水泥生产技术(水泥的脱碳生产)
【回顾背景】，
作为一种重要的建筑材料，全球普通硅酸盐水泥(OPC)年产量约为35亿吨。目前，越来越多的人开始关注水泥生产过程中的二氧化碳排放，其排放量约占每年能源和工业排放总量的7%。西方大公司(Cemex、海德堡水泥和La- fargeHolcim)的环境和年报显示，每生产一吨水泥将排放561-622千克二氧化碳。鉴于此，帝国理工学院的Paul S.Fennell近日在Joule上发表了一篇简要综述，评价了目前水泥生产中可能使用的几种脱碳工艺及其在水泥生产过程中碳排放中的相互作用，并在不考虑成本的情况下，粗略定义了它们的相对重要性和价值。研究成果发表在Joule(doi:10.1016/j . Joule . 2021 . 04 . 011)上，题目是“水泥生产脱碳”。作者是Paul S.Fennell、Steven J.Davis和Aseel Mohammed。
(资料图片仅供参考)
水泥生产中减少二氧化碳排放的几种技术
OPC由许多材料组成，其中最大的比例(约95% wt%)是“熟料”和辅助胶凝材料(SCM)，其余5%是石膏(用于帮助控制凝结时间)。目前，水泥生产过程包括三个主要阶段:原料提取和制备、熟料生产和水泥粉磨。石灰石与其他次要成分一起磨碎后，在900℃下通过一系列旋风分离器。大部分所需的能量和二氧化碳排放是由石灰石煅烧过程产生的；并且预分解窑使用总能量的60%，导致不可避免的“过程”排放，即水泥厂二氧化碳排放总量的60%左右。混合物离开后，进入回转窑在1450 ℃- 1500℃生产水泥熟料(硅酸钙混合物)。在熟料中加入辅助胶凝材料制成混凝土。固化过程包括硅酸三钙的快速水化和硅酸二钙的缓慢水化，最终通过水合硅酸钙和氢氧化钙的沉淀形成劈裂硬化。
图1概述了水泥生产中减少二氧化碳排放的主要工艺。
现代工厂每生产一吨熟料需要3.3 GJ的热能。由于生产过程和与燃料相关的排放占直接排放总量的很大一部分，技术改造和提高能源效率对减少二氧化碳都非常重要。可以通过能量回收、废热回收和增加干法/半干法工艺的比例来提高能源效率。另一个策略是碳捕获和存储(CCS)。此外，替代燃料(固体废物、生物质或氢或电能)也可用于焚烧窑，以取代部分煅烧过程。在某些情况下，这些替代燃料战略可以减少直接排放，但也可能增加间接排放，特别是氢能和电能。最后，可以通过减少对熟料的需求来减少排放。
废热回收(WHR)(燃料效率预计将提高5%)
水泥生产过程中有大量的热损失(约35%-40%)，主要由熟料冷却过程、预热器和窑内对流、熟料排放、粉尘和辐射引起。假设余热通过传统的蒸汽WHR系统和有机朗肯循环转化为电能，可以抵消电厂很大一部分电力需求。
低熟料低碳水泥
SCM是一种胶凝材料，可以替代部分熟料。从铜尾矿到甘蔗渣，再到经过商业测试的粉煤灰和高炉矿渣，所有东西都经过了SCM测试。目前全球平均熟料比(每千克水泥中熟料的比例)约为0.7。如果用LC3(石灰石煅烧粘土水泥)作SCM，熟料比可以降到0.5，质量与目前商品水泥相近，可能有更好的商业前景。
替代燃料(假设替代燃料为城市固体废弃物，最高替代率为100%，其生物成分为0.7)
使用替代燃料可以大大减少总排放量。根据国际能源署的数据，城市固体垃圾中60%至80%的碳本质上是生物产生的；这里，假设生物源比率为0.7。用固体废弃物替代化石燃料是一种经济有效的减少化石燃料的方法，而且相对无害。假设生物质是碳中性的，生物质燃料是减少碳排放的另一种选择。作为加拿大水泥2020项目的一部分，拉法基在安大略省的巴斯水泥厂使用了高达10%的替代燃料。第一阶段使用大麻、高粱、柳树、柳枝稷和燕麦皮，而第二阶段使用更具挑战性的燃料，如木材、经过处理的电线杆等。现在我们已经申请许可，计划将替代能源的比例提高到30%。然而，最近的报告显示，生物质燃料的单位热量成本仍然比废物燃料或煤贵几倍。同样，氢燃料或电能可以为系统提供高达100%的热量，但设计和部署氢驱动窑的复杂性和成本很高。最重要的是，任何燃料都无法避免石灰石煅烧过程中产生的工艺排放(占总量的60%)。
