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石灰行业能源消耗的二氧化碳排放关系与零碳排放途径

2022-12-23 11:05:21 来源：石灰窑生态圈

石灰行业能源消耗的二氧化碳排放关系与零碳排放途径
一、导语
提高能源利用效率是降低能源消费强度、推进碳达峰和碳中和的重大举措。从国家发展改革委等部门《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》《关于发布高耗能行业重点领域能效标.杆水平和基准水平（2021年版）的通知》及《关于发布高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）的通知》精神等多个产业政策来看，有效提升钢铁、石化、建材等重点耗能产业能效，有力促进碳达峰、碳中和将是主要工作方向。
2022年4月29日，山东省生态环境厅、省发展改革委联合印发《山东省高耗能高排放建设项目碳排放减量替代办法（试行）》，从“两高”行业源头控制入手严把新上项目的碳排放关。根据《办法》，16个“两高”行业的上游初加工、高耗能高排放环节新建投资项目纳入管理范围，拟建项目新增碳排放量需由其他途径落实替代源。替代源的碳排放量按行业确定1.2或1.5的替代比例，确保“两高”项目碳排放总量只减不增。据悉，山东省是全国第.一个出台“两高”行业碳排放减量替代办法的省份
而且，国家《“十四五”现代能源体系规划》和十四五节能工作通知均指出到2025年，单位GDP能耗五年累计下降13.5%，能源消费总量得到合理控制！所以，各行业综合能耗如何确权核算就成了关键！
小编根据近期读者的咨询热点，整理了一些涉及石灰行业生产中的“能源与碳”和“碳与二氧化碳”的转换及排放关系等资料，以方便大家在实际生产中能够更加清晰的理清能源在生产中的核算数据。同时，也给出了目前石灰行业减碳增效的新途径和理念。
二、石灰生产中能源折标方法与标准
1、各种常用化石能源的热值及折标系数

能源名称	平均低位发热量	折标准煤系数
原煤	20908千焦（5000千卡）/千克	0.7143千克标准煤/千克
洗精煤	26344千焦（6300千卡）/千克	0.9000千克标准煤/千克
其它洗煤
（1）洗中煤	8363千焦（2000千卡）/千克	0.2857千克标准煤/千克
（2）煤泥	8363-12545千焦（2000-3000千卡）/千克	0.2857-0.4286千克标准煤/千克
焦炭	28435千焦（6800千卡）/千克	0.9714千克标准煤/千克
原油	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克标准煤/千克
燃料油	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克标准煤/千克
汽油	43070千焦（10300千卡）/千克	1.4714千克标准煤/千克
煤油	43070千焦（10300千卡）/千克	1.4714千克标准煤/千克
柴油	42652千焦（10200千卡）/千克	1.4571千克标准煤/千克
液化石油气	50179千焦（12000千卡）/千克	1.7143千克标准煤/千克
炼厂干气	45998千焦（11000千卡）/千克	1.5714千克标准煤/千克
天然气	38931千焦（9310千卡）/m3	1.3300千克标准煤/ m3
焦炉煤气	16726-17981千焦（4000-4300千卡）/ m3	0.5714-0.6143千克标准煤/ m3
其它煤气
（1）发生炉煤气	5227千焦（1250千卡）/ m3	0.1786千克标准煤/ m3
（2）重油催化裂解煤气	19235千焦（4600千卡）/ m3	0.6571千克标准煤/ m3
（3）重油热裂解煤气	35544千焦（8500千卡）/ m3	1.2143千克标准煤/ m3
（4）焦炭制气	16308千焦（3900千卡）/ m3	0.5571千克标准煤/ m3
（5）压力气化煤气	15054千焦（3600千卡）/ m3	0.5143千克标准煤/ m3
（6）水煤气	10454千焦（2500千卡）/ m3	0.3571千克标准煤/ m3
煤焦油	33453千焦（8000千卡）/千克	1.1429千克标准煤/千克
粗苯	41816千焦（10000千卡）/千克	1.4286千克标准煤/千克
热力（当量）	按热焓计算	0.03412千克标准煤/106焦
		(0.14286千克标准煤/1000千卡)
电力（当量）	3596千焦（860千卡）/千瓦小时	0.1229千克标准煤/千瓦小时
电力（等价）	11826千焦（2828千卡）/千瓦小时	0.4040千克标准煤/千瓦小时

