夏雁飛：水泥窯煙氣二氧化碳捕集項(xiàng)目交流

在去年底舉行的氣候雄心峰會(huì)上，國家主席習(xí)近平向全世界再次重申了中國應(yīng)對(duì)氣候變化的決心，力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。未來，將以以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，在推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展中促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，腳踏實(shí)地落實(shí)上述目標(biāo)，為全球應(yīng)對(duì)氣候變化作出更大貢獻(xiàn)。

水泥行業(yè)是碳排放大戶，根據(jù)中國建筑材料聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《中國建筑材料工業(yè)碳排放報(bào)告（2020年度）》提供的數(shù)據(jù)，2020年水泥工業(yè)二氧化碳排放12.3億噸，同比上升1.8%。另有數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)，水泥行業(yè)碳排放占我國碳排放總量的14.3%。

在全力推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“碳減排3060”發(fā)展目標(biāo)的大背景下，水泥行業(yè)責(zé)任與義務(wù)并存。

“世界水泥看中國，中國水泥看海螺”，作為國內(nèi)水泥行業(yè)龍頭企業(yè)，海螺水泥近年來在碳減排方面做了大量工作，成效斐然。在6月29-30日舉行的“第四屆中國水泥超潔凈排放技術(shù)交流大會(huì)”上，海螺水泥夏雁飛帶來了精彩報(bào)告，詳細(xì)介紹了海螺水泥碳捕集項(xiàng)目概況。

一、項(xiàng)目背景

2015年12月，195個(gè)國家表決通過《巴黎協(xié)定》，該協(xié)定主要目標(biāo)是將本世紀(jì)全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并將全球氣溫上升控制在前工業(yè)化時(shí)期水平之上1.5℃以內(nèi)。

我國作為《巴黎協(xié)定》主要簽約國之一，承諾在2030年以前中國二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早達(dá)峰，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。目前，包括我國在內(nèi)，全球已有30多個(gè)國家明確碳中和目標(biāo)， 不丹和蘇里南（人口不到100萬，有豐富的森林和水電資源）已實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

從我國各行業(yè)二氧化碳排放情況來看：電力行業(yè)排放最大，達(dá)到了43%，水泥、鋼鐵行業(yè)分別占比18%，三大行業(yè)占我國工業(yè)放量的79%。另外，根據(jù)《中國建筑材料工業(yè)碳排放報(bào)告（2020年度）》，中國建筑材料工業(yè)2020年二氧化碳排放14.8億噸，比上年上升2.7%，2020年水泥行業(yè)CO₂排放量達(dá)到12.3億噸，占到建材行業(yè)的83%，整個(gè)水泥行業(yè)碳減排壓力巨大。

現(xiàn)有的碳捕集技術(shù)

據(jù)介紹，根據(jù)CO₂的原料氣來源不同和用戶的要求不同，分離方法主要有：

溶劑吸收法：包括物理溶劑吸收和化學(xué)溶劑吸收，此種方法最適用于原料氣中CO₂濃度較低(低于20%)。物理溶劑吸收法是利用CO₂氣體與其他氣體在某一種溶液中溶解度不同而進(jìn)行分離的方法 ?；瘜W(xué)溶劑吸收法則是利用CO₂某一種溶劑起化學(xué)反應(yīng)；生成的中間化合物在另外一個(gè)裝置中經(jīng)蒸汽加熱解析分解后生成CO₂和溶劑，溶劑反復(fù)使用，捕集的CO₂濃度可達(dá)98%以上。

變壓吸收法: 采用對(duì)混合氣中CO₂有選擇吸附性的固體吸附劑，在壓力作用下，僅CO₂被吸附劑吸附，吸附劑接近飽和時(shí)，靠降壓和抽真空把CO₂解析下來。此法適用于從CO₂濃度在12-40%的混合氣體中脫除CO₂ ，捕集的CO₂濃度僅在30-60%。

