CN106823754B - 一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中co2的装备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，包括尾排风机、电动三通风阀、烟囱、烟气净化装置、冷却器、烟气压缩机、CO2吸收塔‑再生塔单元、冷能回收装置、废热蓄能装置、脱水干燥器、CO2冷却器、CO2压缩机、液化CO2储罐，所述的CO2吸收塔‑再生塔单元包括依次连接的CO2吸收塔、贫/富液换热装置、CO2再生塔。该装备系统，以水泥生产线工艺过程及工艺装备为基础，利用水泥生产过程中的余热作为热交换能源，采用水化合物促进剂连续捕集水泥窑的烟气中的CO2，同时净化烟气，实现高效且自耗能低、投资低、运行成本低的效果。

Description

一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统
技术领域
本发明涉及环保低碳技术领域，具体涉及一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统。
背景技术
气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖的主要原因。我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源作为能源结构。随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO2排放具有增长快、总量大的特点，而当前碳减排和应对气候变化的CCS或CCUS技术的高投资、高捕集成本的运气经济性成为了推广应用的严重障碍。现有的CCS或CCUS技术的研究及示范应用主要集中在必须分离去除高浓度CO2的煤化工、合成气与煤电领域，而煤电领域集中在以IGCC煤气化、燃气-蒸汽联合循环发电(IGCC)技术的应用中。
由于目前最大的CO2排放点源主要是以煤为原料的电厂，在CO2捕集技术领域或CCS技术方面将CO2的捕获技术方法及系统称之为燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集。
(1)燃烧前捕集：主要是以IGCC煤气化、燃气-蒸汽联合循环发电(IGCC)技术为基础，先将煤气化，得到CO和H2，再经过水蒸气变换，CO转为CO2，然后通过分离或CO2捕获技术，分别得到高浓度的H2和CO2，H2可以燃烧发电或作为无碳能源输出。IGCC技术中实施CO2的捕集将使能源消耗增加10～40％，吨CO2捕集成本达20～50美元，其中CO2捕集液再生能源约占60％。
(2)燃烧中捕集：又称富氧燃烧捕集技术，先经利用空分系统，将空气中所含大量的氮气除去，得到高纯度的O2，然后将高浓度O2引入燃烧系统，利于CO2的进一步捕获和处理，或以纯氧作为助燃剂，同时在燃烧过程中对锅炉内加压，使得燃烧后烟气中的主要成分为CO2和水，分离水后，这样烟气中高浓度的CO2气体可以直接进行压缩捕捉。富氧燃烧捕集技术除投资高、运行成本高外，增加能源消耗20～50％，吨CO2捕集成本达50～90美元。
(3)燃烧后捕集：指直接对电厂燃烧后的烟气实施CO2的分离和捕集，捕集装置位于电厂烟气排放下游，可分为化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等。由于电厂排放的CO2浓度低、压力小，导致能耗及成本过大，尚不适宜大规模推广。
目前，CO2捕集即CO2的分离和提纯过程，已实现工业化的方法，具体包括溶剂吸收法、变压吸附法、膜分离技术和低温分馏分离法等，这些方法大多能采用的是间隙式捕集。其中膜分离技术是借助混合气体中各组分在膜中渗透速率的不同而获得分离的方法，目前用于分离CO2的膜材料主要有醋酸纤维素、聚砜、聚碳酸酯等聚合物。对于大规模的CO2捕集系统，膜法在成本上及可靠性要求上还有较大的差距。变压吸附法(PSA)的基本原理是利用吸附剂对不同气体的吸附量随压力的变化而不同，该技术具有工艺过程相对简单，能耗较低，能够从合成氨变换气中脱除和回收CO2。其中的低温分馏分离法是在低温下将气体中各种组分按照工艺和要求冷凝下来，然后用蒸馏法将其中各类物质按照蒸发温度的不同逐一加以分离。该方法适用于天然气中CO2、H2S含量较高，以及在用CO2进行3次采油时，采出气中CO2含量和流量出现较大波动等情形，工艺设备投资费用较大，能耗较高。溶剂吸收法包括化学吸收法、物理吸收法和物理化学吸收法，已经被证实是目前所有CO2吸收方法当中技术最成熟、应用最广泛，而且具有适合进行大规模CO2捕捉潜力的技术方案。但捕获工艺复杂，投资大，易产生二次污染且有些溶剂具有毒性，溶剂需要再生需消耗大量能源，捕集成本高。开发有别于传统方法的全新、高效且经济实用的分离技术尤显重要，水合物法即是一种新兴的分离CO2技术。
