AIChE Journal 南京航空航天大学 孙文旭 | 多能耦合驱动的水泥生产绿色脱碳转型路径研究

文献速读

水泥工业作为碳排放大户，在产品市场持续收紧以及碳税政策日趋严格的多重背景下，正迫切需要一种能够兼具深度减排与经济效益提升的综合性解决方案。本文创新性的提出了 “绿色循环水泥厂”的技术概念，构建了集水泥生产、钙循环碳捕集与原位碳转化于一体的多能耦合驱动系统（HE-CCCU）。通过流程建模与技术经济性分析，验证了HE-CCCU系统的工程实施与效益创收潜力，进而为水泥工业未来绿色脱碳转型提供了一条可行技术路径。

正文导读

水泥工业碳排放量约占全球总排放的7%，其碳排放主要来源于工艺中石灰石的煅烧（60%），其次为化石燃料燃烧（30%）与电力消耗（10%），受限于其工艺特性，脱碳难度较大。基于燃烧后捕集方法的钙循环碳捕集技术相较于现有的替代燃料、低钙水泥以及能效优化等脱碳措施，减排幅度显著，同时其原料组成和高温煅烧工况与水泥生产天然契合。然而，单一的碳捕集系统加剧了原有场所的系统投资成本，并且难以形成完整碳链。因此，如何在深度脱碳的同时提升经济性能，成为水泥工业绿色低碳转型面临的核心问题。

本团队提出了一种多能耦合驱动水泥烟气碳捕集与原位转化利用的集成系统（HE-CCCU）。以我国华东地区某水泥生产线为研究对象，将钙循环碳捕集系统(CaL)与原位甲烷干重整（DRM）技术深度集成，并通过聚光太阳能热、光伏及风能驱动的电加热构成多能耦合驱动模式为其供能（图1，图2）。

图1 HE-CCCU 系统原理图

图2 多能耦合驱动模式示意图

依据当地风光自然输入条件的过程模拟显示，在光伏、风电、聚光集热等耦合驱动模式下，系统可匹配2500吨熟料/天的全天候脱碳运行工况，实现对传统中等规模水泥厂1848吨/日碳排放的高效捕集，并同步产出2783吨/日的绿色合成气，同时规避100k$/日的碳税成本，且无需对原有水泥生产进行工艺改造。

图3 （a）HE-CCCU系统的质量守恒桑基图，与对照系统的性能对比：（b）碳排放量；（c）能耗。

技术经济性分析结果显示，在设计工况下，HE-CCCU系统的投资回收期8.01年，CO成本为482.05 $/吨，较市场售价低27.1%，使水泥工业成为CO生产的有力竞争者。在考虑真实太阳辐照条件与动态电价的情景下，传统水泥厂单位产品经济表现由净成本状态(−24.3 $/吨)转变为显著净收益(241.4 $/吨)，使产业脱碳由成本负担重构为价值增量，有效缓解了该行业面临的生存危机。

图4 （a）净现值与投资回收期随碳捕集效率的变化；（b）CO成本对比；（c）日均收益对比。

随着碳交易市场机制和可再生能源成本持续演进，多能耦合驱动的碳捕集与原位利用技术实现了水泥工业的节能脱碳与绿色经济转型协同耦合，同时拓展了光热与大规模电加热在碳密集型、高耗能产业领域的示范与应用潜力。未来研究可进一步围绕系统在不同规模与区域条件下的适用性开展优化，重点评估可再生能源波动性、材料循环稳定性及关键设备运行效率对整体性能的影响。

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