基于碳市场设定水泥熟料过程碳排放默认值的探讨_叶萌.pdf

2023.No.6-7-0引言我国碳交易从无到有，已有超过十年的发展历程。北京、天津、上海、湖北、广东等省市的试点碳交易市场覆盖了当地20%40%的温室气体排放比例。2021年7月，全国碳交易市场以电力行业的纳入正式启动，中国碳交易覆盖规模大幅提升，跃升全球之首。然而，我国应对气候变化工作仍处在碳达峰前期的发展阶段，碳交易市场作为推进重点行业降碳的重要市场手段还在逐步确立之中。工信部、国家发改委等四部委联合印发的 建材行业碳达峰实施方案（工信部联原 2022 149号）中明确“研究将水泥等重点行业纳入全国碳交易”。我国水泥行业是仅次于火电、钢铁行业的工业二氧化碳排放大户，2021年经核查的二氧化碳排放量约12.82亿t1。在未使用替代原燃料及绿电的情况下，熟料生产工序中能源活动产生的碳排放占比约38%；由于碳排放中的能源活动排放与能源消耗直接相关，可通过节能监察中水泥熟料能源单耗指标计算能源活动碳排放，验证碳交易核算核查中能源活动碳排放结果的有效性2。过程碳排放则是水泥行业中占比最大的碳排放源，约占62%。过程碳排放核算所需的数据直接来源于控排企业提供的原料消耗量、熟料产量以及质量数据中的化学成分。值得注意的是，少数企业在利益驱使下，通过篡改碳核算基础数据以降低碳排放量，从而减少配额缺口，逃避履约责任的同时带来碳市场“劣币驱逐良币”的不良效应。生态环境部严厉打击碳排放数据弄虚作假行为，公布的多起碳排放报告数据弄虚作假典型案例，问题主要集中在控排企业篡改与排放数据关联的生产及质量数据。加之目前未强制要求企业碳排放数据信息公开，难以保证碳核算核查数据的准确性、真实性和有效性。在此背景下，本文梳理了IPCC、CSI及国内对水泥熟料过程碳排放因子的已有设定、过程碳排放的研究进展，通过对通用水泥熟料质量控制目标演算（鲍格法）和实际生产线排放分析，对应不同的熟料MgO含量，给出熟料CaO含量及未使用替代原料情况下熟料过程碳排放的理论范围（考虑特殊要求）和平均水平。根据我国水泥行业试点碳交易市场的发展情况，探讨现阶段在我国碳交易市场中，直接设定水泥熟料过程碳排放的默认值的可行性。1熟料过程碳排放因子研究进展1.1过程碳排放的默认值及方法学关于熟料过程碳排放因子，国际上主要参考IPCC、CSI推荐的默认值和方法学。默认值的设置方面，IPCC、CSI给出了单位熟料对应熟料煅烧CO2排放的缺省值。IPCC给出了缺省值的两种确定方法3，方法1基于忽略MgO的含量，仅对熟料中的CaO含量取65%，对应熟料煅烧CO2排放的缺省值为510 kgCO2/t.cl；方法2的优良作法是估算特定国家的熟料CO2排放因子，修正窑灰（CKD）影响后的过程碳排放缺省值为520 kgCO2/t.cl4。CSI则在IPCC的基础上对熟料中的MgO含量（按2%熟料质量）进行了修正，熟料过程碳排放的默认值设置为525 kgCO2/t.cl5。国家发改委发布的 省级温室气体清单编制指南（2011）同样考虑了熟料中MgO含量（未注明具体含量），推荐的水泥生产过程碳排放因子为538 kgCO2/t.cl。基于碳市场设定水泥熟料过程碳排放默认值的探讨叶萌，杨宏兵，汪宣乾，章鹏（华新水泥股份有限公司，湖北武汉430070）摘要：水泥熟料的过程碳排放主要来源于碳酸盐的分解，可通过熟料中MgO、CaO含量进行计算。在稳步推进全国碳交易市场建设和保证碳排放数据质量的迫切需求下，对水泥熟料的过程碳排放开展基础性研究具有重要现实意义。本文梳理了水泥熟料过程碳排放因子的研究进展，首次基于通用水泥熟料质量控制目标，给出了未使用替代原料时熟料过程碳排放的理论范围和平均水平。结合我国碳交易市场的发展现状，提出在现阶段，水泥行业碳市场可直接设定通用水泥熟料过程碳排放的默认值，亦可用于我国碳排放因子库的建立、碳核查结果的校对等。