CN106914116A - 一种适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法 - Google Patents

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Abstract

一种适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，主要包括以下步骤：（1）烟气净化；（2）膜分离富集CO2；（3）CO2的连续捕集；（4）CO2的液化储存；（5）超临界CO2流体的蓄能；（6）超临界CO2的调质与发电；（7）超临界CO2循环和回热利用。本发明针对水泥生产线工艺装备特点及烟气成份特性，以水泥生产过程中产生的废弃热能和/或造成不利影响的高温热能为主要能源实现二氧化碳捕集和超临界CO2发电，具有自耗能低、投资低、运行成本低等优点。

Description

一种适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法
技术领域
本发明涉及低碳与能源技术领域，尤其涉及一种针对水泥生产线工艺装备特点及烟气成份特性，以水泥生产过程中产生的废弃热能和/或造成不利影响的高温热能为主要能源的二氧化碳捕集与发电的方法。
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、高捕集成本的运行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%，每吨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%，每吨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包括溶剂吸收法、吸附法、膜法和低温分离法等。其中的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。其中的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，膜方法在成本上及可靠性要求上还有较大的差距。其中的变压吸附法（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技术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。
迄今为止，大多数的CO2捕集技术仍处于研发阶段，即便是实施IGCC的煤气化、燃气-蒸汽联合循环发电，CO2捕集电厂与未实施捕集技术的电厂相比，需要多消耗10%～40%的能源，CO2捕集的高成本造成燃煤电厂也难有实施CO2捕集的积极意愿。而当前各国CCS或CCUS技术的CO2应用技术也集中于液化CO2驱油、驱气、地质与海洋封注的研究与应用，而地质与海洋封注客观上造成的环境危害不可预期。
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，但尚未见有关水泥生产过程中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。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t，由此推断我国水泥工业的CO2年排放量达30亿t。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。
除大量的CO2排放外，水泥窑烟气中还有大量的氟氯硫硝碳氢化合物及重金属元素废气污染物排放，在水泥窑烟气按环保达标排放状况下其排放的废气中污染物成份大多波动在CO2 12～29%、SO2 80～200mg/Nm3、NOx 100～400mg/Nm3、粉尘 10～30mg/Nm3，且含有碳氢化合物、氟氯化合物和重金属，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。
其次，水泥生产过程中还有持续产生的大量的废弃余热，且废弃余热的温度随原燃材料及窑系统工况的变化波动大。虽然政策性节能减排几乎所有水泥厂都建设了（窑尾）“预热器废气余热锅炉+（窑头）篦冷机废气余热锅炉的发电系统”，一般利用的是窑头篦冷机中温段抽取的300～400℃的废气余热和预热器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及高温物料的高温热能造成一些影响窑工况等不利影响的高温热能，如水泥生产的主要设备—窑头罩（内顶部可达800℃至1450℃造成烧蚀）、篦冷机内1300℃以上的熟料熔结堆雪人停窑、窑尾预热器与入窑下料管850℃～950℃高温结皮粘堵事故、以及回转窑胴体（高温段达300℃～500℃，低温段达150℃～300℃）和窑尾烟室（烟室区域内部温度达800～1200℃）的熔粘结皮与高温热辐射污染，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，为能减少工作环境的强烈热辐射污染和利用这些高温设备的辐射热能，ZL201420380874.X与ZL201420562882.6公开了“利用回转窑筒体辐射热能供余热发电的装置”及ZL201420382011.6 公开了“利用干法回转窑窑头罩余热供余热发电的装置”，但所涉的装置因只能用来预热锅炉用水和预热空气，不能有效解决高温设备的辐射热利用和热污染，而不能普及推广应用，现有的水泥企业为防止高温造成回转窑报废，设置成排的吹风机为回转窑的标准配置，以成排的电吹风机持续的吹冷风降低回转窑的胴体温度，不但增加电耗也造成热污染，电耗的增加也增加了碳排放，至今国内外尚无可有效消除回转窑类高温设备环境热污染或回收利用回转窑高温设备辐射余热的方法，也没有可有效利用大量80℃～300℃低温废气余热的方式与设备。
