碳捕获、利用和储存（CCUS）技术已成为实现碳中和和满足《巴黎协定》所提出的温度控制目标的关键途径（Supriya等人，2023年）。水泥行业约占全球CO2排放总量的7%（每年约2.3亿吨），每生产一吨水泥会排放0.5–0.6吨CO2（Friedlingstein，2023年），这对脱碳构成了重大挑战。根据国际能源署的水泥技术路线图，到2050年，碳捕获技术预计将贡献水泥行业48%的CO2减排量，超过其他减排策略，如能效提升、替代燃料使用和熟料替代（IEA，2018年）。这凸显了CCUS在水泥生产实现碳中和中的关键作用（Fennell等人，2022年）。
水泥行业的碳捕获方法主要分为两类：燃烧过程中的浓缩和燃烧后的捕获（IEA，2018年）。相关技术包括富氧燃烧（Telesca等人，2017年；Toftegaard等人，2010年；Yin和Yan，2016年）、间接加热（Calic，2021年；Jacob和Tokheim，2023年；Yin等人，2024年）、钙循环（Cormos，2021年；Granados等人，2014年；Romano等人，2014年）、化学吸收（Cloete等人，2019年；Ferrario等人，2024年；Yu等人，2019年）和膜辅助液化（Lee和Kim，2023年；Pasichnyk等人，2023年；Scholes等人，2014年）。其中，富氧燃烧技术通过将烟气循环回回转窑或煅烧炉，并向循环烟气中引入氧气，用高纯度O2替代空气作为燃料燃烧的氧化剂。对比分析表明，传统空气燃烧产生的CO2浓度为20–40%，而富氧燃烧条件下的CO2浓度可提高到80%以上（Li等人，2022年）。与化学吸收相比，这种高浓度处理方式具有相对的经济优势（Magli等人，2022年；Koronaki等人，2015年；Gardarsdottir等人，2019年）。对五种主要捕获技术（MEA化学吸收、富氧燃烧、冷却氨、膜分离和钙循环）的经济评估显示，富氧燃烧在熟料生产和CO2减排方面的成本最低（Gardarsdottir等人，2019年）。
水泥行业中的富氧燃烧技术主要用于两种配置：全系统富氧燃烧，即工业氧气同时替代回转窑和煅烧炉中的空气，从而在整个生产线上实现CO2捕获。目前，多个全系统富氧燃烧项目正处于规划或建设阶段（Kroumian等人，2021年；ICR Research，2024年；Federhen和Burns，2023年），但尚未有公开的运行数据。另一种是富氧燃烧煅烧炉，即对煅烧炉进行改造以使用氧气，而回转窑继续采用传统空气燃烧（Carrasco-Maldonado等人，2016年）。富氧燃烧技术主要针对煅烧炉，因为煅烧炉约占整个工厂CO2排放总量的80%（Davison，2014年）。该技术的一个关键优势是可以通过添加专门的烟气循环系统仅对煅烧前系统进行改造，从而避免对回转窑或格栅冷却器进行大规模修改。2009年，FLSmidth、Lafarge和Air Liquide共同启动了一个合作研究项目，旨在研究富氧燃烧煅烧炉的配置（Gimenez等人，2014年）。该项目在FLSmidth位于丹麦的试验设施进行了试点试验，并评估了将该技术应用于勒阿弗尔Lafarge工厂的可行性和成本。虽然试点试验确认了系统的稳定运行，但煅烧炉出口的CO2浓度仍低于66%（干基）。
