謝輝（北京金隅集團(tuán)股份有限公司 北京 100013）

孫立勛（唐山冀東水泥股份有限公司 河北 唐山 063000）

李治（北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100041）

0 引言

1 研究基礎(chǔ)

眾多研究表明，CO2是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素，這一點目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到一致認(rèn)可[1]。在全球共同應(yīng)對氣候變化的背景下，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC） 于2006 年發(fā)布了《CCS技術(shù)特別報告》[2]，此后碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）便開始受到重視，并被當(dāng)作是一種極具潛力的溫室氣體減排途徑，在世界范圍內(nèi)逐漸受到廣泛關(guān)注。CCS 這一技術(shù)主要是在化石燃料的使用過程中實現(xiàn)大規(guī)模減排，與全球應(yīng)對氣候變化中的發(fā)展替代能源（可再生能源、核能等），提高能源效率這兩種減排方式結(jié)合使用，期望能在全球減排行動中發(fā)揮重要作用。中國十分重視CCS 技術(shù)的發(fā)展，并且出臺了一系列相關(guān)政策支持CCUS 技術(shù)發(fā)展與試點示范。

1.1 研究對象基本情況

以某水泥廠為研究對象，采用技術(shù)參數(shù)對比、經(jīng)濟(jì)成本核算等方式，為水泥廠增設(shè)碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)方案對比與經(jīng)濟(jì)性分析。研究的水泥企業(yè)建設(shè)有1 條4 000t/d 和1 條5 000t/d 的新型干法熟料生產(chǎn)線，碳捕集系統(tǒng)基于5 000t/d 的熟料產(chǎn)線建設(shè)，其水泥窯尾煙氣情況如表1 所示。

水泥廠其他相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)如表2 所示。

1.2 碳捕集技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)捕集技術(shù)的基本原理與技術(shù)適用性，可以將碳捕集技術(shù)分為燃燒前捕集技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)以及燃燒后捕集技術(shù)。

此外，根據(jù)水泥行業(yè)的工藝流程特點，在原料煅燒時，其中所含有的碳酸鹽分解也會釋放出大量CO2。外燃式旋窯碳捕集技術(shù)能夠?qū)υ摬糠之a(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集。

外燃式旋窯碳捕集技術(shù)是水泥行業(yè)特有的捕集技術(shù)，通過建設(shè)外燃式回轉(zhuǎn)窯，將燃料與物料分開，在窯內(nèi)完成對物料的分解，分解產(chǎn)生的高濃度CO2氣流經(jīng)進(jìn)一步加工成為CO2產(chǎn)品，并產(chǎn)生一定的副產(chǎn)品。

表1 水泥廠煙氣情況

表2 水泥廠相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)情況

1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價方法

碳捕集技術(shù)成本主要包括相應(yīng)項目在建設(shè)期及運營期的成本。對于CCUS 項目成本的核算，有以下原則：

（1）增量性原則；

（2）收付實現(xiàn)制原則；

（3）市價計價原則；

（4）分期核算原則。

2 化學(xué)吸收法捕集方案工藝流程

對現(xiàn)有碳捕集技術(shù)在水泥行業(yè)的適用性進(jìn)行分析，由于燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放僅占總排放的30%左右，因此燃燒前捕集技術(shù)不適用于水泥行業(yè)；富氧燃燒技術(shù)目前主要停留在理論研究階段，實際示范案例較少，并且其在水泥行業(yè)的應(yīng)用前景尚不明朗，因此富氧燃燒技術(shù)現(xiàn)階段不適用于水泥行業(yè)；燃燒后捕集技術(shù)是適用性最廣的碳捕集技術(shù)，已經(jīng)在多個行業(yè)建成示范項目，化學(xué)吸收法是其中應(yīng)用成熟度最高的技術(shù)。因此，選取化學(xué)吸收法與進(jìn)行分析。

2.1 化學(xué)吸收法捕集技術(shù)

采用化學(xué)吸收法捕集水泥窯尾煙氣中的CO2，分為兩個階段：第一階段是采用化學(xué)吸收劑將CO2由約20%提濃至95%左右，第二階段是采用吸附精餾法提純至99.9%以上。化學(xué)吸收技術(shù)方案的工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 化學(xué)吸收技術(shù)碳捕集流程示意圖