另一方面，随着CCS技术的发展，超临界二氧化碳发电系统即一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统已受到广泛关注，超临界二氧化碳发电系统主要包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。其循环过程中的循环介质为二氧化碳，在全循环过程中，二氧化碳均处于超临界状态，不发生相变，循环过程为超临界二氧化碳经压缩机升压——用换热器等压加热二氧化碳工质——工质进入涡轮机推动涡轮做功带动电机发电——工质进入冷却器——再进入压缩机形成闭式循环。超临界二氧化碳发电系统较传统的热能发电系统的系统热效率、总重及占地面积、污染物排放等方面表现出显著的优势，但其主要运动设备全部采用高速回转运动形式，加工精度及材料性能控制要求高，且超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数处于近临界点，降低换热端差，其压缩机压缩过程中压缩功仍占涡轮输出功的30%以上，实际运用的压缩过程中压缩功仍占到涡轮输出功的40%到50%，即系统的压缩机自耗能仍偏高。同时对于临界点附近的换热性能突变需充分考虑运行裕量，实现这些目标要求有紧凑、高效和可靠的换热器进行快速的热量交换，实现低温差高效换热。现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器（PCHE），它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，满足用换热器等压加热二氧化碳工质的要求，但机构复杂，投资大，且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况。再者，其系统循环的高效率需建立在冷凝器出口即压气机吸入口（循环起点）的二氧化碳仍处于32℃、7.4MPa超临界状态的临界点上，超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，仍需要开展控制研究。
据中国《水泥》（2014.No.9）《利用CO2动力循环的水泥余热发电系统》介绍的美国俄亥俄州阿克伦城Echogen公司利用水泥厂预热器排出的废气余热和熟料冷却机抽取的中温废气余热设计的应用CO2动力循环余热发电系统（即釆用我国水泥企业的废气余热发电的热源，但工作介质不同），Echogen公司目前可提供的EPS100 8MW热机系统的废热交换器在北美地区的投资达2000～2500万美元，远高于国内8MW双锅炉整套余热发电系统的投资总额（国内水泥厂预热器的废气余热锅炉和熟料冷却机的废气余热锅炉发电系统总投资4000～6000万元人民币不等），且客观上难以适应我国大部分水泥窑系统废弃余热温度随原燃材料及窑系统工况波动大的状况，而高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础。再者，我国水泥企业已普及建好了预热器排出的废气余热锅炉和熟料冷却机抽取的中温废气余热锅炉发电系统（水工作介质），相同的热源与产出情况下采取拆除低投资的系统换上高投资的系统，在国情下缺少现实性。显然，现有的CO2循环发电技术并不适合我国国情的水泥行业。
综上所述，冠以“高污染高能耗”帽子的我国水泥企业，降低生产过程中对外界能耗（电、煤）的需求、降低环境污染物排放是必要的。如何适应我国水泥生产企业现状，低投资的利用水泥生产过程中大量产生的废弃余热，开发适应于水泥窑烟气CO2捕集与应用于发电的方法，实现水泥生产的节能减排及二氧化碳减排，是一个现实的紧迫问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用水泥生产工艺流程装备特点，以水泥生产过程中产生的温度波动大、温差大的各类废弃余热为主要能源、且自耗能低、投资低、运行成本低的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，主要包括以下步骤：
（1）烟气净化
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风阀以切换烟气流向，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器，采用公知的方法如“泡沫法/膜泡法/氧化法”等净化烟气中有害的气态和粉尘污染物并脱水，净化烟气从烟气净化器的气体出口连续排出，烟气净化过程中产生的固废（固体废弃物）从烟气净化器的底部排出，作为水泥生产原料资源化利用；
（2）膜分离富集CO2
将步骤（1）所得的净化烟气连续送入N2/CO2膜分离装置，利用尾排风机鼓风传递的风压为正压推力，利用与N2/CO2膜分离装置富CO2气出口相连的后段冷却器和烟气压缩机产生的负压抽吸力、及与N2/CO2膜分离装置富N2气出口相连的烟囱的负压抽吸力为动力，从N2/CO2膜分离装置中分离出富N2气流和富CO2气流，富N2的气流经烟囱负压抽吸排空，富CO2气流经后段的压缩机进口负压抽取；
（3）CO2的连续捕集
将步骤（2）所得的富CO2气流经冷却器冷却和烟气压缩机压缩送入CO2连续捕集塔，以余热蓄能装置蓄集的水泥生产过程中产生的废气余热（100℃～400℃）及辐射热（150℃～500℃）作为CO2连续捕集塔内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2，经CO2连续捕集塔分离排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，经CO2连续捕集塔分离排出的纯CO2气流被后段的压缩机产生的负压抽吸连续送入干燥器脱水；
所述的CO2连续捕集塔是指实施烟气中CO2捕集过程中，总烟气进口可连续送入烟气流，而总排气出口可分别连续排出富N2气流、CO2气流的CO2捕集装置；
（4）CO2的液化储存
为适应水泥厂的故障或检修或滞销停窑停产及经济性要求，设置液态CO2储罐和超临界CO2储罐；
将步骤（3）所得的脱水CO2经冷凝器冷凝和压缩机压缩转化为液态CO2后送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用于CO2发电机组发电；
（5）超临界CO2流体的蓄能
将步骤（4）所得的超临界CO2储罐中的CO2经压缩机压送入CO2蓄能装置中，以CO2为工质直接蓄集高温热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
所述的CO2蓄能装置为能直接蓄集水泥生产过程中产生的余热将CO2转化为高压热态超临界CO2流体的装置；
（6）超临界CO2的调质与发电