说明：1、标准煤的低位发热量为29307.6kJ（千焦）/kg（即7000千卡/公斤）。
2、数据来源于原国家经委、国家统计局《1986年重点工业、交通运输企业能源统计报表制度》，也来源于《中国能源统计年鉴2005》，但该书中“电力”的等价系数“按当年火电发电标准煤耗计算”。
2、其他产品折标准煤系数
1kg 10.0MPa级蒸汽 = 0.131429 kg标煤
1kg 3.5MPa级蒸汽 = 0.125714 kg标煤
1kg 1.0MPa级蒸汽 = 0.108571 kg标煤
1kg 0.3MPa级蒸汽 = 0.094286 kg标煤
1kg 小于0.3MPa级蒸汽 = 0.078571 kg标煤
1 吨新鲜水 = 0.2429 kg标煤
1 吨循环水 = 0.1429 kg标煤
1 吨软化水 = 0.3571 kg标煤
1 吨除盐水 = 3.2857 kg标煤
1 吨除氧水 =13.1429 kg标煤
1 吨凝汽式蒸汽轮机凝结水 = 5.2143 kg标煤
1 吨加热设备凝结水 = 10.9286 kg标煤
（数据引自《国家统计局标准》和《炼油厂能量消耗计算方法》）。
3、碳与二氧化碳的区别
二氧化碳（CO2）包含1个碳原子和2个氧原子，分子量为44（C原子量12、O原子量16）。二氧化碳在常温常压下是一种无色无味气体，空气中含有约0.03%（体积分数）的二氧化碳。碳是生物体（动物植物的组成物质）和矿物燃料（天然气，石油和煤）的主要组成部分。
1吨碳在氧气中完全然烧后能产生大约3.67（=44/12）吨二氧化碳。二氧化碳量（CO2）和碳排放量（C）之间是可以转换的，即减排1吨碳就相当于减排3.67吨二氧化碳。
4、消耗1公斤标煤排放多少二氧化碳？
1吨标准煤完全燃烧产生的“二氧化碳（CO2）”的“碳（C）”排放系数（单位：吨碳/吨标煤（tc/tce））是：国家发改委能源研究所推荐值为0.67，日本能源经济研究所参考值为0.68，美国能源部能源信息署参考值为0.69。下面1kg标准煤的“碳排放系数”为0.68进行计算。
表1：使用1度电的排放系数

折算标准煤	碳排放	CO₂排放	SO₂排放	NO_X排放
0.4	0.272	0.997	0.03	0.015

说明：1、随着新能源比例不断上升，该系数会逐步调整；2、大众日常消耗的能源主要是电，因此用每度电的排放更直观。3、按上述数据，1公斤标煤碳排放0.68公斤碳，2.493公斤二氧化碳。
表2：汽油柴油碳排放系数

能源名称	CO₂排放系数		碳排放系数
	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
标准煤	——	2.493	——	0.68

表3：集中液体能源的密度

	原油	汽油	煤油	轻柴油	蒸馏酒
密度(kg/升)	0.87	0.73	0.82	0.86	0.912

注：国际原油常按“桶”计量，一桶等于158.97升。
5、简易计算方法
简单记住这几个数据即可：
消耗1度电，碳排放0.272kg，二氧化碳排放0.997kg。
消耗1度电排放1公斤二氧化碳
消耗1公斤标煤，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。
换句话说，节约1度电减少二氧化碳排放1公斤

