水泥行业燃烧后碳捕集：对其深度脱碳潜力的批判性综述

《Unconventional Resources》：Post-combustion carbon capture in the cement industry: A critical review of its decarbonization potential

　　

大气CO2浓度上升是21世纪最紧迫的环境挑战之一，CO2是驱动全球变暖的主要人为温室气体。水泥制造是该趋势的主要贡献者，熟料生产通过燃料燃烧与工艺过程（尤其是石灰石煅烧）释放大量CO2。快速城市化推高水泥需求，使该行业成为人为气候变化的关键驱动因素。尽管森林与海洋等自然碳汇有助于调节大气CO2，但已不足以抵消加速的人为排放。由于全球碳预算可能在本世纪上半叶耗尽，亟需快速脱碳方案。碳捕集、利用与封存（CCUS）被广泛视为难减排行业脱碳战略的核心，其中燃烧后碳捕集（PCC）因可较便捷地改造现有窑炉系统，在水泥生产中尤为相关。研究人员指出，水泥行业约7%的全球排放中，碳酸盐分解、燃料燃烧和电力使用分别贡献约55%、31%和14%；工艺排放源于熟料形成的固有特性，无法仅靠效率提升或燃料替代消除。在各类CCUS路线中，PCC可同时处理燃料与工艺源CO2，捕集率约50%–99%，预计2030年前后商业部署。PCC配置与溶剂选择强烈影响性能与成本，高资本与能耗需求仍是其商业化的首要障碍。现有综述多评估一般碳捕集技术或聚焦就地利用，尚未针对水泥厂具体生产条件与运行约束评估PCC改造前景。为此，研究人员批判性综述了PCC在水泥行业的脱碳潜力，将水泥相关CO2源、PCC技术原理、实际水泥应用与商业化障碍相联系，依次剖析排放与策略、主流PCC技术、前沿工厂应用、部署挑战并作出结论。

研究背景方面，大气CO₂浓度持续攀升，1.5℃剩余碳预算约130–170 GtCO₂按当前速率将在3–4年内耗尽，2℃预算亦仅约25–27年排放当量，水泥行业占全球排放约7%，其中碳酸盐分解占55%、燃料燃烧31%、电力14%，工艺排放源于熟料形成不可消除，传统短期策略如辅助胶凝材料（SCM）替代熟料、石灰石煅烧粘土水泥（LC3）、替代熟料、能效提升与替代燃料均受资源、标准或热力学极限制约，无法单独实现深度脱碳。在此背景下，CCUS是唯一能同时削减工艺与燃烧排放且具备规模速度优势的路径，而PCC相较燃烧前捕集与富氧燃烧更易改造存量窑炉，因此研究人员以PCC为焦点开展批判性综述，填补“按电厂具体工况评估改造潜力”的空白。该研究发表于《Unconventional Resources》，意义在于为存量水泥窑低碳改造提供近中期可落地的技术选型框架。

关键技术方法上，研究人员采用文献批判性综合法，以全球水泥厂排放清单与烟气特征文献（如Table 1所列N₂ 5–55 vol%、CO₂ 15–30 vol%、O₂ 7–15 vol%、H₂O 7–19 vol%、温度110–130℃、压力1.0–1.2 bar）为边界条件；系统比对PCC三类主流技术——化学吸收（胺溶剂MEA/DEA/MDEA）、吸附、膜分离的原理与能耗；结合已公布水泥厂中试/示范案例（如Heidelberg、Norcem等）提炼改造约束；并以系统边界一致性为由排除混合捕集配置，专注单一原理PCC在现有窑尾烟气的应用。

研究结果部分，按原文小节浓缩如下：

1. 2.
   水泥碳排与脱碳策略：通过排放分解指出工艺排放主导，短期策略SCM、LC3、替代熟料、能效、替代燃料均上下文依赖且边际递减，CCUS可捕集50%–99%排放但资本与基础设施密集。

2.1 水泥制造碳排放：碳酸盐分解约1470 MtCO₂/年，近80%在亚洲，剩余1.5℃预算极紧。

2.2 脱碳策略：SCM受煤改气与电炉钢渣质量下降冲击；LC3依赖高岭石粘土分布（Fig.4）；中国因取消低熟料32.5水泥致熟料系数反弹；替代熟料降本10%–40%但性能与长期行为不明；PCC类CCUS不可或缺。

2.3 捕集路线：燃烧前捕集不治工艺排放，富氧燃烧需动窑核心，PCC可后端加装，适配北美/欧洲/中日韩俄存量老厂（Fig.5）。

2.4 PCC适用性：水泥烟气CO₂约22.5 vol%高于电厂13 vol%，但含NO_x>100 ppmv、SO₂需降至1–11 ppmv以防胺降解成亚硝胺/热稳盐，烟气波动致结垢与溶剂耗损。

1. 3.
   PCC技术：吸收法最成熟，MEA/DEA成氨基甲酸盐、MDEA成碳酸氢盐，再生热耗为主 penalty；吸附与膜分离作补充，溶剂选择决定能耗与腐蚀。
2. 4.
   水泥厂应用：综述HeidelbergCement、Norcem Brevik等示范，验证PCC可耦合既有预热器/冷却机，压缩后CO₂供管线或利用。
3. 5.
   部署挑战：高CAPEX/OPEX、烟气污染物预处理、溶剂寿命、运输封存基建缺口、跨厂工况差异致不可直接放大。
4. 6.
   结论：PCC是存量水泥窑近中期最现实脱碳改装项，但深度脱碳需PCC+ SCM +替代燃料组合，且依赖政策与CO₂价；混合捕集留待专门综述。

讨论与结论翻译浓缩：研究人员结论为，水泥行业深度脱碳 hinge on 快速采用PCC，因其可改造存量设施同时捕集燃料与煅烧CO₂；PCC配置与溶剂选择强烈塑造性能与成本曲线；高资本与能量需求仍是最先障碍；在SCM供给收敛、替代熟料未熟、富氧燃烧改装扰动的现实下，PCC以最低工艺中断提供50%–99%捕集区间，是2030年前后商业化的主轴；未来新建线可重评富氧/燃烧前，但存量舰队脱碳窗口由PCC主导。