将步骤（5）所得的高压热态的超临界CO2流体输送至稳流调节器，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和/或来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机/活塞式膨胀机作功释能驱动发电机发电，供水泥厂自用或供电网，涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO2流体；
（7）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（6）所得的涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出的低压CO2流体经回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机/高压泵输送至回热装置中回收低压CO2流体余热后，再送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机/高压泵输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销；
采用至少一级回热装置回收出涡轮机/活塞式膨胀机的低压CO2流体的余热并对低压流体降温。
进一步，步骤（3）中，所述的CO2连续捕集塔为2个以上并联使用以提高烟气处理量，或2个以上串联使用以提纯CO2，或并联+串联使用。
进一步，步骤（5）中，所述的CO2蓄能装置为2套以上并联和/或串联使用，以CO2为工质，直接利用水泥生产过程中的窑头罩（700℃～1500℃）及篦冷机内（200℃～1350℃）热能和/或窑尾烟室（800℃～1200℃）热能和/或预热器下料管内（800℃～950℃）热能和/或回转窑高温胴体（300℃～500℃）辐射热和/或中高温废气余热（300℃～400℃）对超临界CO2流体蓄能。
进一步，当出水泥厂窑尾收尘器的烟气粉尘含量低于20mg/Nm3且无重金属等有害污染物时，可以取消步骤（1）的烟气净化，或同时取消步骤（1）的烟气净化和步骤（2）的膜分离富集CO2，出窑尾收尘器烟气经尾排风机抽吸鼓入、电动风阀切换送入冷却器冷却，再经压缩机连续压缩压送至CO2捕集塔连续捕集CO2用于CO2发电。
进一步，所述的CO2连续捕集塔优选双塔式CO2循环捕集塔或连续式CO2吸收塔-再生塔。
进一步，所述的双塔式CO2循环捕集塔由结构相同的CO2循环捕集器Ⅰ、CO2循环捕集器Ⅱ并联构成，所述的CO2循环捕集器Ⅰ包括气液分离器Ⅰ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅰ、丝网捕集床Ⅰ、热交换装置Ⅰ、烟气进入与布气装置Ⅰ、富N2排出装置Ⅰ、CO2排出装置Ⅰ和温压感应装置Ⅰ，所述气液分离器Ⅰ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ上部，所述丝网捕集床Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ中部，所述热交换装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ下部，所述烟气进入与布气装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ底部，所述富N2排出装置Ⅰ、CO2排出装置Ⅰ和温压感应装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ顶部，所述的CO2循环捕集器Ⅱ包括气液分离器Ⅱ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅱ、丝网捕集床Ⅱ、热交换装置Ⅱ、烟气进入与布气装置Ⅱ、富N2排出装置Ⅱ、CO2排出装置Ⅱ和温压感应装置Ⅱ，所述的CO2循环捕释器Ⅰ和CO2循环捕释器Ⅱ的相应装置同步切换，实现烟气流从CO2循环捕集塔的烟气进口总管连续进入，富N2气流及CO2气流从相应的排气总管出口连续排出。
所述的双塔式CO2循环捕集塔可为2个以上并联使用以满足增大窑炉烟气CO2捕集能力，或2个以上串联使用以进一步提纯捕集的CO2，或并联+串联使用。
进一步，所述的连续式CO2吸收塔-再生塔，包括CO2吸收塔、再生塔、冷/热液换热器，所述CO2吸收塔和再生塔通过冷/热液换热器相连，所述CO2吸收塔中连续排出的冷富液与再生塔中连续排出的热贫液经冷/热液换热器热交换后，预热的富液送入再生塔释放出CO2，冷却降温的贫液送回CO2吸收塔内继续吸收烟气中的CO2，CO2捕集剂在连续式CO2吸收塔和再生塔中连续循环；
所述的CO2吸收塔主要包括布气与排液结构、冷却装置、丝网捕集床Ⅲ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ、液气分离装置、富N2排放装置和温压感应装置Ⅲ，所述布气与排液结构设置在吸收塔的底部，并与吸收塔内相连通，所述富N2排放装置、温压感应装置Ⅲ固定在吸收塔的顶部，并与吸收塔内相连通，所述冷却装置固定在吸收塔内的下部，所述丝网捕集床Ⅲ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ依次固定在吸收塔内的中部，所述液气分离装置固定在吸收塔内的最上部；所述烟气经布气与排液结构压入吸收塔内向上依次经过冷却装置、丝网捕集床Ⅲ与捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ喷出的捕集剂液逆向交流，烟气中的CO2与水合捕集剂液化学反应形成CO2水合物，并放出热量，水合反应放出的热量经冷却装置移走，余量的富N2气体继续向上经液气分离装置脱除液体后，经富N2排放装置连续排出；
所述的再生塔为单级或多级脱碳装置，主要包括脱碳喷淋装置、加热装置、脱碳循环喷淋装置、液气分离装置、丝网除雾器、CO2排出机构和温压感应装置Ⅳ，所述CO2排出机构、温压感应装置Ⅳ固定在再生塔的顶部，并与再生塔内相连通，所述丝网除雾器、液气分离装置从上之下依次固定在再生塔内，且位于温压感应装置Ⅳ下方，所述脱碳喷淋装置和脱碳循环喷淋装置固定在再生塔内的上部，且位于液气分离装置的下方，所述加热装置固定在再生塔内的中部；再生塔内离释脱除的CO2经液气分离装置、丝网除雾器去除液剂、水份后，经CO2排出机构连续排出。
