水泥厂CO2捕集及产品化应用探讨

肖阳

水泥厂CO2捕集及产品化应用探讨

Discussion on CO2Capture and Production Application in Cement Plant

肖阳

从推动水泥行业CO2捕集的政策导向出发，介绍了水泥厂CO2的主要排放源和排放量，可知水泥行业是CO2的排放大户，进行相关研究和产品化应用意义重大。对适合水泥厂CO2捕集的技术以及产品化应用的可行性进行了探讨，并就目前水泥行业在该领域的应用提出相关建议。

水泥厂；CO2捕集；产品化

水泥生产过程产生的CO2排放约占全球人类活动排放的5%，我国水泥行业排放的CO2占全国CO2排放总量的14%～15%，控制CO2排放是水泥工业面临的严峻挑战，也是实现水泥工业科技进步的重要推动力。

国家发改委于2013年发布《关于推动碳捕集、利用和封存试验示范的通知》，提出推动碳捕集、利用和封存（CCUS）试验示范是“十二五”控制温室气体排放工作的一项重点任务。首次明确在火电、煤化工、水泥和钢铁行业中开展碳捕集试验项目，研究制定相关标准及相关政策激励机制。分析认为，国家发改委正式发文促进CCUS发展，意味着未来这一产业有望提速进入大规模商业化阶段。据测算，未来10年这一产业的市场规模有望达到数百亿元，这是国家首次明确CCUS产业未来的商业化导向。

1 水泥厂的CO2排放

水泥生产的工艺特点表明，水泥企业的CO2排放主要包括熟料煅烧过程中石灰质原料分解产生的排放、各种燃料燃烧产生的排放以及电力消耗产生的排放。

据统计与核算研究确定，水泥工艺过程生料中石灰质原料分解产生的碳排放约为0.53tCO2/t熟料；水泥生产消耗的燃料包括各种燃煤、燃油等，对我国不同规模的生产线能耗情况调研分析发现，熟料烧成热耗平均约为3 219kJ/kg熟料，核算得到燃料消耗产生的CO2排放量约为0.31tCO2/t熟料；综合测算吨熟料产生的CO2量为0.935t。

由此可知，CO2是生产水泥熟料的主要副产品，原料分解和燃料燃烧所产生的CO2通过窑尾烟气排放到大气环境中。据测定，在窑尾方向排放的CO2含量约占20%～30%。

因此从排放量上看，水泥工业是工业领域中CO2排放大户，对水泥厂CO2捕集进行深入的研究和应用具有非常重要的意义。

2 适合水泥行业的CO2捕集技术探讨

2.1 关于各行业可采用的CO2捕集技术

总体来说，CO2的捕集方式主要有三种：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。

燃烧前捕集主要运用于IGCC（整体煤气化联合循环）系统中，将煤高压富氧气化变成煤气，再经过水煤气变换后产生CO2和氢气，气体压力和CO2浓度都很高，很容易对CO2进行捕集。剩下的H2可以当作燃料使用。

富氧燃烧采用传统燃煤电站的技术流程，但通过制氧技术将空气中大比例的氮气脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。该技术目前面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高，还没找到一种廉价低耗的能动技术。

燃烧后捕集即在燃烧排放的烟气中捕集CO2，将CO2从排放烟气中分离出来，该捕获系统不需要对现有的生产设备进行过多的结构改造，因此有较为广泛的适应性和较大的市场潜力。目前常用的燃烧后CO2捕集分离技术主要有化学吸收法（利用酸碱性吸收）和物理吸收法（变温或变压吸附），此外还有膜分离法技术。欧洲工业界普遍认为化学吸收是一个成熟的CO2捕获技术，因为有长期的试验经验，可从不同的工业部门得到求证。

2.2 水泥行业CO2捕集技术——化学吸收法

针对水泥厂烟气的特点，采用化学吸收法进行CO2的捕集目前来说是最适合的方法。在低温条件下用化学溶剂吸收烟气中的CO2，溶液加热时，CO2从化学溶剂中解析出来，得到高浓度的CO2，溶液循环使用。其技术特点如下：