在CO2捕集的新兴技术研究中，间隙式工艺流程水合物法捕集CO2方法在煤电、煤化工行业CO2的捕集研究成果引起了关注。其中代表最先进水平的为中国专利申请号201610462203.1提供了一种快速制备CO2水合物的技术，通过以下技术方案实现：将氨基酸作为CO2水合物促进剂，将水和氨基酸均匀混合后得到氨基酸水溶液；将氨基酸水溶液注入高压反应釜内；向高压反应釜内通入高压CO2气体进行反应，得到高储气密度的固态CO2水合物。该水合物法无传统的化学吸附法或物理化学吸附法造成的严重二次污染，但仍存在下列问题：需在密闭的高压反应釜中高压搅拌下反应数小时，且水合物形成的反应时间仍过长；需在密闭的高压容器中电磁搅拌下进行水合反应，不能实现连续吸收烟气流中的CO2；生产的CO2压缩成液态的能耗偏大，分离容量不足。现有的水合物法对于低浓度的烟气(一般工业窑炉烟气)或者IGCC合成气分离捕集CO2的效率不高，因此，科技工作者提出的水合物法实施工艺都是水合物法结合其它方法，如水合物法结合膜分离法、水合物法结合化学吸附法的联合工艺。鉴于当前的实际技术状况，为推动CCS技术，迫切需要一种可应用于一般工业窑炉大流量烟气连续分离CO2的水合促进剂及相适应的应用方法。
至今，在世界范围内的水泥生产领域虽有强调水泥企业的低碳减排问题，但尚未见任何具体的二氧化碳捕集、封闭和应用的研究或实践报道。而我国的水泥实际产能已逾35亿吨，干法回转窑生产线达1700多条。水泥生产企业为公认的高耗能高污染企业，是二氧化碳的主要排放源之一，不仅一次能源(煤)和二次能源(电)消耗大，且有大量的废弃余热和废气污染物排放，烟气环保达标排放时其排放的废气中污染物成份大多波动在CO212～29％、SO280～200mg/nm3、NOx100～400mg/nm3、粉尘10～30mg/nm3，且含有少量碳氢化合物、氟氯化合物和重金属，水泥生产因其工艺过程特性其窑炉烟气成分及性质与煤化工合成气、天然气、煤电烟气乃至IGCC气有显著的差异。水泥生产的CO2排放可分为原料碳酸盐的分解和燃料的燃烧产生的CO2的直接排放、及生产工艺过程消耗的外部电力等产生的间接排放。据中国建筑材料科学研究总院对我国水泥工业CO2排放分析，我国水泥生产过程原料分解、燃料燃烧和电力消耗的CO2排放量分别占水泥生产总排放量的59％、26％、12％，综合CO2排放系数为0.8045t/t，水泥行业CO2排放因子干法水泥为0.867t/t。我国水泥产能逾35亿吨，由此推断我国水泥工业的CO2年排放量达30亿吨。可见，我国水泥企业实施CO2减排更凸显紧迫性和必要性，但因尚缺失针对水泥窑烟气具体的CO2捕集技术的研究开发，加之现有CO2捕集技术应用的高成本问题已经远远超出水泥企业可承受的能力极限，且水泥生产因其工艺过程特性其窑炉烟气成分及流体性质与煤化工合成气、天然气、煤电烟气乃至IGCC气有显著的差异，对于本身价低(水泥价格低)利薄的水泥行业，至今尚未见任何水泥窑烟气中CO2捕集和应用技术的具体研究和实践报道。
CN201110387163.6公开一种烟道气CO2的回收工艺，包括下述步骤：烟道气首先从底部进入洗涤塔进行洗涤，洗涤后的污水进入封闭冷却循环系统，洗涤后的烟道气经压缩机加压后进入吸收塔，烟道气中的CO2溶解在MEA溶液中；得到的CO2富液送去第一换热器与从再生塔来的再生气换热，然后再进入第二换热器与来自再生塔的贫液换热后，进入再生塔喷淋进行CO2解吸；得到的再生气经第一换热器送入第一冷却器进行气液分离器，得到纯净的CO2，送出界区；所述的本工艺增加的封闭冷却循环系统包括冷水池、热水池、凉水塔、热水泵和冷水泵。该工艺该MEA化学吸附工艺方法客观上二次污染大、能耗高，不适用水泥生产过程中烟气CO2捕集，具有一定的局限性。
为促进水泥企业节能减排，水泥企业虽政策性地要求建设了废气余热锅炉发电系统，但由于现应用的窑头及窑尾的水介质余热锅炉的特点一般只能利用其中300℃以上的废气余热，大量的80℃～300℃的废气余热不能利用而直接排空造成热污染，同时，还有大量的其他高温设备辐射余热如水泥生产的主要设备—回转窑胴体的高温热辐射污染，回转窑的高温段胴体温度高达300℃～500℃，低温段胴体温度也达150℃～300℃，这些水泥生产中的高温设备现有的余热锅炉不能直接用来产生高温高压水蒸汽。
CN201310278125.6公开了一种水泥窑余热发电辅助二氧化碳捕集的系统装置，通过窑头锅炉设有的废热送气管和低压蒸汽管将水泥窑余热发电和乙醇胺CO2吸收两个系统连接起来，构成余热发电辅助CO2捕集装置。窑尾与窑头两个锅炉的高温蒸汽管并联接至汽轮机，汽轮机的乏汽管接至凝汽器，凝结水通过水泵返回窑尾和窑头锅炉再循环。吸收塔底部设有第一溶液泵接于换热器低温侧的进口，出口与解析塔连接。解析塔顶部设有冷凝器将含有CO2的吸收溶液解析。解析塔底部设有再沸器，利用从窑头锅炉的低压蒸汽对塔中的溶液进行再热。该装置采用锅炉回收余热作为能源对水泥窑废气中CO2的捕集，大量的高温高压余热没有很好的利用，节能程度不高，具有一定的局限性。