膜分離法：采用一種類似管道的中空纖維膜，根據(jù)CO₂分子量的大小特制的超濾氣體分離膜，混合氣中僅CO₂能從膜壁滲透，從而實(shí)現(xiàn)捕集 , 但此法只適用于氣源比較干凈、且大部分是大分子的混合氣，生產(chǎn)的CO₂濃度不高于90% 。

低溫精餾法: 利用CO₂沸點(diǎn)與其他氣體不同，比CO₂沸點(diǎn)高的重組分用不同吸附劑脫除，比CO₂沸點(diǎn)低的輕組分用精餾法提出，CO₂純度可達(dá)99.99%以上。

世界上煤化工和燃煤電站對(duì)CO₂捕集有多年的工業(yè)化實(shí)例，但水泥行業(yè)尚無先例。為進(jìn)一步在碳減排方面尋找突破口，海螺集團(tuán)先行先試，在蕪湖白馬山水泥廠投資6000萬元建設(shè)一套水泥窯煙氣碳捕集純化示范項(xiàng)目。

值得一提的是，世界可持續(xù)發(fā)展組織（CSI）2010年提出規(guī)劃，到2020年擬建設(shè)6個(gè)水泥行業(yè)碳捕集項(xiàng)目。至今為止，海螺集團(tuán)白馬山水泥項(xiàng)目是全球水泥行業(yè)唯一的碳捕集工業(yè)化項(xiàng)目。

二、項(xiàng)目概況

海螺水泥白馬山水泥廠水泥窯煙氣CO₂捕集純化示范項(xiàng)目，建有年產(chǎn)5萬噸工業(yè)CO₂（年產(chǎn)3萬噸食品 CO₂）的捕集純化生產(chǎn)線。

項(xiàng)目建設(shè)之初，由于水泥窯煙氣CO₂捕集純化項(xiàng)目屬水泥行業(yè)世界首創(chuàng)，國際上在水泥行業(yè)也只是中試階段，無成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，海螺水泥開展了廣泛調(diào)研，對(duì)臺(tái)灣臺(tái)泥中試項(xiàng)目、上海華能、大連石油化工總公司及歐洲挪威水泥廠碳捕集試驗(yàn)項(xiàng)目等國內(nèi)外碳捕集技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行了充分調(diào)研和前期技術(shù)論證，并采用產(chǎn)學(xué)研合作模式，與大連理工大學(xué)合作研發(fā)。

通過國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和碳捕集項(xiàng)目實(shí)地考察及技術(shù)交流，對(duì)CO₂捕集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，同時(shí)結(jié)合水泥窯煙氣量大，成分復(fù)雜、CO₂濃度含量低等技術(shù)難點(diǎn)，通過反復(fù)論證，選擇新型化學(xué)吸收法作為碳捕集的核心技術(shù)方案。

召開CO₂碳捕純化項(xiàng)目技術(shù)交流招標(biāo)評(píng)審會(huì)

白馬山水泥碳捕集項(xiàng)目主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)，捕集提濃、壓縮分水、精制精餾、冷凍液化、成品罐裝。

CO₂捕集過程：

*煙氣預(yù)處理（水泥窯煙氣在脫硫水洗塔分別經(jīng)過水洗降溫、脫硫凈化、二次水洗去除雜質(zhì)）

*CO₂吸收（煙氣在吸收塔內(nèi)，煙氣中CO₂被吸收液吸收形成富液，其他氣體排放大氣）

*CO₂解析（富液在解吸塔內(nèi)通過蒸汽加熱解析，解析出純度95%以上的CO₂）。

吸收液解析CO₂后再循環(huán)至吸收塔內(nèi)吸收CO₂。

CO₂純化精制過程：

* 壓縮、升壓（解析出的CO₂經(jīng)冷凝、分水后進(jìn)入壓縮機(jī)三級(jí)壓縮，提升至2.5MPa的高壓氣體）；

* 純化（氣體通過脫硫床、干燥床和吸附床，脫除氣體中的油脂、水分等雜質(zhì)）；

* 精餾、液化（通過冷凍液化系統(tǒng)液化后，分別進(jìn)入工業(yè)級(jí)精餾塔和食品級(jí)精餾塔精餾，得到純度為99.9%以上的工業(yè)級(jí)和純度為99.99%以上的食品級(jí)CO₂液體）；

