CN102472581A - 具有co2分离过程的制备水泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制备水泥熟料的方法，其具有下述步骤：在预热阶段中预热含碳酸钙的生料，这通过气体流方向下游烧结阶段的废气进行加热；使预热的生料除酸；将除酸的生料在烧结阶段中烧结成水泥熟料；在冷却阶段中使来自烧结阶段的水泥熟料冷却，其用气体使水泥熟料冷却。根据本发明提出，将烧结阶段的废气与除酸的废气合并并且将该合并的废气在开放气体回路中输送。通过根据本发明的方法，相对于已知的具有CO分离的设备而言，CO₂排放显著地减少，并且几乎完全避免了由于空气氮在烧结阶段的燃烧器的氧化环境中燃烧所致的氮氧化物的形成。

Description

具有CO2分离过程的制备水泥的方法

本发明涉及制备水泥熟料的方法，其具有下述步骤：在预热阶段中预热含碳酸钙的生料，这通过气体流方向下游烧结阶段中的废气进行加热；将经预热的生料除酸；在烧结阶段中将经除酸的生料烧结为水泥熟料；在冷却阶段中使来自烧结阶段的水泥熟料冷却，冷却阶段用气体使水泥熟料冷却。

在世界范围内，用于制备水泥的最常使用的方法是通过供给热而将含碳酸钙的石灰石形式的原料形式上脱除CO₂，并因此转变成未消化石灰，即氧化钙，并且随后通过供给更多的热在含硅酸盐的岩石存在下烧结成水泥熟料，所述含硅酸盐的岩石由不同的硅酸钙相组成并且是常见水泥的主要成分。在此，每千克水泥熟料使用2.850至3.350kJ的热能。为此所必需的热量通常由含碳燃料的燃烧产生。一方面燃烧和另一方面来自石灰石的CO₂的形式上的脱除共同构成了丰富的CO₂源，其中迄今所释放的CO₂被引入自由的地球大气中。经此所产生的CO₂排放对地球上总的人为CO₂排放构成了不可忽略的贡献。现在已知，CO₂是预期的温室效应的主要肇事者，其导致不希望的地球大气变暖。因此，人们力求尽可能地减少CO₂排放。

为了减少通过制备水泥引入地球大气中的CO₂，为此规定将所释放的CO₂通过储藏在地下洞穴中而阻止其泄漏到地球大气中。这样的洞穴绝大部分是例如抽空的天然气或石油矿床。因为在用于制备水泥的常规方法的情况下产生非常大量的CO₂，其与来自大气空气的还更加大量的氮相混合，因此，通过将废气压缩和输送至矿床进行储藏在经济上几乎是不可能的。

在用于制备水泥的迄今已知的方法中，普遍的是，将含碳酸钙的原料磨细成所谓的生料，然后首先在预热器中进行加热。在所述预热器中，生料以与气体逆流方向下沉通过回转炉的热废气，以便用废热首先加热大量待煅烧的石灰石。然后，根据设备的实施方案设计为，在一个步骤中在回转炉中使生料除酸并烧结成石灰石或者在分开的设备部分中进行除酸与烧结。然后将由氮气、CO₂、少量CO、硝酸类气体和其它燃烧气体组成的将生料加温的气体引入某些设备中，然后通过热交换器分离还遗留在废气中的热，然后将所述气体释放入自由的地球大气中。

由于为了避免CO₂排放而产生的废气量是非常大的，因而欧洲专利申请文件EP 1923367A1提出，改变到那时为止已知的用于制备水泥的方法。根据最后提及的专利申请的建议，预热和除酸应当在设备的空间上分开的区域中进行，其中在CO₂显著富集的情况下，将来自除酸的废气循环输送，从而除酸在CO₂气氛中进行。因此，通过所引入的热，该化学平衡处在未消化的石灰的一侧。如已知的那样，与此相反，使用来自回转炉的废气以预热生料，然后通过释放而废弃。在与生料进行热交换后为了利用回转炉废气的余热，最后提及的专利申请提出，借助于热交换器使废气冷却以有利于将水加热用于产生能量，其中在热交换器的第二个循环中产生水蒸气，其应当用于驱动汽轮机。

