国内外CCUS技术现状及水泥业案例|化学_新浪财经

文/曹瑀泽李敏刘宁张娅妮张凯博，中国建筑材料联合会，中国建材杂志

为应对全球气候变化，碳捕集利用与封存（CCUS）技术作为碳中和技术组合不可或缺的组成部分，是实现《巴黎协定》温控目标的关键技术手段和托底技术保障。本文对国内外CCUS技术发展现状以及国内外产业政策状况进行了研究，同时对全氧燃烧碳捕获技术典型案例进行了分析。

碳捕集关键技术路径

碳捕集作为CCUS技术的关键过程，其收集的烟气碳浓度会直接对碳利用场景及规模产生影响，适用于水泥碳捕集的关键技术路径，分别为：化学吸收、氧燃料燃烧、钙循环工艺、间接换热分解、膜分离。

1.化学吸收法

化学吸收法最早应用于电厂碳捕集，经过多年验证是目前较为成熟的捕获方案，水泥工业碳捕集可借鉴引用胺溶液吸收法来提纯、富集CO2气体，达到碳减排目的。冷却氨水法是利用氨水在低温下同水泥窑烟气中CO2反应，同属于化学溶剂吸收类，反应过程如式（1）～（4）所示。

CO2(q)←→CO2(aq)　　　（1）

2NH3(aq)＋H2O(l)＋CO2(aq)←→(NH4)2CO3(aq)（2）

(NH4)2CO3(aq)＋H2O(l)+CO2(aq)←→2NH4HCO3(aq)（3）

(NH4)2CO3(aq)←→NH2CO2NH4(aq)＋H2O(l)（4）

水泥窑烟气首先进入脱硫塔，该过程伴随着降温、脱硫反应，副产物（NH4）2SO4可作为工业肥料使用；其次预处理后的气体进入CO2吸收塔，选择冷却氨水吸收剂，在5℃～13℃低温条件下反应塔采用与传统工艺相似的气液逆向吸收，富集CO2后的氨水溶液在吸收塔底部聚集；为降低最终外排气体中NH3逃逸超标风险，在末端工序设置水洗、H2SO4酸洗塔用于去除NH3保证达到水泥窑烟气洁净排放目标；最后吸收塔底部沉淀富碳溶液被输入解吸塔并在2.5MPa高温环境中解吸出CO2气体，而氨水循环回吸收塔再利用。

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2.氧燃料燃烧技术

氧燃料燃烧法代表水泥碳捕集的另一种途径，不同于化学吸收法试图从烟气中提取纯化CO2这类燃烧后捕集方式，可通过调控燃烧过程直接获得富含CO2的原始水泥窑烟气。中国建材集团开发了氧燃料局部替代空气燃烧专门用于分解生料实现碳捕集的技术。原理特点是两列预热器配置不同气氛，气流场相对独立：篦冷机以常规空气输入为主用于冷却熟料，回转窑内燃烧的烟气进入第一列预热器；富集炉、燃烧室以单独供应氧燃料为主，燃烧形成的热量用于分解生料，烟气进入第二列预热器。技术指标方面，富集炉内因含有高分压CO2气体，影响碳酸盐正向化学分解过程，温度控制在920℃以上，使得分解炉内保持高温、高碳烟气富集状态。收集的部分CO2烟气再循环，作为载气同氧燃料混合，保证炉内生料悬浮分解。

3.钙循环技术

钙循环技术基于碳酸钙受热分解的逆反应过程CaO+CO2→CaCO3，以CaO为吸附剂发生碳酸化过程，再通过高温脱碳工艺实现CaO循环利用。此项技术所采用的CaO脱碳剂同时满足水泥熟料煅烧原材料需求，不易造成资源浪费，且碳捕集率可达到95%以上的，被认为是水泥工业最有前途的碳捕集技术之一。钙循环技术中碳酸化反应主要集中在鹅颈耐热碳化管道炉内，回转窑烟气中80%的CO2与碳化炉内CaO反应，以CaCO3形式将碳固化沉淀下来。工艺控制上，来自回转窑烟气首先经两级预热器换热降温处理，目的是利用生料与烟气的固—气混合来控制气流进入碳化器的温度。其次碳化管道炉旁边匹配性建造一种冷却器装置，煅烧炉内已脱碳的920℃CaO颗粒进入冷却器管道，并与三次风及烟气碳化后剩余的20%CO2混合降温至600℃，满足CaO颗粒入碳化管道炉温度要求。

煅烧工艺是由制氧系统得到O2与少量循环CO2混合通入煅烧炉，并在920℃高温下将常规预热器生料、碳化系统预热器生料，以及合成CaCO3三种物料汇合后单独加热分解，最终分离出水泥窑含CO2烟气。

4.间接换热分解技术

澳大利亚Calix与海德堡水泥公司合作开发一种LEILAC碳捕获技术，它在工程装备上比全氧燃烧更简单，而且不涉及任何像胺洗涤那样的能源密集型化学吸附、解吸反应过程，因此安装和运行成本更低，综合考虑在内部

收益率12.5%，工厂寿命30年且不包括运输和存储的条件下碳捕集成本大致为250元/吨CO2，远低于胺吸收法的500元/吨CO2。

5.膜分离技术

膜分离技术的原理是在压力差、温度差、浓度差等渗透驱动力下，根据不同组分膜内扩散系数差异，选择性分离物质，而渗透速率取决于相对分子尺寸及其膜中扩散系数关键指标。通常膜材料对硫敏感且不耐受高温，因此烟气进入膜分离装置前需要考虑类似化学吸收法的预处理工艺。欧盟“地平线2020”中CEMCAP碳捕集项目开展过类似研究。结果显示CO2对于N2有较高选择性，表明两者易于分离；但H2O却难以脱除，最终捕获的CO2浓度也因此受影响。工程实施为达到高浓度捕集目标需匹配多级膜分离工艺，在应用典型两级膜过滤以及低温液化脱水装置后可捕获90%纯度的CO2气体。