（1）采用化学吸收法进行燃烧后CO2捕集，具有吸收速度快、吸收能力强、处理量大、回收CO2纯度高等优点。

（2）设置烟气预处理系统，烟气脱硫后，再脱除携带的粉尘、水等杂质，同时使用抗氧化剂和缓蚀剂，吸收剂消耗低，设备腐蚀小。

（3）CO2捕集采用贫富液换热器、CO2冷却器等多级换热，热量综合利用，系统能耗低。

（4）采用尾气洗涤、气液分离等系统，充分回收尾气中的氨溶液，并保持整个捕集系统的水平衡，氨溶液和水消耗量低。

3 水泥厂捕集CO2的产品化应用探讨

3.1 CO2作为工业产品用途广泛

CO2在常温常压下是无色、无臭、无味的气体，相对分子质量为44.01，比重1.53，密度1.977g/L，在大气中的含量为0.03%。CO2是一种宝贵的碳、氧资源，它在地球的储量比天然气、石油和煤的总和还多数倍。目前，CO2广泛应用于冶金、钢铁、石油、化工、电子、食品、医疗等领域。

CO2作为一种安全可靠的天然制冷剂，近几年已引起广泛关注，是公认的环保型自然制冷剂，除了在汽车空调领域应用外，CO2在超市陈列冷柜、家电空调、热泵、军用场合制冷等方面的应用研究也取得很多进展。

液态CO2直接喷射到食品上，可使食品瞬间快速降温冻结，食品的细胞不会被破坏，可保持原有鲜度和色香味，最大优点是冻结食品的质量等级明显优于传统冻结。

干冰是理想的制冷剂，总的冷却能力约为水冷却的2倍，最大特点是吸热升华时不留痕迹，不会浸湿产品，无毒，不会造成二次污染，可广泛用于食品、果蔬、海产品、水产品、鲜肉及制品、奶酪制品及航空食品等的保鲜、保存、运输。

3.2 水泥厂捕集CO2的产品化投资测算

整个系统的投资可分为三部分，即捕集纯化部分、压缩干燥液化部分和存储部分。据测算，捕集纯化部分的投资占了整个投资的56%，是整个系统投资最大的部分；其次是干燥液化部分，占32%；存储部分则相对来说设备较少，安装简单，仅占投资的12%。图1为CO2捕集项目投资比例分布。

图1 CO2捕集项目投资比例分布

直接决定工程费用的是烟气CO2捕集规模的大小，根据目前国外的一些水泥厂烟气CO2捕集项目的投资，统计出系统费用与捕集规模之间的关系，如图2所示，取捕集规模的对数值作为横坐标，取捕集每吨CO2所需的系统费用为纵坐标。

图2 工程费用与捕集规模的关系

由图2可以看出，随着捕集规模的增大，系统对应的单位捕集产品的建设投资费用随之减小。当捕集规模为3 000t/年的时候，系统费用可达6 700元/吨，若捕集规模能达到100万吨/年，则单位系统费用则可降低到450元/吨，差别达到了15倍以上。

因此，在技术条件和投资允许的前提下，应该尽量增大捕集规模。

4 关于目前水泥行业CO2捕集及产品化的建议

（1）相关部门编制整个水泥行业层面的二氧化碳捕集与产品化利用规划，统一部署指导该领域的研究，避免部分研究内容重复、分散，而一些重要研究方向存在空白。

（2）加大科研投入力度，尽快开展几个具有规模效应的二氧化碳捕集及利用的示范项目，以全面掌握技术，降低运行能耗和投资成本。

（3）由行业协会牵头，为水泥行业经济利用二氧化碳寻找出路，并为此向政府有关部委争取相应的资金支持和配套优惠政策。■

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1001-6171（2017）05-0089-05

2017-04-17； 编辑：张志红