三、石灰生产中的燃料零碳排放途径
根据国际能源机构（IEA）的定义，生物质（biomass）是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。生物质能则是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，它一直是人类赖以生存的重要能源之一，是仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源，在整个能源系统中占有重要的地位。
在各种可再生能源中，由于核能、大型水电具有潜在的生态环境风险，风能和地热等区域性资源制约，大力发展遭到限制和质疑，而生物质能却以遍在性、丰富性、可再生性等特点得到人们认可。生物质的独特性，不仅在于能贮存太阳能，还是一种可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料，煤、石油、天然气等能源实质上也是由生物质能转变而来的。
生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通过生物链转化为地球生物物质形态，经过加工为社会生活提供原料的能源。在燃烧时所释放出的CO2大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2,所以生物质颗粒的温室气体CO2为零排放。只要有阳光存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能源就不会枯竭，温室气体保持动态平衡。即：光合作用下二氧化碳的吸收量与燃烧后二氧化碳的排放量几乎相等。因此，生物质能被赋予‘零碳排放’功能，是因为生物质的排放中是都是可以被大自然重复利用的元素，所以被认为是没有碳排放。
生物质燃料燃烧污染物排放主要为少量的大气污染物及可综合利用的固体废弃物，所以它不会增加温室气体！综上所述，也就达到了零排放的目的！
同时，生物质能是全生命周期碳零排放能源。比如：其中的沼气不但是“碳中性”，更是难得的全生命周期碳负排放能源。之所以说它是碳负排放，其原因在于沼气的主要成分是甲烷。而甲烷是一种增温效应远大于CO2的温室气体，其CO2当量是二氧化碳的25倍。在自然状态下，有机废弃物特别是人畜粪便在缺氧的环境，如在水体或堆积体中会发酵产生大量沼气，直接排放进入大气。而如果采取工程措施，将有机废弃物收集起来在密闭的厌氧发酵罐内制造沼气，再加以能源化利用，就可有效阻隔相当一部分沼气甲烷的自然形成和排放。瑞典隆德大学测算了各种能源发电的CO2排放量。以每1kWh排放的全生命周期(LCA)CO2量计，煤炭为703-1143g，天然气为508g，即便是风电亦要排放89g，而沼气发电为-414g。可见，大力发展沼气-生物天然气，生物天然气的年产量达到数百亿立方米的量级，必能有效抵消数量可观的温室气体排放，对我国碳减排作出较大的贡献。正因为如此，此次十部委文件中专门强调，要“推进生物天然气参与碳排放权交易”。
而且，生物质气、生物天然气（沼气）、生物液体燃料、生物固体燃料，与化石能源的提供形式几乎一致，对当前工业体系的设备用能形式具有更好的适应性，是我国电气化过程中重要的过渡能源，也是某些难以电气化的领域无法替代的可再生能源来源。
生物质气化燃气工业锅炉/窑炉应用方面，中国的科研单位和企业也进行了探索。比如：在广州能源研究所技术支持下，广东省已建立生物燃气工业化完整的产业链条基础，近几年来成功地完成了几十个生物质燃气项目，典型项目包括常州运达印染、珠海丽珠合成制药、深圳华美钢铁和广州天天洗衣等项目。目前主要发展途径为以生物质燃气替代石化燃油、燃气作为锅炉/窑炉燃料。
利用生物质气化技术建设集中供气系统也已得到广泛应用，自1994年在山东省桓台县东潘村建成中国第.一个生物质气化集中供气试点以来，山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津等省市陆续推广应用生物质气化集中供气技术。据农业部统计，截至2010年底全国共建成秸秆气化集中供气站900处，运行数量为600处，供气20.96万户，每个正在运行的气化站平均供气约350户。
综上所述，生物质能源产业具有良好的经济效益、生态效益和社会效益。中国CO2减排压力巨大，分散燃煤造成的雾霾等环境问题日益严重，降低化石能源比例、减少燃煤污染是中国能源发展中相当长时期内的核心任务。生物质气化利用技术可实现在终端用户部分替代燃煤和天然气，例如利用生物质为企业分散供热、将生物质气化燃烧系统应用于工业窑炉等，将生物质能利用与节能减排工作有机结合，为可燃固体废弃物处理和高耗能行业节能减排开辟了新的方法和途径。
据此，我们可以从中看到，生物质气化用途广泛、原料种类和规模适应性强，是实现生物质分布式开发利用和可燃固体废弃物处理的效途径，可部分替代化石能源、推进节能减排、助力实现可持续发展，在世界范围内得到了广泛应用。所以，我们石灰行业应该充分认识到，在生产中只有采用生物质燃料才能够达到燃料零碳排放和节能降耗的目的。剧测算，按照年产10万吨的一座石灰竖窑产量计算，如果采用生物质燃料代替燃煤，每年可减少碳排放1万吨，减少二氧化碳排放3.6万吨，如果按照全国3.2亿吨石灰产能计算，每年可减少碳排放3200万吨，减少二氧化碳排放1.15亿吨，可见减排和节能潜力巨大。
目前，由“中国石灰产业学会”主导开发，由“唐山金泉冶化科技产业集团”旗下“唐山金泉冶化科技产业有限公司”、“唐山金泉成套设备有限公司”等单位主持研发推广的“生物质燃料清洁化生产石灰全产业链应用技术”已经进入全面推广应用阶段。主要有：生物质气化生产石灰技术、沼气（生物天然气）生产石灰技术、生物质碳化喷吹生产石灰技术以及生物质灰渣综合利用技术等。
其中，生物质制气技术联产石灰的技术已经开始进入实施应用阶段。所应用的气化技术是生物质热化学转换的一种技术，即生物质燃料在不完全燃烧条件下，其中较高分子量的有机碳氢化合物链发生裂解，变成较低分子量的CO、H2、CH4等可燃性气体。若不使用气体介质，则称为干馏（主要目的是为制碳）；按气体介质种类可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气——氧气混合气化和氢气气化等。目前，首期开始实施推广的主要是气化技术为空气生物质气化技术，采用自供热方式，即原料提供全部的气化热量。
采用生物质燃料生产石灰的新型工业炉技术也得到快速发展应用，其中，经过多年的技术研发和积累，唐山金泉公司自主开发的“第七代内置循环燃烧石灰竖炉”暨“中心烧嘴复合燃料石灰竖炉技术”是在传统“中心烧嘴气烧石灰窑”技术的再次提升与创新，已经取得两项发明专利权益和三项实用新型专利。该系列技术是通过将绿色清洁能源利用与石灰生产节能减排深度融合，有效的提升了资源和能源利用效率。“第七代”技术是把“前六代”技术中仅能使用低热值工业尾气单一燃料生产的选择局限性，扩展至能够使用“天然气+生物质气+煤炭+生物质粉喷吹”的复合型燃料结构，使炉窑生产所用的燃料更加广泛、成本更加低廉、操作更加简单实用。目前，该项技术的生产指标在竖炉生产石灰工艺中趋于领先地位，在合格石料生产条件下，石灰生过烧率可稳定在3-7%，氧化钙含量稳定在88-94%范围。石灰活性度稳定在330-420ml范围内。而且，采用生物质燃气生产石灰可以全部代替煤炭等石灰能源，从目前的的市场价格来看，采用生物质燃气生产石灰比使用煤炭燃料生产成本至少可以降低20%以上燃料成本。
“第七代技术”在2022年已经开始正式推广，首批五个“省级示范工程”项目将在本年度年底开始陆续投产，部分项目日前已经竣工。该项系列技术已经获得行业推广证书，并被正式命名为TMS型石灰竖炉。

