CN110227337A - 一种对水泥窑尾烟气中co2的捕集提浓与利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统，所述系统包括依次连接的换热器、TSA脱水装置、PSA脱CO2装置和曝气系统。该系统可以将水泥窑炉排出烟气中的CO2有效脱除，降低水泥生产中的碳排放。后续将分离出的CO2产品气用于飞灰处理，实现碳资源的有效利用。
Description
技术领域
本发明涉及气体吸附技术领域，具体涉及一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统。
背景技术
水泥生产排放的CO2的主要来源包括：由生产水泥的主要原料石灰石中的CaCO3分解生成熟料必需的CaO时产生的CO2，以及煅烧熟料和烘干原料使用燃料燃烧产生的CO2。水泥生产过程所用燃料分为熟料烧成用燃料和原燃料烘干用燃料，熟料烧成用燃料的多少与生产熟料的生产工艺及规模有关，烘干用燃料的多少与对余热的利用程度和原燃料的自然水分有关；不考虑烘干物料对余热的利用，按原燃料的自然水分为18％，生产1t熟料需烘干0.5t左右原燃料计算，烘干用煤约为0.02t。生产1t熟料需0.161t～0.296t煤，煤燃烧产生0.383t～0.704tCO2。加上生成熟料时CaCO3分解产生的CO2，每生产1t水泥熟料排放0.894t～1.215tCO2。一般地说，每生产1t熟料排放约1tCO2。
水泥工业是CO2的排放大户，其排放量约占人类活动所产生CO2总量的5％，过量CO2气体排放所引发的温室效应成为严重的世界环境问题。在2009年哥本哈根气候变化会议上，中国政府承诺到2020年单位国内生产总值CO2的排放比2005年下降40％～45％，中国的碳减排压力巨大。水泥行业生产排放的CO2约占我国工业生产CO2排放总量的20％，因此水泥工业面临着CO2减排的巨大压力。现代的水泥生产过程中必须优化水泥生产工艺、提高人员素质、严格采用各种技术减少CO2的废气排放，才能使人类与环境友好协调。
目前，我国水泥工业CO2减排的措施主要集中在水泥生产工艺上，如提高燃烧器效率、利用余热发电技术、采用节能粉磨技术以及采用替代原料及替代燃料等，虽然降低了CO2气体的排放，但减排幅度和潜力受到很大限制。如果把水泥生产中直接排放的CO2捕捉下来并回收再利用，不仅能大幅减少CO2的排放，还能更好地利用碳资源，被认为是实现CO2减排的最直接有效、最具前景的手段。
目前，工业上采用的CO2的捕捉技术主要有溶剂吸收法、膜分离法、富氧燃烧法及PSA技术等，这些方法在经济性、选择性以及适用性等方面都存在各自的特点。
溶剂吸收法分为物理吸收法和化学吸收法。溶剂吸收法作为一种传统的脱碳方式，已在国内合成氨变换气脱碳工艺中得到广泛应用。物理吸收法由于在溶剂中的溶解服从亨利定律，仅适用于CO2分压较高的条件，化学吸收法可得到高浓度CO2，处理量大，但也存在吸收剂再生困难、设备容易腐蚀等问题。膜分离法具有投资低、操作方便、能耗低等优点，目前已成功用于从天然气和石油开采中回收CO2，但是由于膜本身或膜组件材料的耐热性较差，限制了它的应用范围，另外采用膜分离法很难得到高纯度的CO2。
PSA技术的基本原理是利用吸附剂对不同气体的吸附容量、吸附力、吸附速度随压力的不同而有差异的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，加压吸附混合物中易吸附组分(通常是物理吸附)，当吸附床减压时，解吸这些吸附组分，从而使吸附剂再生，是近十几年来应用比较广泛的脱碳工艺，具有能耗相对较低、适应性好、自动化程度高、吸附剂使用周期长等优点，因此在石油化工、冶金、轻工及环保等领域得到较多应用，但在水泥工业鲜有其应用的报道，主要原因是存在水泥窑烟气CO2浓度过低无法吸附分离、吸附分离不充分及提取到的CO2浓度低等难题。因此需要将PSA技术与其它技术手段相结合，能够将水泥生产中直接排放的CO2捕捉下来并回收再利用。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统，所述系统包括依次连接的换热器、TSA脱水装置、PSA脱CO2装置和曝气系统，其中，