本发明利用水泥生产过程工艺装备特点， 针对现有水泥生产线窑尾烟气排放是先经窑尾收尘器收尘后，再经尾排风机、烟道送入70余米高的烟囱高空排放的情况，在尾排风机和烟囱之间的烟气管道上设置电动风阀，以正常运行的尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器脱除烟气中有害的污染物，并利用尾排风机鼓风传递的风压及现有的70余米高的烟囱自然形成的负压抽吸力及必要的冷却和压缩所产生的负压抽吸力解决膜分离CO2/N2所需的动力能耗；以富集的CO2连续气源作为CO2的捕集对象，大幅降低捕集难度，为选用较为经济的水合物法或物理-化学吸附法高效捕集CO2和降低捕集成本提供了条件；再者，以余热蓄能装置连续蓄集水泥生产线的大量中低温余热作为CO2捕集塔单元连续捕集CO2的主要能源，并以CO2蓄能装置直接蓄集熟料生产过程中的中高温热能作为超临界CO2发电的能源，且以稳流调节器解决好利用水泥生产中随窑况波动而温度波动和不同CO2蓄能装置产生的不同温度不同蓄能密度的超临界CO2流体不利于稳定发电的问题。
本发明的有益效果：
1）结合水泥生产线工艺装备特点，创造性的开发一种水泥窑烟气CO2连续捕集并利用CO2为工质发电的方法，工艺简单，投资小，具有工业实用性。
2）利用水泥生产中大量产生的废弃的中低温余热作为CO2捕集的能源，且以熟料生产中造成窑系统不利工况的中高温能源作为超临界CO2发电的能源，并利用水泥生产过程中现有的部分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捕集和超临界CO2发电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，也突破了随水泥窑况波动而温度波动及不同余热温度不同难以适应于需用换热器等压加热二氧化碳工质的要求。
3）可实现水泥生产对外界零电耗的需求，利于水泥企业实现“四零一负”的循环经济目标。
4）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有效减排和低碳生产。
附图说明
图1 为本发明的基本工艺流程示意图。
图2 为一种含2套CO2连续捕集塔并联捕集CO2、2套CO2蓄能装置蓄能发电方法的工艺流程示意图。
图3 为一种含2套CO2连续捕集塔串联捕集CO2、2套CO2蓄能装置蓄能发电方法的工艺流程示意图。
图4 为一种取消烟气净化和膜分离富集CO2工序的工艺流程示意图。
图5 为一种双塔式CO2循环捕集塔的结构示意图。
图6 为一种连续式CO2吸收塔-再生塔的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，一种用于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，主要包括以下步骤：
（1）烟气净化
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风阀以切换烟气流向，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器，采用公知的方法如“泡沫法/膜泡法/氧化法”等净化烟气中有害的气态和粉尘污染物并脱水，净化烟气从烟气净化器的气体出口连续排出，烟气净化过程中产生的固废（固体废弃物）从烟气净化器的底部排出，作为水泥生产原料资源化利用；
（2）膜分离富集CO2
将步骤（1）所得的净化烟气连续送入N2/CO2膜分离装置，利用尾排风机鼓风传递的风压为正压推力，利用与N2/CO2膜分离装置富CO2气出口相连的后段冷却器和烟气压缩机产生的负压抽吸力、及与N2/CO2膜分离装置富N2气出口相连的70余米高的烟囱的负压抽吸力为动力，从N2/CO2膜分离装置中分离出富N2气流和富CO2气流，富N2气流经烟囱负压抽吸排空，富CO2气流经后段的压缩机进口负压抽取；
（3）CO2的连续捕集
将步骤（2）所得的富CO2气流经冷却器冷却和烟气压缩机压缩送入CO2连续捕集塔，以余热蓄能装置蓄集水泥生产过程中产生的废气余热（100℃～400℃）及辐射热（150℃～500℃）作为CO2连续捕集塔内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2，经CO2连续捕集塔分离排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，经CO2连续捕集塔分离排出的纯CO2气流被后段的压缩机产生的负压抽吸连续送入CO2脱水干燥器脱水；
所述的CO2连续捕集塔是指实施烟气中CO2捕集过程中，总烟气进口可连续送入烟气流，而总排气出口可分别连续排出富N2气流、CO2气流的CO2捕集装置；
所述的CO2连续捕集塔可单个使用，或2个以上并联使用以提高烟气处理量，或2个以上串联使用以提纯CO2，或并联+串联应用；
（4）CO2的液化储存
为适应水泥厂的故障或检修或滞销停窑停产及经济性要求，设置液态CO2储罐和超临界CO2储罐；
将步骤（3）所得的脱水CO2气经冷凝器冷凝和压缩机压缩转化为液态CO2送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用于CO2发电机组发电；
（5）超临界CO2流体的蓄能
将步骤（4）所得的超临界CO2储罐中的CO2经压缩机压送入CO2蓄能装置中，以CO2为工质，直接蓄集高温热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
所述的CO2蓄能装置为能直接蓄集水泥生产过程中产生的余热将CO2转化为高压热态超临界CO2流体的装置；
所述的CO2蓄能装置可为一套，或两套以上并联和/或串联使用，以CO2为工质，直接利用水泥生产过程中的窑头罩（700℃～1500℃）及篦冷机内（200℃～1350℃）热能和/或窑尾烟室（800℃～1200℃）热能和/或预热器下料管内（800℃～950℃）热能和/或回转窑高温胴体（300℃～500℃）辐射热和/或中高温废气余热（300℃～400℃）对超临界CO2流体蓄能；
（6）超临界CO2的调质与发电
将步骤（5）所得的高压热态超临界CO2输送至稳流调节器，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和/或来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机/活塞式膨胀机作功释能驱动发电机发电，供水泥厂之用电或供电网，涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO2流体；
