水泥工业作为高能耗高排放的主要工业领域之一,其二氧化碳(CO2)排放控制已成为学术界和工业界关注的热点。氧-燃料燃烧技术是水泥工业高效低成本二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)的重要技术之一,对减少CO2排放和提升水泥熟料产量具有重要意义。本文系统综述了水泥工业增氧燃烧、部分氧-燃料燃烧以及全氧-燃料燃烧技术在试验研究、数值模拟、流程优化和工业应用方面的研究进展。增氧燃烧技术通过提高燃烧空气中氧气体积分数来提高燃烧温度、热效率和增加熟料产量,其最佳氧气体积分数一般在27%~30%,该技术已在国内外多个水泥生产线上应用,取得了较好的节省燃料和增产效果。部分氧-燃料燃烧是在分解炉中采用氧-燃料燃烧的碳捕集技术,该技术能够提高CO2体积分数并减少NOx排放,但需要适当提高分解炉温度以维持相同的石灰石分解率,燃料消耗量也会有所增加。全氧-燃料燃烧技术是在分解炉和回转窑中均采用氧-燃料燃烧的碳捕集技术,可获得高CO2体积分数的烟气,是水泥工业碳捕集技术的未来方向。为了实现与空气气氛相同的炉内温度和产品质量,全氧-燃料燃烧的总体氧气体积分数一般在27%~29%,需要进一步优化以确定分解炉和回转窑氧-燃料燃烧器一二三次风氧气体积分数的合理分配。通过对水泥工业氧-燃料燃烧改造方案的技术经济性分析,其CO2捕集成本一般在200~250元/t,低于燃烧后化学吸收碳捕集技术的成本,表明水泥工业氧-燃料燃烧碳捕集技术具有较好的经济性。未来水泥工业氧-燃料燃烧碳捕集技术将进一步向高效率低成本低能耗方向发展,聚焦全氧-燃料燃烧关键技术研究开发、低成本制氧技术以及与可再生能源电转气和可再生合成燃料等技术的深度融合,最终实现水泥工业CCUS和净零CO2排放。

周月桂(1972—),男,湖北京山人,教授,博士。E-mail:ygzhou@sjtu.edu.cn

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周月桂,王玉亭,黄冠硕,等.水泥工业氧-燃料燃烧碳捕集技术研究进展[J].洁净煤技术,2025,31(4):163−180.