代燃料組合的42%左右。(2017年之前Holcim集團(tuán)和Lafarge集團(tuán)還未合并。)
表1. 世界先進(jìn)水泥企業(yè)替代燃燒種類(lèi)及占比
來(lái)源:IFC, Increasing the Use of Alternative Fuels at Cement Plants: International Best Practice(2017)
海螺水泥(股票代碼:600585,00914):海螺水泥是使用生物質(zhì)燃料的領(lǐng)先者——2018年,海螺水泥在柬埔寨馬德望地區(qū)結(jié)合當(dāng)?shù)厮疽?guī)模種植的優(yōu)勢(shì),建成了第一條生物質(zhì)燃料系統(tǒng);2020年10月,在樅陽(yáng)海螺熟料生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)中國(guó)首套生物質(zhì)替代燃料系統(tǒng)順利建成投產(chǎn),同時(shí)解決了農(nóng)業(yè)秸稈處理難、易引發(fā)環(huán)境污染等問(wèn)題,該項(xiàng)目是中國(guó)水泥行業(yè)首套生物質(zhì)替代燃料系統(tǒng),每年可減少二氧化碳排放近20萬(wàn)噸。
圖1. 樅陽(yáng)海螺秸稈輸送
亞洲水泥(中國(guó))(股票代碼:00743):使用生物質(zhì)衍生燃料,減少用煤。
Heidelberg Cement:解決工廠(chǎng)附近的市政當(dāng)局和工業(yè)公司所面臨的與廢物處理有關(guān)的問(wèn)題。在2021年所使用的基于廢物的生物質(zhì)占替代燃料組合的42%左右。2021年,替代燃料在燃料結(jié)構(gòu)中的比例為26.4%。到2030年,集團(tuán)計(jì)劃將這一數(shù)字提高到45%。
UltraTech Cement:與印度生物質(zhì)供應(yīng)商達(dá)成協(xié)議,用生物質(zhì)替代燃煤,將建立一個(gè)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)廢棄物供應(yīng)鏈,用于UltraTech的窯爐生物質(zhì)能。這種以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的燃料模型將有助于安全處理目前在開(kāi)闊地燃燒的農(nóng)業(yè)殘留物,從而有助于減少范圍1和范圍2的排放。泥窯中增加農(nóng)業(yè)殘?jiān)氖褂靡矊⒃黾愚r(nóng)民的收入,同時(shí)減少?lài)?guó)家對(duì)煤炭進(jìn)口的依賴(lài)。
2. 垃圾衍生燃料RDF
RDF全稱(chēng)為 Refuse Derived Fuel,即垃圾衍生燃料,是從生活垃圾中分揀出廢塑料、廢紙、廢木料、紡織品等,經(jīng)過(guò)破碎、干燥、成形,制成的無(wú)害固體燃料。(美國(guó)SSI破碎系統(tǒng)工程公司對(duì)RDF的說(shuō)明)RDF發(fā)熱量為14595~20016 kJ/kg,大大高于煤(約10870kJ/kg),而我國(guó)一般城市生活垃圾的平均發(fā)熱量在4000kJ/kg左右。[5]成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司技術(shù)中心高敏先生在《水泥窯協(xié)同處置城鄉(xiāng)生活垃圾工藝技術(shù)》一文中寫(xiě)道:“(1)城鄉(xiāng)生活垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)處理后被分選為三部分:初級(jí)RDF、腐植物渣土、無(wú)機(jī)重質(zhì)物……;(2)風(fēng)選所得到的有機(jī)可燃物經(jīng)過(guò)進(jìn)一步多級(jí)破碎處理,將有機(jī)可燃物制成初級(jí)RDF,在制備過(guò)程中未加入任何添加劑(石灰粉、煤粉等),未經(jīng)過(guò)烘干、成型等傳統(tǒng)必要工藝,簡(jiǎn)化了處置方法。”
美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)依據(jù)垃圾加工的程度、性質(zhì)等將RDF分為7類(lèi)。[6]國(guó)外RDF起步早,目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟,美國(guó)建有RDF發(fā)電站 30多處,日本多家公司已將RDF制造產(chǎn)品化。在我國(guó),仍處于起步階段,RDF落地項(xiàng)目較少,近年來(lái)成都建材院、華新水泥等設(shè)計(jì)投運(yùn)了多個(gè)生活垃圾制備RDF及水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目。