（7）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（6）所得的涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出的低压CO2流体经回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机/高压泵输送至回热装置中回收低压CO2流体余热后，再送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机/高压泵输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销；
采用至少一级回热装置回收出涡轮机/活塞式膨胀机的低压CO2流体的余热并对低压流体降温。
实施例1
参照图2，一种含2套CO2连续捕集塔并联捕集CO2、2套CO2蓄能装置蓄能发电的方法，主要包括以下步骤：
（1）烟气净化
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风阀以切换烟气流向，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器，采用公知的方法如“泡沫法/膜泡法/氧化法”等净化烟气中有害的气态和粉尘污染物并脱水，净化烟气从烟气净化器的气体出口连续排出，烟气净化过程中产生的固废从烟气净化器的底部排出，作为水泥生产原料资源化利用；
（2）膜分离富集CO2
将步骤（1）所得的净化烟气连续送入N2/CO2膜分离装置，利用尾排风机鼓风传递的风压为正压推力，利用与N2/CO2膜分离装置富CO2气出口相连的后段冷却器和烟气压缩机产生的负压抽吸力、及与N2/CO2膜分离装置富N2气出口相连的70余米高的烟囱的负压抽吸力为动力，从N2/CO2膜分离装置中分离出富N2气流和富CO2气流，富N2气流经烟囱负压抽吸排空，富CO2气流经后段的压缩机进口负压抽取；
（3）CO2的连续捕集
将步骤（2）所得的富CO2气流经冷却器冷却和烟气压缩机压缩，连续送入两套并联设置的CO2连续捕集塔A和CO2连续捕集塔B，有效实现CO2的连续高效捕集，以头排尾气蓄能装置蓄集的水泥生产过程中产生的废气余热（100℃～400℃）作为CO2连续捕集塔A内热交换装置的能源，以窑尾废气蓄能装置蓄集的水泥生产过程中产生的废气余热（100℃～400℃）作为CO2连续捕集塔B内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2，经两套CO2连续捕集塔排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，经两套CO2连续捕集塔分离排出的纯CO2气流被后段的压缩机负压抽吸连续送入CO2脱水干燥器脱水；
（4）CO2的液化储存
将步骤（3）所得的脱水CO2气经冷凝器冷凝和CO2压缩机压缩转化为液态CO2送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用CO2发电机组发电；
（5）超临界CO2流体的蓄能
设置窑头罩CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置，以CO2为工质蓄集窑头罩内700℃～1500℃的高温辐射热能、及窑尾烟室800℃～1200℃的高温热能；
将步骤（4）所得的超临界CO2储罐中的CO2分别用压缩机压送入窑头罩CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置中，以CO2为工质直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
（6）超临界CO2的调质与发电
将步骤（5）所得的高压热态超临界CO2流体输送至稳流调节器中，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机作功释能驱动发电机发电，供水泥厂之用电或供电网，涡轮机作功释能后排出低压CO2流体；
（7）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（6）所得的涡轮机作功释能后排出的低压CO2流体经两级回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机输送至两级回热装置中回收低压CO2流体余热后，再分别送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销。
实施例2
参照图3，一种含2套CO2连续捕集塔串联捕集CO2、2套CO2蓄能装置蓄能发电的方法，主要包括以下步骤：
（1）烟气净化
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风阀以切换烟气流向，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器，采用公知的方法如“泡沫法/膜泡法/氧化法”等净化烟气中有害的气态和粉尘污染物并脱水，净化烟气从烟气净化器的气体出口连续排出，烟气净化过程中产生的固废（固体废弃物）从烟气净化器的底部排出，作为水泥生产原料资源化利用。
（2）膜分离富集CO2
将步骤（1）所得的净化烟气连续送入N2/CO2膜分离装置，利用尾排风机鼓风传递的风压为正压推力，利用与N2/CO2膜分离装置富CO2气出口相连的后段冷却器和烟气压缩机产生的负压抽吸力、及与N2/CO2膜分离装置富N2气出口相连的70余米高的烟囱的负压抽吸力为动力，从N2/CO2膜分离装置中分离出富N2气流和富CO2气流，富N2气流经烟囱负压抽吸排空，富CO2气流经后段的压缩机进口负压抽取；
（3）CO2的连续捕集
将步骤（2）所得的富CO2气流经冷却器冷却和烟气压缩机压缩，连续送入串联设置的第一套CO2连续捕集塔A，CO2连续捕集塔A中连续排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，CO2连续捕集塔A中连续排出的CO2送入CO2连续捕集塔B中，CO2连续捕集塔B中连续排出的N2气流经烟囱负压抽吸直接排空或经N2压缩机压缩送入N2储罐中储存，CO2连续捕集塔B中连续排出的高纯CO2气流经后段的压缩机负压抽吸连续送入CO2脱水干燥器脱水；以窑胴体蓄能装置蓄集的200℃～500℃辐射热供应CO2连续捕集塔A内热交换装置的能源，以头排废气余热蓄能装置蓄集的100℃～400℃废气余热作为CO2连续捕集塔B内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2；