所述换热器用于降低水泥窑炉排出烟气的温度，并将烟气输送至TSA脱水装置，
所述TSA脱水装置用于脱除烟气中的水分，并将烟气输送至PSA脱CO2装置，
所述PSA脱CO2装置用于脱除烟气中的CO2，并将分离出的CO2输送至曝气系统，使CO2发生酸碱反应。
优选地，所述系统还包括离心风机，所述离心风机位于水泥窑炉的出烟口和所述换热器的入口之间，用于将水泥窑炉排出烟气送入所述换热器。
优选地，所述系统还包括第一压缩机，所述第一压缩机位于所述TSA脱水装置的出口和所述PSA脱CO2装置的入口之间，用于将从所述TSA脱水装置输出的干烟气进行压缩，然后送入所述PSA脱CO2装置。
优选地，所述系统还包括第二压缩机，所述第二压缩机位于所述PSA脱CO2装置的出口和所述曝气系统的入口之间，用于将从PSA脱CO2装置输出的含有CO2的烟气进行压缩，然后送入所述曝气系统。
优选地，所述系统还包括罐体，所述罐体位于所述第二压缩机的出口和所述曝气系统的入口之间，用于暂存从PSA脱CO2装置输出的含有CO2的烟气。
优选地，所述水泥窑炉排出烟气的温度为909110℃，由所述换热器换热后，排出烟气的温度为40950℃。
优选地，烟气进入所述TSA脱水装置后，烟气中的含水量降至500ppm以下。
本发明还提供了一种去除水泥窑尾烟气中CO2的方法，采用本发明提供的系统，所述方法包括：
(1)将水泥窑炉排出烟气输送至换热器换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将所述第一烟气输送至TSA脱水装置内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)将所述第二烟气输送至PSA脱CO2装置内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气输送至曝气系统发生酸碱反应。
优选地，所述方法包括：
(1)通过离心风机，将水泥窑炉排出烟气输送至换热器换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将所述第一烟气输送至TSA脱水装置内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)第二烟气由第一压缩机压缩后，输送至PSA脱CO2装置内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气由第二压缩机压缩后，输送至曝气系统发生酸碱反应。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统，所述系统包括依次连接的换热器、TSA脱水装置、PSA脱CO2装置和曝气系统。该系统可以将水泥窑炉排出烟气中的CO2有效脱除，降低水泥生产中的碳排放。后续将分离出的CO2产品气用于飞灰处理，实现碳资源的有效利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统的结构示意图。
图中：1-离心风机；2-换热器；3-TSA脱水装置；4-第一压缩机；5-PSA脱CO2装置；6-第二压缩机；7-罐体；8-曝气系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例涉及一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统，该系统包括依次连接的换热器2、TSA脱水装置3、PSA脱CO2装置5和曝气系统8。如图1所示，换热器2的入口与水泥窑炉的出烟口连接，换热器2的出口与TSA脱水装置3的入口连接，TSA脱水装置3的出口与PSA脱CO2装置5的入口连接，PSA脱CO2装置5的出口与曝气系统8的入口连接。
其中，换热器2用于降低水泥窑炉排出烟气的温度，并将烟气输送至TSA脱水装置3。通常换热器2是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标。本发明中，换热器2除了将烟气中的热量导出外，还具有使烟气中的部分水蒸气冷凝的作用。进一步地，水泥窑炉排出烟气的温度为909110℃，由换热器2换热后，排出烟气的温度为40950℃，在冷却过程中实现部分水蒸气的冷凝和导出。