* 貯存、發(fā)運(yùn)（液態(tài)CO₂通過管道送至儲(chǔ)罐中貯存，對(duì)外銷售）。

隨著首批次液態(tài)二氧化碳成功捕集入罐并對(duì)外銷售，純度達(dá)99.97%以上，已超工業(yè)級(jí)CO₂國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著海螺集團(tuán)建設(shè)的世界首條水泥煙氣二氧化碳捕集純化環(huán)保示范項(xiàng)目成功投運(yùn)。

三、主要技術(shù)成果

水泥窯煙氣二氧化碳捕集提純難度較大，存在CO₂濃度低（含量 18-20%），成分復(fù)雜（NOx、SO₂、氯化物、氟化物等有害成分），粉塵量大（粉塵濃度7-9.4mg/Nm3），溫度高（煙氣溫度90-120℃）等特點(diǎn)，給技術(shù)方案帶來挑戰(zhàn)。

基于上述工況特點(diǎn)，海螺水泥加大技術(shù)研發(fā)力度，在諸多方面取得突破，為項(xiàng)目成功上馬奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)一：研發(fā)易再生復(fù)合型有機(jī)胺脫碳劑及其產(chǎn)業(yè)化

技術(shù)二：開發(fā)水泥窯煙氣預(yù)處理工藝及關(guān)鍵裝置

技術(shù)三：開發(fā)水泥窯煙氣CO₂吸收/解吸工藝技術(shù)及裝置

技術(shù)四: 開發(fā)CO₂純化精制關(guān)鍵技術(shù)及裝置

與此同時(shí)，白馬山水泥碳捕集項(xiàng)目還取得了七大技術(shù)成果。

成果一：實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)CO₂捕集技術(shù)從“0”到“1”的突破。項(xiàng)目經(jīng)安徽省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所聯(lián)機(jī)國際查詢，結(jié)果如下：采用化學(xué)吸收法與吸附精餾法耦合技術(shù)房錢，使用新型符合有機(jī)胺脫碳劑、“三合一”高效脫硫脫硝水洗塔等技術(shù)集成的水泥窯煙氣碳捕集純化技術(shù)，國內(nèi)外未見相同內(nèi)容的文獻(xiàn)報(bào)道。

成果二：項(xiàng)目運(yùn)行兩年以來，產(chǎn)質(zhì)量、電耗、捕集效率等，核心技術(shù)指標(biāo)良好。 經(jīng)國家建筑材料工業(yè)水泥能效環(huán)保評(píng)價(jià)檢驗(yàn)測試中心檢測，主要運(yùn)行指標(biāo)如下：CO₂產(chǎn)量： 6.6 t/h，系統(tǒng)電耗：245 kwh/噸CO₂ ，CO₂捕集效率：≥ 90%。

成果三：技術(shù)水平國際領(lǐng)先。2019年3月30日，中科高技術(shù)企業(yè)發(fā)展評(píng)價(jià)中心組織有關(guān)專家對(duì)海螺碳捕集示范項(xiàng)目進(jìn)行科技成果評(píng)價(jià)。評(píng)委會(huì)一致認(rèn)為，該項(xiàng)目具有重大的環(huán)保效益和較強(qiáng)的示范帶動(dòng)作用，CO₂捕集純化技術(shù)在水泥行業(yè)開發(fā)與應(yīng)用方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。2019年，經(jīng)中國建筑材料聯(lián)合會(huì)、中科高技術(shù)企業(yè)發(fā)展評(píng)價(jià)中心兩家單位分別對(duì)碳捕集項(xiàng)目進(jìn)行鑒定。鑒定結(jié)論：該成果達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