具體流程如下：

2.1.1 水洗脫硫

水泥廠窯尾煙氣在引風(fēng)機(jī)的作用下通過密封管道從水洗塔下部進(jìn)入塔中，煙道氣迅速降溫，同時氣體中夾帶的微量灰塵被溶劑洗凈，進(jìn)入脫硫水洗塔后，與從上向下流動的脫硫溶液逆流接觸，二氧化硫和氮氧化物被溶劑部分吸收轉(zhuǎn)換。經(jīng)過水洗和脫硫后，煙道氣得到凈化，從脫硫水洗塔中出來，由引風(fēng)機(jī)送到吸收解吸工段。

2.1.2 吸收解吸

煙道氣被引入化學(xué)吸收塔中，在向上的流動過程中，混合氣中的CO2被向下流動的化學(xué)吸收劑吸收，形成富含CO2的富液，由堿液泵經(jīng)過貧富液換熱器送到再生塔中。

從吸收塔底出來的富液，由泵送出，一部分經(jīng)過貧富液換熱器與貧液換熱，送到再生塔的頂部。另一部分富液不經(jīng)過貧富液換熱器加熱，直接引到再生塔頂降溫。兩股進(jìn)入再生塔的富液在向下流過填料層的過程中，被從下面進(jìn)入的塔釜蒸汽加熱，富液中的CO2從溶液中解吸出來，從塔頂富集排出塔外。流到塔釜的基本不含CO2的貧液，進(jìn)入貧富液換熱器中降溫，由貧液泵送出，經(jīng)過水冷卻器降溫后，再送往吸收塔上部循環(huán)使用。

2.1.3 壓縮液化

CO2原料氣從提濃裝置引來，經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)送入壓縮機(jī)中，經(jīng)多級壓縮后，引入除雜裝置中。CO2氣流經(jīng)脫硫、干燥后分為兩股，一股在冷卻液化后進(jìn)入工業(yè)級精餾塔，成為工業(yè)級液體CO2產(chǎn)品；另一股需要進(jìn)行吸附除雜處理，之后進(jìn)行冷卻液化，再送入食品級精餾塔，成為純度更高的食品級液體CO2產(chǎn)品。

3 捕集方案經(jīng)濟(jì)性分析

本方案基于化學(xué)吸收法碳捕集技術(shù)，對現(xiàn)有5 000t/d 的熟料生產(chǎn)線進(jìn)行改造，考慮捕集CO2規(guī)模為10 萬t/a。

3.1 初期投資增量成本核算

初期需要投入的增量投資成本包括所涉及的全部設(shè)備、土建、安裝及其他費用。初期投資增量成本核算結(jié)果見表3。

表3 初期投資增量成本核算表

3.2 年運行費用增量成本核算

CO2捕集過程的運行消耗包括溶劑消耗、電耗、蒸汽消耗等，并考慮人工與系統(tǒng)維護(hù)等費用，具體核算結(jié)果見表4。

表4 年運行費用增量成本核算表

4 結(jié)語

通過分析碳捕集技術(shù)的特點，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有碳捕集技術(shù)中，目前僅有化學(xué)吸收技術(shù)以及外燃式旋窯碳捕集技術(shù)在水泥行業(yè)中具有適用性。化學(xué)吸收法作為現(xiàn)階段最為成熟的碳捕集技術(shù)，已有多個示范及大規(guī)模項目經(jīng)驗，具有捕集量大，對原有設(shè)備改動較小，裝配及操作靈活性大的特點；外燃式旋窯碳捕集技術(shù)作為水泥行業(yè)特有的捕集路徑，與水泥企業(yè)結(jié)合度高，并且除CO2產(chǎn)品外，還可以得到高品質(zhì)CaO、MgO 等產(chǎn)品，收益良好。

化學(xué)吸收捕集系統(tǒng)只能與水泥生產(chǎn)線同時運行，并可以依托于現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造，同時也可以結(jié)合新建生產(chǎn)線建設(shè)，能夠捕集原料煅燒及燃料燃燒階段產(chǎn)生的CO2。

鑒于目前碳捕集技術(shù)仍存在成本較高的問題，可與地方政府、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境局等相關(guān)部門積極溝通，爭取相關(guān)政策支持，降低企業(yè)投資成本，減少投資回收期，提高經(jīng)濟(jì)可行性。