关键词：碳市场；通用水泥熟料；过程碳排放；默认值中图分类号：TQ172.9；X701文献标志码：B文章编号：1002-9877（2023）06-007-05DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.06.002-8-2023.No.6IPCC、CSI及国内现有的过程碳排放核算方法学一脉相承，都是基于工厂实际生产情况和实测数据的物料衡算，但具体计算方法以及碳排放系数选取方面存在细微差异；国内学者也对不同的方法学进行了相关研究6-8。考虑数据的可获得性和发展现状，通过熟料生产数据倒推水泥熟料生产过程碳排放的方法学备受业内推崇，也是目前 中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）、温室气体排放核算与报告要求 第8部分：水泥生产企业（GB/T 32151.82015）等现行政策文件、标准要求的方法。1.2试点碳交易市场的核算方法在我国试点碳交易市场中，水泥行业主要依据的核算办法是 水泥生产企业温室气体排放报告补充数据表，其中水泥熟料对应的碳酸盐分解产生的二氧化碳排放量按式（1）计算：EQFR过程x=+|FR|2|1QC替QiQC替QiMgicai4044|5644 （1）式中：E过程x 在一定时间内，熟料对应碳酸盐分解产生的排放量，tCO2；Q 同一时期内，合格熟料产量，t；FR1 同 一 时 期 内，熟 料 中CaO的 质 量 分数，%；FR2 同一时期内，熟料中MgO的质量分数，%；Q替i 同一时期内，第i种非碳酸盐替代原料消耗量，t；Ccai 同一时期内，第i种非碳酸盐替代原料中CaO的质量分数，%；CMgi 同一时期内，第i种非碳酸盐替代原料中MgO的质量分数，%；44/56 二氧化碳与氧化钙的分子量之比；44/40 二氧化碳与氧化镁的分子量之比。该核算方法来源于IPCC和CSI，结合我国水泥工业实际情况衍化而来，不同于 中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行），核算边界不包含窑头粉尘、旁路放风粉尘分解产生的CO2排放。通过熟料生产数据和替代原料生产数据倒推碳酸盐分解产生的碳排放。而熟料中CaO的质量分数（FR1）、熟料中MgO的质量分数（FR2）由单位熟料CaO、MgO的含量折算为单位熟料碳酸盐分解产生的碳排放，这部分碳排放与熟料质量控制要求相关。1.3研究现状和方法创新IPCC在 2006年国家温室气体清单指南“第3卷：工业过程与产品使用”中指出水泥熟料中的CaO含量通常在60%67%的范围内，同时指出在特定的工厂内，CaO含量波动稳定在1%2%3。国内亦有对熟料生产线的过程碳排放样本进行分析研究。基于熟料的MgO含量在1.5左右，何宏涛9、沈镭10提出熟料过程碳排放因子可以采用527 kgCO2/t.cl。魏军晓等11基于20省市区的2000多个水泥生产线样品进行测试，用生料输入法计算新型干法窑的过程碳排放因子约为520 kgCO2/t.cl。沈镭等10通过对22个省份359条生产线的活动水平数据进行抽样计算，熟料中CaO和MgO的含量分别为65.26%和2.23%，全国新型干法水泥生产的过程排放因子95%置信区间为517.46521.82 kgCO2/t.cl。数据显示不同的水泥生产工艺对应熟料过程排放差异较大，而不同生产规模之间过程碳排放的差异并不明显，不同规模新型干法熟料中的CaO平均含量略大于65%，MgO含量在2%左右。赵建安等4提到水泥熟料过程碳排放从西部到东部递减态势，各省水泥生产线中熟料CaO含量平均约为65%，生产线之间差异不大。现有过程碳排放的研究皆包含具有个体差异性的替代原料减碳，数据显示水泥熟料过程碳排放（使用替代原料）集中在517527 kgCO2/t.cl。本文首次基于通用水泥熟料质量控制目标，分析了水泥熟料中CaO的质量分数（FR1）和MgO的质量分数（FR2）的关联性，并给出未使用替代原料情况下，通用水泥熟料过程碳排放的理论分布范围和平均水平。2通用水泥熟料质量控制及过程碳排放2.1熟料中MgO的含量在自然界中钙盐一般伴生着镁盐，MgO主要来自于与石灰岩伴生的白云岩。因此，在选择钙质原料时，天然钙质原料难以完全剥离MgO组分。