集成固体氧化物电解（SOEC）实现 CO2向 CO 转化与余热回收的水泥生产工厂技术经济评估

《Energy》：Techno-economic assessment of a cement production plant integrated with solid oxide electrolysis for CO2-to-CO conversion and waste-heat recovery

　　

水泥生产工厂（CPPs）的脱碳仍然是一项重大挑战，因为煅烧过程会产生不可避免的 CO₂排放。该研究提出并分析了一种新型混合式 CPP 系统，该系统集成了固体氧化物电解池（SOECs），用于将捕集的 CO₂转化为 CO，可使 CPP 的 CO₂排放降低 75.17%。研究评估了两种构型：基础系统，以及通过三个朗肯循环（TRC）实现余热回收的增强系统。研究人员采用经验证的过程模型开展了全面的技术经济分析，包括净现值（NPV）估算、灵敏度分析和蒙特卡罗模拟，以考虑参数不确定性。基础系统和 TRC 集成系统的 CO 平准化成本分别为 1.744 和 1.735 USD kg^?1 CO。TRC 集成提高了系统效率并降低了电力需求，尽管资本成本略有增加，但仍带来了更优的经济表现。灵敏度分析表明，容量因子和税率是影响最显著的参数；不确定性分析进一步证实，在当前市场条件下，系统获得正 NPV 的概率为 68.3–94.6%，表现出较强的经济稳健性。这些结果表明，将 CPP 与高温 SOEC 及余热回收循环耦合，为实现碳中和水泥制造提供了一条在技术上可行、经济上合理且具备可扩展性的路径。

该论文发表于《Energy》，聚焦水泥生产过程深度脱碳这一高排放工业领域的核心难题。水泥生产工厂（cement production plants, CPPs）是工业 CO₂排放的重要来源，其中相当比例并非来自燃料燃烧，而是来源于石灰石煅烧（calcination）这一工艺本征过程排放，因此单纯依靠燃料替代或电力低碳化难以实现充分减排。既有研究已表明，CO₂捕集与转化利用（carbon capture and utilization, CCU）是该领域的重要方向，但对于面向既有水泥厂改造（retrofit-oriented）的工业级方案，尤其是将高温电化学 CO₂还原与水泥窑系统协同集成的技术经济证据仍然不足。与此同时，CO 作为一种重要的平台化学品和潜在储能介质，兼具化工中间体价值与能源载体属性，因此将水泥工艺排放的 CO₂转化为 CO，具有兼顾减排与增值利用的双重意义。

在此背景下，研究人员围绕一种集成式 CaL–SOEC 水泥脱碳路线开展技术经济评估。研究建立了将钙循环（calcium looping, CaL）捕集与固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cells, SOECs）高温还原耦合的混合系统，重点考察两种系统构型：其一为基础系统，其二为在基础系统上进一步集成三重朗肯循环（triple Rankine cycles, TRC）余热回收模块的增强系统。研究目标并非评价整个水泥厂全流程财务表现，而是聚焦于对商业运行水泥厂尾气进行捕集与电解转化这一新增集成单元的经济性，排除了原有基准水泥厂的 CAPEX、OPEX 及熟料收益干扰，从而更清晰地识别集成脱碳子系统本身的成本结构与盈利能力。研究结果表明，该系统可将 CPP 的 CO₂排放降低 75.17%；TRC 的引入能够降低电力需求、提升系统效率，并在资本投入略增的前提下改善整体经济性。由此，论文证明了高温 SOEC 与余热回收耦合用于水泥工业 CO₂资源化转化，具备明确的工程可行性和产业推广潜力。

方法上，研究人员采用经验证的过程模拟模型，对处理规模为 220 ton h^?1生料的 CPP 改造场景开展分析，设定 CaL 过程 CaO 转化率为 90%，对应捕集 75.2% 的水泥厂 CO₂，并配置约 240 MW 级 SOEC 堆用于实现约 50% 的 CO₂转化。技术经济部分基于购置设备成本（PEC）、固定资本投资（FCI）、总资本投资（TCI）及运行支出（OPEX）估算 CO 平准化成本（levelized cost of CO, LCOCO）和净现值（NPV）；进一步对容量因子、电价、税率、吸收剂、堆成本、总资本投资和人工等关键参数实施灵敏度分析，并采用蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation, MCS）进行不确定性评估。样本来源并非生物或临床队列，而是商业运行水泥生产工厂的工艺尾气工况。

以下根据论文主体的小节内容进行凝练解读。

CO production cost estimation
在该部分，研究人员建立了混合系统 CO 生产成本的核算框架。论文基于既有化工技术经济研究方法，对系统内各设备单元的购置设备成本进行估算，并进一步由 PEC 推导总资本投资（TCI）。其中，TCI 由固定资本投资与其他支出组成，而固定资本投资又可拆分为直接成本与间接成本。该部分的核心作用是将过程模拟结果映射为可量化的经济指标，为后续 LCOCO 和 NPV 评价提供统一的成本边界与计算基础。通过这一模块，研究形成了面向工业放大情境的标准化成本核算体系。

