制浆厂通过钠盐强化与富氧煅烧实现生物源碳捕集的技术经济分析

本研究针对制浆工业中生物源CO2减排难题，创新性提出"钠盐强化（sodium spiking）"结合富氧煅烧（oxy-fuel calcination）的碳捕集方案。通过模拟典型美国南方漂白软木浆（SBSK）厂工艺，证实每增加1%漂白工段NaOH用量可使石灰窑CO2生成量提升4%，最高可实现30.7%的碳捕集增量。研究显示该技术使碳捕集成本降低27-31%（空气燃烧96美元/吨，富氧燃烧74美元/吨），为制浆行业提供最具成本效益的碳中和路径。

　　

在全球碳中和背景下，制浆工业面临严峻的减排挑战。美国制浆厂每年排放1.1亿吨生物源CO₂，其中回收锅炉（RB）虽排放量最大，但因其工艺敏感性和高改造成本，碳捕集实施困难。相比之下，石灰窑（LK）排放量虽仅占小部分，却具有CO₂浓度高（20%）、杂质少、易改造为富氧燃烧等优势，成为碳捕集的理想位点。

为突破现有技术瓶颈，国外研究人员创新性提出"钠盐强化"技术——通过将漂白工段碱性滤液回用至化学回收循环，增加黑液中钠离子负载，促使回收锅炉中更多CO₂以Na₂CO₃形式矿化。该团队采用WinGEMS v5.3软件建立南方漂白软木浆（SBSK）厂全流程模型，对比评估元素氯漂白（ECF）与全无氯漂白（TCF）工艺下钠盐强化的碳捕集效果，并结合Aspen Plus模拟胺法吸收与富氧煅烧系统，完成技术经济分析。

3.1 碳流分析
模型追踪显示，TCF工艺将漂白区3% NaOH滤液回用后，生物碳输入占比提升至95%，石灰窑CO₂排放量增加13.7%。碳流向变化主要体现在回收锅炉熔融物（smelt）中Na₂CO₃占比从71%升至74%，而烟气排放相应减少。

3.3 钠盐强化的实施效果
每增加1%漂白工段NaOH用量，回收锅炉Na₂CO₃生成量提升4%，但超过6%后增速趋缓。当NaOH添加量达9%时，石灰窑CO₂捕集量从基准的9.5万吨/年增至12.5万吨/年，增幅30.7%。富氧煅烧改造可使窑内CO₂浓度从20%提升至80%（湿基），省去胺法捕集环节。

3.4 技术经济分析
基准情景下，空气燃烧与富氧煅烧的碳捕集成本分别为131美元/吨和107美元/吨。引入钠盐强化后，成本显著降低至96美元/吨（降幅27%）和74美元/吨（降幅31%）。关键成本驱动因素包括：富氧系统节省胺溶剂再生能耗、钠盐强化带来的规模效应，以及TCF工艺降低15%蒸汽需求。

该研究首次证实钠盐强化与富氧煅烧的协同效应，为制浆行业提供兼具经济性与操作性的碳中和技术路径。值得注意的是，美国46家漂白浆厂中27家具备钠盐强化改造条件，其中16家还拥有适宜CO₂封存的地质条件。未来研究需重点关注石灰窑富氧改造对CaO产品质量的影响，以及新型吸收剂对传统胺法的替代潜力。论文发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》，为工业碳捕存（CCUS）技术发展提供了重要案例参考。