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产业政策现状及分析

1.国外主要国家产业政策现状与分析

（1）美国

美国扶持CCUS发展的主要政策为《国内税收法》中的45Q税收抵免政策。该政策最初在2008年由国会《能源改进与扩展法案》中提出，规定对CO2驱油地质封存项目分别提供10美元/吨、20美元/吨的补贴。由于封存项目的补贴额度大大低于当时的封存成本，这一政策没有对封存项目发展起到明显促进作用。2018年通过的《两党预算法》对地质封存和驱油项目的抵免金额分别增加至50美元/吨、35美元/吨，抵免额度增加后对地质封存带来较大促进，2019年新增项目中地质封存比例明显上升。

2022年8月通过的《通胀消减法案》再次更新45Q条款，一是将纯地质封存及驱油封存的抵免额度分别涨至85美元/吨、60美元/吨；二是为直接空气捕集单独设立抵免额度，DAC后地质封存和驱油封存的抵免额度分别为180美元/吨、130美元/吨；三是降低CCUS设施能力申请门槛，发电和工业设施最低捕集量分别将至18750吨、12500吨；四是可直接现金退税。预计新政策将更加助推美国CCUS的发展。除税收抵免外，《美国能源法案2020》中授权60多亿美元用于CCUS的研发和工程示范。

（2）加拿大

加拿大在CCUS支持政策方面的力度位于世界前列。十多年前Alberta政府就以近20亿美元的投资推动了CCUS的进程。加拿大联邦及地方政府近年来主要通过基金资助、政府拨款、税费抵免等形式加大支持力度，其中较有影响力的政策是2022年新近出台的《清洁燃料法规》和《联邦预算》。表1列出了近年加拿大对于CCUS发展的主要激励措施。

（3）欧洲

为促进CCUS技术发展并尽早实现商业化，欧盟及欧洲部分国家主要通过“欧洲创新基金”支持CCUS技术研发和创新，通过“欧洲能源复兴计划”和“地平线欧洲计划”等支持示范项目建设。此外，英国、挪威等国结合其国内实际情况出台了一系列支持发展政策。表2列出了欧盟及主要国家近年来对于CCUS发展的主要激励措施。

2.国内政策现状与分析

近年来，中国在CCUS研发与示范方面的支持力度不断加大，鼓励范围也从单一环节的技术研究或中试转向工业规模全流程示范。随着“双碳”目标的提出，技术研发与示范也被纳入到国家层面科技规划中。表3列出了国内近几年在CCUS方面主要的激励措施。

典型案例

2019年12月6日，四家欧洲水泥生产商BuzziUnicem-Dyckerhoff、Heidelberg Cement AG、SCHWENK Zement KG和Vicat成立了联合研究公司CI4C—气候水泥创新公司。该公司的目标是实现联合研究项目catch4climate，该项目研究全氧燃烧碳捕获技术在水泥生产过程中的适用性。

全氧燃烧技术是一种熟料燃烧技术，其中纯氧被引入窑系统，以确保所有初级和次级燃料适当燃烧以产生热量。通过这种方式，在窑中产生具有非常高纯度的CO2废气，显著提高了CO2捕获潜力。该技术可100%捕获水泥厂排放的CO2。

Catch4climate项目研究在水泥厂广泛使用这种碳捕获技术，以便能够将捕获的二氧化碳用作其他工业过程（CCU、CCS）的原材料。通过该项目，欧洲水泥行业可以大幅减少与工艺相关的二氧化碳排放。

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CI4C研究公司的四家合作公司将在德国南部Mergelsetten水泥厂投资1.2亿欧元建造一条450吨/天专用生产线，以测试全氧燃烧工艺。使用“纯”氧燃料工艺捕获二氧化碳之后，利用捕获的二氧化碳生产“reFuels”—气候中性合成燃料，如飞机用煤油。该装置调试计划于2024年年中进行。

为发展全氧燃烧技术，Heidelberg Cement公司参与了AC2O Cem项目，旨在推动水泥行业碳捕获技术的发展，并由ACT（Accelerating CCS Technologys）项目共同出资。作为AC2OCem项目的一部分，第一代全氧燃烧技术，旨在改造现有水泥窑生产线，在新系统中应用。

AC2Ocem项目探索用于改造第一代全氧燃烧技术，重点是优化氧燃料煅烧炉的运行，并推进窑燃烧器技术，以燃烧高生物资源份额的高达100%的替代燃料，从而将这种生物CCS解决方案引入TRL6（模拟环境下的系统演示）。AC2Ocem项目合作伙伴IFK,UniversitätStuttgart（燃烧与发电技术研究所）评估在工业环境中实施全氧燃料炉排燃烧装置，如图所示。

燃烧过程用CO2和O2的混合物代替空气进行，该过程通过再循环烟气来实现，向其中添加纯氧作为氧化剂。循环烟气的目的是在烟道气中获得尽可能高的CO2浓度，以便于气体的分离和进一步处理。在大多数情况下，燃料使用生物燃料或废物燃料。研究采用ASPENPlus软件进行过程分析，开发综合工业园区的不同场景，并评估合适的技术经济分析方法。