CN102186791A - 生产水泥熟料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的生产水泥熟料的方法中，将水泥生料在预热器中预热，将预热的水泥生料在焙烧装置中预焙烧，以及将预焙烧的水泥生料在窑内燃烧，其中在所述焙烧装置中使用的燃料和燃烧空气包含至少75mol％的氧含量，以及将所述水泥生料在所述焙烧装置中的流化床中进行预焙烧。在所述窑内产生的废气在绕过所述焙烧装置后被送到所述预热器，而来自所述焙烧装置的废气则被送到二氧化碳洗涤装置。

Description

生产水泥熟料的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种生产水泥熟料的方法和系统，其中生料被预热、焙烧、随后在窑内燃烧以形成水泥熟料。
背景技术
在水泥熟料生产过程中，约0.53吨二氧化碳/吨熟料(t CO2/t clinker)由石灰石的脱酸作用产生以及约0.28吨二氧化碳/吨熟料由燃烧过程中的燃料的燃烧产生。迄今，所述数量的二氧化碳(0.81吨二氧化碳/吨熟料)作为废气排放到大气中，虽然二氧化碳作为一种温室气体的影响是众所周知的。因此，业已有人作出努力，以便在未来大幅减少排放物。
在此背景下，目前讨论的是可从燃烧过程的废气中分离二氧化碳的方法。
DE 196 37 320格A1公开了一种用于生产水泥的方法，其中生料被预热、焙烧、并且最后在旋转管形窑内燃烧。在该方法中，生料在窑废气流经的焙烧装置中脱酸。所述焙烧装置根据气流床的原理工作。在进入所述旋转管形窑之前，焙烧过的生料被传送到具有循环流化床的悬浮反应器中。所述流化床通过加热空气来形成，其中焙烧的材料从1000℃的温度被加热到至1200℃，以便排出杂质。
为了减少二氧化碳的排放，尤其是所谓的氧气燃料制造过程是水泥生产所关注的。在该过程中，燃料与几乎纯质的氧气起反应，以致于燃烧废气不含有氮，并几乎全是由二氧化碳和水组成。
WO 2008/059378叙述了这样一种方法，其中焙烧装置的废废气相对于二氧化碳的含量而浓缩到这样的程度，以致于其可被传送到贮存站。因此，在熟料燃烧过程中产生的大约75％的二氧化碳可被分离出来，而无需对熟料生产过程进行任何明显的修改。所用的焙烧装置，还有在WO 2008/059378中的焙烧装置，通常是所谓的气流床焙烧装置，至于焙烧装置中待处理的生料，在进行热处理的同时，通过载运气体(通常为窑的废气或三次空气)将生料传送通过所述焙烧装置。但是，如果焙烧装置不再通过窑的废气或冷却器的三次空气来运作，而是通过氧气来运作的话，就可大大地减少废气量。在WO2008/059378中，通过返回焙烧装置的废气，藉由废气提高载运气体的量来解决该问题。由于再循环废气的气体温度很高，为了操作流体机械(风扇)，有必要通过换热器冷却所述气体，或通过温度较低的气体来冷却所述气体，正如WO 2008/059378所提议。作为所述焙烧装置的一些废气的再循环的结果，还可以避免氧气操作式焙烧装置的局部过热。
但是，再循环具有再碳酸化的缺点，即，从CaO和CO2重新形成CaCO3。由于氧气燃料制造过程中的高CO2分压，在待燃烧材料冷却到低于约850℃的平衡温度时，再碳酸化将在高反应速率下进行。对于所述的制造过程而言，由于再碳酸化的材料必须再一次脱酸，该操作导致焙烧装置的热能需求增加。
发明内容
因此，本发明的目的是在焙烧装置中应用氧气燃料制造过程生产水泥熟料的方法和系统，所述方法和系统的区别在于较低的能量需求。
根据本发明，所述目的可通过权利要求1和10的特征来完成。
在根据本发明的生产水泥熟料的方法中，将水泥生料在预热器中预热，将预热的水泥生料在焙烧装置中预焙烧，以及将预焙烧的水泥生料在窑内燃烧，在所述焙烧装置中使用燃料和具有至少75mol％的氧含量的燃烧空气，以及将所述水泥生料在所述焙烧装置中的流化床中进行预焙烧。将所述窑内产生的废气绕过所述焙烧装置输送到所述预热器，而所述焙烧装置的废气则被输送到二氧化碳制备装置。
根据本发明的系统是为进行上述的方法而开发的。
