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科技前沿全球碳捕集与封存技术进展及其在水泥行业应用前景初探文 中国建筑材料科学研究总院、CSI中国办公室 李 科 技 前 沿 全球碳捕集与封存技术进展及其 在水泥行业应用前景初探 文 中国建筑材料科学研究总院、CSI中国办公室 李 娟 作为全球应对气候变化的技术途径之一，碳捕集与封存 （Carbon Capture and Storage, CCS）技术受到了世界各国 的广泛重视。尽管国人对其尚有陌生，但CCS技术已是当前气 候变化领域最前沿、最重大的课题之一，全球积极倡导碳减排的 主要能源研究机构、组织和国家，已经一致将CCS技术列为未 来的碳减排关键技术，并斥巨资开展CCS技术的相关研究和工 业化实践。 联合国工业发展组织（UNIDO）和国际能源署（IEA）2011 年出版了《2050技术路线图CCS技术在工业中的应用》，该路线 图中提出2050年水泥行业将利用CCS技术捕集5亿吨CO2。国际能 源署（IEA）和水泥可持续发展倡议组织（CSI）2009年合作开发 的《2050水泥技术路线图》中指出，到2050年，全球水泥行业要 实现18%的CO2减排潜力，仅CCS技术就需要贡献56%，其余44% 来自提高能效、替代燃料的使用和熟料的替代。并预测，2050年 欧洲、北美和澳大利亚将有50%的水泥窑都配有碳捕集的设施， 中国和印度约有20%的水泥窑采用碳捕集技术。 笔者自2009年受IEA委托翻译其《2050水泥技术路线图》中 文译本起，对CCS技术的进展持续跟踪关注，现将数年来所了解 到的CCS技术概况、全球CCS项目进展、水泥行业CCS项目必威体育精装版 进展、及对CCS技术在水泥行业利用前景的思考与读者共飨。 烧前捕集和富氧燃烧捕集。 1.1 燃烧后捕集 燃烧后捕集与分离主要是将烟气中CO2与N2的分离。化学溶 剂吸收法是当前最好的燃烧后CO2收集法，具有较高的捕集效率 和选择性，且能源消耗和收集成本较低。除了化学溶剂吸收法， 还有吸附法、膜分离等方法。 化学吸收法是利用碱性溶液与酸性气体之间的可逆化学反 应。由于燃煤烟气中不仅含有CO2、N2、O2和H2O，还含有SOx、 NOx、粉尘、HCl、HF等污染物。杂质的存在会增加捕获与分离 的成本，因此烟气进入吸收塔之前，需进行预处理，包括水洗冷 却、除水、静电除尘、脱硫与脱硝等。烟气在预处理后,进入吸收 塔，吸收塔温度保持在40～60℃，CO2被吸收剂吸收，通常用的 溶剂是胺吸收剂（如一乙醇胺MEA）。 然后烟气进入一个水洗容器以平衡系统中的水分并除去气体 中的溶剂液滴与溶剂蒸汽，之后离开吸收塔。吸收了CO2的富溶 剂经由热交换器被抽到再生塔的顶端。吸收剂在温度100～140℃ 和比大气压略高的压力下得到再生。水蒸汽经过凝结器返回再生 塔，而CO2离开再生塔。再生碱溶剂通过热交换器和冷却器后被 抽运回吸收塔。 1.2 燃烧前捕集 系统在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料，产 生主要成分为CO和H2的混合气体（“合成”气体）。在第二个反 应器内（“变换反应器”）通过CO与蒸汽的反应生成其余的H2和 CO2。从最后产生的H2和CO2组成的混合气体中分离出CO2气流和 氢流。CO2被封存，氢就成为无碳能源载体，可用来燃烧发电。 尽管最初的燃料转化步骤较为复杂，与燃烧后系统相比成本较 高，但由变换反应器产生的高浓度CO2（在烘干条件下一般占体 积的15～60%），以及在这些应用中采用的高压则更有利于CO2的 分离。燃烧前系统可以在采用综合汽化复合循环（IGCC）技术的 电厂中使用，不适合于水泥行业的使用。 1.3 富氧燃烧捕集 富氧燃烧系统是用纯氧或富氧代替空气作为化石燃料燃烧的 介质。燃烧产物主要是CO2和水蒸气，另外还有多余的氧气以保 证燃烧完全，以及燃料中所有组成成分的氧化产物、燃料或泄漏 进入系统的空气中的惰性成分等。经过冷却水蒸汽冷凝后,烟气中 CO2含量在80-98%之间。这样高浓度的CO2经过压缩、干燥和进 一步的净化可进入管道进行存储。 在富氧燃烧系统中，由于CO2浓度较高,因此捕获分离的成 本较低，但是供给富氧的成本较高。目前氧气的生产主要通过空 气分离方法,包括使用聚合膜、变压吸附和低温蒸馏。富氧燃烧系 一、碳捕集与封存（CCS）技术概况 碳捕集与封存（CCS）是指将工业和能源排放源产生的CO2 进行收集、运输并安全存储到某处使其长期与大气隔离的过程。 CCS主要由CO2的捕集、运输、封存三个环节组成，其中最主要 的为两个点，排放源以及封存地。 CO2的捕集主要用于大的排放源，大排放源主要有火力发电 站，煤化工、水泥、石化、钢铁工业以及天然气的生产。其中， 天然气的生产过程是最可能优先进行捕集的，因为天然气在运输 过程中必须脱去大部分CO2，这部分CO