因此，在最后提及的专利申请中所提及的方法仍使得在含碳燃料的燃烧中所产生的CO₂总是泄漏到大气中，其中通常在回转炉中，在设备中燃烧的全部燃料的大约40％被转化。理想的是，如果也可以捕捉和储藏这里所泄漏的CO₂。

因此，本发明的任务是，进一步提高整个过程所产生的CO₂排放的分离度，以便因此进一步减少CO₂排放。

根据本发明的任务通过将烧结阶段的废气与除酸阶段的废气合并并将该合并的废气在开放气体回路中输送而得到解决。

由此，由于该双CO₂-气源(即一方面在除酸时CO₂的产生连同来自为此所必需的热生产的CO₂的产生，和另一方面来自用于烧结的热生产的CO₂产生)在开放气体回路中输送，那么可能的是，分离和储藏用于水泥制备设备的全部CO₂排出物。此外，来自回转炉的废气的内含物也具有另一个优点，即所产生的硝酸类(nitrose)气体、氮氧化物或者所谓的NOx，在CO₂在回路中浓集的情况下，必然地减小循环气体中的空气氮浓度。由于在回转炉中在热生产的情况下存在很少的空气氮，因此在燃烧的情况下也就有少得多的空气氮燃烧成为硝酸类气体。硝酸类气体的产生在回转炉中比在除酸阶段中燃烧的情况下显著得多，因为在回转炉中，为了所希望的构成不同的、所希望的作为水泥熟料的硅酸钙相，氧化条件是必需的，在该条件下，在回转炉燃烧器的高热中，氮气必然地被氧化为硝酸类气体。

但是，合并来自除酸阶段和烧结阶段的废气而无已知方法的其它改变是不可能。一个表面上接近的解决办法，即在回路中仅额外包含回转炉的废气，由于其他设备技术的原因，不是毫无问题地可能的，因为，来自预热器的废气被作为提升空气和干燥空气带入由生料制备水泥熟料的设备上游的生料碾磨机。原料(由其产生制备水泥熟料的生料)通常是潮湿的，因为它例如来自露天开采，还包含水合水。为了避免在预热的情况下所携带的水被能量密集地加热，并且也为了使研磨过程在使用烧结的情况下变容易，在研磨的情况下，已经注意到，通过使用预热器废空气，使生料在研磨过程中干燥。该研磨过程不是封闭的过程，这意味着，在研磨过程中存在许多位置，在那里原料在碾碎的情况下与地球大气自由地相接触。如果也将来自回转炉的废气包含在回路中，那么在必需的研磨的情况下，这些是不存在的。因此为了解决问题，必需的是，将研磨过程相对于二次空气进行密封，这要求非常昂贵的设备开支，或者使用本文中根据本发明的、迄今已知的用于制备水泥的方法的特别的变化形式。

为了能够利用来自用于预热生料的预热器的热用于将原料干燥，根据本发明提出，使用至少两阶段的冷却器用于烧成的水泥熟料，其在两个阶段之间具有例如一个中间破碎机，通过该破碎机使得两个气体回路的气体分离是可能的。冷却器的第一阶段包含在开放回路中，其中存在显著富集CO₂的气体气氛。然而，冷却器的第二阶段如在已知的设备中那样用大气空气操作，其中在研磨阶段使用这些部分的冷却器废空气以使原料提升和干燥。这是因为两个研磨阶段的冷却器废空气并未携带足够的热以便干燥全部的原料，所以为此使用来自预热器的热，其将在研磨循环中作为研磨用循环空气(Mahlumluft)引导的冷却器废空气在其从研磨阶段在从原料吸收了湿气的情况下被冷却之后，再重新加温。因此本发明利用了，在根据本发明的方法中并在相应的设备中可利用来自第二冷却阶段的大气的加热的空气，其未负荷废气，特别是未负荷CO₂，并且本发明另一方面利用来自预热阶段的热，其并非通过在CO₂浓度富集的情况下包含在特有的开放回路中而毫无问题地输送至研磨阶段，因为在那里(研磨阶段)发生不希望的二次空气引入，其可能通过CO₂分离降低方法的有效性。