综上所述，迫切需要一种全新的无二次污染、且可利用水泥生产过程中大量产生的废弃余热、并可连续捕集水泥窑大流量烟气中的CO2的装备系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明有必要提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，以水泥生产线工艺过程及工艺装备为基础，利用水泥生产过程中的余热作为热交换能源，采用水化合物促进剂连续捕集水泥窑的烟气中的CO2，同时净化烟气，实现高效且自耗能低、投资低、运行成本低的效果。
一方面，本发明的目的在于提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，包括CO2吸收塔-再生塔单元，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括依次连接的CO2吸收塔、贫/富液换热装置、CO2再生塔；
所述CO2吸收塔包括吸收塔壳体，所述吸收塔壳体内依次设置有气液分离装置、雾化喷液装置、丝网捕获床装置、冷能交换装置、布气与排液装置；所述吸收塔壳体顶部还设有N2气体排出调压阀；所述N2气体排出调压阀与N2气体排出管道连接；所述吸收塔壳体底部出液口通过富液储液罐、富液泵与贫/富液换热装置的富液进口连通，所述贫/富液换热装置的富液出口与再生塔第一室的第一级雾化喷液装置连通；所述吸收塔壳体底部进气口与烟气进气管道增压泵连通；所述烟气进气管道增压泵与烟气进气管道连接；
所述CO2再生塔包括再生塔壳体、再生塔第二室和再生塔第一室，所述再生塔第二室和再生塔第一室设置在再生塔壳体内；所述再生塔壳体内依次设置有丝网除雾装置、气液分离装置、第二级雾化喷液装置、第一级雾化喷液装置、热交换装置，再生塔壳体顶部还设有CO2排气阀，所述热交换装置与热源连接；再生塔第一室底部通过循环液储液罐和循环泵与再生塔第二室的第二级雾化喷液装置连通，再生塔第二室底部通过贫液储罐及贫液泵与贫/富液换热装置的贫液进口连通，所述贫/富液换热装置的贫液出口与雾化喷液装置连通；所述CO2排气阀与收集管道连接；
所述烟气进气管道连接有尾排风机、电动三通风阀、烟囱，所述电动三通风阀设置于与窑尾除尘器相连的尾排风机和烟囱之间的烟气管道上，所述尾排风机的出气口与电动三通风阀的进气口相连通，所述电动三通风阀的第一排气口与CO2吸收塔-再生塔单元进口相连通，所述电动三通风阀的第二排气口与烟囱相连通；
所述收集管道连接有CO2冷却器、CO2压缩机、液化CO2储罐；所述收集管道与CO2冷却器气体进口相连通，CO2冷却器出口与CO2压缩机进口相连通，CO2压缩机出口与液化CO2储罐进口相连通；
所述热源来自废热蓄能装置，所述废热蓄能装置是将水泥生产线设备产生的不同温度的废弃余热或高温热能进行蓄能的装置。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述烟气进气管道还连接有冷却器、烟气压缩机；所述电动三通风阀的第一排气口与冷却器气体进口相连通，所述冷却器气体出口与烟气压缩机进口相连通，所述烟气压缩机出口通过烟气进气管道与CO2吸收塔-再生塔单元的进气管道口相连通。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述装备系统还包括烟气净化装置，所述电动三通风阀的第一排气口与烟气净化装置的烟气进口相连通，所述烟气净化装置的净化气出口与冷却器气体进口相连通；烟气净化装置为清除水泥窑炉烟气中所含SO2、NOx、氯化物、氟化物、碳氢化合物、重金属及粉尘污染物并净化分离固废与洁净气的装置。
更进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述的烟气净化装置包括氧化净化和水气分离主体装置、氧化净化剂雾化喷淋装置、净化液循环喷淋装置、污水净化分离装置，所述氧化净化剂雾化喷淋装置与氧化净化和水气分离主体装置顶部相连通，所述净化液循环喷淋装置与氧化净化和水气分离主体装置中部相连通；所述污水净化分离装置与氧化净化和水气分离主体装置的底部相连通，所述污水净化分离装置的净化污水出口与净化液循环喷淋装置的净化污水进口连通，所述污水净化分离装置的固体出口与外接的固体收集装置连接。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述吸收塔壳体底部出液口与富液储液罐之间设排液节流阀。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述再生塔壳体顶部还设有第一温压感应器；所述吸收塔壳体顶部还设有第二温压感应器。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述N2气体排出管道通过冷能回收装置与烟囱连接；所述冷能回收装置与冷能交换装置、冷却器连接。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述收集管道还连接有脱水干燥器；所述收集管道与脱水干燥器气体进口相连通，所述脱水干燥器气体出口与CO2冷却器气体进口相连通。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括相互并联设置的两套或多套CO2吸收塔-再生塔单元。