TSA脱水装置3用于脱除烟气中的水分，并将烟气输送至PSA脱CO2装置5。TSA即为变温吸附，是在压力不变的情况下，在常温或低温下吸附，之后在高温下解吸。烟气经TSA脱水装置3除水后，能够减少气体输送阻力，避免了因管道内凝水而导致系统不能正常使用的现象，也可以将TSA脱水装置3命名为TSA预处理装置。烟气进入TSA脱水装置3后，烟气中的含水量降至500ppm以下。
本发明中，TSA脱水装置3包括两台以上的变温吸附预处理塔，其中一台或多台处于吸附脱水状态，另外的变温吸附预处理塔处于再生状态。变温吸附预处理塔的再生过程包括：
a)逆放降压过程：预处理塔逆着吸附方向，即朝着入口端泄压至再生气总管，将解析气送往界区外。
b)加热再生过程：用PSA预处理塔对解吸气进行再生，经TSA加热器加热后，冲洗需要再生的TSA预处理塔。直至床层中的水脱附干净为止。
c)冷却过程：用经过PSA预处理塔再生后的解吸气，对加热再生后的床层进行冷却，直到冷却至常温。
d)升压过程：用经过TSA预处理过的净化合成气逆着吸附方向将TSA预处理塔缓慢升压至吸附压力，之后此预处理器就转入下一次吸附过程。
PSA脱CO2装置5用于脱除烟气中的CO2，并将分离出的CO2输送至曝气系统8，使CO2发生酸碱反应。变压吸附法(简称PSA)是一种新的气体分离技术，以吸附剂分子筛为例，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。本发明中，PSA脱CO2装置5包括两台以上的变压吸附处理塔，其中一台或多台处于吸附脱CO2状态，另外的变压吸附处理塔处于再生状态。变压吸附处理塔的再生过程与上述变温吸附预处理塔的再生过程类似。经PSA脱CO2装置5后，原料烟气被提纯为含有≥40％体积的CO2，流量≥120kg/h的产品气。
变温吸附预处理塔与变压吸附处理塔中均装填有吸附剂。在本发明的一个实施例中，变温吸附预处理塔吸附剂中含有硅胶、氧化铝和沸石中的至少一种。变压吸附处理塔吸附剂中含有氧化铝15-20份，氧化硅15-20份，方沸石10-15份，钙沸石10-15份，碳分子筛10-15份，碳纳米管10-15份，碱金属化合物10-20份。
在本发明的一个实施例中，该系统还包括离心风机1。离心风机1位于水泥窑炉的出烟口和换热器2的入口之间，离心风机1具有抽风和引风的作用，将水泥窑炉的排出烟气送入换热器2。
在本发明的一个实施例中，该系统还包括第一压缩机4。第一压缩机4位于TSA脱水装置3的出口和PSA脱CO2装置5的入口之间，用于将从TSA脱水装置3输出的干烟气进行压缩，然后送入PSA脱CO2装置5。
在本发明的一个实施例中，该系统还包括第二压缩机6。第二压缩机6位于PSA脱CO2装置5的出口和曝气系统8的入口之间，用于将从PSA脱CO2装置5输出的含有CO2的烟气，即产品气进行压缩，然后送入曝气系统8。
在本发明的一个实施例中，该系统还包括罐体7。罐体7位于第二压缩机6的出口和曝气系统8的入口之间，用于暂存从PSA脱CO2装置5输出的含有CO2的烟气。
本发明还提供了一种去除水泥窑尾烟气中CO2的方法，采用本发明提供的系统，该方法包括以下步骤：
(1)将水泥窑炉排出烟气输送至换热器2换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将第一烟气输送至TSA脱水装置3内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)将第二烟气输送至PSA脱CO2装置5内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气输送至曝气系统8发生酸碱反应。
优选地，当系统中还包括离心风机1、第一压缩机4、第二压缩机6和罐体7时，该方法包括以下步骤：
(1)通过离心风机1，将水泥窑炉排出烟气输送至换热器2换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将第一烟气输送至TSA脱水装置3内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)第二烟气由第一压缩机4压缩后，输送至PSA脱CO2装置5内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气由第二压缩机6压缩后，输送罐体7暂存，然后输送至曝气系统8发生酸碱反应。