对于根据本发明的方法特别的是，不但适合于这样的设备的改造，在其中除酸与烧结适合在单一的阶段、较长的回转炉中，而且也适合于这样的设备，在其中烧结与除酸在空间上分开的设备部分中发生。

本发明将根据下面的图详细地进行说明。

图中示出：

图1：用于实施根据本发明的方法的根据本发明的设备的略图。

在图1中描绘了从含碳酸钙的原料制备水泥熟料的根据本发明的设备的流程线路图略图，其具有两个主要的、相互分开的开放气体回路5和10。用于制备水泥熟料的含碳酸钙的原料流过这两个分开的开放气体回路5和10，其中它在第一开放气体回路5中以气体流方向移动而在第二开放回路10中通常以逆流流出设备部件，其中含碳酸钙原料的材料流在气体回路10中，绝大部分与气体流方向是相反的。

在与第二开放气体回路10分开的第一开放气体回路5中，流动着用于使含碳酸钙的原料干燥和用于将其在预热阶段35上游的研磨阶段15中碾碎成生料的气体流，其中预热阶段35在研磨阶段15的设备1的材料流方向中的下游。

在设备1的第二开放气体回路10中，气体流反向流动，在该气体流中，来自第一开放气体回路5的含碳酸钙的生料被转变为水泥熟料。

在全部的设备1中，为了从含碳酸钙的生料制备水泥熟料，将含碳酸钙的原料(通常从露天开采来的仍潮湿的石灰石和含硅酸盐岩石的混合物)首先在进料位置20a处供给到研磨阶段15。在该略图中，作为研磨阶段15，描绘了立式碾磨机，但是视含碳酸钙原料的材料特性而定，用于高压碾碎的辊压机、具有不同研磨阶段和观察阶段的循环研磨设备作为研磨阶段15也是合适的。在研磨阶段15中，含碳酸钙的原料同时以如下程度被碾碎为含碳酸钙的生料，使得其具有粉末状的稠度并且被在略图中在研磨阶段15中从位置22从右边进来的、干燥的冷却器废空气23干燥。在此，该在研磨阶段15中待碾碎的含碳酸钙原料被作为研磨用循环空气23′引入的干燥冷却器废气23提升，其中在研磨阶段15内部还存在在此没有绘出的筛子，其仅将含碳酸钙的生料自确定的精细度起从研磨循环中筛除。在含碳酸钙生料借助于部分干燥的冷却器废空气23和部分潮湿的研磨用循环空气23′在位置25处离开研磨阶段15之后，在由除尘器组成的级联26中与现在已冷却的和潮湿的研磨用循环空气23′分离。在该位置，含碳酸钙的生料的路线与处于开放气体回路5中的冷却和潮湿的研磨用循环空气23′分离。

尽可能地除尘的、潮湿的研磨用循环空气23′以朝上指向的方向离开由除尘器组成的级联26并通过压缩机27被压缩，以便平衡在随后的气体-气体热交换器30与部分气体排出28中的压降。由于在压缩机27和气体-气体热交换器30之间在位置28b处引取一部分潮湿的研磨用循环空气23′，以便将来自含碳酸钙原料的湿度与所引取的、潮湿的研磨循环气体23′一起废弃，以便使处于第一气体回路5中的气体量保持恒定，其持续地被来自冷却空气供给28a的新的大气空气所替换。然而，第一气体回路5中的气体损失和气体引入(Gasteitrag)不仅通过在位置28b的潮湿的研磨用循环空气23′的引取和冷却空气供给28a来进行，而且也通过在研磨阶段15中的二次空气引入和排出来进行。因为在研磨阶段15中将二次空气引入第一气体回路5中，而且潮湿的研磨用循环空气23′也从第一气体回路5中泄漏，在压缩机27和气体-气体热交换器30之间，如上面所提及的，仅要引取如下那么多的潮湿的研磨用循环空气23’，使得处于气体回路5中的气体量保持恒定，因为它总是在位置22处被热的和仍然干燥的冷却器废空气23所替换，其中干燥的冷却器废空气23来自所述两阶段冷却器45的第二阶段45b，在其中用大气空气使几乎制成的水泥熟料冷却。该大气空气在位置28a处被引入设备。在本文中所描述的开放气体回路5是开放的，这意味着，将新的气体，冷却器废空气23，引入开放气体回路5中并且，气体，潮湿的研磨循环气体23′，离开开放气体回路5。在此，在该开放的背景下，“开放气体回路”理解为这样的气体回路，其连续地供应有气体并被脱除气体，以及这样的气体回路，其间歇地或间断地供应有气体并被脱除气体。

