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(chǎn)系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在能耗、CO?排放量和?效率方面具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)430.15元/噸熟料的凈利潤，展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

基于石灰石加綠氫制備CaO的低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)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(xué) 核科學(xué)與能源動力學(xué)院；2. 山東大學(xué) 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(chǎn)系統(tǒng)模擬[J].潔凈煤技術(shù)，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(chǎn)是全球CO?排放的主要來源之一，傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中石灰石分解產(chǎn)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(shù)面臨高能耗的問題。為了實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)的低碳化，研究者們開始探索新的工藝技術(shù)，其中石灰石加氫分解技術(shù)因其能夠?qū)⑸显碈O?轉(zhuǎn)化為高附加值的合成氣而受到關(guān)注。

研究內(nèi)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(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，分析了系統(tǒng)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(tǒng)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)通過將生料源CO?轉(zhuǎn)化為合成氣中的CO，顯著減少了后續(xù)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(tǒng)的?效率從傳統(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)成本，但合成氣的高利潤抵消了這部分成本，并實(shí)現(xiàn)了430.15元/噸熟料的凈利潤。

研究結(jié)論

（1）與采用單乙醇胺捕集CO?的傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)相比，基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)系統(tǒng)的?效率顯著提高，從傳統(tǒng)系統(tǒng)的31.11%增加到75.63%，主要得益于合成氣的產(chǎn)出和系統(tǒng)內(nèi)部能量的有效利用。

（3）經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)430.15元/噸熟料的凈利潤。當(dāng)綠氫成本低于2.28元/立方米時，低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合成本低于傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)。

（4）低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)在能耗、CO?排放量、?效率和成本等方面具有顯著優(yōu)勢，展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新性地將綠氫引入水泥生產(chǎn)過程中的石灰石分解環(huán)節(jié)，通過模擬分析了基于石灰石加氫制備CaO的低碳水泥生產(chǎn)系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)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(chǎn)出為系統(tǒng)帶來了額外的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步提升了該工藝的工業(yè)應(yīng)用潛力。這一成果為水泥行業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型提供了新的技術(shù)路徑和理論支持。

重要圖表

圖1 水泥生產(chǎn)系統(tǒng)能耗對比

圖2 水泥生產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)工藝的?損分布

圖4 水泥生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營成本對比

通訊作者

李英杰

李英杰，教授，博士生導(dǎo)師，任職于山東大學(xué)核科學(xué)與能源動力學(xué)院，熱能工程研究所所長。主要研究方向?yàn)镃O?捕集轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)制氫、熱化學(xué)儲能。承擔(dān)包括國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目/任務(wù)（6項(xiàng)）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃子課題、山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目等20多項(xiàng)研究課題。以第一或通訊作者發(fā)表論文150余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余件，轉(zhuǎn)化7件。獲教育部自然科學(xué)二等獎、山東省自然科學(xué)學(xué)術(shù)創(chuàng)新獎等多項(xiàng)獎勵。培養(yǎng)博士生7人、碩士生30余人，被評為山東省優(yōu)秀研究生導(dǎo)師。