窑尾烟气CO2矿化发电

水泥窑炉系统碳中和

——窑尾烟气CO₂矿化发电

人类能源需求与二氧化碳减排的矛盾，成为目前经济发展的全球性战略难题。中国的碳排放量将在2030年达到峰值，如何合理利用能源、减少碳排放、减少温室效应，成为能源热力与环保领域技术人员首先需要面对的问题。此前，地质封存是大规模处理二氧化碳的策略之一，但这种方法并没有根本减少CO₂的排放。只有有效利用CO₂的物化性能，将其变废为宝，实现CO₂的循环利用，这才是解决问题的根本所在。

对于大规模干法旋窑水泥生产系统而言，每生产1吨普通水泥熟料，由于燃料燃烧、物料分解、电能消耗等等原因，将产生0.85吨CO₂，对于油井水泥熟料、白水泥熟料而言，每吨熟料产生的CO₂量将分别达到1.03吨、1.1吨之多。目前，中国水泥熟料产能高达20亿吨，面对每年接近20亿吨的CO2排放，水泥行业的技术人员不能无动于衷。

最行之有效的方法有两个: 1、超临界CO₂余热发电（利用CO₂物理特性做文章）; 2、CO₂矿化处理并发电（利用CO₂化学特性做文章）。

超临界CO₂发电是利用CO₂在超临界状态下粘性小、液体密度大、流动性好、热效率高、可压缩性小等物理优势工作，将窑尾烟气中CO₂捕集（水泥行业窑尾烟气中CO₂是所有工业系统中CO₂浓度最高的系统，因为碳酸盐分解与燃料燃烧两者作用所产生的CO₂将是任何工业系统都不能达到的）并进行处理到临界状态，其后将其作为导热工质替代原系统水蒸汽低温余热发电系统，利用布雷诺循环进行高效发电。目前该技术已成功实现于美国麻省理工大学热力实验室10MWh发电系统，系统投资额约1600万美元。

超临界CO₂作为工质发电将应用于核反应堆、太阳能、工业余热等领域，水泥行业的生产可提供大量持续超临界CO₂以满足各领域工质介质的要求。根据美国能源部规划，美国未来10年内，所有热力发电系统将全部采用超临界CO₂发电技术，这是世界未来热力发电的必然。

CO₂矿化发电是利用CO₂的化学特性，在被矿化过程中，由化学能转变为电能。目前，中国的技术人员已经成功实现了采用电石渣、有机废碱、水泥粉尘以及钢渣等工业碱性废物，作为二氧化碳矿化发电的原料来稳定输出电能，在利用二氧化碳矿化发电的同时还联产高附加值的化工产品碳酸氢钠，同时又处理了危害环境的工业废物，形成了一条对环境友好的，可持续循环经济发展的二氧化碳减排利用新途径。矿化1吨二氧化碳，能够产出140度电能，同时产出1.91吨、价值人民币2000元到3000元的碳酸氢钠。很显然，仅把我国目前水泥行业排放的CO₂进行矿化发电，其发电量已经是三个三峡大坝的总发电量，并同时产生价值8亿元的附加矿物质，效益可观。

充分利用CO₂的物化特性变废为宝，在未来的大工业生产中，真正实现零碳排放，到那时候，大气中的CO₂都会"不够用"，人们再也不必为碳排放、为温室效应而纠结。热力企业应从此起航，开始新的征程。

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