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夏雁飞:水泥窑烟气二氧化碳捕集项目交流

作者:匿名

“世界水泥看中国,中国水泥看海螺”,作为国内水泥行业龙头企业,海螺水泥近年来在碳减排方面做了大量工作,成效斐然。在6月29-30日举行的“第四届中国水泥超洁净排放技术交流大会”上,海螺水泥夏雁飞带来了精彩报告,详细介绍了海螺水泥碳捕集项目概况。

  在去年底举行的气候雄心峰会上,国家主席习近平向全世界再次重申了中国应对气候变化的决心,力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年实现碳中和。未来,将以以新发展理念为引领,在推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型,脚踏实地落实上述目标,为全球应对气候变化作出更大贡献。

  水泥行业是碳排放大户,根据中国建筑材料联合会发布的《中国建筑材料工业碳排放报告(2020年度)》提供的数据,2020年水泥工业二氧化碳排放12.3亿吨,同比上升1.8%。另有数据现实,水泥行业碳排放占我国碳排放总量的14.3%。

  在全力推进实现“碳减排3060”发展目标的大背景下,水泥行业责任与义务并存。

  “世界水泥看中国,中国水泥看海螺”,作为国内水泥行业龙头企业,海螺水泥近年来在碳减排方面做了大量工作,成效斐然。在6月29-30日举行的“第四届中国水泥超洁净排放技术交流大会”上,海螺水泥夏雁飞带来了精彩报告,详细介绍了海螺水泥碳捕集项目概况。

  一、项目背景

  2015年12月,195个国家表决通过《巴黎协定》,该协定主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内,并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5℃以内。

  我国作为《巴黎协定》主要签约国之一,承诺在2030年以前中国二氧化碳排放达到峰值并争取尽早达峰,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%。目前,包括我国在内,全球已有30多个国家明确碳中和目标, 不丹和苏里南(人口不到100万,有丰富的森林和水电资源)已实现碳中和目标。

  从我国各行业二氧化碳排放情况来看:电力行业排放最大,达到了43%,水泥、钢铁行业分别占比18%,三大行业占我国工业放量的79%。另外,根据《中国建筑材料工业碳排放报告(2020年度)》,中国建筑材料工业2020年二氧化碳排放14.8亿吨,比上年上升2.7%,2020年水泥行业CO2排放量达到12.3亿吨,占到建材行业的83%,整个水泥行业碳减排压力巨大。

现有的碳捕集技术

  据介绍,根据CO2的原料气来源不同和用户的要求不同,分离方法主要有:

  溶剂吸收法:包括物理溶剂吸收和化学溶剂吸收,此种方法最适用于原料气中CO2浓度较低(低于20%)。物理溶剂吸收法是利用CO2气体与其他气体在某一种溶液中溶解度不同而进行分离的方法 。化学溶剂吸收法则是利用CO2某一种溶剂起化学反应;生成的中间化合物在另外一个装置中经蒸汽加热解析分解后生成CO2和溶剂,溶剂反复使用,捕集的CO2浓度可达98%以上。

  变压吸收法: 采用对混合气中CO2有选择吸附性的固体吸附剂,在压力作用下,仅CO2被吸附剂吸附,吸附剂接近饱和时,靠降压和抽真空把CO2解析下来。此法适用于从CO2浓度在12-40%的混合气体中脱除CO2 ,捕集的CO2浓度仅在30-60%。

  膜分离法:采用一种类似管道的中空纤维膜,根据CO2分子量的大小特制的超滤气体分离膜,混合气中仅CO2能从膜壁渗透,从而实现捕集 , 但此法只适用于气源比较干净、且大部分是大分子的混合气,生产的CO2浓度不高于90% 。

