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工科类
C02捕捉技术在水泥厂中的应用
廖双双黄小青朱运锋江英
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引言
C02是对气候变化影响最大的气体，它使全球气温升高。全球气候变化对生态系统造成重大影响，进而威胁到人类社会的生存和发展。据统计，目前每年有300多亿吨CO：排放到大气层中， 其中约有90％来自发电厂、水泥厂、钢厂和炼油厂等集中采用化石燃料的单位。随着社会经济的 发展，能源的使用和消耗将增加，COz的排放量必会增加，为此世界各国都在寻求各种技术来降 低CO。的排放量。
多年来，世界上C02排放量最大的工业源头之一水泥工业通过改善能效、使用替代燃料以及增加 水泥中混合材的含量等，持续地降低了COz的排放量[1]，但是通过这些方式减少C02的排放量的程度 很有限，而COz捕捉与封存(CCS)技术给我们带来了希望。CCS技术是一种将排放源产生的C02进 行收集、运输并安全存储到某处，使其长期与大气隔离的过程，主要由捕捉、运输和封存3个环节组 成[2]。与分离技术(投资大、成本高、回收COz的同时又在排放C02)不同，捕捉和封存技术则以其 存储容量大、地下保持时间长、环境友好等诸多优点，被许多国家认为是目前为止可选的有效技术 之，一。
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CCS技术的国内外发展现状
CCS技术受到世界各国的广泛关注，美国、欧盟和加拿大等都制定了相应的技术研究规划，开展相应的CCS技术的理论、试验、示范及应用研究。根据国际能源署的统计，截至目前，全世 界共有碳捕捉商业项目131个，捕捉研发项目42个，地质埋存示范项目20个地质埋存研发项目 61个。其中，比较知名的有挪威的Sleipner项目、加拿大的Weyburn项目和阿尔及利亚的In Salah 项目等。
我国也积极地开展CCS技术的研究，参与国际上的项目合作。2007年启动了“中欧碳捕获与封存 合作行动”，到目前，已有12个欧方机构和8个中方机构参与了此项行动；2008年1月25日，中联煤 层气有限责任公司(以下简称中联煤)与加拿大百达门公司、香港环能国际控股公司签署了“深煤层 注入／埋藏二氧化碳开采煤层气技术研究”项目合作协议；自2002年以来，中联煤和加拿大阿尔伯达 研究院已在山西省沁水盆地南部合作，成功实施了浅部煤层的CO。单井注入试验[2’3]。3
CCS技术在水泥厂中的应用研究
目前，CCS技术正处于试验研究阶段，而针对排放的C02的CCS技术主要有3类：燃烧后捕捉系 统、富氧燃烧捕捉系统以及燃烧前捕捉系统，这些捕获技术的技术特点及其成熟度如表1所示。
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一———础黧鬻‰r—————一和成熟度
捕捉技术
表1 碳捕捉技术的特点特点
过程简单，但C02浓度低，化学吸收剂昂贵
成熟度 技术可行 示范阶段 技术可行
燃烧后系统 富氧燃烧系统 燃烧前系统
C02浓度高，但压力较小，步骤较多，供氧成本高 CQ浓度高，分离容易，但过程复杂，成本较高
在燃煤或燃气发电站中已广泛地进行燃烧后CO。捕捉的应用研究，但是在水泥厂中的应用研究则 很少E4|。国际能源机构温室气体研发计划组在英国的水泥厂中进行了两项CCS技术的应用研究[5]，这 项研究主要包括燃烧后COz捕捉技术和富氧燃烧CO。捕捉技术，下文将介绍该研究的具体情况。 3．1燃烧后COx捕捉技术在水泥厂中的应用研究
3．1．1工艺简述
燃烧后C02捕捉的基本原理是燃烧后用单乙醇胺进行C02吸收。水泥厂通过改造现有的厂房就可 以配置这种捕捉设备。图1为水泥厂中燃烧后CO：捕捉的工艺流程图。与传统的水泥厂相比，这个流 程图有五个主要的特点，如下所示：
一是在预热器和原料磨之间有一个用于去除Nq的选择性催化还原装置(SCR)。
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进气 可控硅所需的氯 进气 进
气 ’。。。。-———-NaOH
——_生*4／孰料
一◆惰性气体
一◆燃料(固体)
麓
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—————————————————————————————————————攒灞——■一二是安装了用于消除烟气SQ的湿式石灰石烟气脱硫装置。 三是安装了单乙醇胺吸收设备。
四是安装一套燃煤热电联产设备，用其来生产MEA分离所需的低压蒸汽，同时也可为胺吸收系统 和压缩厂提供电力。这个过程产生的C02在湿式石灰石烟气脱硫装置之前将会与烟气混合，同时也被 捕捉。
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工科类
五是净COz产品经过压缩、干燥，再压缩至管道压力达到110bara。
3．1．2注意问题 安装燃烧后COz捕捉系统必须要考虑以下问题： (1)S02
S02浓度的大小对于使用胺进行燃烧后捕捉技术来说很关键，因为胺会与酸性化合物反应生成盐而
不游离于胺溶出系统中。据报道，在胺吸收过程中SO：的浓度应约为10ppmv[5|。
(2)N02
由于燃气中的NO，在单乙醇胺吸收系统中会发生溶剂降解作用，所以NO。的含量也是一个重要的 问题，更要注意的是N02会反应生成热稳定性盐[5]。NO。的排放量与水泥窑有关，一般在200～ 300mg／Nm3之间变化‘7。。然而，通常NO。中NO：的含量不超过lo％，其余大部分是NOE