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括相互串联设置的两套或多套CO2吸收塔-再生塔单元。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括相互串联加并联设置的三套或多套CO2吸收塔-再生塔单元。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述热源来自废热蓄能装置，所述废热蓄能装置可以是以捕集的CO2为工质，将捕集的CO2存储在液态CO2储罐中，通过高压泵出罐中的低压液态CO2流体，低压液态CO2流体直接吸收水泥生产线设备产生的不同温度的废弃余热或高温热能蓄能转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO2流体的装置。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述废弃余热或高温热能是指指水泥生产过程中产生的300℃以上的废弃余热或高温热能、100℃～300℃废弃余热、现有水介质余热发电后的100℃～170℃废弃余热、高温设备150℃～500℃辐射或传导废热中的至少一种余热能源，具体可以表现为水泥生产过程中产生的窑头罩产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、篦冷机产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850～950的辐射热、头排收尘器内150～180的废弃余热、窑尾烟室内800～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热等中的至少一种余热能源。
进一步地，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，所述废热蓄能装置包括装置本体、流体蓄能机构、支吊架、逆止阀、调节阀、安全阀，所述流体蓄能机构通过支吊架固定在装置本体内的侧壁或顶板上，所述逆止阀设置在装置本体外与流体蓄能机构的进口相连接；所述调节阀和安全阀设置在流体蓄能机构的出口；所述流体蓄能机构为热交换器，热交换器内的工作介质为水或CO2等适合热交换的流体。所述热交换器可以是耐热的箱式、板式或盘式空心管热交换器。所述装置本体可以是窑头罩、篦冷机、回转窑胴体、窑尾烟室、下料管、头排收尘器、预热器等等所有水泥厂内的发热装置。
本发明针对水泥生产线工艺装备特点，于出水泥厂窑尾收尘器后的尾排风机和烟囱之间的烟气管道上设置电动三通风阀，以原有的尾排风机的动力先将烟气连续送入氧化净化器，用氧化法等将烟气中的SO2、NO2、氯化物、氟化物、碳氢化合物、重金属及粉尘污染物氧化转化为硫酸盐、硝酸盐、氟盐、氯盐等固体物脱除，脱污产生的固体废弃物从氧化净化器的底部排出作为水泥生产或化工原料资源化利用，烟气净化后经冷却器冷却和压缩机压缩连续送入CO2吸收塔-再生塔单元，经以系统余热为能源的由CO2吸收塔、贫/富液换热装置、CO2再生塔组成的CO2吸收塔-再生塔单元连续捕集CO2。
CO2吸收塔-再生塔单元利用水泥生产过程中的废弃余热作为塔内热交换装置的能源，采用无二次污染的水合物法水泥窑烟气CO2连续捕集方法捕集CO2。经CO2吸收塔分离排出的富N2气流连续送入烟囱直接排放，或压缩送入N2储存罐，经CO2再生塔分离排出的纯CO2气流被后段的干燥、冷却、压缩装置负压抽吸连续送入干燥器脱水。脱水CO2气经CO2冷却器冷却和压缩机压缩转化为液态CO2送入液化CO2储罐储存。供民用如制干冰、药剂浸取、化工合成等，或供CO2发动机/CO2发电机组做工作介质。
具体捕集吸收过程如下：净化后的烟气在压缩机作用下，连续送入CO2吸收塔-再生塔单元的吸收塔中，将水合物促进剂溶液连续雾化喷入CO2吸收塔，连续捕捉固化CO2并连续排出CO2水合物富液，且连续分离排出富N2气体流；
进入的烟气在布气与排液装置作用下强制与水合物促进剂溶液直接均匀接触反应，并防止CO2水合物固体造成可能的堵塞；冷能交换装置冷却移除烟气中的热能，也能连续强化移除水合反应中放出的大量化合热，维持塔内压力0.1013～1.5MPa(视情选择)、温度0℃～20℃(视情选择)的温和条件下利于连续烟气流中CO2的高效捕捉和CO2水合物的快速形成；
水合物促进剂溶液被雾化喷淋装置以雾化喷淋的形式呈无数小液滴，丝网捕获床装置设有水平/垂直/斜置的丝网结构，烟气进入丝网捕获床装置后强制性改变气体运行轨迹与状态并与小液滴产生大量复杂的液膜和膜泡，以超大比表面积的水合物促进剂溶液与烟气中的CO2充分接触，快速高效反应；大丝网空间遍设的丝网使烟气中的CO2在成核诱导作用下快速形成无数的CO2水合物晶核，促使整个丝网床大空间内无数的晶核与液膜快速捕捉烟气流中的CO2；以冷却装置的冷能冷却维持吸收塔内在压力、温度实现连续CO2的高效捕捉和CO2水合物的快速形成；形成的CO2水合物随液流向塔下部区域连续汇集，汇集的CO2水合物富液经排液节流阀连续排出。
