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石灰行業能源消耗的二氧化碳排放關系與零碳排放途徑

2022-12-23 11:05:21 來源：石灰窯生態圈

石灰行業能源消耗的二氧化碳排放關系與零碳排放途徑
一、導語
提高能源利用效率是降低能源消費強度、推進碳達峰和碳中和的重大舉措。從國家發展改革委等部門《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》《關于發布高耗能行業重點領域能效標.桿水平和基準水平（2021年版）的通知》及《關于發布高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）的通知》精神等多個產業政策來看，有效提升鋼鐵、石化、建材等重點耗能產業能效，有力促進碳達峰、碳中和將是主要工作方向。
2022年4月29日，山東省生態環境廳、省發展改革委聯合印發《山東省高耗能高排放建設項目碳排放減量替代辦法（試行）》，從“兩高”行業源頭控制入手嚴把新上項目的碳排放關。根據《辦法》，16個“兩高”行業的上游初加工、高耗能高排放環節新建投資項目納入管理范圍，擬建項目新增碳排放量需由其他途徑落實替代源。替代源的碳排放量按行業確定1.2或1.5的替代比例，確保“兩高”項目碳排放總量只減不增。據悉，山東省是全國第.一個出臺“兩高”行業碳排放減量替代辦法的省份
而且，國家《“十四五”現代能源體系規劃》和十四五節能工作通知均指出到2025年，單位GDP能耗五年累計下降13.5%，能源消費總量得到合理控制！所以，各行業綜合能耗如何確權核算就成了關鍵！
小編根據近期讀者的咨詢熱點，整理了一些涉及石灰行業生產中的“能源與碳”和“碳與二氧化碳”的轉換及排放關系等資料，以方便大家在實際生產中能夠更加清晰的理清能源在生產中的核算數據。同時，也給出了目前石灰行業減碳增效的新途徑和理念。
二、石灰生產中能源折標方法與標準
1、各種常用化石能源的熱值及折標系數

能源名稱	平均低位發熱量	折標準煤系數
原煤	20908千焦（5000千卡）/千克	0.7143千克標準煤/千克
洗精煤	26344千焦（6300千卡）/千克	0.9000千克標準煤/千克
其它洗煤
（1）洗中煤	8363千焦（2000千卡）/千克	0.2857千克標準煤/千克
（2）煤泥	8363-12545千焦（2000-3000千卡）/千克	0.2857-0.4286千克標準煤/千克
焦炭	28435千焦（6800千卡）/千克	0.9714千克標準煤/千克
原油	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克標準煤/千克
燃料油	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克標準煤/千克
汽油	43070千焦（10300千卡）/千克	1.4714千克標準煤/千克
煤油	43070千焦（10300千卡）/千克	1.4714千克標準煤/千克
柴油	42652千焦（10200千卡）/千克	1.4571千克標準煤/千克
液化石油氣	50179千焦（12000千卡）/千克	1.7143千克標準煤/千克
煉廠干氣	45998千焦（11000千卡）/千克	1.5714千克標準煤/千克
天然氣	38931千焦（9310千卡）/m3	1.3300千克標準煤/ m3
焦爐煤氣	16726-17981千焦（4000-4300千卡）/ m3	0.5714-0.6143千克標準煤/ m3
其它煤氣
（1）發生爐煤氣	5227千焦（1250千卡）/ m3	0.1786千克標準煤/ m3
（2）重油催化裂解煤氣	19235千焦（4600千卡）/ m3	0.6571千克標準煤/ m3
（3）重油熱裂解煤氣	35544千焦（8500千卡）/ m3	1.2143千克標準煤/ m3
（4）焦炭制氣	16308千焦（3900千卡）/ m3	0.5571千克標準煤/ m3
（5）壓力氣化煤氣	15054千焦（3600千卡）/ m3	0.5143千克標準煤/ m3
（6）水煤氣	10454千焦（2500千卡）/ m3	0.3571千克標準煤/ m3
煤焦油	33453千焦（8000千卡）/千克	1.1429千克標準煤/千克
粗苯	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克標準煤/千克
熱力（當量）	按熱焓計算	0.03412千克標準煤/106焦
		(0.14286千克標準煤/1000千卡)
電力（當量）	3596千焦（860千卡）/千瓦小時	0.1229千克標準煤/千瓦小時
電力（等價）	11826千焦（2828千卡）/千瓦小時	0.4040千克標準煤/千瓦小時

