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捕集和利用工业生产过程中排放的CO2是减少CO2排放、改善温室效应的重要途径。水泥工业作为我国经济建设的支柱性产业,其CO2排放量占我国CO2排放总量的15%,开发适用于水泥工业的CO2捕集技术是未来我国水泥工业可持续发展的关键课题之一。西安建筑科技大学粉体工程研究所基于自主开发的XDL水泥熟料节能煅烧新技术,提出在水泥熟料烧成过程采用富氧燃烧和烟气再循环技术富集烟气中的CO2,进而对CO2进行捕集,实现高效能CO2回收及利用的近零排放工艺技术路线。基于该技术思路,本文针对CO2浓度大幅提高的烟气循环用于悬浮预热分解系统后,水泥生料中碳酸盐分解反应气氛条件较传统工艺发生显著变化的工程实际,首先开展了高浓度CO2气氛下石灰石热分解反应的反应特性和动力学研究;在此基础上,在西安建筑科技大学粉体工程研究所自主开发的XDL节能煅烧半工业化试验平台上,进行富氧燃烧高CO2浓度技术条件下水泥生料悬浮预热分解半工业化试验;并针对未来在水泥工业规模化生产系统上采用富氧燃烧和烟气再循环技术,建立质量衡算和热量衡算数学模型,进行富氧燃烧技术与XDL-悬浮预热分解技术的耦合性研究,最后提出在水泥工业采用富氧燃烧技术对烟气中的CO2进行富集、分离并用于CO2-EOR过程的技术路线,并对其进行技术经济性分析和评价。借助TGA热重分析仪和具有自主知识产权的稀相模拟悬浮综合多功能试验平台,进行堆积态和稀相模拟悬浮态下、高CO2浓度N2/CO2气氛时的石灰石热分解反应动力学研究,并探索高浓度CO2气氛对CaCO3热分解反应过程的影响。得出如下结论:1)CO2浓度为30%100%时,堆积态石灰石热分解反应机理函数满足Avrami-Erofeev方程,即G（7）?（8）（28）[-ln（7）1-?（8）]n,反应级数n为2/52/3,反应机理模型为随机成核和随后生长模型;表观活化能、指前因子和反应速率常数与CO2浓度之间满足的关系式分别为E??0（28）655.19e.1396CCO2、lnA（28）71.56e.1254CCO2和lnk（28）71.56e.1254CCO2-78806e.1395CCO2/T。2)稀相模拟悬浮态下石灰石热分解反应机理函数满足Avrami-Erofeev方程,反应级数、表观活化能和lnA的值与堆积态不同。3)在相同气氛控制技术条件下,稀相模拟悬浮态条件下的石灰石热分解反应的表观活化能和lnA均低于堆积态的。借助自主开发建设的XDL节能煅烧半工业化试验平台,进行富氧燃烧技术条件下水泥生料预热分解反应特性、CO2排放规律的多工况试验研究,以确定最佳工艺控制参数。得到如下结论:1)随着送风中O2浓度的增加,水泥生料的表观分解率逐渐增加;当送风中O2浓度由21.2%增加至25.0%时,水泥生料的表观分解率由44.8%增加至90.1%。2)随着O2浓度的增加,烟气中CO2浓度逐渐增加;当送风中O2浓度由21.2%增加至25.0%时,烟气中CO2的浓度由24.3%增加至40.8%。3)最佳工艺控制条件下,较传统技术而言,采用富氧燃烧技术后石灰石分解过程的单位煤耗降低5.85%、表观分解率增加10.79%、烟气中CO2浓度增加到原来的2.19倍。结合西安建筑科技大学粉体工程研究所设计的日产2500t水泥熟料的XDL节能煅烧生产系统的工艺控制参数,建立以系统风量、CO2排放浓度、单位能耗及系统产能为考核指标的多目标优化模型,使用MATLAB 7.0软件编程并求解,对富氧燃烧技术和XDL节能煅烧技术进行耦合性研究。结果表明:1)富氧燃烧条件下,随着O2浓度的增加,系统的送风量、烟气量、烟气排放量和单位水泥熟料生产能耗逐渐降低,烟气中CO2浓度和系统产能逐渐升高;2)随着漏风系数的增加,系统的送风量、烟气中CO2浓度和生产能力逐渐降低,烟气量、烟气排放量和单位水泥熟料生产能耗逐渐升高;3)2500t/d水泥熟料的XDL节能煅烧工艺系统采用富氧燃烧技术后,在O2浓度为30%,漏风系数为3%,O2过剩系数为1.05的条件下,生产能力可提高至3550t/d;烟气中CO2浓度可达到76.57%,较传统工艺提高42.78%;烟气排放量降低55.50%;生产单位水泥熟料可节约用煤16.36kgce/t.cl,节煤率高达16.35%。基于用富氧燃烧技术实现水泥生产烟气中CO2浓度的富集,然后采用深冷冷冻法对烟气中的CO2进行液化分离,最后将液态CO2产品用于油气田驱油以提高原油采收率的水泥工业富集捕集、利用与封存CO2的技术路线,分别对CO2捕集、储运和封存三个环节进行技术经济性评价。结果表明:1)在水泥工业采用富氧燃烧技术富集并捕集CO2的成本为101.22元/t·CO2,带来的节能效益为25.55元/t·CO2;2)在水泥工业采用CO2富集捕集、利用和封存技术的总成本为831.41元/t.CO2;其中CO2综合捕集成本、储运成本和强化驱油成本分别为75.67元/t.CO2、储运成本为30.24元/t.CO2和725.50元/t.CO2;带来的经济效益为1665.39元/t.CO2。