山東大學李英杰教授：基于石灰石加綠氫制備CaO的低碳水泥生產系統模擬

通過Aspen Plus軟件模擬了基于石灰石加綠氫制備CaO的低碳水泥生產系統，并與傳統水泥生產系統進行對比分析。結果表明，該系統在能耗、CO?排放量和?效率方面具有顯著優勢。與傳統系統相比，能耗降低19.42%，CO?排放量降低52.91%，CO?生成量降低37.55%，?效率從31.11%提升至75.63%。此外，合成氣的高利潤可抵消綠氫成本，實現430.15元/噸熟料的凈利潤，展現出良好的工業應用前景。

基于石灰石加綠氫制備CaO的低碳水泥生產系統模擬

作者

鄧雨萌1,2，伍嘉文1，曹洪杰1，李英杰1,2

單位

1. 山東大學 核科學與能源動力學院；2. 山東大學 高效儲能及氫能利用山東省工程研究中心

引用格式

鄧雨萌，伍嘉文，曹洪杰，等.基于石灰石加綠氫制備CaO的低碳水泥生產系統模擬[J].潔凈煤技術，2025，31（6）：1?12.DENG Yumeng，WU Jiawen，CAO Hongjie，et al. Simulation of low-carbon cement production system based on limestone hydrogenation for CaO production[J].Clean Coal Technology，2025，31（6）：1?12.

研究背景

水泥生產是全球CO?排放的主要來源之一，傳統水泥生產過程中石灰石分解產生的CO?排放量占總排放量的60%以上。目前廣泛研究的碳捕集、利用與封存技術面臨高能耗的問題。為了實現水泥生產的低碳化，研究者們開始探索新的工藝技術，其中石灰石加氫分解技術因其能夠將生料源CO?轉化為高附加值的合成氣而受到關注。

研究內容

采用Aspen Plus軟件對基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產系統進行了模擬，分析了系統的能耗、CO?排放量、?效率及成本，并與采用單乙醇胺捕集CO?的傳統水泥生產系統進行了對比分析。研究結果表明，與傳統系統相比，低碳水泥生產系統通過將生料源CO?轉化為合成氣中的CO，顯著減少了后續碳捕集單元的CO?處理量，從而在能耗、CO?排放量和CO?生成量方面分別降低了19.42%、52.91%和37.55%。此外，系統的?效率從傳統系統的31.11%增加到75.63%，成本分析表明，盡管綠氫的使用增加了系統成本，但合成氣的高利潤抵消了這部分成本，并實現了430.15元/噸熟料的凈利潤。

研究結論

（1）與采用單乙醇胺捕集CO?的傳統水泥生產系統相比，基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產系統在能耗、CO?排放量和CO?生成量方面分別降低了19.42%、52.91%和37.55%。

（2）低碳水泥生產系統的?效率顯著提高，從傳統系統的31.11%增加到75.63%，主要得益于合成氣的產出和系統內部能量的有效利用。

（3）經濟分析表明，合成氣的高利潤可以抵消綠氫帶來的高成本，并實現430.15元/噸熟料的凈利潤。當綠氫成本低于2.28元/立方米時，低碳水泥生產系統的綜合成本低于傳統水泥生產系統。

（4）低碳水泥生產系統在能耗、CO?排放量、?效率和成本等方面具有顯著優勢，展現出良好的工業應用前景。

創新點

創新性地將綠氫引入水泥生產過程中的石灰石分解環節，通過模擬分析了基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產系統。研究發現，該系統不僅能夠顯著降低CO?排放量，還能有效減少能耗和提高?效率。此外，合成氣的產出為系統帶來了額外的經濟效益，進一步提升了該工藝的工業應用潛力。這一成果為水泥行業的低碳化轉型提供了新的技術路徑和理論支持。

重要圖表

圖1 水泥生產系統能耗對比

圖2 水泥生產系統CO?生成/排放量對比

圖3 基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產工藝的?損分布

圖4 水泥生產系統運營成本對比

通訊作者

李英杰

李英杰，教授，博士生導師，任職于山東大學核科學與能源動力學院，熱能工程研究所所長。主要研究方向為CO?捕集轉化、熱化學制氫、熱化學儲能。承擔包括國家自然科學基金項目/任務（6項）、國家重點研發計劃子課題、山東省自然科學基金重點項目、山東省重點研發計劃項目等20多項研究課題。以第一或通訊作者發表論文150余篇，授權發明專利10余件，轉化7件。獲教育部自然科學二等獎、山東省自然科學學術創新獎等多項獎勵。培養博士生7人、碩士生30余人，被評為山東省優秀研究生導師。