System modeling and case analysis
该部分明确了系统规模、边界条件和比较对象。研究假设 CPP 生料处理量为 220 ton h^?1，CaL 单元实现 90% 的 CaO 转化，进而捕集 75.2% 的工艺 CO₂；SOEC 采用约 240 MW 级电解堆，将其中约 50% 的 CO₂转化为 CO。在此基础上，研究设置两种构型进行对比：系统 1 为基础构型，系统 2 为加入 TRC 余热回收的强化构型。该部分通过数值模拟给出了物料、能量及产物流信息，并将其作为后续经济评价的输入。其主要结论是：在相同原料处理能力和 CO₂转化目标下，余热回收构型具备更优的能量集成潜力。

Economic evaluation for the reference condition
在基准工况经济评价中，研究人员对两种混合系统的资本支出、运行支出以及高纯 CO 和 CO₂的年产率进行了对比。论文指出，未考虑贴现率、容量因子和衰减率时，运行及产出指标首先用于描述系统基础经济面貌，而 LCOCO 则进一步纳入这些长期运行参数，反映全寿命周期平准化成本。摘要中给出的结果显示，基础系统与 TRC 集成系统的 LCOCO 分别为 1.744 和 1.735 USD kg^?1 CO，说明余热回收虽然会带来轻微资本成本上升，但由于降低了电力消耗并提高系统效率，整体经济性更优。这一结果是全文最核心的量化发现之一，说明热集成对高温电解过程的成本改善具有直接贡献。

Discussion
讨论部分综合了 LCOCO、NPV、灵敏度分析与不确定性分析结果，对系统经济可行性进行了归纳。研究指出，在处理 220 ton h^?1生料并配置约 242 MW SOEC 堆的情形下，两种构型均表现出具有竞争力的 CO 制造成本，且 TRC 集成方案更具优势。进一步的灵敏度分析表明，容量因子和税率是决定项目经济性的最关键因素，说明装置利用率和政策环境对此类电驱动 CCU 项目具有决定性影响；电价、堆成本及总资本投资同样重要，但相对次之。蒙特卡罗模拟则从概率层面验证了项目的稳健性，在当前市场条件下，正 NPV 的概率达到 68.3–94.6%，表明即便考虑参数波动，系统仍具备较高的盈利可能性。该部分的核心结论是：相较于仅依赖静态点估值，结合灵敏度分析与随机不确定性分析更能证明该路线在现实工业部署中的经济韧性。

从研究结果的整体逻辑来看，论文首先解决了“水泥工艺 CO₂难减排”这一背景问题，其次提出“CaL 捕集 + SOEC 电解 + TRC 余热回收”的系统性解决方案，最终通过过程模拟与技术经济评价证明该方案兼具减排效果与经济可接受性。其重要意义在于：一方面，研究为高温电解技术嵌入传统高排放工业流程提供了具有可操作性的改造路径；另一方面，研究将 CO₂从单纯的废弃排放物转化为具有市场价值的 CO 产品，增强了碳减排工程的收益支撑。尤其对于水泥工业这类过程排放占主导的行业，该工作提供了从“碳捕集”走向“捕集—转化—能量回收”一体化的系统范式。

讨论部分可进一步概括为：该研究认为，系统经济性并不单纯取决于单一设备性能，而取决于高温电解、电力输入、热回收和运行策略的协同优化。TRC 的作用不仅是回收余热，更通过削减净电耗间接改善了成本结构，因此在高温 SOEC 场景下具有现实价值。研究同时指出，容量因子的重要性意味着系统更适合在高利用率、稳定运行的工业场景中部署；税率等外部财务条件则提示政策工具和地区制度环境可能显著影响商业化进程。综合而言，论文并未停留于热力学可行性验证，而是进一步回答了工业界更为关切的“是否值得投资”这一问题。

研究结论部分可译述为：对于处理 220 ton h^?1生料、配置约 240 MW 级 SOEC 的水泥生产工厂集成系统，采用 SOEC 将捕集 CO₂转化为 CO，并结合余热回收，可显著降低 CO₂排放并实现具有竞争力的 CO 平准化成本。与基础系统相比，集成三重朗肯循环的系统因效率提升和电力需求下降而表现出更好的经济性能。灵敏度分析表明容量因子和税率是最关键的经济影响因素，不确定性分析则证实该系统在当前市场条件下具有较高概率获得正净现值。总体而言，将水泥生产工厂与高温 SOEC 及余热回收循环耦合，是迈向碳中和水泥制造的一条在技术上可行、经济上合理且可扩展的路径。