东南大学低碳能源团队段伦博教授课题组联合北京凯盛建材工程有限公司、华陆工程科技有限责任公司以日产量5000吨的干法水泥产线为参考对象，进行了水泥窑富氧燃烧方案设计，采用干烟气循环+烟气/氧气分级注入的技术路线，保证了水泥窑炉系统在空气和富氧两种工况下运行的灵活性。利用Aspen Plus软件进行工艺流程优化和系统整体热量匹配，获得最佳运行工况。技术经济性分析表明，对于上述富氧燃烧水泥窑系统，最优工况下的单位碳捕集成本为187.4元/t CO₂，处于领先水平。

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5000 t/d级富氧燃烧水泥窑全流程设计优化及经济性分析作者高思远1，段元强1，段伦博1，马雷2，杨红彩2，杨俞3单位1. 东南大学 能源与环境学院 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室；2. 北京凯盛建材工程有限公司；3. 华陆工程科技有限责任公司引用格式高思远, 段元强, 段伦博, 等.5000t/d级富氧燃烧水泥窑全流程设计优化及经济性分析[J].洁净煤技术, 2025, 31(4):52−61.GAO Siyuan, DUAN Yuanqiang, DUAN Lunbo, et al. Optimization and economic analysis of whole process design of a5 000 TPD oxy-fuel combustion cement kiln[J].Clean Coal Technology, 2025, 31(4):52−61.创新点

1) 富氧水泥窑系统对整体热量、氧气及烟气流股进行了重新分配，不破坏原水泥烧成制度，并解决了水泥窑富氧燃烧中管道安全、系统漏风、火焰不稳、生料塌料等问题，实现了CO₂自富集和低成本提纯。

2) 富氧水泥窑方案采用干烟气循环+烟气/氧气分级注入的技术路线，分解炉和回转窑中O₂浓度约为30%，预热旋风中O₂浓度约为24%，即保证了分解炉及回转窑中燃料燃烧和熟料烧成反应的稳定性，也保证了预热旋风中足够的运行风速和分离效率，兼顾了空气和富氧两种气氛下运行的灵活性；

3) 篦冷机采用采用三分区设计，第一冷却区的进口通入富氧气体和循环烟气，经换热后进入分解炉和回转窑参与燃烧及反应。第二冷却区的进口通入循环烟气，经换热后进入最下级旋风预热器C5的进口用于生料换热，提高系统热能利用率。第三冷却区则通入常温空气，进一步冷却熟料。

研究背景

从1985年到2024年，我国的水泥产量一直位于世界首位，这使得水泥行业碳排放量居高不下，其在我国的碳排放行业中占比约为13%。富氧燃烧技术作为高效的碳捕集技术，能够有效地降低水泥行业的碳排放，实现水泥行业的CO₂的近零排放，具有优秀的应用前景。然而因为水泥窑生产中存在漏风量大，热量匹配等实际问题，给水泥窑富氧燃烧方案的制定带来了困难。

研究内容

以日产量5000吨的干法水泥产线为参考对象，采用Aspen Plus软件建立了参考机组模型，并验证了模型的准确性。在此基础上，进行了水泥窑富氧燃烧方案设计，采用干烟气循环+烟气/氧气分级注入的技术路线，通过工艺流程优化和系统整体热量匹配，保证了水泥窑系统在空气和富氧两种工况下运行的灵活性；开发了适用于富氧燃烧工况的新型分级篦冷机及漏风防控技术，降低了系统漏风系数，提高了尾部烟气中的CO₂浓度。搭建水泥窑富氧燃烧碳捕集全流程模型，研究在富氧燃烧工况下的水泥窑碳捕集效果与能耗，确定最佳运行工况，并计算碳捕集成本。

研究结论

1) 本研究所建立的水泥窑全流程热力计算模型在空气和富氧气氛下均有着较高的精度。富氧燃烧基础工况下，烟气中的CO₂湿基浓度为79.7%，经压缩纯化后的CO₂纯度为99.5%，系统的CO₂回收率可达到97.3%。

2) 对于富氧水泥窑系统，湿循环总功耗高于干循环；当供氧浓度为97%时空分子系统和烟气净化压缩子系统总功耗最低；当漏风系数从1%增加到8%时，ASU和CPU系统的整体能耗增加约10%~15%。

3) 富氧工况下，燃烧气氛中的高O₂浓度可以有助于劣质煤的掺烧，能够有效降低燃料成本，并且燃烧效果基本不受影响。

4) 经济性分析中，计算了在最优工况下的各项成本。结果显示，按照年6000h运行时间计算，年捕集CO₂约98.7万吨，每年因碳捕集所新增加的成本约1.85亿元，折合到单位碳捕集成本为187.4 元/tCO₂，达到领先水平。

重要图表图1 水泥窑富氧燃烧系统流程表1 空气燃烧及富氧燃烧水泥窑设备成本分析第一作者高思远2000年3月出生，安徽合肥人，东南大学动力工程及工程热物理专业硕士，主要研究方向为工业过程碳捕集，作为项目骨干参与了国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年项目及多个企业研发项目。通讯作者段元强1990年8月出生，江苏洪泽人，工学博士。东南大学能源与环境学院至善博士后，助理研究员。主要从事煤燃烧、流化床锅炉、电站储能调峰等方面研究工作。2013年和2020年分别于南京师范大学和东南大学获工学学士和工学博士学位。共发表SCI、EI论文30余篇，获授权发明专利7项。主持国家重点研发计划子课题、江苏省双碳专项子课题、国家和江苏省青年基金、国家和江苏省博士后基金各一项，并作为研究骨干参与多项国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、国际合作及企业合作项目。课题组简介低碳能源科研团队立足于东南大学能源与环境学院和能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，长期专注于流化床燃烧技术、大气污染物控制、固体废弃物的资源化以及碳捕集与利用等相关研发工作。团队拥有教授3名、副教授3名、博士后4名以及硕士/博士研究生近50名。成员具有工程热物理、化学工程、材料科学与工程、机械等不同学科背景，研究能力覆盖计算化学、颗粒材料制备、反应器匹配及系统优化等方面，有助于团队围绕国家重大战略需求，开展有组织的跨尺度学科交叉研究。END

策划丨白娅娜

责编丨宫在芹

编辑丨李莎

审核丨白娅娜