基于部分氧燃料-溶剂法混合CO2捕集的水泥熟料超低排放生产工艺

《Carbon Capture Science & Technology》：Ultra-low emissions cement production via hybrid oxyfuel-solvent CO 2 capture

　　

研究人员提出并评估了一种用于水泥熟料制造脱碳的混合工艺，该工艺将预分解炉内的部分氧燃料燃烧与基于单乙醇胺（MEA）化学吸收的后置燃烧CO2捕集（PCC）相结合。与传统碳捕集与封存（CCS）路径不同，该设计旨在利用两过程间的协同效应：通过部分氧燃料煅烧高效处理CaCO3分解产生的大部分直接CO2排放，同时利用溶剂法后置燃烧CO2捕集处理回转窑烟气及部分氧燃料系统未回收的CO2（即CO2纯化放空流）。研究考察了既有水泥厂实施该CO2捕集方案的多种设计与集成参数，确定50%富氧浓度与3+3级预热器配置在改造复杂性与热效率间取得最佳平衡。该混合架构具有热自治特征：热集成分析表明，水泥厂回收的废热（尤其是熟料冷却机排风）可完全满足溶剂再生需求，即便在高于99%的捕集率下也无需辅助蒸汽发生。进一步研究显示，该混合捕集工艺与窑及分解炉100%替代燃料（RDF废弃物）焚烧结合时，工厂可实现-181.9 kgCO2/tclk的净负排放。与后置燃烧溶剂法（常规或电气化）、全氧燃料及部分氧燃料等替代CO2捕集技术的技经对比表明，所提混合工艺是水泥深度脱碳极具竞争力的策略；尽管部分氧燃料配置CO2规避成本略低，但混合工艺CO2规避率近100%（使用生物质/废弃燃料时更高），可有效应对高碳税情景。

研究背景方面，水泥生产约占全球CO₂排放7%，其中约60%来自CaCO₃煅烧而非燃料燃烧，因此必须部署碳捕集与封存（CCS）方能实现显著减排。既有胺法后置燃烧捕集（PCC）技术成熟（技术就绪度8–9），但再生能耗高达3–4 MJ_th/kg_CO2，现代水泥厂废热仅能覆盖不足10%的溶剂再生需求，其余需外供蒸汽，增加复杂度与成本。全氧燃料工艺虽具前景，但回转窑与冷却机需整体气密改造，漏风会显著降低CO₂纯化单元（CPU）回收率与纯度；部分氧燃料仅改造预分解炉可捕集60–75%排放，难以满足深度脱碳。为此，研究人员在《Carbon Capture Science》发表研究，提出预分解炉部分氧燃料与MEA-PCC混合架构，并利用废热驱动溶剂再生，结合替代燃料以实现近零乃至净负排放。

关键技术方法上，研究人员以3000 tpd参考水泥厂为对象，在Aspen Plus v14中建立全流程质量-能量模型；设置8种部分氧燃料配置（预分解炉串2–4级、窑串3–4级、氧化剂O₂浓度30%或50%），PCC侧考察吸收塔填料高度10/15/20 m、MEA贫液负载0.05–0.25 mol_CO2/mol_MEA、捕集率95%/98.5%/99.7%；CPU采用自制冷低温蒸馏（Magli等高效构型，回收率约93%，纯度>99.9%）；技经分析（TEA）计入CAPEX/OPEX、增量熟料成本（?CC）与CO₂规避成本（CCA），分基准（煤+欧盟电网187 kgCO₂/MWh）与低碳（100% RDF替代燃料、50%生物碳+电网50 kgCO₂/MWh）两情景。

研究结果部分，按论文主体小节浓缩如下：

混合工艺描述：研究人员将预热塔拆分为分解炉串与窑串以防CO₂富气被稀释，分解炉出口O₂控至3.0% mol（燃RDF时5.0%），煅烧温度升至920 ℃，约93% CaCO₃分解；富CO₂气经SCR-布袋-湿法脱硫后进CPU，CPU放空气（约占总CO₂ 6%、浓度35% mol）与窑尾烟气合并进MEA-PCC；三次风与冷却机排风废热用于产生PCC再生蒸汽及原料烘干，实现热自治。

方法与KPI：通过模拟获得直接燃料耗、Scope 1/1+2排放规避率、CAPEX、?CC、CCA等KPI。所有混合工况下PCC再生蒸汽由III次风与冷却机废热全额供给。

技经与对比结论：50%富氧+3+3级预热器为最优；捕集率>99%时废热仍自足；基准情景CCA具竞争力，低碳情景（100% RDF）达-181.9 kgCO₂/t_clk净负排放；相较纯PCC、全/部分氧燃料，混合工艺规避率近100%且抗高碳税能力强。

讨论与结论翻译：研究人员指出，混合架构通过最小化侵入式改造（回转窑不动）将部分氧燃料与MEA-PCC互补，废热全供溶剂再生消除了辅助锅炉及其新增排放流；在100% RDF（50%生物碳）下可实现净负排放，为既有水泥厂深度脱碳提供一条比纯PCC（受废热限制）与全氧燃料（受气密性风险限制）更均衡的路径；技经评估显示其CO₂规避成本虽略高于纯部分氧燃料，但规避率接近100%，在高碳税与负碳信用场景下综合优势显著。

全文均依据所传文档浓缩，未引入外部推测。