四、结语
在“双碳”目标已成为国策的背景下，如何践行中国对国际社会的庄严承诺，是个严肃的课题。需要更新观念，探索各种切实、有效的温室气体减排的途径。
早在2021的中央经济工作会议就指出：要科学考核，新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，能耗“双控”政策仍然是目前地方节能以及能源管理的主要工作！
负碳排放是受到国际气候变化界高度重视的途径，CH4减排也已排上优先的议事日程。在中国，生物质独特的碳中和特性和负碳排放功能，以及生物质碳存留尚未被广泛认识，需要更新观念，吸取国际成功经验，珍视国内仅有的成功案例，确定适合国情的途径并制定相应的规划及激励政策，建立示范基地，使生物质在碳中和和负碳排放的伟大事业中大放异彩。
中国产业发展促进会副秘书长兼协会秘书长张大勇指出，实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，生物质能作为零碳的可再生能源，在为社会提供清洁能源的同时，每年消纳处理大量有机废弃物，真正实现了减污降碳协同增效目标。他表示，“这既是破解我国资源环境约束，推动能源结构低碳转型的迫切需要，又是促进县域绿色低碳循环发展，全面推进乡村振兴的重要抓手。在新发展阶段，生物能源在实现能源价值的同时，需要开拓更多的生态环境价值实现渠道。”
日前，中共中央政治局召开会议，会议要求，要统筹有序做好碳达峰、碳中和工作，尽快出台2030年前碳达峰行动方案，坚持全国一盘棋，纠正运动式“减碳”，先立后破，坚决遏制“两高”项目盲目发展。与此同时，如何利用生物质燃料替代化石类燃料助力石灰企业实现碳减排开始引起整个石灰行业的思考。

资料编辑：
中国石灰产业学会
孙菲
2022/12/23

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