(3)粉尘
8|。
在水泥厂燃气中含有大量的粉尘，大约为3000mg／Nm3，可以用静电除尘器或袋式除尘器去除。 粉尘会降低胺吸收过程的效率。据了解为了更有效经济地进行燃烧后捕捉，粉尘水平必须低于 1 5mg／Nm3[引。
(4)蒸汽需求 利用单乙醇胺进行C02捕捉的一个主要问题就是需要大量的蒸汽，蒸汽条件要求为：压力
3．5bara，温度140℃～150℃。
(5)避免还原气氛 熟料不能在还原的气氛中生成，在生产过程中要保持过量的O。，在预热器、预分解炉及窑中要求
O。的浓度大于2％(w／w)，在单乙醇胺CO。吸收系统中要求O。的含量大于1．5％(v／v)。 (6)燃气降温 水泥厂原料磨中排放的燃气温度约为110。C，为了达到胺吸收系统的理想温度，燃气温度必须冷却
到50℃左右。
(7)其他气体 在水泥生产的烟气中会有少量的盐酸，其浓度约为8mg／Nm3[8]，这些酸性成分会降低胺吸收过程
的效率。
3．2富氧燃烧c02捕捉技术在水泥厂中的应用研究
3．2．1工艺简介
在现代水泥厂中燃料主要在两个地方投料：预分解炉和窑头。大部分(达到95％)CO。是从预热 器和预分解炉里的石灰石原料中分解而来。图2是富氧燃烧CO。捕捉的工艺流程图。
这个捕捉技术在预分解炉中进行富氧燃烧，选择这个方案是因为它使高浓度CO：气氛对熟料生产 过程的影响达到最小化。富氧燃烧CO。捕捉工艺和传统的水泥厂相比主要有两个特点，如下所示：
一是预分解炉所需的空气在进入预分解器之前就会被空分设备分离，分离出的氧气(95％O。，2％ N。，3％Ar)只提供给预分解炉。
二是从预分解炉出来的净烟气经冷却后输送到COz压缩和惰性气体分离装置。净产品经压缩、干 燥及分离出惰性气体后产生的CO。进一步被压缩至管道压力110bara。
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图2进行富氧燃烧C02捕捉的水泥厂的工艺流程图
3．2．2注意问题
关于在水泥厂中利用富氧燃烧捕捉C02的研究很少，下文讨论了在水泥生产工艺中应用富氧燃烧 捕捉的相关技术问题。其主要的技术问题如下：
(1)火焰温度
富氧燃烧的原理是在燃烧的过程中排除空气中的惰性气体。在富氧燃烧中，火焰温度可以达到 3500℃以上。在正常的运行状态下，这样的温度太高，因此必须要往烧成带内输入一定比例富含CO。 的燃气以达到稀释02和降温的作用。
(2)热交换的影响 燃烧室内气体的组成变化会对辐射热的变化和对流热的转移行为产生明显影响。 (3)损坏和损耗
因为温度很高，水泥窑壁在O。浓度高的情况下很容易损坏，所以在保持高温的同时也要保护好窑
壁(更换窑衬)。
(4)化学放应 研究要继续进行，以确定在不同的气氛下反应生成的孰料是否是有用的产品。 (5)空气泄露
在原料磨、预热器和窑内有大量的空气泄漏，过量的空气会污染富含C02的烟气。需要去除这些 污染物，但同时也会提高捕捉的成本。
(6)烟气的清洁 储存COz的地方要求对烟气进行清洁，主要是去除水蒸气、氮气、氩气、NO。及SO。等。 (7)空气分离设备(以下简称空分设备) 空分设备是必须的装置，它给富氧燃烧过程输送O。，和传统的水泥厂相比，这就需要更多的电能。 (8)避免还原气氛 通常情况下，在熟料生产过程中O。的浓度应保持大于2％(w／w)。
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3．3燃烧后捕捉技术和富氧燃烧捕捉技术的效果和成本
3．3．1燃烧后捕捉 燃烧后捕捉技术的水泥厂现场CO。的减排量是74％。如果CO。的捕捉百分数增加到95％，那么减
排量就可以提高到93％。燃烧后捕捉COz的成本是107欧元每吨。水泥厂烟气中CO。的浓度很高，和 以煤或天然气为燃料的电厂的烟气相比，水泥厂减少了吸收塔和相关的管道、风机的尺寸。然而，这 些都被较低的规模经济水平所抵消。
3．3．2富氧燃烧捕捉 预分解器里的富氧燃烧就可避免水泥厂产生的61％的CO。，但是富氧燃烧会显著地增加现场功耗，
这些功耗主要用于生产O：和C02的压缩和净化。考虑到生产这些电功时所排放的CO。，总体上C02的 减排量为50％，如果输入的电能是由低C02排放量的电厂生产的，那么总的C02减排量就会接近现场 的减排量。窑和预分解炉的富氧燃烧可以使COz的减排量接近100％，但这还涉及更多不确定的技术 问题。
富氧燃烧捕捉COz成本是40欧元每吨，比燃烧后捕捉的成本低很多。富氧燃烧技术特别适合水泥 厂，因为只需给因燃料燃烧产生的C02提供氧，不需给因矿物分解而产生的CO。提供氧。
4展望
本文主要概述了C02捕捉与封存(CCS)技术的国内外发展现状，介绍了国际能源机构在英国的水 泥厂中进行CCS技术的应用研究的具体情况，从这些研究结果可以看出，CCS技术在水泥厂中的应用 前景是可观的，继续进行深入的研究，该技术的优越性会逐步体现出来，它会是应对温室效应的一个 好途径。但是这些捕捉技术的经济成本都比较高，对于国内来说，要进行推广应用比较困难，如何改 进这些技术使得其成本降低是一个关键的问题。
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[作者简介]
廖双双，1982年7月生，广西鱼峰集团有限公司专业领域为材料科学。
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