目前关于富氧燃烧条件下燃料燃烧特性的研究主要通过计算流体动力学（CFD）或试点规模试验进行。在欧洲联盟Horizon 2020创新计划的资助下，Ditaranto等人研究了在全尺寸水泥回转窑（年处理量3000吨）中实施富氧燃烧的技术可行性。他们使用ThyssenKrupp OLFLAME燃烧器作为原型，分析了空气燃烧和富氧燃烧条件下的火焰特性。通过CFD模拟，调整了一次空气和二次空气的成分、流速、温度和旋流角度，以实现与空气燃烧相似的辐射热流分布（Ditaranto和Bakken，2019年）。Carrasco-Maldonado等人使用一个500千瓦的顶燃试验设施，评估了缩小比例的水泥窑燃烧器在富氧燃烧条件下的运行特性。实验结果表明，在29%的氧气浓度下，可以实现与空气燃烧相似的气体温度分布。通过优化一次空气中的氧气分布并调整旋流角度，火焰形状得到了改善，性能达到了与传统空气燃烧相当的水平（Carrasco-Maldonado等人，2019年）。2024年，Kroumian等人在斯图加特大学使用20千瓦和500千瓦的试验炉进行了系统的富氧燃烧研究，评估了多种燃烧条件，包括空气燃烧、有无烟气循环的富氧燃烧，特别关注氧气与燃料（O/F）比例对燃烧性能的影响。关键参数如温度分布、污染物排放（CO和NO）和燃烧效率得到了定量分析。结果表明，提高O/F比例可以改善温度均匀性和燃烧效率，但同时会增加NO排放，这表明在富氧燃烧系统优化中存在重要的权衡（Kroumian等人，2024年）。在后续工作中，Kroumian等人进一步研究了多种替代燃料（包括固体回收燃料、纯木材和木材-污泥混合物（90:10 wt%）在空气和富氧条件下的燃烧行为。实验数据通过CFD模拟得到了验证，证实了观察到的燃烧特性的可靠性（Kroumian等人，2025年）。
此外，富氧燃烧系统还面临另一个挑战：在高CO2分压下，熟料成分的分解动力学受到抑制。与其他高碳排放行业（如燃煤电厂，其主要CO2排放来自燃料）不同，水泥行业的大部分CO2排放来自熟料中碳酸盐的热分解（Guo等人，2024年）。碳酸盐的分解主要发生在煅烧炉中。富氧燃烧的环境与传统空气燃烧显著不同，因为高CO2浓度增加了熟料分解的难度（Yin等人，2014年）。Li等人专注于优化高CO2条件下的熟料分解动力学。通过实验，他们获得了850°C至1050°C温度范围内以及0%至90% CO2浓度下的熟料分解行为。随后，他们利用CFD和Hooke-Jeeves优化算法开发了一个分解动力学模型，整合了化学反应、CO2扩散和颗粒结构变化（Li和Li，2023年）。Li等人研究了H2O在高CO2气氛中对CaCO3分解的促进作用。通过热重分析（TGA）和ReaxFF分子动力学模拟，他们发现H2O降低了CaCO3的分解温度并加速了反应速率。研究表明，H2O使碳酸钙表面水解，生成氢和羟基，这些羟基与碳酸根反应生成HCO3-，从而降低了碳酸钙分解的活化能。此外，羟基还与CO2竞争CaO上的活性位点，进一步提高了分解效率（Li和Guo，2025年）。总之，尽管在理解富氧燃烧环境下高CO2浓度下水泥熟料分解行为方面取得了显著进展（Castillo等人，2025年；Li等人，2024年；Wu等人，2023年；Zhang等人，2020年；Zheng等人，2016年），但在实际水泥工厂中的工业规模实验研究和验证仍然不足。
本研究基于中国最大的年处理量20万吨CO2捕获示范项目进行了工业规模实验研究，该项目采用了富氧燃烧煅烧炉技术。系统地考察了由于燃烧气氛从N2/O2转变为CO2/O2对水泥生产过程中燃料燃烧、熟料烧结和熟料烧结过程的影响。分别比较了空气燃烧、混合燃烧和富氧燃烧条件下的烟气成分、温度、压力和熟料烧结速率等关键参数。通过XRD、SEM和岩相分析等表征方法，确定了不同气氛条件下熟料和熟料的相组成和物理化学性质。通过f-CaO含量和升重评估了水泥熟料的性能。本研究为水泥行业中富氧燃烧技术的理论研究、工艺设计和调试提供了宝贵的数据参考。