具体捕集再生过程如下：CO2水合物富液在贫/富液换热装置中与CO2水合物贫液进行热量交换预热后，采取喷淋的方式送入再生塔第一室，雾化喷淋的小颗粒通过热交换装置的多级加热释放二氧化碳后再次在再生塔第一室底部汇集，经过循环泵的作用再次以雾化喷淋的方式在再生塔第二室内通过热交换装置的多级加热释放二氧化碳，高效脱除的二氧化碳经再生塔顶部的气液分离装置实施气体和液体分离后，再经丝网除雾装置脱除水分后连续排出再生塔；脱除二氧化碳的贫液从再生塔第二室塔底的出口连续排出，回收热能后循环利用。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：
1)结合了水泥生产线工艺装备特点，创造性的开发了一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，该系统采用无二次污染的水合物法进行捕集，通过雾化喷淋水合物促进剂溶液和丝网成核作用增加反应的效率，使CO2的捕集更完全，反应更彻底，反应时间更短暂；通过冷能回收利用控制CO2吸收捕集过程中的压力和温度，通过吸收塔和再生塔的分开设置等等，解决目前水合物法捕集CO2工艺只能间隙性高压密闭捕集(且需搅拌)而不能连续捕集的技术难题；且工艺方法简单，投资较小，具有工业实用性。
2)以本发明的系统的废热蓄能装置吸收水泥生产过程中的大量余热作为CO2捕集的能源，并充分利用了工艺过程的冷能与热能循环，且利用了水泥生产过程中现有的正常运行的设备设施如窑尾风机、70余高的烟囱等，以其正常的动力消耗作为主要动力，使得水泥窑烟气CO2捕集整个系统新增能耗极低，运营成本低，具有经济性，突破了现有CCS技术系统包括IGCC系统中CO2捕集的高投资、高能耗、高成本的瓶颈。
3)净化过程也采用雾化喷淋，且净化液循环喷淋，经过两次喷淋净化，使得烟气净化度明显提升，同时净化的副产物可循环利用；采用的系统实现水泥生产线烟气洁净化排放，扔掉水泥企业高污染的帽子，可实现水泥企业的有效减排和低碳生产。
4)本发明的设备系统的废热蓄能装置采用生产设备中原有的装置进行改进，可大幅降低生产改进成本，且能有效利用生产过程中的各类高温余热，实现有效利用水泥生产过程中的各类废热和辐射热，减少工作环境的强烈热辐射带来的污染，实现热能循环利用，捕集的CO2生产自用或外销。
5)本发明的设备系统可大幅减少水泥生产过程中对环境造成的废气、废水、废热和粉尘污染，有效实现水泥生产的减排和低碳生产。且二氧化碳无毒，不易燃，密度高且热容高，可以回收循环重复利用，无污染且节约能源，工作稳定性高，使用寿命长，实用性强，环境友好。
附图说明
图1为实施例1所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
图2为实施例2所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
图3为实施例3所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
图4为CO2吸收塔-再生塔单元的结构示意图。
图5为实施例4所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
图6为废热蓄能装置的结构示意图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不受下述实施例的限定。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
实施例1
如图1、4、6所示，本发明提供一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，主要包括尾排风机1、电动三通风阀2、烟囱3、烟气净化装置4、冷却器5、烟气压缩机6、CO2吸收塔-再生塔单元7、冷能回收装置8、废热蓄能装置9、脱水干燥器10、CO2冷却器11、CO2压缩机12、液化CO2储罐13，所述的电动三通风阀2设置于与窑尾除尘器相连的尾排风机1和烟囱3之间的烟气管道上，尾排风机1的出气口与电动三通风阀2的进气口相连通，电动三通风阀2的第一排气口与烟气净化装置4的烟气进口相连通，电动三通风阀2的第二排气口与烟囱3相连通，烟气净化装置4的净化气出口与冷却器5气体进口相连通，冷却器5气体出口与烟气压缩机6进口相连通，烟气压缩机6出口与CO2吸收塔-再生塔单元7的进气管道口相连通，CO2吸收塔-再生塔单元7的富N2排出管道经调压阀的出口与冷能回收装置8的进气口相连通，冷能回收装置8的出气口与烟囱3相连通，CO2吸收塔-再生塔单元7的CO2排出管道出口与脱水干燥器10气体进口相连通，CO2吸收塔-再生塔单元7的热交换管道进口与废热蓄能装置9的介质管道出口相连通，废热蓄能装置9的介质管道进口与CO2吸收塔-再生塔单元7的热交换管道出口相连通，脱水干燥器10气体出口与CO2冷却器11气体进口相连通，CO2冷却器11出口与CO2压缩机12进口相连通，CO2压缩机12出口与液化CO2储罐13进口相连通。