目前我國(guó)水泥行業(yè)替代燃料方面處于低級(jí)發(fā)展階段,對(duì)于“垃圾衍生燃料RDF”和“可燃廢棄物”概念混淆。有些人將中材國(guó)際溧陽(yáng)、華新豪瑞武穴、金隅芬蘭邯鄲等利用水泥窯爐協(xié)同處置原生態(tài)城鎮(zhèn)生活垃圾的技術(shù)模式,通過(guò)預(yù)處理獲得投入分解爐的輕質(zhì)可燃物都誤稱(chēng)為 “RDF”。(水泥窯協(xié)同處置技術(shù),是根據(jù)所處置危險(xiǎn)廢物的物理形態(tài)、包裝方式、化學(xué)特性等制定針對(duì)性的處置方案,分別從生料磨、分解爐及窯門(mén)罩等位置進(jìn)行投加,在進(jìn)行熟料或水泥生產(chǎn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)廢物的無(wú)害化處置過(guò)程。)在國(guó)內(nèi)外8家水泥頭部公司的燃料替代行動(dòng)中,都有利用水泥窯協(xié)同處置技術(shù)進(jìn)行燃料替代和固廢處理的行動(dòng)。江旭昌(2021)搜集梳理了我國(guó)現(xiàn)有十二個(gè)單位研發(fā)出十種不同規(guī)模的水泥窯爐協(xié)同處置城鎮(zhèn)生活垃圾的技術(shù)模式,表明到目前為止還沒(méi)有一種是應(yīng)用真正意義上符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的“RDF”。
由于RDF由生活垃圾制備而來(lái),我國(guó)現(xiàn)行的垃圾分類(lèi)政策并未普及,只是在個(gè)別城市開(kāi)始推行。因此,國(guó)內(nèi)所制備的RDF水分高,熱值低,距國(guó)際主流的RDF-5有明顯差距。
2020 年,我國(guó)生活垃圾產(chǎn)生量約為3.1 億噸,按照一噸生活垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的垃圾衍生可燃物熱值300千克標(biāo)煤計(jì)算,我國(guó)生活垃圾燃燒后可替代0.9 億噸標(biāo)煤,RDF發(fā)展?jié)摿Υ?,未?lái)RDF產(chǎn)業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)有待建立,特別是垃圾預(yù)處理產(chǎn)業(yè)。
海螺水泥(股票代碼:600585,00914)通過(guò)階梯爐、熱盤(pán)爐等技術(shù)的集成與應(yīng)用,將協(xié)同處置和CKK項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)改造,直接RDF燃料入窯,進(jìn)一步提高熱值利用率。計(jì)劃到2025年,RDF替代化石燃料的比例約10%。
Holcim和Heidelberg Cement具有相對(duì)更完善的固體廢棄物處理、替代燃料生產(chǎn)體系和經(jīng)營(yíng)管理體系。Holcim正在努力用來(lái)自當(dāng)?shù)氐?、可替代的和從廢物中提取的非采掘燃料取代傳統(tǒng)的化石燃料,并開(kāi)始采用近紅外光譜技術(shù),可用于分析進(jìn)料過(guò)程中的替代燃料性質(zhì),并使用最佳燃料組合實(shí)時(shí)補(bǔ)償質(zhì)量變化。這種解決方案增加了替代燃料的使用,從而減少了二氧化碳的排放。我國(guó)應(yīng)借鑒其相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn),完善替代燃料的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系和替代燃料質(zhì)量控制管理標(biāo)準(zhǔn)體系。
UltraTech Cement: 利用城市固體廢物同時(shí)增加工業(yè)廢物的聯(lián)合處理,以減少運(yùn)往堆填區(qū)或焚燒的廢物量。將城市固體廢物(MSW)用作水泥廠(chǎng)燃料,垃圾衍生燃料(RDF)在印度越來(lái)越受歡迎,RDF有潛力取代其水泥制造業(yè)15-20%的主要化石燃料。
此外,在2022年初,Cemex宣布收購(gòu)Broquers Ambiental公司,這是一家專(zhuān)注于分離、回收和處理墨西哥克雷塔羅市產(chǎn)生的城市固體廢物的可持續(xù)發(fā)展公司。此次收購(gòu)是Cemex未來(lái)行動(dòng)計(jì)劃的一部分,該計(jì)劃的目的是實(shí)現(xiàn)碳中和;Cemex在可再生柴油的使用方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位,這種先進(jìn)的第二代生物燃料與其目前的車(chē)隊(duì)完全兼容,在100%比例使用時(shí),可以減少60%至80%的運(yùn)輸碳足跡。
