熟料生产部分与完全电气化的技术经济分析 (TEA)

《Energy》：Techno-economic analysis (TEA) of partial and full electrification of clinker production

　　•Aspen Plus建模与技术经济评估，用于评估部分及完全熟料电气化
•电气化减少化石燃料使用，同时增加总能源需求
•绿色电力可实现高达92%的净CO?排放削减
•电力碳强度决定环境与经济绩效
•部分电气化是近期最可行的脱碳路径

引言

全球水泥产量目前每年超过40亿吨，并因快速城市化、人口增长及基础设施需求扩大（特别是在发展中经济体）而预计将进一步增加[1]，[2]。尽管水泥在经济发展中扮演不可或缺的角色，但其生产是能源密集度和碳密集度最高的工业过程之一，贡献了全球人为二氧化碳（CO?）排放量的约7–8%[2]，[3]。因此，水泥行业脱碳已成为全球实现气候缓解目标和净零排放目标努力中的关键组成部分[4]。水泥生产的大量碳足迹源于两个主要来源：约60%的总CO?排放来自熟料生产过程中石灰石的煅烧，其余排放则与为满足工艺高热量需求而燃烧的化石燃料相关[5]。现代回转窑运行温度超过1450°C，严重依赖煤、石油焦、天然气及其他碳密集型燃料。环境问题及随之而来的严格法规、不断上升的碳定价以及长期化石燃料供应相关的不确定性，是迫使水泥行业向更可持续生产路径转型的因素之一[6]，[7]。

电气化近来已成为水泥制造深度脱碳最有前景的路径之一[8]，[9]。通过用电力（最好由可再生能源产生）替代基于化石燃料的热能，电气化可以大幅减少或消除燃烧相关排放，同时减少对非可再生能源的依赖。此外，与传统燃烧系统不同，电气化水泥生产可以从石灰石煅烧中产生相对纯净的工艺来源CO?流，不会被燃烧气体稀释[10]，[11]。这种浓缩CO?流可以显著降低与碳捕集、净化和利用相关的能源和成本需求，从而为电气化与碳管理技术的协同整合创造机会[11]，[12]。

受这些潜在效益驱动，电气化已日益受到研究人员、技术开发者、政府和行业利益相关者的关注[13]。大量投资已用于水泥生产中电加热工艺的开发与示范，导致实验室规模和中试规模研究的数量不断增加。各种电气化技术，包括电阻加热、等离子体辅助加热、感应加热、微波加热、辐射加热和电加热分解炉，目前正被探索作为传统化石燃料燃烧系统的替代方案[13]，[14]，[15]，[16]。这些努力反映了人们日益认识到工业电气化可能在水泥制造等难以减排行业中实现净零排放方面发挥核心作用。

尽管势头日益增强，但大多数水泥电气化技术仍处于相对较低的技术成熟度水平（TRL），其大规模实施伴随着巨大的技术、经济和运营不确定性[17]，[18]，[19]。从实验室和中试规模示范向商业部署的过渡需要全面了解能源需求、合适的电源和整体系统经济性。因此，需要进行严格的系统级评估，以判断电气化水泥生产是否能在现实工业运行条件下实现有意义的减排，同时保持经济竞争力。此类分析对于向技术开发者提供性能目标、设备规格、电力需求和成功商业化及大规模部署所需的成本阈值等信息也至关重要。

近期研究已调查了电气化熟料生产技术（包括电加热分解炉、等离子体窑和集成配置）的技术经济性能[20]，[21]，[22]。这些研究一致证明了电气化在大幅减少与熟料生产相关的化石燃料消耗和CO?排放方面的潜力。然而，一些可能显著影响电气化熟料厂整体能源、环境和经济绩效的工艺层面因素受到的关注有限。余热回收常常采用简化假设来表征，可能高估实际可回收热能、发电潜力及相关经济效益。对于等离子体窑配置，与等离子体气体循环和补充气体需求相关的能耗、排放和运行成本尚未得到全面量化。同样，CO?净化和捕集经常假设100%捕集效率来建模，这不能充分代表性能限制。这些考虑在高度电气化配置中尤为重要，因为辅助能源需求和工艺整合要求可能显著影响净能耗、排放和经济绩效。因此，需要进行全面的工艺级技术经济评估，明确考虑这些相互作用，以对电气化熟料生产提供更现实的评价。