（4）CO2的液化储存
将步骤（3）所得的脱水CO2经冷凝器冷凝和CO2压缩机压缩转化为液态CO2后送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用于CO2发电机组发电；
（5）超临界CO2流体的蓄能
设置篦冷机内置CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置，以CO2为工质，分别蓄集篦冷机内500℃～1350℃的熟料高温辐射与传导热能、及窑尾烟室800℃～1200℃的高温热能；
将步骤（4）所得的超临界CO2储罐中的CO2分别用CO2压缩机压送入篦冷机内置CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置中，以CO2为工质直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
（6）超临界CO2的调质与发电
将步骤（5）所得的高压热态超临界CO2流体输送至稳流调节器中，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机作功释能驱动发电机发电，供水泥厂之用电或供电网，涡轮机作功释能后排出低压CO2流体；
（7）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（6）所得的涡轮机作功释能后排出的低压CO2流体经回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机输送至回热装置中回收低压CO2流体余热后，再分别送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销。
实施例3
参照图4，出水泥厂窑尾收尘器的烟气粉尘含量为10mg/Nm3且无重金属等有害污染物时，一种含2套CO2连续捕集塔串联捕集CO2、2套CO2蓄能装置蓄能发电的方法，主要包括以下步骤：
（1）CO2的连接捕集
采用两套串联设置的CO2连续捕集塔A和CO2连续捕集塔B以提高捕集的CO2纯度；
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风阀，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气冷却器中，经冷却器冷却和烟气压缩机压缩，连续送入串联设置的第一套CO2连续捕集塔A，CO2连续捕集塔A中连续排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，CO2连续捕集塔A中连续排出的CO2送入CO2连续捕集塔B中，CO2连续捕集塔B中连续排出的N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，CO2连续捕集塔B中连续排出的高纯CO2气流经后段的压缩机负压抽吸连续送入CO2脱水干燥器脱水；
以头排废气蓄能装置蓄集的100℃～400℃废气余热供应CO2连续捕集塔A内热交换装置的能源，以窑尾废气余热蓄能装置蓄集的100℃～400℃废气余热作为CO2连续捕集塔B内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2；
（2）CO2的液化储存
将步骤（1）所得的脱水CO2经冷凝器冷凝和CO2压缩机压缩转化为液态CO2后送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用于CO2发电机组发电；
（3）超临界CO2流体的蓄能
设置预热器料管CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置，以CO2为工质，分别窑尾预热器和下料管内大流量料粉850℃～950℃的部分高温热能、及窑尾烟室800℃～1200℃的高温热能；
将步骤（2）所得的超临界CO2储罐中的CO2分别用CO2压缩机压送入预热器料管CO2蓄能装置和窑尾烟室CO2蓄能装置中，以CO2为工质直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
（4）超临界CO2的调质与发电
将步骤（3）所得的高压热态超临界CO2流体输送至稳流调节器中，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机作功释能驱动发电机发电，供水泥厂之用电或供电网，涡轮机作功释能后排出低压CO2流体；
（5）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（4）所得的涡轮机作功释能后排出的低压CO2流体经三级回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机输送至回热装置中回收低压CO2流体余热后，再分别送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销。
以上各实施例中，所述的CO2连续捕集塔优选双塔式CO2循环捕集塔或连续式CO2吸收塔-再生塔。
参照图5，所述的双塔式CO2循环捕集塔由结构相同的CO2循环捕集器ⅠA、CO2循环捕集器ⅡB并联构成，所述的CO2循环捕集器A包括气液分离器ⅠA1、捕集剂雾化喷淋装置ⅠA2、丝网捕集床ⅠA3、热交换装置ⅠA4、烟气进入与布气装置ⅠA5、富N2排出装置ⅠA6、CO2排出装置ⅠA7和温压感应装置ⅠA8，所述气液分离器ⅠA1、捕集剂雾化喷淋装置ⅠA2设于CO2循环捕集器A上部，所述丝网捕集床ⅠA3设于CO2循环捕集器A中部，所述热交换装置ⅠA4设于CO2循环捕集器A下部，所述烟气进入与布气装置ⅠA5设于CO2循环捕集器A底部，所述富N2排出装置ⅠA6、CO2排出装置ⅠA7和温压感应装置ⅠA8设于CO2循环捕集器A顶部，所述的CO2循环捕集器ⅡB包括气液分离器ⅡB1、捕集剂雾化喷淋装置ⅡB2、丝网捕集床ⅡB3、热交换装置ⅡB4、烟气进入与布气装置ⅡB5、富N2排出装置ⅡB6、CO2排出装置ⅡB7和温压感应装置ⅡB8，所述的CO2循环捕集器ⅠA和CO2循环捕集器ⅡB的相应装置同步切换，实现烟气流从CO2循环捕集塔的烟气进口总管连续进入，富N2气流及CO2气流从相应的排气总管出口连续排出。
