利用绿色氧气及O2/CO2燃烧技术进行水泥生产建模，以实现节能降排

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Modeling of Cement Production with Green Oxygen and O 2/CO 2 Combustion for Energy Conservation and Emission Reduction

　　摘要：作为第二大工业碳排放源，水泥制造业亟需实现脱碳。本研究利用Aspen Plus构建了一个日产能为3百万吨熟料的工厂对比模型，用以评估传统水泥生产方式与无氮燃烧技术的效果。无氮燃烧技术采用可再生能源驱动的水电解法产生氧气，并以O2/CO2氧化剂替代常规空气。模拟结果显示，当燃烧环境中的氧浓度优化至32体积%时，烟气中的二氧化碳浓度可达94.16体积%，同时氮氧化物排放量降至36.17 ppm，煤粉也能实现近乎完全燃烧。在能耗和碳排放方面，与传统生产方式相比，无氮燃烧技术每吨熟料的能耗降低了4.65千克标准煤当量，总二氧化碳排放量则减少了约60%。经济分析表明，采用无氮燃烧技术的生产成本为234.83元人民币/吨，比传统方式低11.61%（传统成本为265.67元人民币/吨），投资回收期为3.1年。总体而言，无氮燃烧技术为水泥行业在脱碳、环境可持续性及高效生产方面实现协同发展提供了可行路径。

引言：作为国民经济重要的基础原材料产业，水泥行业具有高能源强度和高碳排放的特点，因此其向绿色低碳转型对于实现中国“双碳”战略目标至关重要。全球每年人为产生的二氧化碳排放量中，约有5%到8%来自水泥生产，相当于2.0至3.2吉吨二氧化碳/年（以2024年的年均40.6吉吨二氧化碳为基准）。二氧化碳排放主要源于碳酸盐的分解以及煤粉的燃烧。传统的空气辅助燃烧系统会导致烟气中氮氧化物浓度较高，通常在500至1500 ppm之间，这一数值也处于水泥生产中选择性非催化还原脱硝步骤之前的典型范围。现有的末端处理技术，如选择性非催化还原和选择性催化还原，存在脱硝效率有限、氨泄漏问题以及高昂的运营成本等弊端，这些成本主要源于催化剂更换/再生、氨消耗以及更高的能源需求。因此，开发能够在源头控制污染的同时实现碳排放减少的技术，已成为水泥行业可持续发展的关键任务。

在传统水泥生产过程中，排放的烟气温度较高，通常在300至350摄氏度之间，且含有大量氮气。每生产1千克熟料大约会排放1.13千克的氮气，而在氮气排放过程中还会造成约106千卡/千克熟料的能量损失。此外，烟气中的二氧化碳会被氮气严重稀释，浓度通常在11%至33%之间，这使得二氧化碳捕集的成本极高。同时，烟气中的氮氧化物浓度也很高，其主要来源于两种氮源：大气中的氮气（在高温下会产生热氮氧化物）以及燃料中的氮气（在燃烧过程中会转化为燃料氮氧化物）。

