加入綠氫降低碳排，水泥生產(chǎn)有了新途徑

水泥生產(chǎn)是能源消耗和碳排放大戶，在建筑材料領域，其碳排放量僅次于鋼鐵行業(yè)，約占中國總碳排放量的10%。1月6日，記者從山東大學核科學與能源動力學院了解到，該院李英杰教授團隊創(chuàng)新性地將綠氫引入水泥生產(chǎn)中的石灰石分解環(huán)節(jié)，通過石灰石加氫制備氧化鈣的工藝構(gòu)建了低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)。他們采用大型通用流程模擬系統(tǒng)Aspen Plus軟件對上述系統(tǒng)進行了模擬分析，結(jié)果顯示此舉顯著降低了能耗和碳排放。

 

據(jù)了解，水泥行業(yè)碳排放主要源于生產(chǎn)過程中的化學反應和能源消耗。在李英杰看來，碳排放集中在熟料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中石灰石煅燒分解產(chǎn)生的排放占比約60%，化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放占比約35%，兩者合計超過90%。

 

為了實現(xiàn)水泥生產(chǎn)的低碳化，李英杰團隊探索新的工藝技術(shù)。一方面，他們在石灰石分解階段引入綠氫，即石灰石加綠氫，不僅能使分解溫度降低200攝氏度以上，而且使分解產(chǎn)生的二氧化碳與綠氫反應轉(zhuǎn)化成一氧化碳，為后續(xù)制備高附加值化工產(chǎn)品（如甲醇）奠定了基礎；另一方面，他們將綠氫引入水泥回轉(zhuǎn)窯替代煤炭燃燒，為高溫熟料燒成反應供熱，消除了燃料碳排放。

 

“以上兩個方面實現(xiàn)了源頭上的碳減排，符合我國‘雙碳’目標。”李英杰說。另外，他們發(fā)現(xiàn)加入適量赤泥能提高綠氫與石灰石的反應速率，通過密度泛函理論計算揭示了反應機理，即赤泥中鐵團簇使氫氣的解離能壘降低了94.8%，該發(fā)現(xiàn)為赤泥的資源化利用提供了新思路。

 

“我們的計算結(jié)果表明，與采用單乙醇胺捕集二氧化碳的傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)相比，基于石灰石加綠氫制備氧化鈣的低碳燃氫水泥生產(chǎn)系統(tǒng)在能耗、二氧化碳排放量和生成量方面分別降低了37.65%、47.76%和87.42%，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。”李英杰說。

 

不過，鑒于當前綠氫價格高昂，如何降低成本實現(xiàn)商業(yè)推廣？李英杰表示，盡管綠氫的使用增加了成本，但合成氣的高利潤可抵消這一影響。

 

“具體而言，在碳價為74.67元/噸二氧化碳、合成氣價格為3.21元/千克的條件下，當綠氫成本降低至約14.67元/千克時，低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)綜合成本可低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，為工業(yè)應用提供了理論依據(jù)。”李英杰說，石灰石加綠氫制備氧化鈣技術(shù)在產(chǎn)業(yè)適配性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，不僅能與現(xiàn)有水泥工業(yè)體系有效銜接，而且具備向鋼鐵、化工、煤電等行業(yè)推廣的潛力，對高能耗、高排放行業(yè)的綠色低碳升級均具有重要價值。