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水泥的脱碳化生产 水泥生产工艺

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水泥生产技术(水泥的脱碳生产)
【回顾背景】 ， 

作为一种重要的建筑材料 ， 全球普通硅酸盐水泥(OPC)年产量约为35亿吨 。目前 ， 越来越多的人开始关注水泥生产过程中的二氧化碳排放 ， 其排放量约占每年能源和工业排放总量的7% 。西方大公司(Cemex、海德堡水泥和La- fargeHolcim)的环境和年报显示 ， 每生产一吨水泥将排放561-622千克二氧化碳 。鉴于此 ， 帝国理工学院的Paul S.Fennell近日在Joule上发表了一篇简要综述 ， 评价了目前水泥生产中可能使用的几种脱碳工艺及其在水泥生产过程中碳排放中的相互作用 ， 并在不考虑成本的情况下 ， 粗略定义了它们的相对重要性和价值 。研究成果发表在Joule(doi:10.1016/j . Joule . 2021 . 04 . 011)上 ， 题目是“水泥生产脱碳” 。作者是Paul S.Fennell、Steven J.Davis和Aseel Mohammed 。
水泥生产中减少二氧化碳排放的几种技术
OPC由许多材料组成 ， 其中最大的比例(约95% wt%)是“熟料”和辅助胶凝材料(SCM) ， 其余5%是石膏(用于帮助控制凝结时间) 。目前 ， 水泥生产过程包括三个主要阶段:原料提取和制备、熟料生产和水泥粉磨 。石灰石与其他次要成分一起磨碎后 ， 在900℃下通过一系列旋风分离器 。大部分所需的能量和二氧化碳排放是由石灰石煅烧过程产生的；并且预分解窑使用总能量的60% ， 导致不可避免的“过程”排放 ， 即水泥厂二氧化碳排放总量的60%左右 。混合物离开后 ， 进入回转窑在1450 ℃- 1500℃生产水泥熟料(硅酸钙混合物) 。在熟料中加入辅助胶凝材料制成混凝土 。固化过程包括硅酸三钙的快速水化和硅酸二钙的缓慢水化 ， 最终通过水合硅酸钙和氢氧化钙的沉淀形成劈裂硬化 。

图1概述了水泥生产中减少二氧化碳排放的主要工艺 。
现代工厂每生产一吨熟料需要3.3 GJ的热能 。由于生产过程和与燃料相关的排放占直接排放总量的很大一部分 ， 技术改造和提高能源效率对减少二氧化碳都非常重要 。可以通过能量回收、废热回收和增加干法/半干法工艺的比例来提高能源效率 。另一个策略是碳捕获和存储(CCS) 。此外 ， 替代燃料(固体废物、生物质或氢或电能)也可用于焚烧窑 ， 以取代部分煅烧过程 。在某些情况下 ， 这些替代燃料战略可以减少直接排放 ， 但也可能增加间接排放 ， 特别是氢能和电能 。最后 ， 可以通过减少对熟料的需求来减少排放 。
废热回收(WHR)(燃料效率预计将提高5%)
水泥生产过程中有大量的热损失(约35%-40%) ， 主要由熟料冷却过程、预热器和窑内对流、熟料排放、粉尘和辐射引起 。假设余热通过传统的蒸汽WHR系统和有机朗肯循环转化为电能 ， 可以抵消电厂很大一部分电力需求 。
低熟料低碳水泥
SCM是一种胶凝材料 ， 可以替代部分熟料 。从铜尾矿到甘蔗渣 ， 再到经过商业测试的粉煤灰和高炉矿渣 ， 所有东西都经过了SCM测试 。目前全球平均熟料比(每千克水泥中熟料的比例)约为0.7 。如果用LC3(石灰石煅烧粘土水泥)作SCM ， 熟料比可以降到0.5 ， 质量与目前商品水泥相近 ， 可能有更好的商业前景 。
替代燃料(假设替代燃料为城市固体废弃物 ， 最高替代率为100% ， 其生物成分为0.7)
使用替代燃料可以大大减少总排放量 。根据国际能源署的数据 ， 城市固体垃圾中60%至80%的碳本质上是生物产生的；这里 ， 假设生物源比率为0.7 。用固体废弃物替代化石燃料是一种经济有效的减少化石燃料的方法 ， 而且相对无害 。假设生物质是碳中性的 ， 生物质燃料是减少碳排放的另一种选择 。作为加拿大水泥2020项目的一部分 ， 拉法基在安大略省的巴斯水泥厂使用了高达10%的替代燃料 。第一阶段使用大麻、高粱、柳树、柳枝稷和燕麦皮 ， 而第二阶段使用更具挑战性的燃料 ， 如木材、经过处理的电线杆等 。现在我们已经申请许可 ， 计划将替代能源的比例提高到30% 。然而 ， 最近的报告显示 ， 生物质燃料的单位热量成本仍然比废物燃料或煤贵几倍 。同样 ， 氢燃料或电能可以为系统提供高达100%的热量 ， 但设计和部署氢驱动窑的复杂性和成本很高 。最重要的是 ， 任何燃料都无法避免石灰石煅烧过程中产生的工艺排放(占总量的60%) 。

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