3. 輪胎衍生燃料TRF
廢舊燃料具有熱值高、含水量低的優(yōu)勢(shì),因此也最早成為水泥行業(yè)的替代燃料,上世紀(jì)50年代,最早應(yīng)用于德國(guó),目前在國(guó)外已較為普及,美國(guó)約有40%以上的水泥廠(chǎng)都在焚燒廢舊輪胎,日本廢舊輪胎用作水泥窯替代燃料的約占10%,而波蘭、烏克蘭等東歐國(guó)家將廢舊輪胎作為回轉(zhuǎn)窯的主要能源(燃料替代率達(dá)60% 以上)。[7]Holcim水泥、Cemex水泥、Heildelberg水泥、Lafarge水泥輪胎衍生燃料在替代燃料中的占比分別為10%、16%、11.6%和19.7%。而我國(guó)廢舊輪胎則以生產(chǎn)再生膠為主,綜合回收率約為50%,應(yīng)用于水泥窯的比重較少。
廢舊輪胎的熱值高,改造成本較低,流程簡(jiǎn)單,且其燃燒所排放的氮氧化物及灰分中的重金屬都比煤炭要少,(《中國(guó)水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》中也已明確指出,廢輪胎中20% 化石碳仍計(jì)入碳排放,80%的生物碳不計(jì)入碳排放。)是我國(guó)水泥工業(yè)未來(lái)應(yīng)著力發(fā)展的替代燃料之一。
4. 氫燃料
水泥生產(chǎn)中的氫燃料替代是指在熟料煅燒過(guò)程中,用清潔能源氫來(lái)代替化石燃料加熱,將氫氣注入窯內(nèi)。
圖2.
Heidelberg Cement:2021年,Heidelberg Cement子公司Hanson UK英國(guó)里布爾斯代爾工廠(chǎng)的一座水泥窯成功實(shí)心全球首次以零燃料混合方式運(yùn)行,由油輪運(yùn)送的氫氣(39%)、生物質(zhì)成分(肉和骨粉12%)和甘油(49%)組成。這項(xiàng)由政府資助的試驗(yàn)達(dá)到了100%的替代燃料替代率。
Cemex: Cemex是氫氣使用的領(lǐng)導(dǎo)者,早在2019年就開(kāi)始在工廠(chǎng)中使用氫能,并在2020年開(kāi)始將其所有歐洲水泥廠(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造。2022年,CEMEX對(duì)HiiROC進(jìn)行了投資,HiiROC以獨(dú)特的等離子工藝生產(chǎn)氫氣,是一家擁有一種低成本、零排放制氫技術(shù)的初創(chuàng)公司。 CEMEX此次投資的目標(biāo)是提高CEMEX水泥窯的注氫能力,從而提高替代燃料對(duì)化石燃料的取代率。
Holcim也在進(jìn)行用氫作為替代燃料的研究。
圖3.
國(guó)內(nèi)目前對(duì)熟料煅燒氫能利用技術(shù)目前還處于研究階段,中國(guó)建材(股票代碼:03323)牽頭成立了碳排放標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(huì),其將結(jié)合國(guó)家需求和行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì),正在開(kāi)展CCUS、氫燃料替代等聯(lián)合攻關(guān)。
5. 電力、太陽(yáng)能等新型能源加熱
對(duì)于水泥生產(chǎn)來(lái)說(shuō),采用電加熱無(wú)論從技術(shù)要求(需要較高溫度和功率)、設(shè)備改造還是運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性上看均不具備很高的可行性,未來(lái)可能不會(huì)成為重要的減排手段,但不排除其潛力。太陽(yáng)能加熱的方式目前也處于研究和試點(diǎn)中。Cemex和Synhelion使用太陽(yáng)能加熱CO2和水蒸氣的混合氣體煅燒熟料;瑞典Cemzero項(xiàng)目和2018年挪威的某項(xiàng)目驗(yàn)證了水泥生產(chǎn)和電加熱結(jié)合。
中國(guó)建材(股票代碼:03323):加大對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的利用。例如寧夏建材通過(guò)“光伏 + 風(fēng)電 + 儲(chǔ)能 + 余熱發(fā)電”提出“零外購(gòu)電工廠(chǎng)”概念,于麗江西南建設(shè)碲化鎘光伏發(fā)電系統(tǒng);該集團(tuán)亦宣導(dǎo)使用可再生能源,2021年報(bào)告期內(nèi)使用約 404716 兆瓦時(shí)可再生能源。
圖4.