說明：1、標準煤的低位發熱量為29307.6kJ（千焦）/kg（即7000千卡/公斤）。
2、數據來源于原國家經委、國家統計局《1986年重點工業、交通運輸企業能源統計報表制度》，也來源于《中國能源統計年鑒2005》，但該書中“電力”的等價系數“按當年火電發電標準煤耗計算”。
2、其他產品折標準煤系數
1kg 10.0MPa級蒸汽 = 0.131429 kg標煤
1kg 3.5MPa級蒸汽 = 0.125714 kg標煤
1kg 1.0MPa級蒸汽 = 0.108571 kg標煤
1kg 0.3MPa級蒸汽 = 0.094286 kg標煤
1kg 小于0.3MPa級蒸汽 = 0.078571 kg標煤
1 噸新鮮水 = 0.2429 kg標煤
1 噸循環水 = 0.1429 kg標煤
1 噸軟化水 = 0.3571 kg標煤
1 噸除鹽水 = 3.2857 kg標煤
1 噸除氧水 =13.1429 kg標煤
1 噸凝汽式蒸汽輪機凝結水 = 5.2143 kg標煤
1 噸加熱設備凝結水 = 10.9286 kg標煤
（數據引自《國家統計局標準》和《煉油廠能量消耗計算方法》）。
3、碳與二氧化碳的區別
二氧化碳（CO2）包含1個碳原子和2個氧原子，分子量為44（C原子量12、O原子量16）。二氧化碳在常溫常壓下是一種無色無味氣體，空氣中含有約0.03%（體積分數）的二氧化碳。碳是生物體（動物植物的組成物質）和礦物燃料（天然氣，石油和煤）的主要組成部分。
1噸碳在氧氣中完全然燒后能產生大約3.67（=44/12）噸二氧化碳。二氧化碳量（CO2）和碳排放量（C）之間是可以轉換的，即減排1噸碳就相當于減排3.67噸二氧化碳。
4、消耗1公斤標煤排放多少二氧化碳？
1噸標準煤完全燃燒產生的“二氧化碳（CO2）”的“碳（C）”排放系數（單位：噸碳/噸標煤（tc/tce））是：國家發改委能源研究所推薦值為0.67，日本能源經濟研究所參考值為0.68，美國能源部能源信息署參考值為0.69。下面1kg標準煤的“碳排放系數”為0.68進行計算。
表1：使用1度電的排放系數

折算標準煤	碳排放	CO₂排放	SO₂排放	NO_X排放
0.4	0.272	0.997	0.03	0.015

說明：1、隨著新能源比例不斷上升，該系數會逐步調整；2、大眾日常消耗的能源主要是電，因此用每度電的排放更直觀。3、按上述數據，1公斤標煤碳排放0.68公斤碳，2.493公斤二氧化碳。
表2：汽油柴油碳排放系數

能源名稱	CO₂排放系數		碳排放系數
	kgCO₂/升	kgCO₂/kg	kgC/升	kgC/kg
汽油	2.30	3.15	0.627	0.86
柴油	2.63	3.06	0.717	0.834
標準煤	——	2.493	——	0.68

表3：集中液體能源的密度

	原油	汽油	煤油	輕柴油	蒸餾酒
密度(kg/升)	0.87	0.73	0.82	0.86	0.912

注：國際原油常按“桶”計量，一桶等于158.97升。
5、簡易計算方法
簡單記住這幾個數據即可：
消耗1度電，碳排放0.272kg，二氧化碳排放0.997kg。
消耗1度電排放1公斤二氧化碳
消耗1公斤標煤，碳排放0.68kg，二氧化碳排放2.493kg。
消耗1L汽油，碳排放0.627kg，二氧化碳排放2.30kg。
消耗1L柴油，碳排放0.717kg，二氧化碳排放2.63kg。
換句話說，節約1度電減少二氧化碳排放1公斤

