淺論高值利用鈣循環技術實現“零碳水泥”可行性

周 玥

（南京師范大學能源與機械工程學院， 江蘇 南京 210042）

1 背景分析

溫室氣體排放造成全球變暖問題成為國際社會普遍關注的焦點。2015年巴黎氣候變化大會達成協定，近200個締約國承諾將為減排付諸行動。我國是世界CO2排放第一大國，年排放總量達90億噸，是全球履約的焦點。

水泥工業是CO2的排放大戶，其排放量約占人類活動所產生CO2總量的5%。按照本行業現有水平，生產1噸水泥熟料約排放940Kg CO2。該行業產生的CO2約占我國工業生產CO2總排放量20%，減排壓力巨大。

據不完全統計，2019年全國電石渣廢棄物生產總量約5000萬噸，其主要成分為93%的Ca(OH)2高鈣廢棄物，既是能源浪費，又占用大量土地且可能導致土壤污染，亟待解決。

而通過在工業園區的水泥廠外接鈣循環 CO2捕集系統，用電石渣廢棄物制成鈣基吸附劑，捕集水泥廠尾氣中的 CO2，吸附劑多次循環失活后，再作為原料投入到生產之中。在減少 CO2排放同時，解決廢棄物堆積污染問題，工業化應用前景廣闊。

2 實現方法

2.1 總體思路

采用擠壓-滾圓法制備電石渣吸附劑小球，并選用預水洗脫除水溶態鉀的水洗稻殼作為改性電石渣顆粒的造孔模板，進一步提升其循環脫碳性能。水洗稻殼改性的電石渣小球在鈣循環系統中循環流化脫除水泥廠煙氣中的 CO2，同時失活的電石渣吸附劑顆粒替代部分石灰石原料用來燒制水泥熟料。

2.2 具體方案

（1）水泥廠外接鈣循環CO2捕集系統，與乙炔廠聚集成工業集中區。乙炔產生的電石渣廢棄物(Ca（OH）2)投入到工業鈣源處理中心經預處理后，轉換成CaO為主的鈣基吸附劑。

（2）將稻殼和電石渣粉末充分混合，對混合粉末進行擠壓—滾圓造粒。使得生物質模板顆粒能夠均勻地分散在 CaO 基吸收劑小球的內部，以提高吸收 CO2的性能。

（3）電石渣吸附劑在系統循環至單次CO2吸附量低于0.15后會失活，可以替代部分石灰石作為水泥燒制原料。可顯著地減少由于石灰石煅燒而排放的 CO2，在減少了煅燒過程中耗能同時脫除水泥廠煙氣中的CO2。

3 創新性

1.利用電石渣廢棄物充當鈣循環CO2捕集系統中的鈣吸收劑，因固體廢棄物通常呈粉末狀，容易被循環氣流攜帶從系統中淘析出來。該項目采用擠壓-滾圓法獲得球形電石渣吸附劑顆粒，使之兼備良好的流化特性以及機械性能，可避免原料磨損破碎的資源消耗。

電石渣小球制備過程主要三步：預混濕粉末擠壓、長圓柱狀擠出物切斷以及短圓柱狀擠出物滾圓。首先，將原料粉末均勻混合投入不銹鋼容器中，噴入適量去離子水，充分攪拌使水分均勻浸入干粉末中，形成濕度均勻的濕物料；加入擠出機以特定轉速旋轉輸送至擠出機的擠壓倉擠壓成結構致密的長圓柱狀擠出物；再放置至滾圓機滾筒中，滾筒底部裝有表面粗糙的滾圓盤，滾圓過程中先設定滾圓盤的旋轉轉速為 1400 r/min，維持2 min，利用高轉速形成的剪切力將長圓柱狀擠出物切割成短圓柱狀擠出物。將旋轉轉速降至1000 r/min，維持3 min使短圓柱狀擠出物在剪切力、離心力和摩擦力的共同作用下成球。最后，通過標準篩來篩分制備的吸收劑小球，選取2-2.36 mm尺寸范圍內的吸收劑小球，在空氣中風干一晝夜后即獲得最終用于CO2捕集的CaO基吸收劑小球。

2.CaO基吸收劑?；尚驮炝＿^程將破壞吸收劑粉末原始疏松多孔的結構，導致 CaO基吸收劑顆粒的CO2吸收能力明顯下降。本項目創新性地采用低成本的水洗稻殼作為造孔模板，改善電石渣顆粒的循環脫碳性能。

將稻殼粉和Ca(OH)2粉末充分混合后，稻殼顆粒能夠均勻地分散在CaO基吸收劑小球內部。對其進行高溫煅燒處理，生物質模板顆粒發生熱降解，大量的熱解氣體（主要包括 H2、CH4、H2O、CO 和 CO2）從小球內部釋放，在球內部沖出大量孔道[1]，形成大量微米尺寸的小孔和空穴。疏松多孔的結構使得改性的吸收劑小球具有更大的比表面積和更小的平均孔徑，允許更多 CO2氣體擴散進入球內部與其中的活性 CaO 發生反應[2]。

3.該聯合處理路線，通過鈣循環系統脫除水泥廠煙氣中的 CO2，失活的 CaO基吸收劑替代部分石灰石作為水泥燒制的原料，顯著減少石灰石煅燒排放的CO2，并減少生料煅燒過程中的能耗。查閱文獻可知，失活的鈣基吸附劑制備的水泥熟料中硅酸三鈣含量符合商業應用標準[3]。

4 經濟效益

4.1 產量核算

捕集CO2循環過程中，電石渣吸附劑在每一次循環過程中吸附效率不一，循環至CO2吸附量低于0.15之后吸附劑基本失活。取吸附循環次數為25次，較為精確的得到了電石渣廢棄物制成鈣基吸附劑后的吸收效率，其每次吸附效率與按25次的平均速率累計得到的直至失活折線圖，加入5wt.%水洗稻殼改性后，電石渣小球的吸附能力提高了32%，循環脫碳性能大大提高。

通過調研收集了現實中工廠銀光集團（聚氯乙烯生產）的數據，以此進行物料核算與經濟分析，該廠的電石渣年產量約為17萬噸，計算如下：

由此可得CO2的年捕集量——

由此可得水泥年增產量——

通過此低碳設計方案，可以實現CO2減排164萬噸/年，實現水泥年產量29萬噸/年。（按石灰石需要80%，電石渣Ca(OH)2的含量93%計）

4.2 技術支持

目前，西班牙INCAR-CSIC建立30KWth、德國IFK建立10KWth及臺灣ITRI也建立1KWth實驗室規模的鈣循環流化床CO2捕集實驗臺架，驗證了鈣循環流化床系統的可行性。英國學者Dean和意大利學者Telesca等通過研究都發現失活的CaO基吸收劑能夠代替石灰石制備硅酸鹽水泥熟料和硫鋁酸鈣水泥熟料。為本方案提出的基于鈣循環系統資源化處理工業區電石渣廢棄物，聯產水泥熟料實現耦合系統方案提供了技術原理可行性證明。