数字(假设燃油效率提高10%)
改进程序控制和下一代测量装置的效果也很显著。该领域的领导者LafargeHolcim已经启动了“明日工厂”计划，该计划将引入包括机器人技术、人工智能和预测性维护在内的多种技术。使用这一系列技术的工厂都安装了技术信息系统，可以跟踪绩效，集中分配资源，据说可以获得15%-20%的运营效率增益。考虑到公司经营效率转化为脱碳的挑战，这部分燃料燃烧效率估计提高10%左右。
碳捕获和储存(假设100%的二氧化碳捕获是可行的)
窑和煅烧石灰石的排放物结合成单一的烟道气流并从工厂排出。由于二氧化碳浓度高(按体积计14%-33%)，从水泥厂捕获二氧化碳比从同等规模的天然气厂(3%)或燃煤厂(15%)更容易。通常有三种不同类型的CCS:燃烧后捕获、氧燃料燃烧室捕获和燃烧前捕获。澳大利亚Calix公司最近开发了一种直接分离反应器(DSR ),正在商业化。
有许多类型的燃烧后捕获策略，它们或者用于改造现有发电厂，或者作为新发电厂的末端捕获技术。
在氧燃料燃烧中，二氧化碳的捕获实际上发生在燃料与纯氧和回收的二氧化碳而不是空气体一起燃烧之后。而且从理论上讲，从流经厂房的空气体中去除大量氮气，可以降低油耗。而且已经证明在含氧燃料气氛下生产的水泥没有质量问题。这种收集策略的困难在于难以升级现有的水泥厂。这也意味着水泥厂可能需要与制氧机同处一地，这样它们作为一个工业综合体可以有更好的体验。
DSR技术实际上是一种煅烧石灰石的新方法。石灰石通过一个巨大的外部可加热管道煅烧，二氧化碳在石灰石从管道垂直下落的过程中被捕获。这一过程可以从石灰石中捕获释放的高纯度二氧化碳，而不会大大增加能耗或成本。挪威公司Norcem在挪威布雷维克的Longship CCS项目最近得到了挪威政府的投资，这表明CCS更有可能用于水泥。
数据分析
假设水泥厂仅使用化石燃料而不提高工艺效率，其二氧化碳净排放量(仅考虑直接排放量，即燃料和煅烧产生的排放量)如下图2所示。图2还显示了CSS对各种化石和非化石燃料的应用效果，以及效率提高、熟料替代及其对每种燃料的综合效果。(实线代表CSS进程的使用)。如图2A所示，在使用化石燃料和“零”CCS工艺的条件下，水泥厂使用LC3水泥会有更显著的减排效果，但它只会改变熟料比或工厂效率。虽然它有很高的经济利润，但它只会略微改善整体的二氧化碳排放量。另外，固体CSS的数据表明，CCS是实现零排放的必要条件。
图2B和2D显示，在不使用CCS的情况下，只有燃料转化为氢(或电或生物质)对过程碳排放没有影响。还表明熟料替代对排放的影响比提高工艺效率更显著。当加入CSS技术捕集二氧化碳时，以生物质为燃料的窑炉将在捕集约63%的二氧化碳时实现碳中和，而城市固体废物将在捕集约80%时实现碳中和，而其他燃料仅在捕集100%时实现碳中和(即不会实现碳中和)。当然，结合所有技术(CCS除外)可以显著减少二氧化碳排放，但即使结合所有技术(使用LC3水泥)和用生物质或氢气烧窑，也会产生50%的基本排放，这远远高于零排放的要求。
正如预期的那样，随着低碳捕集技术或零碳捕集技术的应用，提高效率或替代熟料可以减少每吨水泥的排放总量。然而，如果只使用生物质或城市固体废物作为替代燃料，即使部署非常高比例的CCS工艺策略，情况也无法改善——每生产一吨水泥，燃烧更多的生物质将导致更大的二氧化碳排放。另外，生物质其实是一种有限的资源，这个过程的主要价值是生产水泥，而不是减排。
这个简单的回顾和分析结论表明，CCS的部署是关键。合理分配潜在的生物质燃料比例和CCS工艺可以最大限度地减少二氧化碳排放，最终使碳中和成为可能。接下来，熟料替代是最有实用价值的，尤其是在CCS技术尚未部署，但需要深度开发脱碳技术的情况下。固体废弃物作为燃料，其实比生物质便宜，对于高熟料比的水泥生产是足够的，也能达到一定的“减排”效果。
