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水泥行业碳中和需要“颠覆性”燃料技术

北极星大气网  来源:中国能源报  作者:张军涛 张文斌  2021/7/2 13:09:53  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 CCUS 水泥行业

北极星大气网讯:数据显示,2020年我国水泥产量23.8亿吨,占全球水泥产量的50%以上,水泥及熟料产品产销量连续多年位居世界首位。与此同时,水泥行业也是我国碳排放重点行业,占比达13%以上。因此,在碳达峰、碳中和愿景下,水泥行业如何进一步减污降碳、提质增效已成为社会各界关注的焦点。

01 节约燃煤及提高原燃料 

和废弃物的替代比例是减排重点

水泥产销量与国民经济和社会发展密切相关,其市场需求具有刚性。过去20年,我国水泥行业基本完成技术结构调整,在节能降耗方面取得实质性进展,在现有技术条件下,进一步减排二氧化碳的潜力与弹性已十分有限。因此,水泥行业需应用“颠覆性”技术,才能实现碳中和。

目前,国家对通过碳交易市场购买排放权履行减排责任的企业有明确要求,其占比不能超过排放量的5%。因此,对水泥企业而言,要么从源头控制和减少碳排放,要么压减产能,才能满足碳中和要求。目前,水泥行业要从源头控制碳排放,除大规模大范围运用生物能源等颠覆性技术外,没有其他成熟且可行的技术路径。

水泥行业碳排放主要来源于熟料生产,一吨熟料排放约0.85-0.90吨二氧化碳,其主要原燃料是石灰石、砂岩、铝铁质原料及燃煤。熟料生产中二氧化碳的50-65%来源于不可再生资源石灰石的分解,35%左右来源于燃煤。今后很长一段时期内,预计难有经济可行、能大范围大比例替代石灰石的原材料。因此,水泥行业从源头控制、碳减排的重点是节约燃煤及提高原燃料和废弃物的替代比例。实践证明,以可再生生物能源替代燃煤是可行路径。

如欧洲某大型水泥集团在非洲实施的2000 t/d水泥生产线及3000 t/d水泥生产线中,生物燃料进入分解炉替代部分燃煤,替代率约20%;我国水泥行业领军企业海螺枞阳水泥厂利用农作物秸秆,在分解炉实现部分燃煤替代,日处理秸秆废弃物200吨,理论上实现20%生物燃料替代燃煤。然而,由于运营机制不完善及缺乏生物燃料工程技术等问题,导致生物燃料供应不上,上述项目实际运行替代率仅10%左右。

02 生物燃气在回转窑的烧成温度达1700℃是关键

目前,海螺垃圾气化所得的生物燃气、欧洲及我国生物燃料直接燃烧技术,由于燃烧温度不够、水泥产线物料平衡及生物能源专业化运营不完善等问题,生物燃料只在分解炉(900℃左右)尝试替代部分化石能源,世界范围内尚未有水泥回转窑生物能源替代燃煤的先例。

因此,使用高温生物燃气(400℃以上,通过工业化热解裂解生产)在水泥回转窑燃烧(达1700℃左右),需解决的技术难题主要集中在回转窑烧成温度和水泥产线物料平衡等方面,这需要水泥企业及技术机构与生物燃气企业协同攻关,解决以下技术与经营难题:

在技术方案中,应考虑使用高温生物燃气,并利用水泥熟料回收的热量,预热窑头用于燃烧的空气,以900℃二次风助燃空气,提高回转窑烧成温度达1700℃左右。

全面替代燃煤涉及水泥分解炉和回转窑等水泥生产线的物料平衡,应进行物料平衡再设计和水泥生产温度场(带)、生物燃气及燃烧烟气流与物料流再设计,以及气固液相反应和传质传热、工艺设备等再设计。

此外,还需推动水泥企业传统生产经营方式创新,以适应产业技术革命;推动解决生物燃料工程技术、水泥行业价值工程技术、生物质气化技术升级和效率提升,以及大规模产业化运用等系列问题。

其中,最重要的是,实现高温生物燃气在回转窑1700℃烧成温度的技术突破。此前,中科院广州能源研究所所长吴创之团队在深圳迪森华美的钢铁项目,成功实现敞开式推钢加热炉运用生物燃气燃烧1300℃轧钢,并稳定运行3年的产业化突破。

03 CCUS技术尚难产业化 

生物燃气技术减碳担重任

5月18日,国际能源署发布年度报告,提出了碳中和技术路线图:2030年全球净零排放中大部分二氧化碳减排量来自于当今实际可用的技术(现有技术),2050年近一半的减排量将来自目前仍处于演示或原型阶段的技术(未来技术)。

报告明确提出,以CCUS技术(碳捕获、利用与封存技术)解决现有能源资产排放问题,如水泥等难以减碳的行业;支持迅速扩大低排放氢气生产并从大气中去除一些二氧化碳,在电力等无法轻易或经济地替代化石燃料的领域,在有限的可持续生物能源供应无法满足需求的地方,氢和氢基燃料将填补空白。

人类对生物质资源的能源化利用经历了三代技术,农村传统的烧火做饭取暖是第一代生物能源技术,能源利用效率平均13%左右;生物质直接燃烧发电或供热是第二代生物能源技术,能源利用效率约30%;生物质气化是第三代生物能源技术,能源利用效率达85%左右。目前,第二代生物能源技术的生物质直接燃烧发电与供热产业正逐步退出市场,其催熟的生物燃料市场正让位于第三代生物能源技术——生物燃气技术。

虽然IEA报告明确了CCUS技术可用于水泥等难以减碳的行业,海螺水泥也实现了CCUS技术突破,但真正实现产业化尚需时日。因此,水泥行业实现碳中和不能依靠不确定的CCUS技术。在风、光发电已实现平价上网的时代,我国约30亿吨有限的生物质资源不宜再被用于直接燃烧发电或供热,应用于生物质气化技术发展,并优先用于水泥、钢铁等难以实现碳中和的行业。


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