水泥廠CO2捕集及產(chǎn)品化應(yīng)用探討

肖陽

水泥廠CO2捕集及產(chǎn)品化應(yīng)用探討

Discussion on CO2Capture and Production Application in Cement Plant

肖陽

從推動水泥行業(yè)CO2捕集的政策導(dǎo)向出發(fā)，介紹了水泥廠CO2的主要排放源和排放量，可知水泥行業(yè)是CO2的排放大戶，進(jìn)行相關(guān)研究和產(chǎn)品化應(yīng)用意義重大。對適合水泥廠CO2捕集的技術(shù)以及產(chǎn)品化應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討，并就目前水泥行業(yè)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提出相關(guān)建議。

水泥廠；CO2捕集；產(chǎn)品化

水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2排放約占全球人類活動排放的5%，我國水泥行業(yè)排放的CO2占全國CO2排放總量的14%～15%，控制CO2排放是水泥工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)科技進(jìn)步的重要推動力。

國家發(fā)改委于2013年發(fā)布《關(guān)于推動碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》，提出推動碳捕集、利用和封存（CCUS）試驗(yàn)示范是“十二五”控制溫室氣體排放工作的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。首次明確在火電、煤化工、水泥和鋼鐵行業(yè)中開展碳捕集試驗(yàn)項(xiàng)目，研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策激勵機(jī)制。分析認(rèn)為，國家發(fā)改委正式發(fā)文促進(jìn)CCUS發(fā)展，意味著未來這一產(chǎn)業(yè)有望提速進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化階段。據(jù)測算，未來10年這一產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模有望達(dá)到數(shù)百億元，這是國家首次明確CCUS產(chǎn)業(yè)未來的商業(yè)化導(dǎo)向。

1 水泥廠的CO2排放

水泥生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)表明，水泥企業(yè)的CO2排放主要包括熟料煅燒過程中石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的排放、各種燃料燃燒產(chǎn)生的排放以及電力消耗產(chǎn)生的排放。

據(jù)統(tǒng)計與核算研究確定，水泥工藝過程生料中石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的碳排放約為0.53tCO2/t熟料；水泥生產(chǎn)消耗的燃料包括各種燃煤、燃油等，對我國不同規(guī)模的生產(chǎn)線能耗情況調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，熟料燒成熱耗平均約為3 219kJ/kg熟料，核算得到燃料消耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.31tCO2/t熟料；綜合測算噸熟料產(chǎn)生的CO2量為0.935t。

由此可知，CO2是生產(chǎn)水泥熟料的主要副產(chǎn)品，原料分解和燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2通過窯尾煙氣排放到大氣環(huán)境中。據(jù)測定，在窯尾方向排放的CO2含量約占20%～30%。

因此從排放量上看，水泥工業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中CO2排放大戶，對水泥廠CO2捕集進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 適合水泥行業(yè)的CO2捕集技術(shù)探討

2.1 關(guān)于各行業(yè)可采用的CO2捕集技術(shù)

總體來說，CO2的捕集方式主要有三種：燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。

燃燒前捕集主要運(yùn)用于IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）系統(tǒng)中，將煤高壓富氧氣化變成煤氣，再經(jīng)過水煤氣變換后產(chǎn)生CO2和氫氣，氣體壓力和CO2濃度都很高，很容易對CO2進(jìn)行捕集。剩下的H2可以當(dāng)作燃料使用。

富氧燃燒采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程，但通過制氧技術(shù)將空氣中大比例的氮?dú)饷摮?，直接采用高濃度的氧氣與抽回的部分煙氣的混合氣體來替代空氣，這樣得到的煙氣中有高濃度的CO2氣體，可以直接進(jìn)行處理和封存。該技術(shù)目前面臨的最大難題是制氧技術(shù)的投資和能耗太高，還沒找到一種廉價低耗的能動技術(shù)。

燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2，將CO2從排放煙氣中分離出來，該捕獲系統(tǒng)不需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行過多的結(jié)構(gòu)改造，因此有較為廣泛的適應(yīng)性和較大的市場潛力。目前常用的燃燒后CO2捕集分離技術(shù)主要有化學(xué)吸收法（利用酸堿性吸收）和物理吸收法（變溫或變壓吸附），此外還有膜分離法技術(shù)。歐洲工業(yè)界普遍認(rèn)為化學(xué)吸收是一個成熟的CO2捕獲技術(shù)，因?yàn)橛虚L期的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可從不同的工業(yè)部門得到求證。

2.2 水泥行業(yè)CO2捕集技術(shù)——化學(xué)吸收法

針對水泥廠煙氣的特點(diǎn)，采用化學(xué)吸收法進(jìn)行CO2的捕集目前來說是最適合的方法。在低溫條件下用化學(xué)溶劑吸收煙氣中的CO2，溶液加熱時，CO2從化學(xué)溶劑中解析出來，得到高濃度的CO2，溶液循環(huán)使用。其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用化學(xué)吸收法進(jìn)行燃燒后CO2捕集，具有吸收速度快、吸收能力強(qiáng)、處理量大、回收CO2純度高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）設(shè)置煙氣預(yù)處理系統(tǒng)，煙氣脫硫后，再脫除攜帶的粉塵、水等雜質(zhì)，同時使用抗氧化劑和緩蝕劑，吸收劑消耗低，設(shè)備腐蝕小。

