引言 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
據(jù)2018年統(tǒng)計,水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2排放量約占全球CO2排放總量的7%。水泥工業(yè)可以通過采取各種不同的技術(shù)措施來降低CO2排放,例如提高能量效率、使用替代燃料、使用替代原料以及降低水泥中熟料摻量等[1]。然而,這些技術(shù)在很大程度上已經(jīng)被采用,減排效果有限。 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
CO2捕獲和儲存(CCS)可以顯著地減少水泥工業(yè)CO2排放,其被認為是水泥工業(yè)進一步全面碳減排的重大舉措,已經(jīng)被歐洲列為《2050歐洲低碳發(fā)展技術(shù)路線圖》,我國發(fā)改委也將其作為我國節(jié)能減排大力扶持的措施之一。目前最成熟的CO2捕獲技術(shù)是MEA化學(xué)吸收法,我國安徽蕪湖白馬山水泥廠5?000 t/d生產(chǎn)線15萬t/年 CO2捕獲生產(chǎn)線便采用此工藝。然而,這種技術(shù)可能不一定是最佳選擇。本文在總結(jié)國外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上比較了水泥工業(yè)采用MEA化學(xué)吸收法、純氧(O2+CO2,CO2為目標(biāo)氣體)燃燒法、冷卻氨水法、膜分離法、分體式鈣循環(huán)法和集成式鈣循環(huán)法6種CO2捕獲工藝流程、原理及對水泥生產(chǎn)可能帶來的影響,以期對我國水泥工業(yè)碳捕獲技術(shù)及工藝發(fā)展有所借鑒。
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1.MEA化學(xué)吸收法 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
MEA化學(xué)吸收法CO2捕獲是一種燃燒后捕獲技術(shù),采用MEA溶劑從煙氣中吸收CO2,其工藝流程見圖1。為了防止溶劑的降解,在煙氣進入吸收塔前,必須先降低煙氣中NOx和SOx的含量。假定煙氣進入吸收塔前已經(jīng)通過SNCR系統(tǒng)降低了NOx含量,然后煙氣在直接接觸式冷卻器(DCC)中冷卻,SOx通過NaOH洗滌去除,再除去水,最后冷卻后的煙氣再進入吸收塔,通過30%的MEA溶液從煙氣中吸收CO2。揮發(fā)的MEA在吸收塔頂部的水洗段中被回收。富含CO2的MEA溶劑在解吸塔中再生,得到高純度的CO2,CO2經(jīng)壓縮后再運輸處置。
圖1 MEA化學(xué)吸收法CO2捕獲工藝流程 本文+內(nèi)-容-來-自;中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
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溶劑再生需要相當(dāng)大的熱量,吸收過程中的風(fēng)機、泵以及CO2的壓縮等都需要能耗。對于水泥廠來說,熟料生產(chǎn)的余熱可滿足溶劑再生所需熱量的4%。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
2.純氧燃燒法 本+文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
純氧燃燒CO2捕獲工藝流程見圖2。純氧燃燒主要由氧氣與回收CO2混合組成的氧化劑進行的,以產(chǎn)生一種富含CO2的煙氣,從而能夠相對容易地用CO2凈化裝置(CPU)進行凈化。相對于MEA化學(xué)吸收技術(shù),水泥窯工藝本身必須進行改造,熟料冷卻機、回轉(zhuǎn)窯、分解爐和預(yù)熱器中的氣體氣氛發(fā)生變化,部分煙氣被回收利用。
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圖2 純氧燃燒CO2捕獲熟料生產(chǎn)線工藝流程
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與沒有CO2捕獲的工廠相比,純氧燃燒過程需要額外的能源,主要是空氣分離裝置(ASU)和CO2凈化裝置(CPU)。其中一部分電力需求可以通過余熱發(fā)電系統(tǒng)(有機朗肯循環(huán)ORC)來滿足。 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
3.冷卻氨水法 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
冷卻氨水法(CAP) CO2捕獲是基于吸收法的燃燒后捕獲技術(shù),其中使用冷卻的氨水作為溶劑從煙氣中除去CO2,其工藝流程見圖3。在直接接觸冷卻器(DCC)中首先對煙氣進行冷卻并通過從氨解吸塔釋放的氨除去SOx。脫硫后的煙氣進入CO2吸收塔,在該吸收塔中通過氨水除去CO2。吸收塔中的溫度由溶劑泵控制在大約12~13 ℃。在將凈化的煙氣排放到大氣之前,吸收塔頂部的水洗段回收煙氣中過量的氨,再從NH3解吸塔中釋放出來并循環(huán)到該過程中。富含CO2的氨水在CO2解吸塔中再生,該解吸塔在2.5 MPa下運行。得到的高純度CO2通過進一步加壓以滿足運輸要求。
圖3 CAP CO2捕獲工藝流程 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