虽然以前已经有人考虑以流化床反应器的形式构建焙烧装置，但该类型的焙烧装置在实践中尚未具有意义，因为鉴于所需的燃烧空气量，所述焙烧装置的尺寸必须很大，以致于不可能进行经济的预焙烧。
不过，现在结合氧气燃料制造过程和以流化床反应器的形式构建的焙烧装置，就可使两种本身是公知的方法理想地、相互补充地结合。由于使用的燃烧空气具有至少75％(最好至少为90％)的高含氧量，燃烧所需的气体量可大大地减少。因此，所述流化床反应器可以被构建成比以惯用燃烧空气来工作的流化床反应器小4至5倍。所述流化床反应器还具有的优点在于，相比气流床反应器，其能够以少得多的载运气体来工作。该种情况甚至使得所述流化床反应器中燃烧所需的燃烧空气同时还足以形成流化床。因此，焙烧装置的废气的再循环将全无必要，或者只是很低程度地需要。
由于按照本发明的组合，从而可避免再碳酸化的问题。所述流化床反应器还具有的优势在于，其具有非常均匀的温度分布，以致于即使在废气没有再循环的情况下，也可避免焙烧装置中局部温度的峰值。
本发明的其它构型为从属权利要求的主题。
根据本发明的较佳构型，所述焙烧装置具有用于去除预焙烧水泥生料的装置，其设置在流化床的膨胀点下面，并连接到所述窑。流化床最好以这样的方式工作，使得其处于稳定状态而不是循环状态，也就是说，通过流化床反应器的流动率明显低于预焙烧水泥生料的排放率。将流化床的废气中仍然含有的尘埃在分离器中从气体中分离出来并传送回所述流化床。
相比于WO 2008/059378，流化床反应器的使用，尤其是以稳定方式工作的流化床，使废气的再循环变成多余。所以不再需要冷却和重新加热所述废气。因此，在环路中传送的灰尘明显较少，且所述灰尘未被冷却，或者只是略微被冷却，于是相比之下，明显较少的CaO可以再碳酸化。
根据焙烧装置的特定构型，所述用于去除预焙烧水泥生料的装置可以以虹吸管的形式来构建。
流化床反应器本身最好具有多孔或穿孔式流入基座，用于传送燃烧空气的装置与所述流入基座连接，，以便为所述流入基座充气。所述多孔流入基座也可以通过一层松散材料层来构成，所述松散材料层可通过合适的装置传送和移除，以便更换或再生所述松散材料层。
所述焙烧装置的废气中所含的尘埃在与所述焙烧装置连接的分离器中被分离出来，并且，如果适用的话，被传送回所述流化床。为了提高分离器的分离效率和/或为了减少堵塞的风险，所述焙烧装置的废气可以选择性地通过生料或通过换热器直接地冷却。在几乎纯质的CO2环境中进行焙烧的情况下，尤其是由于气体和材料的温度高且很接近碱金属盐的熔点，所以存在旋流堵塞的风险。
在所述灰尘已被分离出来以及在任何必要的除湿作用之后，所述焙烧装置的废气被传送到CO2制备装置，尤其是用于液化的装置。
通过预热器传送的所述窑的废气的SO2含量可能有增加，因为在所述窑内排出的硫，或者通过所述窑的燃料引入的燃料硫，不能再封存于所述焙烧装置中的材料之内。因此，可便利地将所述窑的废气传送到用于分离SO2的装置。此外，所述窑的废气在被同样地传送到用于CO2液化的装置之前，可以经受CO2洗涤和随后的解吸。经受CO2洗涤和解吸的所述窑的废气还可以在CO2液化之前与所述焙烧装置的废气混合。
附图说明
本发明的其它优点和结构将在下文中参照说明书和附图来进行详述。
在附图中：
图1所示为根据第一实施例的用于生产水泥熟料的系统的框图；
图2所示为根据第二实施例的用于生产水泥熟料的系统的框图；
图3所示为根据第一种变型的焙烧装置的示意图；
图4所示为根据第二种变型的焙烧装置的示意图；以及
图5所示为根据第三实施例的用于生产水泥熟料的系统的框图。
具体实施方式
图1所示的用于生产水泥熟料的系统基本上包括第一预热器1、第二预热2、焙烧装置3和窑4。其中还设置了冷却器5。
所述焙烧装置具有用于传送燃料的装置6以及用于传送燃烧空气的装置7，所述燃烧空气的氧含量至少为75mol％，最好至少为90mol％；以及还具有用于从所述预热器1，2传送预热的水泥生料的装置8，9。
预焙烧的水泥生料通过管道10传送到所述窑内，以便燃烧所述的预焙烧水泥生料。所述窑的废气通过窑的废气管道11，绕过焙烧装置3，被传送入第一预热器1。
在所述窑内燃烧的水泥熟料在下游的冷却器5中冷却，并作为成品12被移除。所述冷却器所用的一些冷却空气13在所述窑内用作燃烧空气或用于其它形式的热处理。