从经济角度来看，先前研究普遍报告电气化后熟料生产成本上升，主要是由于电力消耗和资本投资增加[20]，[23]，[24]，[25]。由此产生的生产成本增加是电气化水泥制造技术大规模部署的重大挑战。然而，仅基于熟料生产成本评估电气化的经济可行性，并不能完整反映大型工业项目的财务绩效。除了常规技术经济指标外，财务指标如累计折现现金流（CDCF）、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和折现回收期（PBP）提供了关于项目现金生成、投资回报和项目寿命期内资本回收的补充信息。这些指标对行业利益相关者、投资者和项目开发者尤为重要，因为它们提供了对技术部署长期财务影响的更广泛评估。此外，电气化熟料生产的经济绩效强烈依赖于多个相互作用参数，包括电价、电源碳强度、碳定价、资本投资和工艺性能。因此，多参数敏感性分析对于识别主导经济驱动因素和确定电气化熟料生产相对于传统生产可实现改善经济绩效的条件至关重要。类似的综合框架也已应用于难以减排行业[26]，[27]。

为解决这些空白，本研究开发了一个基于Aspen Plus的综合工艺模拟和技术经济评估，涵盖传统、部分电气化和完全电气化熟料生产配置。三种配置在相同的熟料生产能力下，使用一致的系统边界进行评估，并在单位能耗、直接和间接CO?排放、资本投资、运行成本和熟料平准化成本（LCOC）方面进行比较。分析明确纳入了详细的余热回收、等离子体气体循环和补充气体需求，以及CO?净化和捕集，包括其相关能耗、排放和运行成本，从而为评估不同配置的性能建立了统一基础。除常规技术经济指标外，还评估了CDCF、NPV、IRR和折现PBP作为补充财务指标，以表征项目寿命期内的现金流、投资回报和资本回收。通过多参数敏感性分析进一步考察了电价、电源碳强度、碳定价和资本投资的影响，以识别关键经济驱动因素和支配电气化熟料生产财务绩效的条件。总体而言，本研究提供了电气化熟料生产的综合工艺级技术经济和财务评估，同时明确考虑了影响其能源性能、环境影响和长期财务可行性的关键工艺整合需求和经济不确定性。

章节片段

模型开发与模拟

使用Aspen Plus? V14进行质量和能量平衡计算，以模拟水泥生产过程。热力学性质采用Peng–Robinson状态方程配合Boston–Mathias alpha函数修正（PR–BM）进行评估。选择PR–BM物性方法是因为工艺气体以CO?、N?、O?和H?O为主，并且在所考虑的高运行温度下主要保持气相状态。在这些条件下，

关键绩效指标

采用单位能耗、碳强度和经济绩效指标作为关键绩效指标（KPI），以评估和比较三种熟料生产配置。Aspen Plus模拟提供了各配置的物料流率、燃料和电力需求、设备负荷、CO?流量、余热可用量和氩气需求量。这些输出用于计算能源和环境KPI，随后与

结果与讨论

本节提供了水泥制造中电气化技术的综合技术和经济评估。技术评估涵盖不同水泥制造配置的质量和能量平衡、能耗、碳强度和整体排放特征。经济评估涵盖熟料平准化成本和CO?减排成本，以及通过确定累计折现现金流（CDCF）、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和折现回收期（PBP）进行的财务可行性分析。

结论与思考

本研究结合工艺模拟和技术经济分析，比较了传统熟料生产（案例1）、使用电加热分解炉的部分电气化（案例2）以及使用电加热分解炉和等离子体窑的完全电气化（案例3）。各配置在能耗、CO?排放、余热回收、熟料平准化成本（LCOC）和项目盈利能力方面进行了评估。主要结论如下：

•电气化增加了

CRediT作者贡献声明

Shubham Agrawal：写作–初稿，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Aditya Kumar：写作–审阅与编辑，资金获取。Gaurav Sant：写作–审阅与编辑，资金获取。Narayanan Neithalath：写作–审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取

数据可用性声明

提供了补充信息。支持本研究发现的额外数据可应通讯作者合理要求提供。这包括用于成本估算和财务可行性分析的Excel电子表格。

关于使用人工智能的声明

作者声明在研究的设计、分析、结果解释或准备过程中未使用生成式人工智能（AI）工具。AI辅助工具仅用于轻微的语言编辑，以改善稿件的清晰度、语法和科学表述，而所有科学内容、分析、解释和结论完全由作者自行完成。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，可能影响本报告所述工作。

6. 致谢

作者衷心感谢美国能源部第七个清洁能源制造创新研究所——工业卓越电气化工艺（EPIXC；DEEE 0010725）；美国国家科学基金会未来制造计划（DMR 2228782）；以及亚利桑那州立大学碳高效先进材料与结构制造中心（CAMMS）对本工作的支持。亚利桑那州立大学负碳排放中心