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在這一過程中,溶劑再生和氨回收系統(tǒng)需要熱能,制冷、抽吸和壓縮需要電能。余熱可以用來滿足一部分的熱能需求。這部分熱耗相當(dāng)于參考水泥廠總熱需求量的7%~8%。
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4.膜分離法
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膜分離法是指在一定的條件下,通過膜對氣體的滲透有選擇性地將CO2分離出來。膜分離技術(shù)具有投資少、能耗低、占地少以及維修方便等優(yōu)點,在CO2捕獲領(lǐng)域頗受關(guān)注[2]。其工藝流程見圖4。通過膜分離產(chǎn)生中等純度的CO2產(chǎn)品,再經(jīng)過高壓液化處理,形成高純度的CO2,而部分脫碳的尾氣被回收到膜進氣中循環(huán)。
圖4 膜分離法CO2捕獲工藝流程
煙氣首先經(jīng)過冷卻器冷卻,在DCC中除去水,然后壓縮進入膜裝置。膜裝置的進出口壓差和壓力比是由進氣側(cè)的壓縮煙氣和膜滲透側(cè)的真空泵產(chǎn)生的。聚合物膜的化學(xué)穩(wěn)定性取決于聚合物的類型,這種膜對SOx和NOx具有選擇性。該技術(shù)也是一種燃燒后捕獲技術(shù)。
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5.分體式鈣循環(huán)法
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鈣循環(huán)(CaL)技術(shù)是以可逆碳化反應(yīng)(CaO+CO2→CaCO3)為基礎(chǔ),利用CaO與CaCO3的相互轉(zhuǎn)化來分離煙氣中的CO2。該技術(shù)可應(yīng)用于水泥窯尾單獨鈣循環(huán),也叫分體式鈣循環(huán)(見圖5),也可與水泥窯的燒成系統(tǒng)集成,也叫集成式鈣循環(huán)。在分體式結(jié)構(gòu)中,從預(yù)熱器出來的煙氣進入碳酸化器,通過與CaO基吸附劑反應(yīng)生成CaCO3,生成的CaCO3和補充的石灰石在煅燒爐中920 ℃左右的溫度及純氧條件下煅燒,形成新的吸附劑CaO(也叫再生)和高純度的CO2,再經(jīng)過CPU的進一步凈化從而從煙氣中捕獲CO2。系統(tǒng)中富含CaO的吸附劑一部分被送往水泥窯,用作生料的成分。 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
圖5 分體式鈣循環(huán)CO2捕獲生產(chǎn)線工藝流程 本`文@內(nèi)-容-來-自;中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
分體式鈣循環(huán)CO2捕獲工藝的特點是需要另外提供石灰石、煤,ASU和CPU需要新增電耗。
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6.集成式鈣循環(huán)法 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
在集成式鈣循環(huán)CO2捕獲配置中,碳酸鈣煅燒爐采用水泥熟料預(yù)熱器系統(tǒng)的分解爐,更有利于系統(tǒng)的節(jié)能。集成式鈣循環(huán)CO2捕獲生產(chǎn)線工藝流程見圖6。值得注意的是,這種集成只適合回轉(zhuǎn)窯煅燒系統(tǒng),不適合采用流化床的燒成系統(tǒng)。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
圖6 集成式鈣循環(huán)CO2捕獲生產(chǎn)線工藝流程
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由于窯尾的集成配置,需要增加燃料,分解爐必須在純氧條件下運行,ASU和CPU需要增加電能,但余熱發(fā)電能彌補部分電能。
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7.結(jié)束語
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水泥工業(yè)可以通過采取各種不同的技術(shù)措施來減少CO2排放,但減排效果有限,有的只是限排措施(如實施碳交易等)。CO2捕獲和儲存(CCS)可以顯著地減少水泥工業(yè)CO2排放,其被認為是水泥工業(yè)進一步全面CO2減排的重大舉措,已經(jīng)被世界多國列為低碳發(fā)展技術(shù)路線圖。本文在總結(jié)國外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上比較了水泥工業(yè)采用MEA化學(xué)吸收法、純氧燃燒法、冷卻氨水法、膜分離法、分體式鈣循環(huán)法和集成式鈣循環(huán)法6種CO2捕獲工藝流程、原理及對水泥生產(chǎn)可能帶來的影響,以期對我國水泥工業(yè)碳捕獲技術(shù)及工藝發(fā)展有所借鑒。這6種CO2捕獲方法的捕獲效率、減排能耗及經(jīng)濟指標(biāo)等評價指標(biāo)將另文討論。
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