水泥生料14，15被传送到两预热器1，2，在被预热后，通过装置8和9将它们传送到焙烧装置3。在窑4的废气只用于第一预热器的同时，焙烧装置3的废气通过焙烧装置的废气管道16传送入第二预热器2。所述焙烧装置的废气因此不会与所述窑的废气混合。
焙烧装置3按照流化床原理工作，它不会接收窑的废气，而是通过燃料和氧气流起作用，所述氧气流比环境空气浓缩。通常，氧气浓度至少为75mol％，最好至少为90mol％。根据流化床原理，相比气流床反应器，所需的容积流量明显小得多，因为生料只需被流化，而无需被气力式传送。所以，焙烧装置的废气无需返回。即使在非常低的流量下，也可在流化床中产生高达200kg/m3的固体浓度。
在所述预热器2之后，焙烧装置的废气在通过二氧化碳制备装置19且尤其是液化装置之前，被传送到用于除尘的分离器17和用于除湿的装置18。经过除尘和除湿之后，所述废气含有超过90％的二氧化碳，并在进行任何必要的微量物质(诸如二氧化硫)分离之后，就可以贮存所述废气。
在根据图2的第二实施例中，用换热器20代替第二预热器来冷却所述焙烧装置的废气。除此之外，在该种情况下也一样，所述窑4的废气绕过焙烧装置3而传送到预热器1。
下文将参照图3对焙烧装置3作更详细的叙述。所述焙烧装置以流化床反应器的形式构建，其具有多孔或穿孔式流入基座3a，预热的水泥生料的流化床与燃烧空气通过用于传送燃烧空气的装置7进行流化。燃料通过装置6传送到热操作流化床3b，在那里通过含氧的燃烧空气进行燃烧。通过释放的热能脱酸的水泥生料在下溢流管或上溢流管3c，3d中传送出流化床3b，并引入所述窑4中。用于移除预焙烧的水泥生料的装置可以以虹吸管的形式构建。所述流化床3b最好以这样的方式工作，使得其处于稳定状态而不是循环的状态，也就是说，通过流化床反应器的流动率大大地低于所述预焙烧水泥生料的排放率。所述流化床的废气中仍然含有的尘埃在其后的预热器2的旋风分离器2a中分离出来，并传送回所述流化床。为了提高旋风分离器2a的分离效率和/或为了减少旋流堵塞的风险，所述流化床的所述焙烧装置的废气可以选择性地通过来自所述预热器2的生料15a或通过换热器20直接地冷却。此外，来自所述换热器或两个换热器的预热生料15b，15c被传送到所述流化床，并几乎完全地脱酸。
图4所示为焙烧装置3的变型，其中流入基座由一层松散材料层3e构成，且最好由粉碎水泥熟料构成。除此之外，其工作模式与图3所述的实施例相同。其中只设置用于传送和移除所述松散材料层3e的装置，以便可更换或再生所述松散材料层。
尽管所示的所述两个焙烧装置与第二预热器2结合，还可以如图2所示，仅仅设置一个换热器而不是预热器。
在所述预热器1之后，所述窑的废气通常被传送到用于除尘的分离器21。由于所述窑的废气不再通过焙烧装置3传送，所以可以预期，结合到水泥熟料中的硫可大大地减少，二氧化硫排放量因而可大幅度地提高。
因此，根据图5的实施例显示了一种可能性，其中所述窑的废气还可相对于二氧化硫和相对于二氧化碳的含量进行处理。所以，在分离器21之后，设置了用于分离二氧化硫的装置22。
为了进一步改善二氧化碳的分离，可在装置23中提供二氧化碳洗涤，随后，可在装置24中提供解吸。合适的吸附剂可以为，例如单乙醇胺。
有利的是，换热器20和/或换热器25(利用来自冷却器的废气流26的热能)的热能可用于吸收剂的必要再生。其余的含二氧化碳的气体同样可被传送到液化站，其可有利地预先与除湿的焙烧装置的废气结合在一起，如图5所示。
准备好的、尤其是液化好的二氧化碳可以以合适的方式贮存或者以其它方式使用。通过上述的系统，可得到纯度超过95％的二氧化碳浓度，以致于可以以经济的方式进行运输和贮存。

Claims (18)

1.一种生产水泥熟料的方法，其中将水泥生料在预热器(1，2)中预热，将预热的水泥生料在焙烧装置(3)中预焙烧，以及将预焙烧的水泥生料在窑(4)内燃烧，在所述焙烧装置(3)中使用燃料和具有至少75mol％的氧含量的燃烧空气，以及将所述窑内产生的废气绕过所述焙烧装置(3)输送到所述预热器(1)，而所述焙烧装置的废气则被输送到二氧化碳制备装置，