其中，所述的烟气净化装置4为清除水泥窑炉烟气中所含SO2、NOx、氯化物、氟化物、碳氢化合物、重金属及粉尘污染物并净化分离固废与洁净气的装置，用于以氧化法将水泥窑炉烟气中所含的SO2、NOx、氯化物、氟化物、碳氢化合物、重金属氧化固化为硫酸盐、硝酸盐、氟盐、氯盐等固体废弃物，水泥窑烟气经脱除其中的氟、氯、硫、硝、碳氢化合物和重金属及粉尘污染物后，得到含N2、CO2和O2的混合净化烟气从净化气出口送至冷却器5；所述冷却器5气体出口与烟气压缩机6进口相连通，所述烟气压缩机6出口通过烟气进气管道与CO2吸收塔-再生塔单元7的进气管道口相连通。经烟气压缩机6的作用，将经过净化的烟气推送至CO2吸收塔-再生塔单元7，进行CO2的分离吸附、富集。
烟气净化装置4包括氧化净化与水气分离主体装置401、氧化净化剂雾化喷淋装置402、净化液循环喷淋装置403、污水净化分离装置404，所述氧化净化剂雾化喷淋装置402与氧化净化与水气分离主体装置401顶部相连通，所述净化液循环喷淋装置403与氧化净化与水气分离主体装置401中部相连通；所述污水净化分离装置404与氧化净化与水气分离主体装置401的底部相连通，所述污水净化分离装置404的净化污水出口与净化液循环喷淋装置403的净化污水进口连通，所述污水净化分离装置404的固体出口与外接的固体收集装置连接。所述污水净化分离装置404将分离出烟气净化产生的固体废弃物排出，将净化的污水转至净化液循环喷淋装置403回用，有效实现将处理烟气的废弃物包括固体废弃物和净化的污水进行处理、分离和循环利用，保护环境同时，节省能源。
所述的CO2吸收塔-再生塔单元7包括依次连接的CO2吸收塔7A、贫/富液换热装置7B、CO2再生塔7C；所述CO2吸收塔7A包括吸收塔壳体7A1，所述吸收塔壳体7A1内从上至下依次设置有气液分离装置7A2、雾化喷液装置7A3、丝网捕获床装置7A4、冷能交换装置7A5、布气与排液装置7A6；所述吸收塔壳体顶部还设有第二温压感应器7A8、N2气体排出调压阀7A9；所述N2气体排出调压阀7A9与N2气体排出管道连接；所述N2气体排出管道通过冷能回收装置8与烟囱3连接；富N2的气体直接经烟囱排放，所述冷能回收装置8与冷能交换装置7A5、冷却器5连接；所述吸收塔壳体7A1底部出液口通过富液储液罐7A701、富液泵7A7与贫/富液换热装置7B的富液进口连通，所述贫/富液换热装置7B的富液出口与再生塔第一室的第一级雾化喷液装置7C5连通；所述吸收塔壳体7A1底部进气口与烟气进气管道增压泵7A601连通；所述吸收塔壳体7A1底部出液口与富液储液罐7A701之间设排液节流阀7A602；所述烟气进气管道增压泵7A601与烟气进气管道连接；所述CO2再生塔7C包括再生塔壳体7C1、再生塔第二室和再生塔第一室，所述再生塔第二室和再生塔第一室设置在再生塔壳体7C1内；所述再生塔壳体7C1内从上至下依次设置有丝网除雾装置7C2、气液分离装置7C3、第二级雾化喷液装置7C4、第一级雾化喷液装置7C5、热交换装置7C6，再生塔壳体7C1顶部还设有CO2排气阀7C10，所述热交换装置7C6与热源连接；再生塔第一室底部通过循环液储液罐7C701和循环泵7C7与再生塔第二室的第二级雾化喷液装置7C4连通，再生塔第二室底部通过贫液储罐7C801和贫液泵7C8与贫/富液换热装置7B的贫液进口连通，所述贫/富液换热装置7B的贫液出口与雾化喷液装置7A3连通；所述CO2排气阀7C10与收集管道连接。
上述CO2吸收塔7A内通过管道增压泵7A601、N2气体排出调压阀7A9、排液节流阀7A602控制压力为0.1～1.5Mpa，有效实现整个系统的正常工作；通过冷能交换装置7A5的冷介质流量阀控制吸收塔内的温度为1℃～20℃。冷能回收装置8安置于CO2吸收塔7A顶部，冷能回收装置8的进口与N2气体排出调压阀7A9的出口连通，冷能回收装置8的出口与烟囱连通，冷能回收装置8用于回收CO2吸收塔7A排出N2时带出的冷能，回收的冷能供冷却器5或吸收塔冷能交换装置7A5循环利用；废热蓄能装置9指能蓄集水泥生产过程中产生的废气余热的蓄能装置。
所述收集管道连接有脱水干燥器10、CO2冷却器11、CO2压缩机12、液化CO2储罐13；所述脱水干燥器10气体出口与CO2冷却器11气体进口相连通，CO2冷却器11出口与CO2压缩机12进口相连通，CO2压缩机12出口与液化CO2储罐13进口相连通。分离排出的纯CO2气流被后段的脱水干燥器10、CO2冷却器11、CO2压缩机12依次进行干燥、冷却、压缩后，转化为液态CO2送入液化CO2储罐13储存。由此使得，本发明是结合水泥生产线工艺装备特点而开发，不仅能实现水泥生产线烟气的洁净化排放，没有二次污染，实现水泥企业的有效减排和低碳生产，解决了现有的水泥行业烟气直接排放污染环境以及现有的CO2捕集设备易产生二次污染的问题，而且装备结构较简单，投资小，具有工业实用性，适于推广使用，解决了现有的CO2捕集设备工艺复杂、投资大、不易推广使用的问题。
