目前大家應(yīng)該是對(duì)水泥生產(chǎn)工藝（水泥的脫碳化生產(chǎn)）比較感興趣的，所以今天好房網(wǎng)小編CC就來為大家整理了一些關(guān)于水泥生產(chǎn)工藝（水泥的脫碳化生產(chǎn)）方面的相關(guān)知識(shí)來分享給大家，希望大家會(huì)喜歡哦。

水泥生產(chǎn)工藝（水泥的脫碳化生產(chǎn)）

【評(píng)述背景】，

作為一種重要的建筑材料，全球普通硅酸鹽水泥(OPC)的年產(chǎn)量約為35億噸。目前，越來越多的人開始關(guān)注水泥生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，其約占每年能源和工業(yè)總排放量的7%。西方主要公司(Cemex、海德堡水泥和La- fargeHolcim) 的環(huán)境和年度報(bào)告顯示，每生產(chǎn)一噸水泥會(huì)排放561-622公斤二氧化碳。鑒于此，英國(guó)帝國(guó)理工Paul S.Fennell 日前在Joule期刊發(fā)表簡(jiǎn)單評(píng)述，評(píng)估了目前水泥生產(chǎn)中有可能用到的幾種脫碳工藝及其在水泥生產(chǎn)過程中碳排放方面的相互作用，在不考慮成本的條件下，大致界定了它們的相對(duì)重要性和價(jià)值。 該研究成果以 “Decarbonizing cement production”為題發(fā)表在Joule (DOI:

1016/j.joule.2020011)，作者為Paul S.Fennell, Steven J.Davis, 和 Aseel Mohammed。

減少水泥生產(chǎn)中二氧化碳排放的幾項(xiàng)技術(shù)

OPC由許多材料組成，其中最大比例 (約95% wt %) 是 “熟料” 和輔助膠結(jié)材料 (SCM) ，剩下的5%是石膏 (用來幫助控制凝結(jié)時(shí)間)。目前的水泥生產(chǎn)流程包括三個(gè)主要階段: 原料提取和制備、熟料生產(chǎn)以及水泥磨粉。石灰石與其他次要成分一起磨碎后，在900℃通過一系列的氣旋。大部分所需的能源和二氧化碳排放都是石灰石煅燒過程產(chǎn)生的; 而預(yù)分解爐又使用了總能量的60%，產(chǎn)生了不可避免的 “過程” 排放，即水泥廠總二氧化碳排放的60%左右?；旌衔镫x開后，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，在1450 ℃- 1500 ℃生產(chǎn)水泥熟料 (硅酸鹽鈣的混合物)。把輔助膠結(jié)材料加到熟料中就制成了混凝土。凝固過程包括硅酸三鈣的快速水合和硅酸二鈣的緩慢水合，并最終通過硅酸鈣水合物和氫氧化鈣的沉淀形成分體硬化。

圖1概述了減少水泥生產(chǎn)中二氧化碳排放的主要工藝。

現(xiàn)代工廠每生產(chǎn)一噸熟料需3 GJ的熱能。由于生產(chǎn)工藝和與燃料有關(guān)的排放都占直接排放總量的很大一部分，工藝改造和能源效率提升對(duì)二氧化碳的減少都很重要。能源效率可以通過能源回收、余熱回收和增加干法/半干法工藝的比例來提高。另外一個(gè)策略就是，碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)。此外，還可以在窯爐中使用可替代燃料 (固體垃圾廢物、生物質(zhì)或氫或電能)來替代部分煅燒過程。在某些情況下，這些可替代燃料策略可以減少直接排放，但也有可能增加間接排放，特別是氫能和電能。最后，還可以通過減少對(duì)熟料的需求，來減少排放。

余熱回收(WHR) (預(yù)計(jì)燃料使用效率可提高5%)

水泥制造過程中有大量的熱損失(約35%-40%)，主要是熟料冷卻過程，預(yù)熱器和窯爐的對(duì)流、熟料排出、灰塵和輻射造成的。假設(shè)通過傳統(tǒng)的蒸汽WHR系統(tǒng)和有機(jī)朗肯循環(huán)，將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，這可以抵消對(duì)電廠電力需求的很大一部分。

