水泥企業碳捕集方案技術及經濟性分析

謝輝（北京金隅集團股份有限公司 北京 100013）

孫立勛（唐山冀東水泥股份有限公司 河北 唐山 063000）

李治（北京建筑材料科學研究總院有限公司 北京 100041）

0 引言

1 研究基礎

眾多研究表明，CO2是導致全球氣候變暖的主要因素，這一點目前已經在世界范圍內得到一致認可[1]。在全球共同應對氣候變化的背景下，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC） 于2006 年發布了《CCS技術特別報告》[2]，此后碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）便開始受到重視，并被當作是一種極具潛力的溫室氣體減排途徑，在世界范圍內逐漸受到廣泛關注。CCS 這一技術主要是在化石燃料的使用過程中實現大規模減排，與全球應對氣候變化中的發展替代能源（可再生能源、核能等），提高能源效率這兩種減排方式結合使用，期望能在全球減排行動中發揮重要作用。中國十分重視CCS 技術的發展，并且出臺了一系列相關政策支持CCUS 技術發展與試點示范。

1.1 研究對象基本情況

以某水泥廠為研究對象，采用技術參數對比、經濟成本核算等方式，為水泥廠增設碳捕集系統進行技術方案對比與經濟性分析。研究的水泥企業建設有1 條4 000t/d 和1 條5 000t/d 的新型干法熟料生產線，碳捕集系統基于5 000t/d 的熟料產線建設，其水泥窯尾煙氣情況如表1 所示。

水泥廠其他相關生產參數如表2 所示。

1.2 碳捕集技術現狀

根據捕集技術的基本原理與技術適用性，可以將碳捕集技術分為燃燒前捕集技術、富氧燃燒技術以及燃燒后捕集技術。

此外，根據水泥行業的工藝流程特點，在原料煅燒時，其中所含有的碳酸鹽分解也會釋放出大量CO2。外燃式旋窯碳捕集技術能夠對該部分產生的CO2進行捕集。

外燃式旋窯碳捕集技術是水泥行業特有的捕集技術，通過建設外燃式回轉窯，將燃料與物料分開，在窯內完成對物料的分解，分解產生的高濃度CO2氣流經進一步加工成為CO2產品，并產生一定的副產品。

表1 水泥廠煙氣情況

表2 水泥廠相關生產參數情況

1.3 技術經濟性評價方法

碳捕集技術成本主要包括相應項目在建設期及運營期的成本。對于CCUS 項目成本的核算，有以下原則：

（1）增量性原則；

（2）收付實現制原則；

（3）市價計價原則；

（4）分期核算原則。

2 化學吸收法捕集方案工藝流程

對現有碳捕集技術在水泥行業的適用性進行分析，由于燃料燃燒產生的碳排放僅占總排放的30%左右，因此燃燒前捕集技術不適用于水泥行業；富氧燃燒技術目前主要停留在理論研究階段，實際示范案例較少，并且其在水泥行業的應用前景尚不明朗，因此富氧燃燒技術現階段不適用于水泥行業；燃燒后捕集技術是適用性最廣的碳捕集技術，已經在多個行業建成示范項目，化學吸收法是其中應用成熟度最高的技術。因此，選取化學吸收法與進行分析。

2.1 化學吸收法捕集技術

采用化學吸收法捕集水泥窯尾煙氣中的CO2，分為兩個階段：第一階段是采用化學吸收劑將CO2由約20%提濃至95%左右，第二階段是采用吸附精餾法提純至99.9%以上。化學吸收技術方案的工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 化學吸收技術碳捕集流程示意圖

具體流程如下：

2.1.1 水洗脫硫

水泥廠窯尾煙氣在引風機的作用下通過密封管道從水洗塔下部進入塔中，煙道氣迅速降溫，同時氣體中夾帶的微量灰塵被溶劑洗凈，進入脫硫水洗塔后，與從上向下流動的脫硫溶液逆流接觸，二氧化硫和氮氧化物被溶劑部分吸收轉換。經過水洗和脫硫后，煙道氣得到凈化，從脫硫水洗塔中出來，由引風機送到吸收解吸工段。

2.1.2 吸收解吸

煙道氣被引入化學吸收塔中，在向上的流動過程中，混合氣中的CO2被向下流動的化學吸收劑吸收，形成富含CO2的富液，由堿液泵經過貧富液換熱器送到再生塔中。

從吸收塔底出來的富液，由泵送出，一部分經過貧富液換熱器與貧液換熱，送到再生塔的頂部。另一部分富液不經過貧富液換熱器加熱，直接引到再生塔頂降溫。兩股進入再生塔的富液在向下流過填料層的過程中，被從下面進入的塔釜蒸汽加熱，富液中的CO2從溶液中解吸出來，從塔頂富集排出塔外。流到塔釜的基本不含CO2的貧液，進入貧富液換熱器中降溫，由貧液泵送出，經過水冷卻器降溫后，再送往吸收塔上部循環使用。

2.1.3 壓縮液化

CO2原料氣從提濃裝置引來，經過鼓風機送入壓縮機中，經多級壓縮后，引入除雜裝置中。CO2氣流經脫硫、干燥后分為兩股，一股在冷卻液化后進入工業級精餾塔，成為工業級液體CO2產品；另一股需要進行吸附除雜處理，之后進行冷卻液化，再送入食品級精餾塔，成為純度更高的食品級液體CO2產品。

3 捕集方案經濟性分析

本方案基于化學吸收法碳捕集技術，對現有5 000t/d 的熟料生產線進行改造，考慮捕集CO2規模為10 萬t/a。

3.1 初期投資增量成本核算

初期需要投入的增量投資成本包括所涉及的全部設備、土建、安裝及其他費用。初期投資增量成本核算結果見表3。

表3 初期投資增量成本核算表

3.2 年運行費用增量成本核算

CO2捕集過程的運行消耗包括溶劑消耗、電耗、蒸汽消耗等，并考慮人工與系統維護等費用，具體核算結果見表4。

表4 年運行費用增量成本核算表

4 結語

通過分析碳捕集技術的特點，發現在現有碳捕集技術中，目前僅有化學吸收技術以及外燃式旋窯碳捕集技術在水泥行業中具有適用性。化學吸收法作為現階段最為成熟的碳捕集技術，已有多個示范及大規模項目經驗，具有捕集量大，對原有設備改動較小，裝配及操作靈活性大的特點；外燃式旋窯碳捕集技術作為水泥行業特有的捕集路徑，與水泥企業結合度高，并且除CO2產品外，還可以得到高品質CaO、MgO 等產品，收益良好。

化學吸收捕集系統只能與水泥生產線同時運行，并可以依托于現有生產線的改造，同時也可以結合新建生產線建設，能夠捕集原料煅燒及燃料燃燒階段產生的CO2。

鑒于目前碳捕集技術仍存在成本較高的問題，可與地方政府、發改委、生態環境局等相關部門積極溝通，爭取相關政策支持，降低企業投資成本，減少投資回收期，提高經濟可行性。