三、石灰生產中的燃料零碳排放途徑
根據國際能源機構（IEA）的定義，生物質（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。生物質能則是太陽能以化學能形式儲存在生物質中的能量形式，它一直是人類賴以生存的重要能源之一，是僅次于煤炭、石油、天然氣之后第四大能源，在整個能源系統中占有重要的地位。
在各種可再生能源中，由于核能、大型水電具有潛在的生態環境風險，風能和地熱等區域性資源制約，大力發展遭到限制和質疑，而生物質能卻以遍在性、豐富性、可再生性等特點得到人們認可。生物質的獨特性，不僅在于能貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，可轉化成常規的固態、液態和氣態燃料，煤、石油、天然氣等能源實質上也是由生物質能轉變而來的。
生物質能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，通過生物鏈轉化為地球生物物質形態，經過加工為社會生活提供原料的能源。在燃燒時所釋放出的CO2大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2,所以生物質顆粒的溫室氣體CO2為零排放。只要有陽光存在，綠色植物的光合作用就不會停止，生物質能源就不會枯竭，溫室氣體保持動態平衡。即：光合作用下二氧化碳的吸收量與燃燒后二氧化碳的排放量幾乎相等。因此，生物質能被賦予‘零碳排放’功能，是因為生物質的排放中是都是可以被大自然重復利用的元素，所以被認為是沒有碳排放。
生物質燃料燃燒污染物排放主要為少量的大氣污染物及可綜合利用的固體廢棄物，所以它不會增加溫室氣體！綜上所述，也就達到了零排放的目的！
同時，生物質能是全生命周期碳零排放能源。比如：其中的沼氣不但是“碳中性”，更是難得的全生命周期碳負排放能源。之所以說它是碳負排放，其原因在于沼氣的主要成分是甲烷。而甲烷是一種增溫效應遠大于CO2的溫室氣體，其CO2當量是二氧化碳的25倍。在自然狀態下，有機廢棄物特別是人畜糞便在缺氧的環境，如在水體或堆積體中會發酵產生大量沼氣，直接排放進入大氣。而如果采取工程措施，將有機廢棄物收集起來在密閉的厭氧發酵罐內制造沼氣，再加以能源化利用，就可有效阻隔相當一部分沼氣甲烷的自然形成和排放。瑞典隆德大學測算了各種能源發電的CO2排放量。以每1kWh排放的全生命周期(LCA)CO2量計，煤炭為703-1143g，天然氣為508g，即便是風電亦要排放89g，而沼氣發電為-414g。可見，大力發展沼氣-生物天然氣，生物天然氣的年產量達到數百億立方米的量級，必能有效抵消數量可觀的溫室氣體排放，對我國碳減排作出較大的貢獻。正因為如此，此次十部委文件中專門強調，要“推進生物天然氣參與碳排放權交易”。
而且，生物質氣、生物天然氣（沼氣）、生物液體燃料、生物固體燃料，與化石能源的提供形式幾乎一致，對當前工業體系的設備用能形式具有更好的適應性，是我國電氣化過程中重要的過渡能源，也是某些難以電氣化的領域無法替代的可再生能源來源。
生物質氣化燃氣工業鍋爐/窯爐應用方面，中國的科研單位和企業也進行了探索。比如：在廣州能源研究所技術支持下，廣東省已建立生物燃氣工業化完整的產業鏈條基礎，近幾年來成功地完成了幾十個生物質燃氣項目，典型項目包括常州運達印染、珠海麗珠合成制藥、深圳華美鋼鐵和廣州天天洗衣等項目。目前主要發展途徑為以生物質燃氣替代石化燃油、燃氣作為鍋爐/窯爐燃料。
利用生物質氣化技術建設集中供氣系統也已得到廣泛應用，自1994年在山東省桓臺縣東潘村建成中國第.一個生物質氣化集中供氣試點以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續推廣應用生物質氣化集中供氣技術。據農業部統計，截至2010年底全國共建成秸稈氣化集中供氣站900處，運行數量為600處，供氣20.96萬戶，每個正在運行的氣化站平均供氣約350戶。
綜上所述，生物質能源產業具有良好的經濟效益、生態效益和社會效益。中國CO2減排壓力巨大，分散燃煤造成的霧霾等環境問題日益嚴重，降低化石能源比例、減少燃煤污染是中國能源發展中相當長時期內的核心任務。生物質氣化利用技術可實現在終端用戶部分替代燃煤和天然氣，例如利用生物質為企業分散供熱、將生物質氣化燃燒系統應用于工業窯爐等，將生物質能利用與節能減排工作有機結合，為可燃固體廢棄物處理和高耗能行業節能減排開辟了新的方法和途徑。
據此，我們可以從中看到，生物質氣化用途廣泛、原料種類和規模適應性強，是實現生物質分布式開發利用和可燃固體廢棄物處理的效途徑，可部分替代化石能源、推進節能減排、助力實現可持續發展，在世界范圍內得到了廣泛應用。所以，我們石灰行業應該充分認識到，在生產中只有采用生物質燃料才能夠達到燃料零碳排放和節能降耗的目的。劇測算，按照年產10萬噸的一座石灰豎窯產量計算，如果采用生物質燃料代替燃煤，每年可減少碳排放1萬噸，減少二氧化碳排放3.6萬噸，如果按照全國3.2億噸石灰產能計算，每年可減少碳排放3200萬噸，減少二氧化碳排放1.15億噸，可見減排和節能潛力巨大。
目前，由“中國石灰產業學會”主導開發，由“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山金泉冶化科技產業有限公司”、“唐山金泉成套設備有限公司”等單位主持研發推廣的“生物質燃料清潔化生產石灰全產業鏈應用技術”已經進入全面推廣應用階段。主要有：生物質氣化生產石灰技術、沼氣（生物天然氣）生產石灰技術、生物質碳化噴吹生產石灰技術以及生物質灰渣綜合利用技術等。
其中，生物質制氣技術聯產石灰的技術已經開始進入實施應用階段。所應用的氣化技術是生物質熱化學轉換的一種技術，即生物質燃料在不完全燃燒條件下，其中較高分子量的有機碳氫化合物鏈發生裂解，變成較低分子量的CO、H2、CH4等可燃性氣體。若不使用氣體介質，則稱為干餾（主要目的是為制碳）；按氣體介質種類可分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣——氧氣混合氣化和氫氣氣化等。目前，首期開始實施推廣的主要是氣化技術為空氣生物質氣化技術，采用自供熱方式，即原料提供全部的氣化熱量。
采用生物質燃料生產石灰的新型工業爐技術也得到快速發展應用，其中，經過多年的技術研發和積累，唐山金泉公司自主開發的“第七代內置循環燃燒石灰豎爐”暨“中心燒嘴復合燃料石灰豎爐技術”是在傳統“中心燒嘴氣燒石灰窯”技術的再次提升與創新，已經取得兩項發明專利權益和三項實用新型專利。該系列技術是通過將綠色清潔能源利用與石灰生產節能減排深度融合，有效的提升了資源和能源利用效率。“第七代”技術是把“前六代”技術中僅能使用低熱值工業尾氣單一燃料生產的選擇局限性，擴展至能夠使用“天然氣+生物質氣+煤炭+生物質粉噴吹”的復合型燃料結構，使爐窯生產所用的燃料更加廣泛、成本更加低廉、操作更加簡單實用。目前，該項技術的生產指標在豎爐生產石灰工藝中趨于領先地位，在合格石料生產條件下，石灰生過燒率可穩定在3-7%，氧化鈣含量穩定在88-94%范圍。石灰活性度穩定在330-420ml范圍內。而且，采用生物質燃氣生產石灰可以全部代替煤炭等石灰能源，從目前的的市場價格來看，采用生物質燃氣生產石灰比使用煤炭燃料生產成本至少可以降低20%以上燃料成本。
“第七代技術”在2022年已經開始正式推廣，首批五個“省級示范工程”項目將在本年度年底開始陸續投產，部分項目日前已經竣工。該項系列技術已經獲得行業推廣證書，并被正式命名為TMS型石灰豎爐。