低熟料和低碳水泥

SCM是一種具有膠凝性能的材料，可替代部分熟料，從銅尾礦到甘蔗渣，再到商業(yè)測(cè)試過的粉煤灰和高爐磨粒渣都被當(dāng)做SCM進(jìn)行過測(cè)試。目前，全球平均熟料比 (每公斤水泥的熟料所占比例) 約為0.7，如果使用 LC3(石灰石煅燒粘土膠結(jié)物)作為SCM，可以將熟料比例降至0.5，而且質(zhì)量與目前的商業(yè)水泥類似，可能會(huì)有更好的商業(yè)化前景。

可替代燃料 (假設(shè)替代燃料為 城市固體廢物，最高替代率為100%，其生物組分0.7)

使用可替代燃料可以大幅減少總排放量。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，城市固體垃圾中60%到80%的碳本質(zhì)上是生物產(chǎn)生的; 這里假定生物成因比例為0.7。用固體廢物代替礦物燃料是減少礦物燃料的一種節(jié)省成本的方法，而且相對(duì)無害。假設(shè)生物質(zhì)是碳中和的，生物質(zhì)燃料是減少碳排放的另一種選擇。作為加拿大水泥2020項(xiàng)目的一部分，拉法基已經(jīng)在其位于安大略省的巴斯水泥廠使用了高達(dá)10%的可替代燃料。第一階段使用的是大麻、高粱、柳樹、柳枝稷和燕麥皮，第二階段則使用更具挑戰(zhàn)的燃料，如木材、經(jīng)過處理的電線桿等?，F(xiàn)已申請(qǐng)?jiān)S可，計(jì)劃將可替代能源的比例增加到30%。然而，最近的報(bào)告表明，生物質(zhì)燃料每單位熱量所需成本仍比廢物燃料或煤炭貴幾倍。同樣，氫燃料或電能可以為系統(tǒng)提供高達(dá)100%的熱量，但設(shè)計(jì)和部署氫驅(qū)動(dòng)窯爐的復(fù)雜性和成本都很高。最重要的是，沒有哪種燃料可以避免石灰石煅燒過程中所產(chǎn)生的過程排放(占總數(shù)的60%)。

數(shù)字化 (假設(shè)可提升10%的燃料效率)

改進(jìn)程序控制和下一代測(cè)量裝置效果也很顯著。該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者LafargeHolcim已經(jīng)啟動(dòng)了 “明日植物” 計(jì)劃，將推出包括機(jī)器人、人工智能和預(yù)測(cè)性維護(hù)在內(nèi)的多種技術(shù)。使用該系列技術(shù)的工廠已經(jīng)安裝技術(shù)信息系統(tǒng)，可進(jìn)行性能跟蹤和資源集中分配，據(jù)稱可獲得15%-20%的運(yùn)行效率增益?？紤]到將公司的運(yùn)營(yíng)效率收益轉(zhuǎn)化為脫碳所面臨的挑戰(zhàn)，這部分的燃料燃燒效率提高估約為10%。

碳捕獲和存儲(chǔ) (假設(shè)100%的二氧化碳捕獲是可行的)

窯爐和煅燒石灰石的排放物都被組合成單煙道氣流，排出工廠。由于二氧化碳濃度高 (體積占比14%-33%)，從水泥廠捕集二氧化碳比從同等規(guī)模的天然氣(占比3%)或燃煤(占比15%)工廠中捕獲更容易。CCS一般有三種不同的類型: 燃燒后捕獲、氧燃料燃燒室捕獲和燃燒前捕獲。澳大利亞Calix公司最近開發(fā)了直接分離反應(yīng)器(DSR)，并正在進(jìn)行商業(yè)化。

有多種類型燃燒后捕集策略，它要么被用于改造成現(xiàn)有的電廠，要么作為新電廠的管道末端捕獲技術(shù)而建造。

在氧燃料燃燒中，二氧化碳的捕獲其實(shí)是發(fā)生在燃料用純氧和回收的二氧化碳來代替空氣進(jìn)行燃燒后進(jìn)行的。而且從理論上講，去除流經(jīng)工廠的空氣中的大量氮?dú)饪梢越档腿剂舷?。而且已?jīng)證實(shí)，在含氧燃料氣氛下生產(chǎn)的水泥并沒有質(zhì)量問題。該收集策略的難點(diǎn)在于很難對(duì)現(xiàn)有的水泥廠進(jìn)行升級(jí)改造。這也意味著水泥廠可能需要與氧氣生產(chǎn)商共同選址，使得它們作為一個(gè)工業(yè)綜合體會(huì)更好。