MgO并不是水泥熟料的目标组分，在熟料中以固溶和游离两种形式存在，固溶态MgO在固溶体中发生原位水化，生成水化硅酸镁凝胶，无膨胀作用。熟料中MgO最大固溶量在2%左右，当其含量小于2%时，主要固溶在熟料矿物中；含量超过2%后，多余的MgO以游离方镁石的形式存在12-13。熟料中游离方镁石的水化时间长达几个月到几年，水化形2023.No.6-9-叶萌，等：基于碳市场设定水泥熟料过程碳排放默认值的探讨成水镁石造成体积膨胀，因此一般生产会控制熟料中氧化镁的含量。在特殊建筑工程中，通常会利用方镁石水化膨胀的特性来补偿大体积混凝土温降收缩，减少温缩裂纹。基于 硅酸盐水泥熟料（GB/T 213722008）中要求熟料中MgO含量应5%（当压蒸安定性合格时允许放宽到6%），将熟料中MgO含量在0%6%的最大变化范围作为本次研究基础，包含标准所允许的极端情况。2.2熟料中CaO的含量熟料中四大基本矿物硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）的含量决定了其质量。四大基本矿物中，C3S具有较快的水化速度和较高的水化热，早期强度高，后期强度还能持续增长，抗侵蚀能力较差，易磨性好；C2S水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度增长高，抗侵蚀能力强，易磨性差；C3A水化速度最快，早期水化放热集中，能提高早期强度，抗侵蚀能力最差，易磨性较好；C4AF水化速度与C3S相当，水化热较低，具有早期强度高，后期强度也有增长，抗侵蚀能力强，易磨性最差。硅酸盐水泥熟料（GB/T 213722008）要求水泥熟料中C3S和C2S总量66%，该值为熟料质量控制目标的下限。一般认为，水泥熟料的强度取决于硅酸盐矿物总含量（C3S与C2S之和）和具体矿物晶型。在不讨论矿物晶型对熟料活性影响时，硅酸盐矿物总含量决定熟料的强度。其中C3S含量越高，熟料活性越好，强度越高，但易烧性变差，甚至煅烧困难；C3S含量低，C2S含量高，则熟料早期强度低，不利于通用建筑工程的施工。C3A和C4AF为溶剂矿物，形成液相，促进C2S吸收CaO形成C3S，从而完成熟料煅烧，并使熟料具有适宜的结粒性。对于通用水泥熟料，需要较高的早期强度和后期强度，并具备合适的水化速度、水化热和良好的易磨性。同时，还需考虑其煅烧特性，即在熟料组分设计时，需要考虑生料易烧性，熟料的结粒、液相黏度、液相量等。因此，通用水泥熟料的矿物含量控制指标宜设置为：C3S含量为50%65%，且C3S和C2S含量之和应70%，C3A含量为5%10%，C4AF含量为8%15%。以此进行组分设计的熟料具有易烧性好、烧成范围宽、强度高、易磨性好和熟料系数低等优点。基于上述通用水泥熟料组分设计的要求，考虑煅烧特性，设定合适的硅率（SM）、铝率（IM）和液相量，通过鲍格法计算得出熟料中CaO含量随MgO含量的变化情况，见图1。67.41 66.92 66.60 65.93 64.84 64.37 63.77 65.87 65.46 65.07 64.20 63.66 63.23 62.54 62.0063.0064.0065.0066.0067.0068.000123456CaO含量/%MgO含量/%图1通用水泥熟料中CaO含量随MgO含量的变化情况图1中CaO的下限值对应C3S的含量为50%，CaO含量的上限值对应C3S的含量为65%。经分析，通用水泥熟料中MgO含量与CaO含量呈负相关，并有相对确定的对应范围。对于通用水泥熟料而言，CaO的含量为 62.54%67.41%，上下限差值为4.87%。对于给定的MgO含量，熟料中CaO含量分布在一个较窄的范围内，如MgO含量为2%时，CaO含量的上下限值差值仅为1.53%。2.3通用水泥熟料过程碳排放的理论计算基于图1的数据，通过式（1）计算得到的通用水泥熟料过程碳排放范围，见图2。529.62 536.82 545.25 551.04 553.43 560.79 567.09 517.54