在气体-气体热交换器30中，将冷却的和潮湿的研磨用循环空气23’的剩余部分通过与来自预热阶段35的合并的废气32一起从预热阶段35泄漏到第二开放气体回路10中的热进行加热。此外，将合并的废气32在除尘器33中脱除生料和可能来自右边的设备部分的直至到达除尘器33中的水泥熟料颗粒，并且合并的废气32在第二开放气体回路10中流过气体-气体热交换器30，在那里它将与其一起运输的热在冷却的研磨用循环空气23′处释放至第一气体回路5中。

合并的废气32和流过气体-气体-热交换器30的冷却的、潮湿的研磨用循环空气23′，在其组成方面非常不同，因为潮湿的研磨用循环空气23′，除了从含碳酸钙原料吸收的湿气，很大程度上具有大气空气的组成。相反，合并的废气32具有非常高的CO₂份额，其一方面来自按照CaCO₃<->CaO+CO₂的石灰石除酸反应的除酸气体CO₂的气体部分32a，和另一方面来自按照C+O₂<->CO₂的含碳燃料在燃烧器56(在此是回转炉40)的燃烧的燃烧气体的气体部分32b，和最后来自根据上面给出的方程式在煅烧器55的燃烧器60中的含碳燃料的燃烧的燃烧气体的气体部分32c。

在重新加热的、潮湿的研磨用循环空气23″离开气体-气体热交换器30后，它流动至位置41，在那里它与几乎经相同调温的、新鲜的、干燥的冷却器废空气23(其从右边从该两阶段冷却器45的第二阶段45b流出)合并，在干燥的冷却器废空气23通过除尘器46脱除来自该两阶段冷却器45的水泥熟料粉尘之后，因为来自两阶段冷却器45的水泥熟料粉尘是强磨损性的并且会使研磨阶段15由于磨蚀而过早损耗。然后，经加热的、潮湿的研磨用循环空气23″和新鲜的冷却器废空气23被压缩机47压缩，并且几乎具有与大气空气相同的组成的研磨用循环空气23″和干燥的冷却器废空气23以及潮湿的研磨用循环空气23′的气体回路5在该位置闭合。

将通过除尘器26从作为干燥和提升气体使用的研磨用循环空气23′中分离的上述含碳酸钙的生料，通过合适的，在此未表示出的运输装置供给至预热阶段35，其中所述含碳酸钙的生料以逆流自上而下流过预热阶段35，此外流过旋风分离阶段48、49和50并且此外加温至几乎达合并的废气32的温度，其是预热阶段35的第二最低旋风分离(Zyklon)阶段50中的合并的废气32所具有的温度。从第二最低旋风分离阶段50经加热的含碳酸钙生料落入煅烧器55的下半部分中并且被回转炉40的废气提升，因为在回转炉40中，燃烧器56通过燃烧一次燃料与一次空气的混合物57来加热回转炉40，其中一级空气理想地是富含氧并相应的贫氮的空气。除了来自混合物57的燃烧的废气被压入回转炉40中以外来自该两阶段冷却器45的第一阶段45a的二级空气58也被压入回转炉40中，二级空气58还与燃烧的废气32b一起经由煅烧器55离开回转炉40。