无氮燃烧技术源自O2/CO2燃烧原理，其核心理念是用高纯度氧气与循环使用的二氧化碳混合物替代常规空气作为氧化剂。“无氮燃烧”这一名称旨在强调该技术能在水泥生产过程中创造完全无氮的燃烧环境。这种设计将大气中的氮气排除在反应之外，从而彻底阻断热氮氧化物的生成途径。通过优化O2/CO2比例来调控燃烧参数，该技术能够有效抑制燃料氮气向氮氧化物的转化，从而实现极低的氮氧化物排放。燃烧产物中的二氧化碳浓度显著升高，超过90体积%，这就无需像传统生产方式那样使用复杂的二氧化碳净化装置，同时也降低了捕集过程中的能源消耗。无氮燃烧技术之所以能提高燃烧效率，是因为它增强了氧气的传递效率并减少了热量损失。高浓度的氧气大大提升了氧分压，加速了燃料表面的氧化反应速度，缩短了煤粉燃烧的时间。由于没有氮气稀释，烟气的体积随之减小，废气热量损失也有所降低。该技术还能通过精准控制温度和燃烧环境，优化熟料矿物相的形成，增强O2/CO2火焰的辐射强度，形成更宽更短的火焰，延长高温停留时间，促进C2S向C3S的转化，从而使熟料的体积重量增加1.52%，强度提升5.97%。通过水电解产生的绿色氧气可与系统中的循环二氧化碳结合使用。二氧化碳的高比热容有助于精确控制火焰峰值温度，实现碳资源的内部循环利用。Barzegar等人发现，土耳其褐煤在富氧环境下的燃烧活化能高于在空气环境中的值。Faria等人利用Aspen Plus对水泥富氧燃烧过程进行模拟，结果表明，当燃烧助燃气体中的氧体积分数为27.3%时，可得到质量最佳的熟料，此时烟气中的二氧化碳纯度可达86.9%。Wang等人的模拟研究进一步证实，在相同的原料处理量下，采用富氧燃烧技术可使总煤炭消耗量和单位能耗分别降低30%和72%，同时烟气中的二氧化碳质量分数可上升至94.83%。Engin等人报告称，在水泥厂中采用富氧燃烧模式并结合烟气循环利用后，烟气中的二氧化碳浓度可超过96%，同时氮氧化物排放量也会显著下降。虽然无氮燃烧技术具有显著的经济优势，但节省幅度取决于工厂的规模。Gerbelová等人对水泥厂的燃烧后捕集技术和无氮燃烧技术的经济性能进行了评估，发现与无氮燃烧技术相比，燃烧后捕集技术每吨熟料的总资本成本和运营成本分别可降低24欧元和26欧元。此外，该技术与现有窑炉系统的兼容性很强，这也使其成为具有战略价值的脱碳方案。综上所述，将无氮燃烧技术应用于水泥生产，在低碳环保性能、能耗降低、效率提升以及经济可行性方面都具有显著优势。不过，该技术的一个核心要求是必须持续供应高纯度氧气作为氧化剂，这也就对氧气生产技术的效率、成本、能耗以及碳足迹提出了严格要求。

氧气生产技术的选择是决定无氮燃烧工艺系统性能和经济可行性的关键因素。传统上，由于具备显著的规模经济效应以及相对较低的单位氧气生产成本，深冷空分技术被广泛用于大规模氧气供应（通常每日氧气产量超过5000吨）。但对于本研究所考虑的熟料生产规模（约每日3000吨），仅依据单位氧气成本来判断各技术路线的优劣是不够的，因此有必要进行系统性的整体评估。首先，从规模经济的角度来看，随着工厂规模的扩大，深冷空分技术的单位能耗和单位投资成本都会显著下降，其最佳应用场景通常是与550兆瓦级发电厂相结合的超大规模连续供氧系统。而当氧气供应规模降至中等水平，如本研究中的约每日3000吨水泥生产系统时，设备投资所受到的稀释效应就会大大减弱，深冷空分技术的成本优势也会随之缩小，其经济竞争力也会降低。其次，从模块化灵活性的角度来看，电解槽可以根据生产需求进行规模调整，其启动和停机周期也远远短于深冷装置，因此更适用于水泥窑炉间歇性的维护作业和产能调整。相比之下，深冷空分装置需要较长的启动时间，且能耗较高，频繁的调整还可能影响系统的稳定性。第三，从全生命周期碳排放的角度来看，氧气生产装置的电力消耗会直接影响整个系统的间接碳足迹。如果使用的是以化石燃料为主的电网，那么典型的电力消耗水平（约200至300千瓦时/吨氧气）会带来额外的间接排放，这部分排放会部分抵消无氮燃烧技术中高浓度二氧化碳捕集所带来的碳减排效益。而水电解技术则可以直接与风能、太阳能等可再生能源结合使用，从而实现近乎零碳排放的氧气供应，这在日益严格的碳约束条件下更具环境优势。Williams等人将水电解技术与水泥生产过程相结合（用氢气替代天然气作为燃料，同时利用氧气作为燃烧助剂），他们的模拟结果表明，若完全用氢气替代燃料，实行富氧燃烧技术，可使二氧化碳排放量减少27.6%。此外，从系统级的经济协同效应来看，对于日产能约为3000吨熟料的水泥厂，如果该厂位于氢气需求集中的地区，那么电解产生的氢气还可以作为独立的收入来源，进一步提升项目的净现值。以往的研究已经表明，将水电解产生的副产品氧气与富氧燃烧系统结合，并充分利用氢气资源，能够显著提升整个工艺的效率和经济效益。因此，从系统层面评估副产品的价值时，水电解路线展现出更强的综合竞争力。随着可再生能源的快速发展，绿色电力的成本预计还将继续下降，这将进一步提升基于电解法的氧气生产技术的竞争力。