所述的双塔式CO2循环捕集塔可为2个以上并联使用以满足增大窑炉烟气CO2捕集能力，或2个以上串联使用以进一步提纯捕集的CO2，或并联+串联使用。
参照图6，所述的连续式CO2吸收塔-再生塔，包括CO2吸收塔P、再生塔R、冷/热液换热器S，所述CO2吸收塔P和再生塔R通过冷/热液换热器S相连，所述CO2吸收塔P中连续排出的冷富液与再生塔R中连续排出的热贫液经冷/热液换热器S热交换后，预热的富液送入再生塔R释放出CO2，冷却降温的贫液送回CO2吸收塔P内继续吸收烟气中的CO2，CO2捕集剂在CO2吸收塔P和再生塔R中连续循环；
所述的CO2吸收塔P主要包括布气与排液结构P1、冷却装置P2、丝网捕集床ⅢP3、捕集剂雾化喷淋装置ⅢP4、液气分离装置P5、富N2排放装置P6和温压感应装置ⅢP7，所述布气与排液结构P1设在吸收塔P底部，并与吸收塔P内相连通，所述富N2排放装置P6、温压感应装置ⅢP7固定在吸收塔P的顶部，并与吸收塔P内相连通，所述冷却装置P2固定在吸收塔P内的下部，所述丝网捕集床ⅢP3、捕集剂雾化喷淋装置ⅢP4依次固定在吸收塔P内的中部，所述液气分离装置P5固定在吸收塔P内的最上部，工作时，烟气经布气与排液结构P1压入吸收塔P内向上依次经过冷却装置P2、丝网捕集床ⅢP3与捕集剂雾化喷淋装置ⅢP4喷出的捕集剂液逆向交流，烟气中的CO2与水合捕集剂液化学反应形成CO2水合物，并放出热量，水合反应放出的热量经冷却装置移走，余量的富N2气体继续向上经液气分离装置P5脱除液体后，经富N2排放装置P6连续排出；
所述的再生塔R为两级脱碳装置，主要包括脱碳喷淋装置R1、加热装置R2、脱碳循环喷淋装置R3、液气分离装置R4、丝网除雾器R5、CO2排出机构R6和温压感应装置ⅣR7，所述CO2排出机构R6、温压感应装置ⅣR7固定在再生塔R的顶部，并与再生塔R内相连通，所述丝网除雾器R5、液气分离装置R4从上之下依次固定在再生塔R内，且位于温压感应装置ⅣR7下方，所述脱碳喷淋装置R1和脱碳循环喷淋装置R3固定在再生塔R内的上部，，且位于液气分离装置R4的下方，所述加热装置R2固定在再生塔R内的中部。来自吸收塔P的富液经脱碳喷淋装置R1连续喷入再生塔R内的第一级脱碳装置中被加热装置R2加热释放出大部CO2转为半贫液，半贫液从第一级脱碳装置的底部排出经碳循环喷淋装置R3连续入再生塔R内的第二级脱碳装置中被加热装置R2加热释放出CO2转为贫液，贫液从第二级脱碳装置的底部排出后经冷/热液换热器S降温后，经捕集剂雾化喷淋装置ⅢP4连续喷入CO2吸收塔P中捕捉CO2。
本发明利用水泥生产过程工艺装备特点， 针对现有水泥生产线窑尾烟气排放是先经窑尾收尘器收尘后，再经尾排风机、烟道送入70余米高的烟囱高空排放的情况，在尾排风机和烟囱之间的烟气管道上设置电动风阀，以正常运行的尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器脱除烟气中有害的污染物，并利用尾排风机鼓风传递的风压及现有的70余米高的烟囱自然形成的负压抽吸力及必要的冷却和压缩所产生的负压抽吸力解决膜分离CO2/N2所需的动力能耗；以富集的CO2连续气源作为CO2的捕集对象，大幅降低捕集难度，为选用较为经济的水合物法或物理-化学吸附法高效捕集CO2和降低捕集成本提供了条件；再者，以余热蓄能装置连续蓄集水泥生产线的大量中低温余热作为CO2捕集塔连续捕集CO2的主要能源，并以CO2蓄能装置直接蓄集熟料生产过程中的中高温热能作为超临界CO2发电的能源，且以稳流调节器解决好利用水泥生产中随窑况波动而温度波动和不同CO2蓄能装置产生的不同温度不同蓄能密度的超临界CO2流体不利于稳定发电的问题。

Claims (7)

1.一种适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
（1）烟气净化
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风阀以切换烟气流向，以尾排风机的动力先将烟气连续送入烟气净化器，净化烟气中有害的气态和粉尘污染物并脱水，净化烟气从烟气净化器的气体出口连续排出，烟气净化过程中产生的固废从烟气净化器的底部排出，作为水泥生产原料资源化利用；
（2）膜分离富集CO2
将步骤（1）所得的净化烟气连续送入N2/CO2膜分离装置，利用尾排风机鼓风传递的风压为正压推力，利用与N2/CO2膜分离装置富CO2气出口相连的后段冷却器和烟气压缩机产生的负压抽吸力、及与N2/CO2膜分离装置富N2气出口相连的烟囱的负压抽吸力为动力，从N2/CO2膜分离装置中分离出富N2气流和富CO2气流，富N2气流经烟囱负压抽吸排空，富CO2气流经后段的压缩机进口负压抽取；
（3）CO2的连续捕集
将步骤（2）所得的富CO2气流经冷却器冷却和烟气压缩机压缩送入CO2连续捕集塔，以余热蓄能装置蓄集的水泥生产过程中产生的废气余热及辐射热作为CO2连续捕集塔内热交换装置的能源，采用水合物法或物理-化学吸附法捕集烟气中的CO2，经CO2连续捕集塔分离排出的富N2气流经烟囱负压抽吸直接排空，经CO2连续捕集塔分离排出的纯CO2气流被后段的压缩机产生的负压抽吸连续送入干燥器脱水；
（4）CO2的液化储存
为适应水泥厂的故障或检修或滞销停窑停产及经济性要求，设置液态CO2储罐和超临界CO2储罐；
将步骤（3）所得的脱水CO2经冷凝器冷凝和压缩机压缩转化为液态CO2后送入液态CO2储罐内和/或超临界CO2储罐内，液态CO2储罐中的液态CO2作为原料外销，超临界CO2储罐中的CO2用于CO2发电机组发电；
（5）超临界CO2流体的蓄能
将步骤（4）所得的超临界CO2储罐中的CO2经压缩机压送入CO2蓄能装置中，以CO2为工质直接蓄集高温热能转化为高压热态的超临界CO2流体；
（6）超临界CO2的调质与发电
将步骤（5）所得的高压热态的超临界CO2流体输送至稳流调节器，以稳流调节器将随水泥生产线窑况波动而温度波动的和/或来自不同的CO2蓄能装置的不同温度不同热能密度的高压热态CO2流体调整为等压超临界CO2热流体稳定供给涡轮机/活塞式膨胀机作功驱动发电机发电，供水泥厂之用电或供电网，涡轮机/活塞式膨胀机作功后排出低压CO2流体；