  低温精馏法: 利用CO2沸点与其他气体不同,比CO2沸点高的重组分用不同吸附剂脱除,比CO2沸点低的轻组分用精馏法提出,CO2纯度可达99.99%以上。

  世界上煤化工和燃煤电站对CO2捕集有多年的工业化实例,但水泥行业尚无先例。为进一步在碳减排方面寻找突破口,海螺集团先行先试,在芜湖白马山水泥厂投资6000万元建设一套水泥窑烟气碳捕集纯化示范项目。

  值得一提的是,世界可持续发展组织(CSI)2010年提出规划,到2020年拟建设6个水泥行业碳捕集项目。至今为止,海螺集团白马山水泥项目是全球水泥行业唯一的碳捕集工业化项目。

  二、项目概况

  海螺水泥白马山水泥厂水泥窑烟气CO2捕集纯化示范项目,建有年产5万吨工业CO2(年产3万吨食品 CO2)的捕集纯化生产线。

  项目建设之初,由于水泥窑烟气CO2捕集纯化项目属水泥行业世界首创,国际上在水泥行业也只是中试阶段,无成熟的经验可借鉴,海螺水泥开展了广泛调研,对台湾台泥中试项目、上海华能、大连石油化工总公司及欧洲挪威水泥厂碳捕集试验项目等国内外碳捕集技术项目进行了充分调研和前期技术论证,并采用产学研合作模式,与大连理工大学合作研发。

  通过国内外科研机构和碳捕集项目实地考察及技术交流,对CO2捕集技术发展现状进行了深入细致的研究,同时结合水泥窑烟气量大,成分复杂、CO2浓度含量低等技术难点,通过反复论证,选择新型化学吸收法作为碳捕集的核心技术方案。

召开CO2碳捕纯化项目技术交流招标评审会

  白马山水泥碳捕集项目主要分为五个环节,捕集提浓、压缩分水、精制精馏、冷冻液化、成品罐装。

  CO2捕集过程:

  *烟气预处理(水泥窑烟气在脱硫水洗塔分别经过水洗降温、脱硫净化、二次水洗去除杂质)

  *CO2吸收(烟气在吸收塔内,烟气中CO2被吸收液吸收形成富液,其他气体排放大气)

  *CO2解析(富液在解吸塔内通过蒸汽加热解析,解析出纯度95%以上的CO2)。

  吸收液解析CO2后再循环至吸收塔内吸收CO2。

  CO2纯化精制过程:

  * 压缩、升压(解析出的CO2经冷凝、分水后进入压缩机三级压缩,提升至2.5MPa的高压气体);

  * 纯化(气体通过脱硫床、干燥床和吸附床,脱除气体中的油脂、水分等杂质);

  * 精馏、液化(通过冷冻液化系统液化后,分别进入工业级精馏塔和食品级精馏塔精馏,得到纯度为99.9%以上的工业级和纯度为99.99%以上的食品级CO2液体);

  * 贮存、发运(液态CO2通过管道送至储罐中贮存,对外销售)。

  随着首批次液态二氧化碳成功捕集入罐并对外销售,纯度达99.97%以上,已超工业级CO2国家标准,标志着海螺集团建设的世界首条水泥烟气二氧化碳捕集纯化环保示范项目成功投运。

  三、主要技术成果

  水泥窑烟气二氧化碳捕集提纯难度较大,存在CO2浓度低(含量 18-20%),成分复杂(NOx、SO2、氯化物、氟化物等有害成分),粉尘量大(粉尘浓度7-9.4mg/Nm3),温度高(烟气温度90-120℃)等特点,给技术方案带来挑战。

  基于上述工况特点,海螺水泥加大技术研发力度,在诸多方面取得突破,为项目成功上马奠定了坚实的基础。

技术一:研发易再生复合型有机胺脱碳剂及其产业化

技术二:开发水泥窑烟气预处理工艺及关键装置

技术三:开发水泥窑烟气CO2吸收/解吸工艺技术及装置

技术四: 开发CO2纯化精制关键技术及装置

  与此同时,白马山水泥碳捕集项目还取得了七大技术成果。

  成果一:实现水泥行业CO2捕集技术从“0”到“1”的突破。项目经安徽省科学技术情报研究所联机国际查询,结果如下:采用化学吸收法与吸附精馏法耦合技术房钱,使用新型符合有机胺脱碳剂、“三合一”高效脱硫脱硝水洗塔等技术集成的水泥窑烟气碳捕集纯化技术,国内外未见相同内容的文献报道。