除了废气32b和来自回转炉40的二级空气58外，三级空气59(其同样来自两阶段冷却器45的第一阶段45a)也提升来自煅烧器55中的第二最低旋风分离阶段50的经加热的含碳酸钙的生料。在那里，含碳酸钙的生料在燃烧器60(其燃烧来自二级燃料和富含氧的和相应的贫氮的空气的混合物61)的额外的热中以吸热反应被除酸，其中释放气态的CO₂并且留下以在合并的废气32b中悬浮的固体形式的CaO。因此，该合并的废气32也由废气32b和来自回转炉40的二级空气58、三级空气59、来自混合物61的燃烧的废气32c以及来自由除酸反应所释放的除酸废气CO₂32a组成。为了彻底烧尽混合物61(在理想的情况下，其在煅烧器55中无焰氧化)，将来自合并的废气32和除酸的生料的悬浮物，在将它们引导入最低旋风分离阶段63之前，在涡流室62内进行密切混合。在该最低旋风分离阶段63中，将所述合并的废气32与来自煅烧器55的尽可能除酸的生料分离。

然后，所述尽可能除酸的生料离开最低旋风分离阶段63并且从该处落入至回转炉进气室65中，在那里其被保护免于回转炉40的提升废气而到达回转炉40中并且在该处被烧结成水泥熟料并随后离开回转炉40，并落入在两阶段冷却器45的第一阶段45a中。在该两阶段冷却器45的第一阶段45a中，在此粗粒状地烧结的水泥熟料被在气体回路10中返回的和在热交换器30中冷却的合并的废气32冷却，其中该合并的废气32被强烈地加热并且一方面作为二级空气58到达回转炉40，另一方面作为三级空气59到达煅烧器55中，并因此再次离开该两阶段冷却器45的第一阶段45a。此外，该两阶段冷却器45将处于该两阶段冷却器45的第一阶段45a中的气体与第二阶段45b中的气体分离。这样的分离例如通过作为气体分离阶段的所谓中间破碎机是可能的，其中仍粗粒状的水泥必须通过熟料破碎机45c，其中开放气体回路5和10被间壁尽可能地分开。因此，可容许最小的气体逃逸(其由于用待碾碎的、粗的水泥熟料所挟带的气体而产生)。

在最低旋风分离阶段63中从尽可能除酸的生料分离的合并的废气32，然后流过旋风分离阶段50，然后旋风分离阶段49和最后旋风分离阶段48。在旋风分离阶段50、49和48后，合并的废气32流过除尘器33，从那里从气体-气体热交换器30，其如上面所描述的，来自合并的废气32的热被传递至潮湿的和冷却的研磨用循环空气23’，并且该合并的废气32在压缩机70中被压缩以补偿届时为止所遭受的压力损失并且从那里经由部分气体排出75而返回两阶段冷却器45的第一阶段45a中，在该处气体回路10闭合。

通过部分气体排出75，处于气体回路10中的、显著富集CO₂的气体在位置57b/61b离开设备1，其中该气体总是通过在燃烧器56和60中的混合物57和61燃烧的废气32、32a、32b、32c和通过含碳酸盐的生料的除酸反应而得到补充。

从部分气体排出75仅引出如下多的显著富集CO₂的合并的废气32，即通过在开放回路10中引入燃烧气体和除酸气体而被引入的那么多，以便使气体回路10中的气体量保持恒定。在此，在该开放的背景下，对于气体回路10，“开放气体回路”也理解为这样的气体回路，其连续地供应有气体并被脱除气体，以及这样的气体回路，其间歇地或间断地供应有气体并被脱除气体。然后，在部分气体排出75中所引出的气体通过以储备代替释放至大气中而被废弃。

对于在此描述的设备和相应的方法特别的是，代替来自用于干燥在前置的研磨阶段中的原料的预热器的废气，使用来自用于几乎制成的水泥熟料的熟料冷却器的废空气，其中来自预热器的热释放至未负荷有害废气的冷却器废空气。将来自预热器的废气在设备的回路中输送，由此与用于具有所产生的CO₂的分离过程的制备水泥熟料的已知设备相比，具有提高得多的在过程中所产生的总CO₂的分离度。