本发明以尾排风机1鼓风传递的风压为正压力、以烟囱3的负压抽吸力作为富N2侧的动力、以烟气压缩机6的负压抽吸力作为富CO2侧的动力，充分利用了水泥生产过程中尾排风机1、70余米高的烟囱3等这些现有的正常运行的设备设施，利用其正常的动力消耗作为主要动力，使得本发明整个装备系统新增能耗极低，从而降低了运营成本，突破了现有CCS技术系统包括IGCC系统中CO2捕集的高投资、高能耗、高成本的瓶颈，具有经济性，解决了现有的CO2捕集设备能耗高、运营成本大的问题。
本发明在进行水泥窑烟气净化和CO2捕集时，控制所述电动三通风阀2连通所述烟气净化装置4，关闭所述烟囱3，以保证系统内气流的稳定流通。当本发明不工作时，可以控制所述电动三通风阀2连通所述烟囱3，便于烟囱3的检修。
进一步地，所述废热蓄能装置9是直接吸收水泥生产线设备产生的不同温度的废弃余热或高温热能进行蓄能的装置。所述废弃余热或高温热能是指水泥生产过程中产生的窑头罩产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、篦冷机产生的100～500℃的熟料冷却废弃余热、窑头罩内800℃～1500℃的辐射热、篦冷机内300℃～1500℃的辐射热、回转窑胴体高温段300℃～500℃、回转窑胴体低温段150℃～300℃的传导与辐射热、下料管内850～950的辐射热、头排收尘器内150～180的废弃余热、窑尾烟室内800～1200℃的传导与辐射热、预热器排放烟道中80℃～380℃的废弃余热及现有水介质余热锅炉发电后排放的80℃～170℃废弃余热等中的至少一种余热能源。所述废热蓄能装置9包括装置本体91、流体蓄能机构92、支吊架93、逆止阀94、调节阀95、安全阀96，所述流体蓄能机构92通过支吊架93固定在装置本体91内的侧壁或顶板上，所述逆止阀94设置在装置本体91外与流体蓄能机构92的进口相连接；所述调节阀95和安全阀96设置在流体蓄能机构92的出口；所述流体蓄能机构92为热交换器，热交换器内的工作介质为CO2流体、水等可用于热交换的流体。通过高压泵送装置将流体经逆止阀94连续压入流体蓄能机构92，通过热交换直接以流体吸收蓄集高温热能，由于装置本体91工作环境不同，其能用于转化的余热和辐射热也有区别，因此形成的高压热态超临界流体是波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界流体，后续可考虑接入稳流器将其转换为等温等压的流体。所述废热蓄能装置9能够充分利用水泥生产过程中的废弃余热，解决了现有的废气余热锅炉发电系统只能利用其中300℃以上的废弃余热、大量的其他温度的废气余热不能利用而直接排空造成污染的问题。
实施例2
图2为实施例2所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
如图2、4、6所示，本实施例2与实施例1的不同之处在于：还包括另一CO2吸收塔-再生塔单元7’；所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7’与实施例1中的CO2吸收塔-再生塔单元7的结构相同，包括CO2吸收塔7A’、贫/富液换热装置7B’、CO2再生塔7C’；所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7’与也有一个废热蓄能装置9’来提供所需能量，所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7’与CO2吸收塔-再生塔单元7并联设置；可以倍增富CO2烟气的处理量，有效提高CO2收集效率。
实施例3
图3为实施例3所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
如图3、4、6所示，本实施例3与实施例1的不同之处在于：还包括另一CO2吸收塔-再生塔单元7”；所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7”与实施例1中的CO2吸收塔-再生塔单元7的结构相同，包括CO2吸收塔7A”、贫/富液换热装置7B”、CO2再生塔7C”；所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7”与也有一个废热蓄能装置9”来提供所需能量，所述另一CO2吸收塔-再生塔单元7”与CO2吸收塔-再生塔单元7串联设置，可以有效提高CO2收集的纯度。
实施例4
图5为实施例4所述的水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统的结构示意图。
如图5所示，本实施例4与实施例1的不同之处在于：缺少烟气净化装置4。该装备系统在进行CO2捕集过程中，不经过净化的烟气直接进入CO2吸收塔-再生塔单元7进行处理，同样可以有效的实现对CO2的连续捕集。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，包括CO2吸收塔-再生塔单元，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括依次连接的CO2吸收塔、贫/富液换热装置、CO2再生塔；
