浅谈水泥行业碳捕集利用与封存面临的挑战

浅谈水泥行业碳捕集利用与封存面临的挑战

裴长亨

济源中联水泥有限公司 河南济源 459000

摘要：面对“双碳”目标，水泥行业碳减排压力巨大，采用先进技术减少碳排放量受到广泛关注。碳捕集利用与封存技术在水泥行业中具有巨大的应用潜力，但在实际应用中仍未全面推行。本文分析了当前水泥行业二氧化碳捕集利用与封存面临的挑战，并提出相关建议，以此进一步深入认识碳捕集利用与封存技术的地位和作用，共同推动我国碳达峰碳中和目标的实现。

关键词：二氧化碳；CCUS；碳减排；水泥；双碳

随着工业化的快速发展，大气中温室气体的积累引发了明显的全球增温，这极大地威胁着地球上生命的生存。水泥生产对温室气体排放的影响尤为显著，全球约5-7 %的人为二氧化碳排放来自水泥生产。面对全球变暖，人们采取了一系列先进技术来减少水泥行业二氧化碳的排放，其中碳捕集利用与封存（CCUS）技术被认为是水泥行业最具有前景的减排技术，但CCUS仍未在行业中全面商业化和实践。

1 CCUS技术概况

CCUS技术过程可以分为碳捕集、运输、利用与封存等环节。

二氧化碳捕集：是指将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程。目前，水泥工业二氧化碳捕集方法主要包括化学吸收、钙循环、富氧燃烧、物理分离以及直接分离法等。化学吸收是基于二氧化碳与化学溶剂之间的反应来捕获二氧化碳的过程；钙循环是在高温下通过石灰（CaO）与烟道气流中的CO2反应生成碳酸钙（CaCO3）来捕获CO2；富氧燃烧是一种使用接近纯氧燃烧燃料的过程；物理分离是基于吸附、吸收、低温分离或脱水和压缩技术进行CO2的分离；直接分离是最新的技术，通过使用特殊的煅烧炉间接加热石灰石与纯二氧化碳进行反应而分离。

二氧化碳运输：是指将捕集的二氧化碳运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为公路运输、铁路运输、船舶运输和管道运输。

二氧化碳利用：是指通过技术手段将捕集到的二氧化碳实现资源化利用的过程。根据技术手段不同，可分为地质利用、化工利用和生物利用等。其中，二氧化碳地质利用是将二氧化碳注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水等多种类型资源；二氧化碳的化工利用是将利用二氧化碳合成制作无机化工产品如尿素、晶体碳酸钙等，合成有机化工产品如甲醇、乙醇、碳酸脂等；二氧化碳的生物利用主要是富碳农业应用和食品应用，另外，二氧化碳制成干冰在冷链运输方面也有广泛的应用。

二氧化碳封存：是指通过工程技术手段将捕集的二氧化碳注入地质深处进行封存，实现二氧化碳与大气长期隔绝的目的。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。

2 CCUS技术面临的挑战

2.1 技术性挑战

CCUS技术在常规水泥厂的应用研究非常多，其中一些技术问题限制了CCUS技术的应用，主要如下：

（1）由于烟道气流中二氧化碳的浓度很高，需使用大容量的溶液；

（2）当颗粒物质、SOx和NOx等杂质与CO2混合时，会发生溶剂降解，从而导致CO2捕获材料的降解；

（3）大多数分离技术都需要额外的能量。例如，目前发电厂采用的二氧化碳减排策略占能源损失的30%；

（4）为了将捕获的CO2从大气压压缩到管道，需要一个巨大的辅助电力负荷；

（5）CO2输送管道系统在设计、施工、控制和监测等阶段都需要特别关注；

（6）可用于二氧化碳存储系统的战略区位有限；

（7）在物流、选址、来源的可行性和能力方面缺乏信息，阻碍了全球CCUS政策和投资的建立；

（8）大规模的CCUS技术仍然被认为是不确定的，因此，它需要广泛的研究和实验，使其在工业上可行。

以上技术限制只能通过扩展CCUS技术的知识边界来克服，因此，学术机构和工业界必须投入更多时间优化现有技术，以减少能源和材料消耗，并寻找、测试和商业化捕获二氧化碳的新技术。此外，必须找到注入和封存已捕集的二氧化碳的新时机，重点应放在一些适宜的储存地点，而不仅仅是油气藏区域（例如海洋）。在生产过程中可利用CO2作为原料（例如甲醇或氨工艺），并应用矿物碳酸化技术封存二氧化碳。

2.2 经济性挑战

CCUS战略的还包含经济方面的挑战，在全球范围内阻碍CCUS部署的几个挑战包括：

（1） CCUS的生产成本受到工艺选择、排气流物理特性和CO2捕获量的影响。因此，CCUS技术需要大量的资金和投资来满足运营成本；

（2） CCUS技术的进步带来了人力资源管理和培训的良性循环，以提供故障排除、调试和运行阶段的专业知识；

（3） CCUS技术的大规模仍被认为是不确定的，特别是在经济可行性方面并不稳健；

（4） CCUS技术目前还没有强有力的资金支持来验证其高资本密集型，甚至最新的研究也表明，在现有的水泥厂改造CCUS技术的价格仅为其产品的两倍；

（5）各个国家对二氧化碳排放的交易价格存在争议，无法建立CCUS投资的全面框架。

为了克服CCUS的经济障碍，政府和国际组织的作用至关重要。特别是在欠发达和发展中国家，水泥行业缺乏足够的资金预算来拥有CCUS技术，政府可以通过多种行动提供经济激励。这些经济支持可以鼓励水泥行业申请CCUS技术。

2.3 政策、立法和规划的挑战

在政策、立法和规划方面的挑战是在现实世界中建立CCUS技术的重要挑战，这些挑战描述如下:

（1）缺乏碳的标准价格；

（2）公众对CCUS技术商业化的偏见；

（3）CCUS项目的法律/监管框架不全面，无法加快运行，安全、健康和环境受到限制，此外，确保CCUS系统对公众的控制；

（4）与一些监督义务和公司赔偿有关的CO2封存责任前景不明朗；

（5）由于CCUS部署的战略位置、能力和时机，政府部门和行业对未来CCUS存在顾虑。

为了消除这些挑战，强有力的国际和全球合作与规划是不可避免的。从国家、区域和全球范围出发，有必要就气候变化制定明确和适当的立法、政策和规划。此外，必须开展若干培训和宣传活动，以增强公众对二氧化碳的安全捕集、运输和储存的信心。值得一提的是，到目前为止，由于上述挑战和限制，水泥行业还没有实施CCUS工艺，未来几年CCUS在水泥行业的广泛部署是不可预见的。

3 总结

水泥生产过程是二氧化碳产生的一个巨大来源，一直受到学术界和企业的关注。水泥行业每年排放数十亿吨二氧化碳，而且排放量还在不断增加。CCUS技术在减少水泥行业CO2排放方面具有很大的潜力。然而，现有的减排技术与“双碳”工作的实际需求仍然存在较大的差距，需要政策的进一步支持和行业的持续努力。本文期望为科学家提供一个明确的指导方针，以便在水泥行业减少CO2排放方面做出切实可行的、具有成本效益的决策。

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