水泥熟料煅燒包括原料礦物分解、固相反應、液相燒結、熟料冷卻等一系列物理、化學過程、需要消耗大量的熱量。目前大多使用的煅燒工藝為預分解窯爐，燃煤由噴煤管分別送入分解爐和回轉窯進行燃燒。水泥熟料形成反應的理論熱耗約為1700kJ/kg。由于窯爐筒體表面散熱、燃燒煙氣帶出熱量及出窯熟料帶出熱量，實際的水泥熟料燒成熱耗約為3200kJ/kg，即噸熟料綜合煤耗約為110kg標準煤。

　　水泥生產(chǎn)電力消耗可產(chǎn)生間接CO₂排放，即直接CO₂排放由發(fā)電廠燃料燃燒產(chǎn)生。根據(jù)國家主管部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國電力消耗CO₂排放因子平均約為0.86TCO₂/MWh，由此也可以推算出噸水泥生產(chǎn)電力消耗產(chǎn)生的間接CO₂排放量約為94.6千克。水泥生產(chǎn)燃料消耗會產(chǎn)生直接CO₂排放?？筛鶕?jù)燃料中有機碳含量進行換算，計算出CO₂排放量，但采用標準煤換算更為方便、快捷。根據(jù)中國建筑材料科學研究總院的初步研究，燃煤的CO₂排放因子介于2.31—2.55千克CO₂每千克標準煤，而國家發(fā)改委能源所推薦的排放因子為2.46千克CO₂每千克標準煤。由此，可以計算出生產(chǎn)每噸水泥熟料、由燃煤燃燒產(chǎn)生的直接CO₂排放量約為295千克。水泥生產(chǎn)采用石灰質原料，經(jīng)煅燒后石灰質原料中的碳酸鹽礦物會分解，釋放出大量的CO₂。通常，生產(chǎn)1噸水泥熟料需要消耗1.55噸生料，即產(chǎn)生的直接CO₂排放量約為550千克。按水泥中的熟料系數(shù)為0.75計，可計算出生產(chǎn)單位水泥CO₂總排放量約為728千克/噸。

　　2.水泥生產(chǎn)的過程CO₂減排
　　水泥生產(chǎn)的過程CO₂排放指的是能源消耗之外的生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO₂排放，即主要是石灰質原料中碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的CO₂排放。采用低CO₂含量的替代原料或生產(chǎn)低鈣水泥都可以減少相應的過程CO₂排放。

　　電石渣是電石法生產(chǎn)乙炔產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。我國電石渣的年排放量已達到2000萬噸，歷年存積的電石渣量也超過1億噸。電石渣（干基）的主要成分是Ca(OH)₂、達70%以上。采用電石渣完全替代石灰質原料生產(chǎn)1噸水泥熟料，即可減少約550千克過程CO₂排放，而全國年排放電石渣的完全利用，則可減少CO₂排放約1100萬噸。目前，由合肥水泥研究設計院等科研機構承擔有國家科技支撐計劃課題“電石渣制水泥規(guī)模化應用技術及裝備研究”，以實現(xiàn)水泥生產(chǎn)天然石灰質原料的完全替代及生產(chǎn)技術和裝備水平的整體提升。

　　一些大宗工業(yè)廢棄物，包括鋼渣、粉煤灰、煤矸石等，含有一定量的氧化鈣，作為替代原料，也可以獲得一定量的過程CO₂減排。例如，一些種類鋼渣中CaO含量達45%，若替代50%的石灰質原料，則生產(chǎn)每噸水泥熟料可減少約275千克的過程CO₂排放。一些種類粉煤灰中CaO含量也超過10%，通過配比可替代約2%的石灰質原料，生產(chǎn)每噸水泥熟料也可減少約11千克的過程CO₂排放。

    水泥熟料的主要化學成分是SiO₂、Al₂O₃、 Fe₂O₃、CaO，并且用飽和系數(shù)（KH）、硅酸率（SM）、鋁氧率（IM）來調整和控制。飽和系數(shù)的簡單計算公式為：KH = CaO - 1.65Al₂O₃ - 0.35Fe₂O₃/2.8SiO₂，表示熟料中硅酸三鈣與硅酸二鈣的比例關系。事實上飽和系數(shù)可以在一定范圍內變化，而且基本不影響水泥熟料的性能，因此也可以通過優(yōu)化控制參數(shù)，適當降低水泥熟料飽和系數(shù)。計算表明，若飽和系數(shù)由0.95降低至0.88，水泥熟料中CaO的含量就由68%降低至64%，生產(chǎn)每噸水泥熟料產(chǎn)生的過程CO₂排放也會減少約30千克。