華潤(rùn)水泥(股票代碼:01313):集團(tuán)計(jì)劃先于廣東封開(kāi)、羅定,廣西武宣、田陽(yáng)、陸川、平南等水泥生產(chǎn)基地,以及部份骨料、裝配式建筑工廠(chǎng)等條件合適的位置,推動(dòng)分布式光伏項(xiàng)目試點(diǎn),并逐步推廣至其他生產(chǎn)基地。
海螺水泥(股票代碼:600585,00914):2021年,集團(tuán)升級(jí)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),完成了海螺新能源的戰(zhàn)略收購(gòu),并拓展了儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及光伏發(fā)電等新能源板塊業(yè)務(wù),在水泥生產(chǎn)的過(guò)程中加大清潔能源使用比例,進(jìn)一步加強(qiáng)清潔生產(chǎn),降低產(chǎn)品碳足跡。截至報(bào)告期末,本集團(tuán)已建成19個(gè)合計(jì)200MW的光伏發(fā)電項(xiàng)目,年累計(jì)發(fā)電量1.64億千瓦時(shí)。
Heidelberg Cement:自2021年初以來(lái),海德堡水泥公司已與各大洲的試點(diǎn)項(xiàng)目簽署協(xié)議,增加150兆瓦的風(fēng)能和太陽(yáng)能可再生能源發(fā)電,預(yù)計(jì)每年總發(fā)電量為350吉瓦時(shí)。其中一些項(xiàng)目最早將從2022年開(kāi)始為海德堡水泥公司生產(chǎn)綠色電力。
Cemex: 2021年,西麥管理了近2300萬(wàn)噸廢物和不可回收的副產(chǎn)品,是送往垃圾填埋場(chǎng)的廢物的近57倍。水泥窯中共同處理廢物作為替代燃料,對(duì)社會(huì)來(lái)說(shuō),這是一種比填埋或焚燒更有效的廢物管理解決方案。2021年,Cemex繼續(xù)在清潔電力領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位,其水泥廠(chǎng)清潔電力消耗接近30%。
2020年,由于與PGE Obrót達(dá)成協(xié)議, Cemex在波蘭的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了100%的可再生能源供應(yīng)。此外,Cemex與Engie的協(xié)議延長(zhǎng)了三年,為其在英國(guó)的業(yè)務(wù)提供100%的可再生能源;Cemex與瑞士光熱技術(shù)企業(yè)Synhelion合作,2022年首次將水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程與Synhelion的聚光熱利用系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)并成功完成生產(chǎn)。Synhelion是可持續(xù)太陽(yáng)能燃料領(lǐng)域的全球先驅(qū),其獨(dú)特技術(shù)將集中的太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)上現(xiàn)有的最熱門(mén)的熱處理工藝。
在未來(lái),我國(guó)水泥行業(yè)替代燃料的發(fā)展,會(huì)受到煤和石油焦的價(jià)格變化、垃圾分類(lèi)的逐漸普及、以及預(yù)處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的完善的影響,若伴隨政策正確的引導(dǎo),相信水泥行業(yè)的燃料替代會(huì)越走越遠(yuǎn),水泥的低碳之路也會(huì)倍道而進(jìn)。
注:除特別說(shuō)明外,各公司使用的技術(shù)內(nèi)容均摘自其ESG報(bào)告。
參考文獻(xiàn)
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撰寫(xiě):鄭薇
審校:劉春蕾
原創(chuàng) 青悅數(shù)據(jù) 青悅ESG
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