CO2矿化技术在可持续水泥生产中的模拟优化与碳减排潜力研究

为解决水泥行业高CO2排放难题，研究人员通过Aspen Plus模拟优化CO2矿化反应，提出集成CCUS（碳捕集利用与封存）和SRF（固体回收燃料）的创新工艺。研究在1 bar、303 K条件下实现98.3%的CO2转化率，并通过技术经济分析验证其减排潜力，为水泥工业低碳转型提供关键技术支撑。

　　

论文解读：

全球水泥行业贡献了约8%的CO₂排放，其中半数源自石灰石煅烧的固有化学反应。尽管采用替代燃料和能效改进，传统减排手段仍难以满足碳中和需求。在此背景下，CO₂矿化技术因其能将温室气体转化为稳定碳酸盐的特性，成为CCUS领域最具潜力的解决方案之一。然而，反应效率低、规模化应用难等问题制约其工业化进程。

研究人员基于Moon等提出的插流反应器实验模型，采用Aspen Plus构建了包含产物分离单元的CO₂矿化系统。通过响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）优化关键参数，同时评估了SRF与天然气不同能源组合的技术经济性。

主要技术方法包括：1）基于电解质模型的反应动力学模拟；2）多变量参数优化设计；3）三案例对比分析（SRF-CO₂+天然气、水泥厂CO₂+天然气、水泥厂CO₂+SRF）。

结果与讨论

• 参数优化：在1 bar、303 K、CaCl₂:CO₂:KOH:N₂摩尔比1:2.06:4.05:7.08条件下，45秒停留时间可实现98.3%转化率。压力（2-3 atm）被证明是提升气固接触效率的关键因子。
• 技术经济分析：案例3（水泥厂CO₂+SRF）展现出最佳经济性，通过废物能源化实现双重减排，验证了"以废治废"路线的可行性。
• 反应机制：CaCl₂与KOH生成的Ca(OH)₂优先与CO₂反应生成CaCO₃，而SRF热解产生的Cl₂通过形成CaCl₂实现反应物循环。

结论
该研究首次将CO₂矿化、废物协同处置与过程优化系统整合，证明插流反应器在工业尺度应用的潜力。通过将水泥厂从CO₂排放源转变为碳汇，为构建"负排放"生产体系提供关键技术路径。研究结果对实现《巴黎协定》1.5℃温控目标下的工业深度减排具有重要参考价值。