成果四：兩項(xiàng)產(chǎn)品被認(rèn)定為安徽省新產(chǎn)品?！昂Ｂ菖乒I(yè)級(jí)液態(tài)CO₂”和“海螺牌食品級(jí)液態(tài)CO₂”被認(rèn)定為安徽省新產(chǎn)品。食品級(jí)CO₂質(zhì)量純度達(dá)99.99%以上，核心技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國標(biāo)。已廣泛應(yīng)用于食品保鮮、碳酸飲料、藥物萃取、制冷劑等行業(yè)。

成果五：榮獲兩個(gè)省部級(jí)一等獎(jiǎng)。碳捕集項(xiàng)目榮獲《2020年度安徽省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)》《中國建材聯(lián)合會(huì)建筑材料科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)》。

成果六：聯(lián)合國氣候變化大會(huì)宣講成果，彰顯中國責(zé)任。

西班牙馬德里召開的聯(lián)合國氣候變化大會(huì)上宣講本項(xiàng)目技術(shù)成果（2019年12月13日）

成果七：取得多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。申報(bào)專利45項(xiàng)，已授權(quán)25項(xiàng)（其中發(fā)明專利5項(xiàng)）形成標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。

四、海螺集團(tuán)碳減排主要實(shí)踐

1、大力實(shí)施節(jié)能改造

一是充分發(fā)揮水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)。海螺是最早開發(fā)并應(yīng)用余熱發(fā)電系統(tǒng)的企業(yè)。清潔生產(chǎn)機(jī)制（CDM），向歐洲國家出售碳資產(chǎn)，獲得近3億元的資金收入。

二是實(shí)施節(jié)能技改，提高能源利用率。

2、探索源頭減排技術(shù)

一是研究替代燃料技術(shù)，2018年在柬埔寨馬德望海螺建設(shè)了首條生物質(zhì)替代燃料系統(tǒng)，2020年在樅陽海螺建成國內(nèi)行業(yè)首個(gè)生物質(zhì)替代燃料項(xiàng)目。

二是探索替代原料，減少碳排放。

三是開拓富氧助燃技術(shù)，采用高于普通空氣氧含量的助燃?xì)怏w。

四是開發(fā)生料和水泥助磨劑，進(jìn)而降低粉磨電耗。

3.構(gòu)建清潔能源體系

成立海螺投資新能源公司，專門從事光伏、儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，利用廠區(qū)建構(gòu)筑屋頂及空地布局光伏發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電和儲(chǔ)能等產(chǎn)業(yè)，更多使用清潔能源。

目前已建成17個(gè)光伏電站，2個(gè)儲(chǔ)能電站，1個(gè)風(fēng)力發(fā)電。

4.探索碳捕集利用技術(shù)

通過多方調(diào)研論證，2018年在白馬廠建成行業(yè)首套年產(chǎn)5萬噸工業(yè)級(jí)（3萬噸食品級(jí)）碳捕集純化項(xiàng)目，同時(shí)在2019年投運(yùn)了年產(chǎn)3000噸干冰項(xiàng)目，為世界水泥行業(yè)開創(chuàng)了碳捕集利用先河。

5.推動(dòng)綠色發(fā)展

廣泛創(chuàng)建綠色礦山、綠色工廠、綠色供應(yīng)鏈“三綠”工廠。每個(gè)工廠大力植樹造林，增加綠化面積，提高綠植對(duì)二氧化碳的吸收，實(shí)現(xiàn)部分碳匯。31家子公司獲評(píng)國家級(jí)和省級(jí)“綠色工廠”。44座礦山被評(píng)為國家級(jí)“綠色礦山。

6.推動(dòng)智能發(fā)展

通過智能化技術(shù)，減少熟料煅燒過程的波動(dòng)，提高穩(wěn)定性，從而達(dá)到減碳的效果。建成全流程智能工廠3家，數(shù)字化礦山管理系統(tǒng)14家，專家優(yōu)化控制系統(tǒng)25家，智能質(zhì)量管理系統(tǒng)10家，設(shè)備管理及輔助巡檢系統(tǒng)14家。