采用空气辅助燃烧的传统水泥生产工艺存在诸多固有缺陷。其主要问题在于氮气在燃烧过程中的双重作用。作为助燃空气中的惰性成分，氮气会在烟气排放过程中带走大量热量，从而导致热能损失。与此同时，大气中的氮气会在窑炉的高温区域（超过1300摄氏度）与氧气发生反应，生成热氮氧化物，其浓度通常在500至1500 ppm之间。能量损失与污染物生成的共同存在导致了效率的进一步下降——庞大的烟气体积增加了净化系统的能耗，而较高的氮氧化物浓度则提升了脱硝装置的运行成本。为了解决这些问题，将水电解制氧技术和无氮燃烧技术引入水泥生产过程，展现出了良好的优化前景。然而，目前针对这一技术路线的系统性研究还比较不足。现有的文献大多只关注单一技术（如氧燃料燃烧的特性）或特定设备（如煅烧炉的性能），缺乏从“能耗-二氧化碳排放-经济可行性”等多维度视角进行的综合评估。具体来说，水电解制氧是一种耗电量很大的工艺，其电源类型对整个水泥生产系统的净二氧化碳排放平衡的影响尚未得到充分研究；虽然无氮燃烧技术可以简化碳捕集流程（产生高浓度二氧化碳烟气），但将其与水电解制氧技术结合后的减排潜力也尚未得到评估。目前还不存在一种完善的经济分析框架，来衡量水电解制氧技术的高昂成本（包括设备投资和电力消耗）与其潜在好处（如降低燃料消耗、简化碳捕集成本、减少脱硝装置的运营费用）之间的关系。

本研究聚焦于将水电解制氧技术与无氮燃烧技术整合到水泥生产过程中。研究人员建立了相应的系统模型，并利用Aspen Plus软件进行数值模拟，以确定反应环境中最优的氧体积分数。随后，又进行了系统性评估，旨在分析这种集成方案在推动水泥生产绿色转型方面的潜力，重点考察了能耗、碳排放以及技术经济性能等方面的表现。这些研究结果为未来低碳水泥工艺的开发提供了理论依据和决策支持。熟料与水泥的比例为80%[32]，这一数值是波特兰水泥生产中的典型值。水泥生料和煤炭均来自该工厂。对水泥生料的成分进行了分析。本研究探讨了在水泥生产中用O2/CO2气氛替代传统空气燃烧的可行性。为确定O2/CO2燃烧气氛中的最佳氧浓度，系统地分析了关键参数（包括煅烧炉的出口温度和烟气流量），并调整回收的CO2流量以精确控制O2/CO2的体积比。同时，还考虑了氧气的供应流量以及煅烧炉的热负荷。结论：本研究将绿色氧气与O2/CO2燃烧技术相结合。基于一家年产能为300万吨熟料的水泥生产企业，建立了Aspen Plus模型。该模型用于比较传统燃烧工艺与O2/CO2燃烧工艺在熟料矿物相组成、熟料能耗、CO2排放量以及技术经济性能方面的差异，旨在优化水泥生产流程，实现绿色生产目标。数据提供情况：数据可应要求提供。作者贡献：罗佳欣：方法设计、数据整理、初稿撰写；邵子默：软件应用、审稿与编辑；徐彦波：数据整理、概念设计；刘丹竹：研究工作、定量分析；张洛渊：资金筹集、结果验证；梁金强：项目监督与管理；彭伟：项目监督与研究工作；叶茂：方法设计、项目监督。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。CRediT作者贡献说明：罗佳欣：初稿撰写；邵子默：审稿与编辑；徐彦波：数据整理；刘丹竹：研究工作；张洛渊：项目管理；梁金强：资源提供；彭伟：结果验证；叶茂：数据可视化。罗佳欣|邵子默|徐彦波|刘丹竹|张洛渊|梁金强|彭伟|叶茂中国石油大学（北京）克拉玛依工程学院，中国克拉玛依834000