所述CO2吸收塔包括吸收塔壳体，所述吸收塔壳体内依次设置有气液分离装置、雾化喷液装置、丝网捕获床装置、冷能交换装置、布气与排液装置；所述吸收塔壳体顶部还设有N2气体排出调压阀；所述N2气体排出调压阀与N2气体排出管道连接；所述吸收塔壳体底部出液口通过富液储液罐、富液泵与贫/富液换热装置的富液进口连通，所述贫/富液换热装置的富液出口与再生塔第一室的第一级雾化喷液装置连通；所述吸收塔壳体底部进气口与烟气进气管道增压泵连通；所述烟气进气管道增压泵与烟气进气管道连接；所述丝网捕获床装置设有水平/垂直/斜置的丝网结构；
所述CO2再生塔包括再生塔壳体、再生塔第二室和再生塔第一室，所述再生塔第二室和再生塔第一室设置在再生塔壳体内；所述再生塔壳体内依次设置有丝网除雾装置、气液分离装置、第二级雾化喷液装置、第一级雾化喷液装置、热交换装置，再生塔壳体顶部还设有CO2排气阀，所述热交换装置与热源连接；再生塔第一室底部通过循环液储液罐和循环泵与再生塔第二室的第二级雾化喷液装置连通，再生塔第二室底部通过贫液储罐及贫液泵与贫/富液换热装置的贫液进口连通，所述贫/富液换热装置的贫液出口与雾化喷液装置连通；所述CO2排气阀与收集管道连接；
所述烟气进气管道连接有尾排风机、电动三通风阀、烟囱，所述电动三通风阀设置于与窑尾除尘器相连的尾排风机和烟囱之间的烟气管道上，所述尾排风机的出气口与电动三通风阀的进气口相连通，所述电动三通风阀的第一排气口与CO2吸收塔-再生塔单元进口相连通，所述电动三通风阀的第二排气口与烟囱相连通；
所述收集管道连接有CO2冷却器、CO2压缩机、液化CO2储罐；所述收集管道与CO2冷却器气体进口相连通，CO2冷却器出口与CO2压缩机进口相连通，CO2压缩机出口与液化CO2储罐进口相连通；
所述热源来自废热蓄能装置，所述废热蓄能装置是将水泥生产线设备产生的不同温度的废弃余热或高温热能进行蓄能的装置。
2.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述烟气进气管道还连接有冷却器、烟气压缩机；所述电动三通风阀的第一排气口与冷却器气体进口相连通，所述冷却器气体出口与烟气压缩机进口相连通，所述烟气压缩机出口通过烟气进气管道与CO2吸收塔-再生塔单元的进气管道口相连通。
3.根据权利要求2所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括烟气净化装置，所述电动三通风阀的第一排气口与烟气净化装置的烟气进口相连通，所述烟气净化装置的净化气出口与冷却器气体进口相连通；烟气净化装置为清除水泥窑炉烟气中所含SO2、NOx、氯化物、氟化物、碳氢化合物、重金属及粉尘污染物并净化分离固废与洁净气的装置。
4.根据权利要求3所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述的烟气净化装置包括氧化净化和水气分离主体装置、氧化净化剂雾化喷淋装置、净化液循环喷淋装置、污水净化分离装置，所述氧化净化剂雾化喷淋装置与氧化净化和水气分离主体装置顶部相连通，所述净化液循环喷淋装置与氧化净化和水气分离主体装置中部相连通；所述污水净化分离装置与氧化净化和水气分离主体装置的底部相连通，所述污水净化分离装置的净化污水出口与净化液循环喷淋装置的净化污水进口连通，所述污水净化分离装置的固体出口与外接的固体收集装置连接。
5.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述吸收塔壳体底部出液口与富液储液罐之间设排液节流阀。
6.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述再生塔壳体顶部还设有第一温压感应器；所述吸收塔壳体顶部还设有第二温压感应器。
7.根据权利要求2所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述N2气体排出管道通过冷能回收装置与烟囱连接；所述冷能回收装置与冷能交换装置、冷却器连接。
8.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述收集管道还连接有脱水干燥器；所述收集管道与脱水干燥器气体进口相连通，所述脱水干燥器气体出口与CO2冷却器气体进口相连通。
9.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述的CO2吸收塔-再生塔单元包括相互并联设置的两套或多套CO2吸收塔-再生塔单元、相互串联设置的两套或多套CO2吸收塔-再生塔单元、或相互串联加并联设置的三套或多套CO2吸收塔-再生塔单元。
10.根据权利要求1所述的一种水合物法连续捕集水泥窑烟气中CO2的装备系统，其特征在于，所述废弃余热或高温热能是指水泥生产过程中产生的300℃以上的废弃余热或高温热能、100℃～300℃废弃余热、现有水介质余热发电后的100℃～170℃废弃余热、高温设备150℃～500℃辐射或传导废热中的至少一种余热能源。
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