附图标记列表

1    设备

5    开放气体回路

10   开放气体回路

15   研磨阶段

20a  进料位置

22   冷却器废空气进来的位置

23   干燥的冷却器废空气，

23′ 潮湿的研磨用循环空气，

23″ 潮湿的、加温的研磨用循环空气，

25   生料离开的位置

26   除尘器级联，

27   压缩机

28   部分气体排出

28a  冷却空气供给

28b  冷却器废空气离开的位置

30   气体-气体热交换器

32   合并的废气

32a  除酸气体CO₂

32b  燃烧废气

32c  燃烧废气

33   除尘器

35   预热阶段

40   回转炉

41   冷却器废气23、23′合并的位置

45   两阶段冷却器

45a  第一阶段

45b  第二阶段

45c  熟料破碎机，气体分离阶段

46   除尘器

47   压缩机

48   旋风分离阶段

49   旋风分离阶段

50   旋风分离阶段

55   煅烧器

56   燃烧器

57   混合燃料

57b  气体离开的位置

58   二级空气

60   破碎机

61   燃料混合

61b  气体离开的位置

62   涡流室

63   旋风分离阶段

65   回转炉进气室

70   缩机

75   部分气体排出

Claims (7)

1.用于制备水泥熟料的方法，其具有下述步骤：

-在预热阶段(35)中预热含碳酸钙的生料，这通过气体流方向下游的烧结阶段(40)中的废气进行加热，

-使经预热的生料除酸，

-在烧结阶段中(40)将除酸的生料烧结成水泥熟料，

-在冷却阶段(45，45a，45b)中使来自烧结阶段(40)的水泥熟料冷却，这用气体(32)使水泥熟料冷却，

其特征在于，

-将烧结阶段的废气(32b)与除酸的废气(32a，32c)合并，和

-在开放气体回路(10)中输送合并的废气(32)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，除酸与烧结是在空间上相互分开的区域内(40，55)。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，连续地或间断地分离来自开放气体回路(10)的合并的废气(32)的一部分，其中被分离的部分的量份额相应于在开放气体回路(10)中通过燃烧和除酸新补充到开放气体回路(10)中的份额。

4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，来自燃烧气体(32b，32c)和除酸气体(32a)的CO₂富集是在开放气体回路(10)中输送的合并的废气(32)中。

5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，使来自离开预热阶段(35)的合并的废气(32)的热，热转移入在开放气体回路(5)中输送的气体(23′，23″)中，所述气体从用于冷却水泥熟料的气体(23)中引取以用于在前置的研磨阶段(15)中使生料干燥。

6.用于根据权利要求1至5之一从含碳酸钙的生料制备水泥熟料的设备，其具有

-至少一个用于预热含碳酸钙的生料的预热阶段(35)，其通过下游烧结阶段(40)的废气(32b)进行加热，

-至少一个用于除酸和烧结的阶段(40，55)，

-至少一个冷却阶段(45)，

其特征在于，

-所述至少一个冷却阶段(45，45a，45b)至少两阶段地构造，和

-该至少一个冷却阶段(45，45a，45b)具有至少一个气体分离阶段(45c)，以分离在气体回路(10)中输送的废气(32)和用于将水泥熟料冷却的气体(23)，和

-在气体流方向上于预热阶段(35)之后设置气体-气体热交换器(30)，通过它将离开预热阶段(35)的来自合并的废气(32)的热，转移入用于在前置的研磨阶段(15)中使生料干燥的在气体回路(5)中输送的气体(23′)中，其中

-用于使生料干燥的气体(23)引取自用于使水泥熟料冷却的气体(23)。

7.根据权利要求6的设备，其特征在于，用于除酸的阶段(55)在空间上与烧结阶段(40)分开，其中烧结阶段(40)在气体流方向上接在用于除酸的阶段(55)之后。

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