　　為降低水泥熟料石灰飽和系數(shù)、提高水泥熟料的物理、力學特性，中國建筑材料科學研究總院（以下簡稱是建材總院）研究開發(fā)了硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥。這種水泥熟料中CaO含量低于64%，熟料的煅燒溫度約為1300℃，在礦渣摻量達50%時，可穩(wěn)定生產(chǎn)42.5MPa強度等級的水泥。對比于硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥生產(chǎn)的過程CO₂排放可減少約5%；由于燒成溫度降低和混合材摻量增加，水泥生產(chǎn)的單位CO₂排放也有顯著的下降。

　　水泥熟料生產(chǎn)會產(chǎn)生較多的過程CO₂排放，減少水泥中熟料的含量就會顯著地減少過程排放，但這必須以保證水泥的性能為前題。水泥中熟料系數(shù)平均約為0.75，即含有約75%的熟料，另有25%的石膏和混合材。水泥熟料28d強度約為60Mpa，配制成水泥后可達到42.5MMa的強度等級。通過提高水泥強度或是增加混合材活性，就可以在保證水泥性能的同時，增加水泥中混合材的摻量。通常提高水泥熟料強度1個Mpa，就可以增加混合材摻量約2%，進而獲得近似2%的CO₂減排。建材總院研究開發(fā)的高性能水泥熟料煅燒技術，可提高熟料強度5MPa至10MPa。這一技術的推廣應用具有顯著的經(jīng)濟效益和CO₂減排效果。

　　提高混合材活性、增加混合材摻量不僅可以獲得大幅度的過程CO₂減排，而且可以實現(xiàn)綜合利用，因而一直受到廣泛的關注。我國曾經(jīng)制定有低熟料和無熟料水泥系列標準，以用于指導和規(guī)范相應水泥品種的生產(chǎn)。目前，一些工業(yè)化國家在這種水泥系列研究中取得了較大進展。有報導表明在礦渣摻量達85%-90%時，水泥仍有適宜的應用性能。建材總院及全國水泥標準化技術委員會也正積極開展研究工作，恢復相關的水泥系列標準，同時要求在強度等性能指標上有較顯著的提高。這對減少水泥生產(chǎn)的過程CO₂排放及能源消耗CO₂排放都有重大的意義。

　　3.水泥生產(chǎn)的能耗CO₂減排
　　水泥生產(chǎn)燃料和電力的消耗會產(chǎn)生能耗CO₂排放，提高水泥生產(chǎn)工藝技術水平及能源利用效率，就可以顯著地減少能耗CO₂排放。

　　燃料消耗主要是用于水泥熟料煅燒的燃煤，而燃煤燃燒提供了熟料形成所需熱量，同時也產(chǎn)生了窯爐筒體、出窯爐煙氣及入篦冷機熟料帶出的三大熱損失。

　　降低水泥熟料形成溫度、加速水泥熟料礦物形成可以減少燃煤用量及CO₂排放量。助熔劑和礦化劑可以顯著改善水泥熟料的易燃性，實現(xiàn)水泥熟料的低溫煅燒，長期以來一直受到廣泛的重視，有研究表明采用適宜的助熔劑和礦化劑，可以使水泥熟料形成溫度降低至1350℃，減少熱耗達25千克標準煤噸熟料，相應的CO₂減排量也達到約62千克噸熟料。但是，如何防止助熔劑和礦化劑的揮發(fā)及對環(huán)境的影響，如何實現(xiàn)窯爐工藝系統(tǒng)的最佳操作，仍是助熔劑和礦化劑被廣泛、實際應用時所要解決的重要問題。

　　窯爐筒體的表面散熱約為水泥熟料燒成熱耗的10%。通過窯爐筒體保溫技術及筒體表面散熱回收利用，可以減少約2%的熱損失。通過提高篦冷機的換熱效率、采用余熱發(fā)電技術則可以回收利用出窯爐煙氣及入篦冷機熟料帶出的大部分熱量。較為先進篦冷機的熱效率可達到80%，而余熱發(fā)電系統(tǒng)的單位熟料發(fā)電量達到40kWh/t。目前，建材總院承擔的國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）課題“熟料分段燒成動力學及過程控制”，旨在研究水泥熟料快速反應形成機制，確定燒成過程最佳能量的配置，在探究降低水泥經(jīng)熟料形成理論熱耗的同時，提出新型的、高能效窯爐技術原型，進而實現(xiàn)窯爐三大熱耗的顯著降低。