  成果二:项目运行两年以来,产质量、电耗、捕集效率等,核心技术指标良好。 经国家建筑材料工业水泥能效环保评价检验测试中心检测,主要运行指标如下:CO2产量: 6.6 t/h,系统电耗:245 kwh/吨CO2 ,CO2捕集效率:≥ 90%。

  成果三:技术水平国际领先。2019年3月30日,中科高技术企业发展评价中心组织有关专家对海螺碳捕集示范项目进行科技成果评价。评委会一致认为,该项目具有重大的环保效益和较强的示范带动作用,CO2捕集纯化技术在水泥行业开发与应用方面达到了国际领先水平。2019年,经中国建筑材料联合会、中科高技术企业发展评价中心两家单位分别对碳捕集项目进行鉴定。鉴定结论:该成果达到了国际领先水平。

  成果四:两项产品被认定为安徽省新产品。“海螺牌工业级液态CO2”和“海螺牌食品级液态CO2”被认定为安徽省新产品。食品级CO2质量纯度达99.99%以上,核心技术指标优于国标。已广泛应用于食品保鲜、碳酸饮料、药物萃取、制冷剂等行业。

  成果五:荣获两个省部级一等奖。碳捕集项目荣获《2020年度安徽省科学技术进步一等奖》《中国建材联合会建筑材料科学技术一等奖》。

  成果六:联合国气候变化大会宣讲成果,彰显中国责任。

西班牙马德里召开的联合国气候变化大会上宣讲本项目技术成果(2019年12月13日)

  成果七:取得多项自主知识产权。申报专利45项,已授权25项(其中发明专利5项)形成标准6项。

  四、海螺集团碳减排主要实践

  1、大力实施节能改造

  一是充分发挥水泥窑余热发电技术。海螺是最早开发并应用余热发电系统的企业。清洁生产机制(CDM),向欧洲国家出售碳资产,获得近3亿元的资金收入。

  二是实施节能技改,提高能源利用率。

  2、探索源头减排技术

  一是研究替代燃料技术,2018年在柬埔寨马德望海螺建设了首条生物质替代燃料系统,2020年在枞阳海螺建成国内行业首个生物质替代燃料项目。

  二是探索替代原料,减少碳排放。

  三是开拓富氧助燃技术,采用高于普通空气氧含量的助燃气体。

  四是开发生料和水泥助磨剂,进而降低粉磨电耗。

  3.构建清洁能源体系

  成立海螺投资新能源公司,专门从事光伏、储能电站项目,利用厂区建构筑屋顶及空地布局光伏发电,风能发电和储能等产业,更多使用清洁能源。

  目前已建成17个光伏电站,2个储能电站,1个风力发电。

  4.探索碳捕集利用技术

  通过多方调研论证,2018年在白马厂建成行业首套年产5万吨工业级(3万吨食品级)碳捕集纯化项目,同时在2019年投运了年产3000吨干冰项目,为世界水泥行业开创了碳捕集利用先河。

  5.推动绿色发展

  广泛创建绿色矿山、绿色工厂、绿色供应链“三绿”工厂。每个工厂大力植树造林,增加绿化面积,提高绿植对二氧化碳的吸收,实现部分碳汇。31家子公司获评国家级和省级“绿色工厂”。44座矿山被评为国家级“绿色矿山。

  6.推动智能发展

  通过智能化技术,减少熟料煅烧过程的波动,提高稳定性,从而达到减碳的效果。建成全流程智能工厂3家,数字化矿山管理系统14家,专家优化控制系统25家,智能质量管理系统10家,设备管理及辅助巡检系统14家。 

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