水泥企业碳捕集方案技术及经济性分析

谢辉（北京金隅集团股份有限公司 北京 100013）

孙立勋（唐山冀东水泥股份有限公司 河北 唐山 063000）

李治（北京建筑材料科学研究总院有限公司 北京 100041）

0 引言

1 研究基础

众多研究表明，CO2是导致全球气候变暖的主要因素，这一点目前已经在世界范围内得到一致认可[1]。在全球共同应对气候变化的背景下，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC） 于2006 年发布了《CCS技术特别报告》[2]，此后碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）便开始受到重视，并被当作是一种极具潜力的温室气体减排途径，在世界范围内逐渐受到广泛关注。CCS 这一技术主要是在化石燃料的使用过程中实现大规模减排，与全球应对气候变化中的发展替代能源（可再生能源、核能等），提高能源效率这两种减排方式结合使用，期望能在全球减排行动中发挥重要作用。中国十分重视CCS 技术的发展，并且出台了一系列相关政策支持CCUS 技术发展与试点示范。

1.1 研究对象基本情况

以某水泥厂为研究对象，采用技术参数对比、经济成本核算等方式，为水泥厂增设碳捕集系统进行技术方案对比与经济性分析。研究的水泥企业建设有1 条4 000t/d 和1 条5 000t/d 的新型干法熟料生产线，碳捕集系统基于5 000t/d 的熟料产线建设，其水泥窑尾烟气情况如表1 所示。

水泥厂其他相关生产参数如表2 所示。

1.2 碳捕集技术现状

根据捕集技术的基本原理与技术适用性，可以将碳捕集技术分为燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术以及燃烧后捕集技术。

此外，根据水泥行业的工艺流程特点，在原料煅烧时，其中所含有的碳酸盐分解也会释放出大量CO2。外燃式旋窑碳捕集技术能够对该部分产生的CO2进行捕集。

外燃式旋窑碳捕集技术是水泥行业特有的捕集技术，通过建设外燃式回转窑，将燃料与物料分开，在窑内完成对物料的分解，分解产生的高浓度CO2气流经进一步加工成为CO2产品，并产生一定的副产品。

表1 水泥厂烟气情况

表2 水泥厂相关生产参数情况

1.3 技术经济性评价方法

碳捕集技术成本主要包括相应项目在建设期及运营期的成本。对于CCUS 项目成本的核算，有以下原则：

（1）增量性原则；

（2）收付实现制原则；

（3）市价计价原则；

（4）分期核算原则。

2 化学吸收法捕集方案工艺流程

对现有碳捕集技术在水泥行业的适用性进行分析，由于燃料燃烧产生的碳排放仅占总排放的30%左右，因此燃烧前捕集技术不适用于水泥行业；富氧燃烧技术目前主要停留在理论研究阶段，实际示范案例较少，并且其在水泥行业的应用前景尚不明朗，因此富氧燃烧技术现阶段不适用于水泥行业；燃烧后捕集技术是适用性最广的碳捕集技术，已经在多个行业建成示范项目，化学吸收法是其中应用成熟度最高的技术。因此，选取化学吸收法与进行分析。

2.1 化学吸收法捕集技术

采用化学吸收法捕集水泥窑尾烟气中的CO2，分为两个阶段：第一阶段是采用化学吸收剂将CO2由约20%提浓至95%左右，第二阶段是采用吸附精馏法提纯至99.9%以上。化学吸收技术方案的工艺流程示意图如图1 所示。

图1 化学吸收技术碳捕集流程示意图

具体流程如下：

2.1.1 水洗脱硫

水泥厂窑尾烟气在引风机的作用下通过密封管道从水洗塔下部进入塔中，烟道气迅速降温，同时气体中夹带的微量灰尘被溶剂洗净，进入脱硫水洗塔后，与从上向下流动的脱硫溶液逆流接触，二氧化硫和氮氧化物被溶剂部分吸收转换。经过水洗和脱硫后，烟道气得到净化，从脱硫水洗塔中出来，由引风机送到吸收解吸工段。

2.1.2 吸收解吸

烟道气被引入化学吸收塔中，在向上的流动过程中，混合气中的CO2被向下流动的化学吸收剂吸收，形成富含CO2的富液，由碱液泵经过贫富液换热器送到再生塔中。

从吸收塔底出来的富液，由泵送出，一部分经过贫富液换热器与贫液换热，送到再生塔的顶部。另一部分富液不经过贫富液换热器加热，直接引到再生塔顶降温。两股进入再生塔的富液在向下流过填料层的过程中，被从下面进入的塔釜蒸汽加热，富液中的CO2从溶液中解吸出来，从塔顶富集排出塔外。流到塔釜的基本不含CO2的贫液，进入贫富液换热器中降温，由贫液泵送出，经过水冷却器降温后，再送往吸收塔上部循环使用。

2.1.3 压缩液化

CO2原料气从提浓装置引来，经过鼓风机送入压缩机中，经多级压缩后，引入除杂装置中。CO2气流经脱硫、干燥后分为两股，一股在冷却液化后进入工业级精馏塔，成为工业级液体CO2产品；另一股需要进行吸附除杂处理，之后进行冷却液化，再送入食品级精馏塔，成为纯度更高的食品级液体CO2产品。

3 捕集方案经济性分析

本方案基于化学吸收法碳捕集技术，对现有5 000t/d 的熟料生产线进行改造，考虑捕集CO2规模为10 万t/a。

3.1 初期投资增量成本核算

初期需要投入的增量投资成本包括所涉及的全部设备、土建、安装及其他费用。初期投资增量成本核算结果见表3。

表3 初期投资增量成本核算表

3.2 年运行费用增量成本核算

CO2捕集过程的运行消耗包括溶剂消耗、电耗、蒸汽消耗等，并考虑人工与系统维护等费用，具体核算结果见表4。

表4 年运行费用增量成本核算表

4 结语

通过分析碳捕集技术的特点，发现在现有碳捕集技术中，目前仅有化学吸收技术以及外燃式旋窑碳捕集技术在水泥行业中具有适用性。化学吸收法作为现阶段最为成熟的碳捕集技术，已有多个示范及大规模项目经验，具有捕集量大，对原有设备改动较小，装配及操作灵活性大的特点；外燃式旋窑碳捕集技术作为水泥行业特有的捕集路径，与水泥企业结合度高，并且除CO2产品外，还可以得到高品质CaO、MgO 等产品，收益良好。

化学吸收捕集系统只能与水泥生产线同时运行，并可以依托于现有生产线的改造，同时也可以结合新建生产线建设，能够捕集原料煅烧及燃料燃烧阶段产生的CO2。

鉴于目前碳捕集技术仍存在成本较高的问题，可与地方政府、发改委、生态环境局等相关部门积极沟通，争取相关政策支持，降低企业投资成本，减少投资回收期，提高经济可行性。