DSR技術(shù)其實(shí)是一種煅燒石灰石的新方法。通過使用一個(gè)巨型的，外部可加熱的管煅燒石灰石，在石灰石從管道垂直落下的過程中進(jìn)行二氧化碳捕獲。該工藝可以在不大幅增加能源消耗或成本的情況下，從石灰石中捕獲釋放出的高純二氧化碳。挪威Norcem公司在挪威Brevik的Longship CCS項(xiàng)目最近得到了挪威政府投資，這表明CCS可以用于水泥的可能性更大。

數(shù)據(jù)分析

假設(shè)水泥廠不改進(jìn)工藝效率，只使用礦物燃料，則其預(yù)計(jì)的凈二氧化碳排放量 (只考慮直接排放，即來自燃料和煅燒的排放) 如下圖2。圖2還顯示了CSS對(duì)各種化石和非化石基燃料的應(yīng)用效果，以及對(duì)每種燃料的效率提高、熟料替代和它們的組合效果。（實(shí)線代表使用CSS工藝），如圖2A，在使用化石燃料，并且 “零” CCS工藝條件下，水泥廠使用LC3水泥會(huì)有更顯著的降排放效果，但僅改變熟料比例或工廠效率，雖然有很高的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，但對(duì)總體二氧化碳排放只有微小的改善。此外，實(shí)線CSS的數(shù)據(jù)表明，CCS是實(shí)現(xiàn)零排放的必要條件。

圖2B和2D顯示，在不使用CCS的情況下，僅僅將燃料轉(zhuǎn)化為氫氣 (或電力或生物質(zhì)) 對(duì)過程碳排放沒有任何影響。這也表明，熟料替代對(duì)排放的影響比提高工藝效率更顯著。當(dāng)添加CSS捕獲二氧化碳工藝時(shí)，以生物質(zhì)為燃料的窯爐在捕獲約63%二氧化碳時(shí)達(dá)到碳中和，城市生活垃圾則在80%左右達(dá)碳中和，而其他燃料僅在100%捕獲時(shí)候達(dá)到（也就是達(dá)不到碳中和）。當(dāng)然，結(jié)合所有技術(shù) (除CCS) 可以顯著減少二氧化碳排放，但即使結(jié)合所有技術(shù) (使用LC3水泥) 和用生物質(zhì)或氫氣燒制窯爐，也會(huì)導(dǎo)致50%的基本排放，遠(yuǎn)高于零排放的要求。

正如預(yù)期，低碳捕捉技術(shù)或零碳捕捉技術(shù)的應(yīng)用，提高效率或替代熟料可以減少每噸水泥的總排放量。然而對(duì)于僅使用生物質(zhì)或城市生活垃圾作為可替代燃料，哪怕進(jìn)行非常高比例的CCS工藝策略部署，情況也不容好轉(zhuǎn)——因?yàn)槊可a(chǎn)一噸水泥，燃燒更多的生物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致更大的二氧化碳排放。此外，生物質(zhì)其實(shí)是一種有限的資源，該過程的主要價(jià)值還是用于水泥的生產(chǎn)，而不是減小排放。

這個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)述分析結(jié)論表明，CCS的部署是關(guān)鍵。合理調(diào)配燃料的潛在生物質(zhì)燃料比例，加上CCS工藝，才能最大限度地減少二氧化碳排放，并使得碳中和最終成為可能。當(dāng)下來看，熟料替代是最有實(shí)踐價(jià)值的，特別是當(dāng)CCS工藝還未部署時(shí)，但需要進(jìn)行深層次的脫碳技術(shù)發(fā)展。作為燃料，固體垃圾比生物質(zhì)其實(shí)更便宜，對(duì)于高熟料比的水泥生產(chǎn)是足夠的，而且也能實(shí)現(xiàn)一定的“減排”效果。

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