四、結語
在“雙碳”目標已成為國策的背景下，如何踐行中國對國際社會的莊嚴承諾，是個嚴肅的課題。需要更新觀念，探索各種切實、有效的溫室氣體減排的途徑。
早在2021的中央經濟工作會議就指出：要科學考核，新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制，創造條件盡早實現能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變，能耗“雙控”政策仍然是目前地方節能以及能源管理的主要工作！
負碳排放是受到國際氣候變化界高度重視的途徑，CH4減排也已排上優先的議事日程。在中國，生物質獨特的碳中和特性和負碳排放功能，以及生物質碳存留尚未被廣泛認識，需要更新觀念，吸取國際成功經驗，珍視國內僅有的成功案例，確定適合國情的途徑并制定相應的規劃及激勵政策，建立示范基地，使生物質在碳中和和負碳排放的偉大事業中大放異彩。
中國產業發展促進會副秘書長兼協會秘書長張大勇指出，實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，生物質能作為零碳的可再生能源，在為社會提供清潔能源的同時，每年消納處理大量有機廢棄物，真正實現了減污降碳協同增效目標。他表示，“這既是破解我國資源環境約束，推動能源結構低碳轉型的迫切需要，又是促進縣域綠色低碳循環發展，全面推進鄉村振興的重要抓手。在新發展階段，生物能源在實現能源價值的同時，需要開拓更多的生態環境價值實現渠道。”
日前，中共中央政治局召開會議，會議要求，要統籌有序做好碳達峰、碳中和工作，盡快出臺2030年前碳達峰行動方案，堅持全國一盤棋，糾正運動式“減碳”，先立后破，堅決遏制“兩高”項目盲目發展。與此同時，如何利用生物質燃料替代化石類燃料助力石灰企業實現碳減排開始引起整個石灰行業的思考。

資料編輯：
中國石灰產業學會
孫菲
2022/12/23

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