（3）CO2捕集采用貧富液換熱器、CO2冷卻器等多級換熱，熱量綜合利用，系統(tǒng)能耗低。

（4）采用尾氣洗滌、氣液分離等系統(tǒng)，充分回收尾氣中的氨溶液，并保持整個捕集系統(tǒng)的水平衡，氨溶液和水消耗量低。

3 水泥廠捕集CO2的產(chǎn)品化應(yīng)用探討

3.1 CO2作為工業(yè)產(chǎn)品用途廣泛

CO2在常溫常壓下是無色、無臭、無味的氣體，相對分子質(zhì)量為44.01，比重1.53，密度1.977g/L，在大氣中的含量為0.03%。CO2是一種寶貴的碳、氧資源，它在地球的儲量比天然氣、石油和煤的總和還多數(shù)倍。目前，CO2廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、石油、化工、電子、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域。

CO2作為一種安全可靠的天然制冷劑，近幾年已引起廣泛關(guān)注，是公認(rèn)的環(huán)保型自然制冷劑，除了在汽車空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用外，CO2在超市陳列冷柜、家電空調(diào)、熱泵、軍用場合制冷等方面的應(yīng)用研究也取得很多進(jìn)展。

液態(tài)CO2直接噴射到食品上，可使食品瞬間快速降溫凍結(jié)，食品的細(xì)胞不會被破壞，可保持原有鮮度和色香味，最大優(yōu)點(diǎn)是凍結(jié)食品的質(zhì)量等級明顯優(yōu)于傳統(tǒng)凍結(jié)。

干冰是理想的制冷劑，總的冷卻能力約為水冷卻的2倍，最大特點(diǎn)是吸熱升華時不留痕跡，不會浸濕產(chǎn)品，無毒，不會造成二次污染，可廣泛用于食品、果蔬、海產(chǎn)品、水產(chǎn)品、鮮肉及制品、奶酪制品及航空食品等的保鮮、保存、運(yùn)輸。

3.2 水泥廠捕集CO2的產(chǎn)品化投資測算

整個系統(tǒng)的投資可分為三部分，即捕集純化部分、壓縮干燥液化部分和存儲部分。據(jù)測算，捕集純化部分的投資占了整個投資的56%，是整個系統(tǒng)投資最大的部分；其次是干燥液化部分，占32%；存儲部分則相對來說設(shè)備較少，安裝簡單，僅占投資的12%。圖1為CO2捕集項(xiàng)目投資比例分布。

圖1 CO2捕集項(xiàng)目投資比例分布

直接決定工程費(fèi)用的是煙氣CO2捕集規(guī)模的大小，根據(jù)目前國外的一些水泥廠煙氣CO2捕集項(xiàng)目的投資，統(tǒng)計出系統(tǒng)費(fèi)用與捕集規(guī)模之間的關(guān)系，如圖2所示，取捕集規(guī)模的對數(shù)值作為橫坐標(biāo)，取捕集每噸CO2所需的系統(tǒng)費(fèi)用為縱坐標(biāo)。

圖2 工程費(fèi)用與捕集規(guī)模的關(guān)系

由圖2可以看出，隨著捕集規(guī)模的增大，系統(tǒng)對應(yīng)的單位捕集產(chǎn)品的建設(shè)投資費(fèi)用隨之減小。當(dāng)捕集規(guī)模為3 000t/年的時候，系統(tǒng)費(fèi)用可達(dá)6 700元/噸，若捕集規(guī)模能達(dá)到100萬噸/年，則單位系統(tǒng)費(fèi)用則可降低到450元/噸，差別達(dá)到了15倍以上。

因此，在技術(shù)條件和投資允許的前提下，應(yīng)該盡量增大捕集規(guī)模。

4 關(guān)于目前水泥行業(yè)CO2捕集及產(chǎn)品化的建議

（1）相關(guān)部門編制整個水泥行業(yè)層面的二氧化碳捕集與產(chǎn)品化利用規(guī)劃，統(tǒng)一部署指導(dǎo)該領(lǐng)域的研究，避免部分研究內(nèi)容重復(fù)、分散，而一些重要研究方向存在空白。

（2）加大科研投入力度，盡快開展幾個具有規(guī)模效應(yīng)的二氧化碳捕集及利用的示范項(xiàng)目，以全面掌握技術(shù)，降低運(yùn)行能耗和投資成本。

（3）由行業(yè)協(xié)會牽頭，為水泥行業(yè)經(jīng)濟(jì)利用二氧化碳尋找出路，并為此向政府有關(guān)部委爭取相應(yīng)的資金支持和配套優(yōu)惠政策。■

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1001-6171（2017）05-0089-05

2017-04-17； 編輯：張志紅