其特征在于：将所述水泥生料在所述焙烧装置(3)中的流化床中进行预焙烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使所述流化床在稳定状态下工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在发展中的流化床的膨胀点下面排出所述预焙烧生料，并传送到所述窑(4)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：产生所述流化床所必需的充气(gassing)由所述燃烧空气形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焙烧装置(3)至少在传送所述燃烧空气的区域中于超压下工作。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使所述焙烧装置的废气经受液化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在来自所述窑的二氧化碳同样被传送到二氧化碳液化站之前，使所述窑的通过所述预热器(1)传送的废气经受二氧化碳洗涤(23)，并使富集二氧化碳的洗涤剂随后经受解吸。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述窑的废气的通过二氧化碳洗涤(23)和解吸而获得的二氧化碳流，在进行二氧化碳液化之前与所述焙烧装置的废气混合。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将通过所述预热器(1)传送的所述窑的废气传送到用于分离二氧化硫的装置(22)。
10.一种用于进行根据前述权利要求的一项或多项所述的方法的系统，所述系统具有：
a.用于预热水泥生料的预热器(1，2)；
b.用于预焙烧预热的水泥生料的以流化床反应器形式的至少一个焙烧装置(3)，所述焙烧装置具有用于传送燃料的装置(6)以及用于传送燃烧空气的装置(7)，还有用于传送所述预热的水泥生料的装置(8，9)，所述焙烧装置与二氧化碳制备装置连接；以及
c.用于燃烧预焙烧的水泥生料的窑(4)，所述窑具有窑废气管道(11)，所述窑废气管道绕过所述焙烧装置与所述预热器(1)连接。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述二氧化碳制备装置包括用于二氧化碳液化的装置。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述焙烧装置(3)具有用于去除预焙烧的水泥生料的装置(3c)，所述装置(3c)设置在所述流化床的膨胀点下面，并与所述窑(4)连接。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于：所述焙烧装置(3)具有以虹吸管的形式构建的用于去除预焙烧的水泥生料的装置。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述焙烧装置(3)具有多孔或穿孔式流入基座(3a)，所述流入基座与用于传送燃烧空气的装置连接，以便为所述流入基座充气。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：所述多孔流入基座由一层松散材料层(3e)形成。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于：所述系统设有用于传送所述松散材料层的装置(3f)以及用于移除所述松散材料层的装置。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述焙烧装置(3)与用于除尘的至少一个分离器(17，2a)连接。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于：用于冷却所述焙烧装置的废气的冷却器设置在所述焙烧装置(3)和所述至少一个分离器(17，2a)之间。
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