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        水泥廠CO2捕集及產(chǎn)品化應(yīng)用探討

        2017-10-16 06:02:09肖陽
        水泥技術(shù) 2017年5期
        關(guān)鍵詞:煙氣系統(tǒng)

        肖陽

        水泥廠CO2捕集及產(chǎn)品化應(yīng)用探討

        Discussion on CO2Capture and Production Application in Cement Plant

        肖陽

        從推動水泥行業(yè)CO2捕集的政策導(dǎo)向出發(fā),介紹了水泥廠CO2的主要排放源和排放量,可知水泥行業(yè)是CO2的排放大戶,進(jìn)行相關(guān)研究和產(chǎn)品化應(yīng)用意義重大。對適合水泥廠CO2捕集的技術(shù)以及產(chǎn)品化應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討,并就目前水泥行業(yè)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提出相關(guān)建議。

        水泥廠;CO2捕集;產(chǎn)品化

        水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生的CO2排放約占全球人類活動排放的5%,我國水泥行業(yè)排放的CO2占全國CO2排放總量的14%~15%,控制CO2排放是水泥工業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),也是實現(xiàn)水泥工業(yè)科技進(jìn)步的重要推動力。

        國家發(fā)改委于2013年發(fā)布《關(guān)于推動碳捕集、利用和封存試驗示范的通知》,提出推動碳捕集、利用和封存(CCUS)試驗示范是“十二五”控制溫室氣體排放工作的一項重點任務(wù)。首次明確在火電、煤化工、水泥和鋼鐵行業(yè)中開展碳捕集試驗項目,研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策激勵機(jī)制。分析認(rèn)為,國家發(fā)改委正式發(fā)文促進(jìn)CCUS發(fā)展,意味著未來這一產(chǎn)業(yè)有望提速進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化階段。據(jù)測算,未來10年這一產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模有望達(dá)到數(shù)百億元,這是國家首次明確CCUS產(chǎn)業(yè)未來的商業(yè)化導(dǎo)向。

        1 水泥廠的CO2排放

        水泥生產(chǎn)的工藝特點表明,水泥企業(yè)的CO2排放主要包括熟料煅燒過程中石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的排放、各種燃料燃燒產(chǎn)生的排放以及電力消耗產(chǎn)生的排放。

        據(jù)統(tǒng)計與核算研究確定,水泥工藝過程生料中石灰質(zhì)原料分解產(chǎn)生的碳排放約為0.53tCO2/t熟料;水泥生產(chǎn)消耗的燃料包括各種燃煤、燃油等,對我國不同規(guī)模的生產(chǎn)線能耗情況調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),熟料燒成熱耗平均約為3 219kJ/kg熟料,核算得到燃料消耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.31tCO2/t熟料;綜合測算噸熟料產(chǎn)生的CO2量為0.935t。

        由此可知,CO2是生產(chǎn)水泥熟料的主要副產(chǎn)品,原料分解和燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2通過窯尾煙氣排放到大氣環(huán)境中。據(jù)測定,在窯尾方向排放的CO2含量約占20%~30%。

        因此從排放量上看,水泥工業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域中CO2排放大戶,對水泥廠CO2捕集進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用具有非常重要的意義。

        2 適合水泥行業(yè)的CO2捕集技術(shù)探討

        2.1 關(guān)于各行業(yè)可采用的CO2捕集技術(shù)

        總體來說,CO2的捕集方式主要有三種:燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。

        燃燒前捕集主要運用于IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))系統(tǒng)中,將煤高壓富氧氣化變成煤氣,再經(jīng)過水煤氣變換后產(chǎn)生CO2和氫氣,氣體壓力和CO2濃度都很高,很容易對CO2進(jìn)行捕集。剩下的H2可以當(dāng)作燃料使用。

        富氧燃燒采用傳統(tǒng)燃煤電站的技術(shù)流程,但通過制氧技術(shù)將空氣中大比例的氮氣脫除,直接采用高濃度的氧氣與抽回的部分煙氣的混合氣體來替代空氣,這樣得到的煙氣中有高濃度的CO2氣體,可以直接進(jìn)行處理和封存。該技術(shù)目前面臨的最大難題是制氧技術(shù)的投資和能耗太高,還沒找到一種廉價低耗的能動技術(shù)。

        燃燒后捕集即在燃燒排放的煙氣中捕集CO2,將CO2從排放煙氣中分離出來,該捕獲系統(tǒng)不需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行過多的結(jié)構(gòu)改造,因此有較為廣泛的適應(yīng)性和較大的市場潛力。目前常用的燃燒后CO2捕集分離技術(shù)主要有化學(xué)吸收法(利用酸堿性吸收)和物理吸收法(變溫或變壓吸附),此外還有膜分離法技術(shù)。歐洲工業(yè)界普遍認(rèn)為化學(xué)吸收是一個成熟的CO2捕獲技術(shù),因為有長期的試驗經(jīng)驗,可從不同的工業(yè)部門得到求證。

        2.2 水泥行業(yè)CO2捕集技術(shù)——化學(xué)吸收法

        針對水泥廠煙氣的特點,采用化學(xué)吸收法進(jìn)行CO2的捕集目前來說是最適合的方法。在低溫條件下用化學(xué)溶劑吸收煙氣中的CO2,溶液加熱時,CO2從化學(xué)溶劑中解析出來,得到高濃度的CO2,溶液循環(huán)使用。其技術(shù)特點如下:

        (1)采用化學(xué)吸收法進(jìn)行燃燒后CO2捕集,具有吸收速度快、吸收能力強(qiáng)、處理量大、回收CO2純度高等優(yōu)點。

        (2)設(shè)置煙氣預(yù)處理系統(tǒng),煙氣脫硫后,再脫除攜帶的粉塵、水等雜質(zhì),同時使用抗氧化劑和緩蝕劑,吸收劑消耗低,設(shè)備腐蝕小。

        (3)CO2捕集采用貧富液換熱器、CO2冷卻器等多級換熱,熱量綜合利用,系統(tǒng)能耗低。

        (4)采用尾氣洗滌、氣液分離等系統(tǒng),充分回收尾氣中的氨溶液,并保持整個捕集系統(tǒng)的水平衡,氨溶液和水消耗量低。

        3 水泥廠捕集CO2的產(chǎn)品化應(yīng)用探討

        3.1 CO2作為工業(yè)產(chǎn)品用途廣泛

        CO2在常溫常壓下是無色、無臭、無味的氣體,相對分子質(zhì)量為44.01,比重1.53,密度1.977g/L,在大氣中的含量為0.03%。CO2是一種寶貴的碳、氧資源,它在地球的儲量比天然氣、石油和煤的總和還多數(shù)倍。目前,CO2廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、石油、化工、電子、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域。

        CO2作為一種安全可靠的天然制冷劑,近幾年已引起廣泛關(guān)注,是公認(rèn)的環(huán)保型自然制冷劑,除了在汽車空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用外,CO2在超市陳列冷柜、家電空調(diào)、熱泵、軍用場合制冷等方面的應(yīng)用研究也取得很多進(jìn)展。

        液態(tài)CO2直接噴射到食品上,可使食品瞬間快速降溫凍結(jié),食品的細(xì)胞不會被破壞,可保持原有鮮度和色香味,最大優(yōu)點是凍結(jié)食品的質(zhì)量等級明顯優(yōu)于傳統(tǒng)凍結(jié)。

        干冰是理想的制冷劑,總的冷卻能力約為水冷卻的2倍,最大特點是吸熱升華時不留痕跡,不會浸濕產(chǎn)品,無毒,不會造成二次污染,可廣泛用于食品、果蔬、海產(chǎn)品、水產(chǎn)品、鮮肉及制品、奶酪制品及航空食品等的保鮮、保存、運輸。

        3.2 水泥廠捕集CO2的產(chǎn)品化投資測算

        整個系統(tǒng)的投資可分為三部分,即捕集純化部分、壓縮干燥液化部分和存儲部分。據(jù)測算,捕集純化部分的投資占了整個投資的56%,是整個系統(tǒng)投資最大的部分;其次是干燥液化部分,占32%;存儲部分則相對來說設(shè)備較少,安裝簡單,僅占投資的12%。圖1為CO2捕集項目投資比例分布。

        圖1 CO2捕集項目投資比例分布

        直接決定工程費用的是煙氣CO2捕集規(guī)模的大小,根據(jù)目前國外的一些水泥廠煙氣CO2捕集項目的投資,統(tǒng)計出系統(tǒng)費用與捕集規(guī)模之間的關(guān)系,如圖2所示,取捕集規(guī)模的對數(shù)值作為橫坐標(biāo),取捕集每噸CO2所需的系統(tǒng)費用為縱坐標(biāo)。

        圖2 工程費用與捕集規(guī)模的關(guān)系

        由圖2可以看出,隨著捕集規(guī)模的增大,系統(tǒng)對應(yīng)的單位捕集產(chǎn)品的建設(shè)投資費用隨之減小。當(dāng)捕集規(guī)模為3 000t/年的時候,系統(tǒng)費用可達(dá)6 700元/噸,若捕集規(guī)模能達(dá)到100萬噸/年,則單位系統(tǒng)費用則可降低到450元/噸,差別達(dá)到了15倍以上。

        因此,在技術(shù)條件和投資允許的前提下,應(yīng)該盡量增大捕集規(guī)模。

        4 關(guān)于目前水泥行業(yè)CO2捕集及產(chǎn)品化的建議

        (1)相關(guān)部門編制整個水泥行業(yè)層面的二氧化碳捕集與產(chǎn)品化利用規(guī)劃,統(tǒng)一部署指導(dǎo)該領(lǐng)域的研究,避免部分研究內(nèi)容重復(fù)、分散,而一些重要研究方向存在空白。

        (2)加大科研投入力度,盡快開展幾個具有規(guī)模效應(yīng)的二氧化碳捕集及利用的示范項目,以全面掌握技術(shù),降低運行能耗和投資成本。

        (3)由行業(yè)協(xié)會牽頭,為水泥行業(yè)經(jīng)濟(jì)利用二氧化碳尋找出路,并為此向政府有關(guān)部委爭取相應(yīng)的資金支持和配套優(yōu)惠政策。■

        X511

        A

        1001-6171(2017)05-0089-05

        2017-04-17; 編輯:張志紅

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