　　采用替代燃料代替燃煤是水泥生產(chǎn)的能耗CO₂減排的重要途徑。替代燃料是一些具有較高熱值（23000KJ/kg）的廢棄物，經(jīng)加工處理后可代替部分燃煤用于水泥熟料的煅燒。替代燃料中含有一定量的有機碳氫化合物，在相同熱值條件下替代燃料CO₂排放因子比燃煤的低約20%。另一些生物質替代燃料被公認為碳中性物質，即生物質替代燃料燃燒釋放出的CO₂被認為是對氣候無影響，可不計入工業(yè)CO2排放中。若全國水泥工業(yè)每年利用替代燃料1000萬噸，利用生物質能100萬噸，也可減少CO₂排放約700多萬噸。目前，建材總院正研究制定有關國家標準，以促進和規(guī)范替代燃料在水泥生產(chǎn)中高效、環(huán)保的應用。

　　電力消耗伴隨著水泥生產(chǎn)的全過程，根據(jù)國家工信部的有關指導意見，建材總院研究開發(fā)有水泥生產(chǎn)企業(yè)電能在線檢測分析信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)對重要用能設備、生產(chǎn)流程等生產(chǎn)能耗動態(tài)過程進行數(shù)據(jù)收集、分析和對比，以發(fā)現(xiàn)電能消耗過程和結構中存在的問題；通過優(yōu)化工藝過程和運行參數(shù)，提高企業(yè)能源管理水平和能源效率。電能在線檢測分析信息系統(tǒng)是建立企業(yè)能源管理中心的基本內容，并可以通過強化電能管理、優(yōu)化工藝過程，獲得3%-5%的節(jié)能效果。以一條日產(chǎn)5000t熟料水泥生產(chǎn)線計，該生產(chǎn)線的年電耗約為2億2千萬度（kWh）電能，采用在線檢測分析信息系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)電能信息化管理，而且可以實現(xiàn)年節(jié)電6百萬度以上，減少CO₂排放也可達5000多噸。目前，這一系統(tǒng)已在北京水泥廠安裝并進行試運行。

　　粉磨設備、大功率風機及大型電機是水泥生產(chǎn)過程中的主要耗電單元。通過采用輥壓機、立磨等新型粉磨設備，采用變頻調速技術及采用高效電機，可以顯著地降低生產(chǎn)電耗。例如，由合肥水泥研究設計院開發(fā)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)，單位產(chǎn)品電耗降低至18kWh/t以下。新型工藝及設備的不斷研發(fā)和廣泛采用，既提高生產(chǎn)技術水平和生產(chǎn)效率，同時也降低了能耗及CO₂排放量。

　　3.水泥生產(chǎn)CO₂減排新技術研究
　　為大幅度減少水泥生產(chǎn)CO₂排放，有廣泛的研究開發(fā)低CO₂排放水泥品種，或對高CO₂濃度的廢氣進行捕集、貯存和分離、應用。

　　有研究機構采用輕燒氧化鎂，與粉煤灰等工業(yè)廢棄物混和、加水攪拌后制成鎂建筑制品，再通過碳化或是對水泥窯爐煙氣中CO₂進行吸附、反應，形成碳氫化合物 Mg(HCO₃)(OH)•2H₂O，使鎂建筑制品在2周的強度達18MPa，超過硅酸鹽水泥建筑制品強度的兩倍多。鎂建筑制品加工實現(xiàn)了過程CO₂釋放和吸收的循環(huán)，即過程CO₂的零排放。還有研究提出了采用廢棄水泥砂漿及廢棄水泥混凝土，中低溫生產(chǎn)制備二次水泥的新工藝。水泥礦物水化后形成有C-S-H凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。通過組分的適當調整及在700℃下的中溫煅燒，就會形成具有膠凝性的礦物。這不僅有效地處置和利用了大量的建筑廢棄物，而且消除了水泥生產(chǎn)的過程CO₂減排。

　　CO₂的捕集與封存是將化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO₂進行捕集，并長期封存在地質結構中。這可將大規(guī)模工業(yè)的二氧化碳排放量降低85%左右。我國也有大型水泥生產(chǎn)企業(yè)單一生產(chǎn)基地的年水泥熟料產(chǎn)量達數(shù)百萬噸，排放的CO₂總量也有數(shù)百萬噸；由于煙氣中CO₂濃度達約30%，非常適合捕集和封存處理。CO₂分離和利用首先是通過化學吸收、物理吸收、吸附、膜分離、深冷分離等方法將窯爐煙氣中的CO₂進行分離，獲得不同純度CO₂氣體產(chǎn)品，再進行各項工業(yè)應用，包括化工合成、金屬冶煉等。

　　碳匯是通過植物生長對CO₂進行吸收。通常，植物中的碳含量可達到約50%，因此發(fā)展林業(yè)、種植業(yè)有利于CO₂的吸收。有研究采用微藻吸碳不僅可以加速CO₂的吸收，而且可以為生物質能制備提供原料。另外，一些植物生長需要較高的CO₂濃度，可達5%；將水泥窯爐高CO₂含量煙氣送入植物溫室大棚也是一條可探索的CO₂減排路徑。