（7）超临界CO2循环和回热利用
将步骤（6）所得的涡轮机/活塞式膨胀机作功后排出的低压CO2流体经回热装置回收余热降温后，低压CO2流体再经循行冷却器冷却和压缩机压缩送入超临界CO2储罐中，超临界CO2储罐中的超临界CO2再经压缩机/高压泵输送至回热装置中回收低压CO2流体余热后，再送入CO2蓄能装置中直接蓄集热能转化为高压热态的超临界CO2流体经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却后直接经压缩机/高压泵输送至回热装置预热和CO2蓄能装置蓄能后，经稳流调节器调整供涡轮机/活塞式膨胀机作功循环利用，或经循环冷却器冷却的低压CO2流体经CO2压缩机压缩送入液态CO2储罐作原料外销；
采用至少一级回热装置回收出涡轮机/活塞式膨胀机的低压CO2流体的余热并对低压流体降温。
2.根据权利要求1所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的CO2连续捕集塔为2个以上并联使用以提高烟气处理量，或2个以上串联使用以提纯CO2，或并联+串联使用。
3.根据权利要求1或2所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，步骤（5）中，所述的CO2蓄能装置为2套以上并联和/或串联使用，以CO2为工质，直接利用水泥生产过程中的窑头罩及篦冷机内热能和/或窑尾烟室热能和/或预热器下料管内热能和/或回转窑高温胴体辐射热和/或中高温废气余热对超临界CO2流体蓄能。
4.根据权利要求1或2所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，所述的CO2连续捕集塔为双塔式CO2循环捕集塔或连续式CO2吸收塔-再生塔。
5.根据权利要求4所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，所述的双塔式CO2循环捕集塔由结构相同的CO2循环捕集器Ⅰ、CO2循环捕集器Ⅱ并联构成，所述的CO2循环捕集器Ⅰ包括气液分离器Ⅰ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅰ、丝网捕集床Ⅰ、热交换装置Ⅰ、烟气进入与布气装置Ⅰ、富N2排出装置Ⅰ、CO2排出装置Ⅰ和温压感应装置Ⅰ，所述气液分离器Ⅰ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ上部，所述丝网捕集床Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ中部，所述热交换装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ下部，所述烟气进入与布气装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ底部，所述富N2排出装置Ⅰ、CO2排出装置Ⅰ和温压感应装置Ⅰ设于CO2循环捕集器Ⅰ顶部，所述的CO2循环捕集器Ⅱ包括气液分离器Ⅱ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅱ、丝网捕集床Ⅱ、热交换装置Ⅱ、烟气进入与布气装置Ⅱ、富N2排出装置Ⅱ、CO2排出装置Ⅱ和温压感应装置Ⅱ，所述的CO2循环捕释器Ⅰ和CO2循环捕释器Ⅱ的相应装置同步切换，实现烟气流从CO2循环捕集塔的烟气进口总管连续进入，富N2气流及CO2气流从相应的排气总管出口连续排出。
6.根据权利要求4所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，所述的连续式CO2吸收塔-再生塔，包括CO2吸收塔、再生塔、冷/热液换热器，所述CO2吸收塔和再生塔通过冷/热液换热器相连，所述CO2吸收塔中连续排出的冷富液与再生塔中连续排出的热贫液经冷/热液换热器热交换后，预热的富液送入再生塔释放出CO2，冷却降温的贫液送回CO2吸收塔内继续吸收烟气中的CO2，CO2捕集剂在CO2吸收塔和再生塔中连续循环；
所述的CO2吸收塔主要包括布气与排液结构、冷却装置、丝网捕集床Ⅲ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ、液气分离装置、富N2排放装置和温压感应装置Ⅲ，所述布气与排液结构设置在连续式吸收塔底部，并与吸收塔内相连通，所述富N2排放装置、温压感应装置Ⅲ固定在吸收塔顶部，并与吸收塔内相连通，所述冷却装置固定在吸收塔内的下部，所述丝网捕集床Ⅲ、捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ依次固定在吸收塔内的中部，所述液气分离装置固定在吸收塔内的最上部；工作时，烟气经布气与排液结构压入吸收塔内向上依次经过冷却装置、丝网捕集床Ⅲ与捕集剂雾化喷淋装置Ⅲ喷出的捕集剂液逆向交流，烟气中的CO2与水合捕集剂液化学反应形成CO2水合物，并放出热量，水合反应放出的热量经冷却装置移走，余量的富N2气体继续向上经液气分离装置脱除液体后，经富N2排放装置连续排出；
所述的再生塔为单级或多级脱碳装置，主要包括脱碳喷淋装置、加热装置、脱碳循环喷淋装置、液气分离装置、丝网除雾器、CO2排出机构和温压感应装置Ⅳ，所述CO2排出机构、温压感应装置Ⅳ固定在再生塔的顶部，并与再生塔内相连通，所述丝网除雾器、液气分离装置从上之下依次固定在再生塔内，且位于温压感应装置Ⅳ下方，所述脱碳喷淋装置和脱碳循环喷淋装置固定在再生塔内的上部，且位于液气分离装置的下方，所述加热装置固定在再生塔内的中部。
7.如权利要求1所述的适应于水泥窑烟气中二氧化碳捕集与发电的方法，其特征在于，当出水泥厂窑尾收尘器的烟气粉尘含量低于20mg/Nm3且无重金属等有害污染物时，可以取消步骤（1）的烟气净化，或同时取消步骤（1）的烟气净化和步骤（2）的膜分离富集CO2，出窑尾收尘器烟气经尾排风机抽吸鼓入、电动风阀切换送入冷却器冷却，再经压缩机连续压缩压送至CO2捕集塔连续捕集CO2用于CO2发电。
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GR01 Patent grant
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