实施例
(1)通过离心风机1，将水泥窑炉排出烟气输送至换热器2换热，得到降温后的第一烟气，将第一烟气输送至TSA脱水装置3内进行脱水，使第一烟气中的水含量降至500ppm以下，将液态水和水蒸气排出，得到干燥后的第二烟气。
(2)PSA脱CO2装置5采用7塔单元，将硅胶吸附剂装入7塔内，实现CO2的吸附。被吸附CO2的尾气为第三烟气，可反向输入至TSA脱水装置3，对TSA脱水床层进行干燥。由CO2的吸附尾气的出口浓度控制系统吸附解析过程，当CO2在吸附剂上达到一定的吸附量后，停止吸附，并将床层进行升温和抽真空，大量的CO2从床层中解吸，得到含有CO2的产品气。产品气中含有≥40％体积的CO2，流量≥120kg/h。
(3)将第三烟气进行排放，产品气由第二压缩机6压缩至2.5atm，输送进入罐体7暂存，然后输送至曝气系统8，即为飞灰处置线水处理工段的曝气池。曝气池内下方布满若干孔径向下的同心圆穿孔管，CO2气体经过穿孔管以微小气泡形式进入到飞灰水洗液中，通过气液反应产生CO3 2-和H+，并分别与Ca2+和OH-反应，使得飞灰水洗液硬度得到去除和pH降低到中性，满足后续MVR水质要求。
本发明通过将窑尾烟气二氧化碳富集后，用于降低飞灰水洗液的水质硬度和pH值，减少了盐酸和碳酸钠的消耗，同时降低了窑尾烟气二氧化碳的排放量，促进了全社会的碳减排。同时，本发明将窑尾烟气二氧化碳提浓为飞灰水洗液可利用的气源，实现以废治废，同时增加了碳循环的路径，达到了减排治污环保的多重效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种对水泥窑尾烟气中CO2的捕集提浓与利用系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的换热器、TSA脱水装置、PSA脱CO2装置和曝气系统，其中，
所述换热器用于降低水泥窑炉排出烟气的温度，并将烟气输送至TSA脱水装置，
所述TSA脱水装置用于脱除烟气中的水分，并将烟气输送至PSA脱CO2装置，
所述PSA脱CO2装置用于脱除烟气中的CO2，并将分离出的CO2输送至曝气系统，使CO2发生酸碱反应。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括离心风机，所述离心风机位于水泥窑炉的出烟口和所述换热器的入口之间，用于将水泥窑炉排出烟气送入所述换热器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一压缩机，所述第一压缩机位于所述TSA脱水装置的出口和所述PSA脱CO2装置的入口之间，用于将从所述TSA脱水装置输出的干烟气进行压缩，然后送入所述PSA脱CO2装置。
4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二压缩机，所述第二压缩机位于所述PSA脱CO2装置的出口和所述曝气系统的入口之间，用于将从PSA脱CO2装置输出的含有CO2的烟气进行压缩，然后送入所述曝气系统。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括罐体，所述罐体位于所述第二压缩机的出口和所述曝气系统的入口之间，用于暂存从PSA脱CO2装置输出的含有CO2的烟气。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水泥窑炉排出烟气的温度为909110℃，由所述换热器换热后，排出烟气的温度为40950℃。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，烟气进入所述TSA脱水装置后，烟气中的含水量降至500ppm以下。
8.一种去除水泥窑尾烟气中CO2的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的系统，所述方法包括：
(1)将水泥窑炉排出烟气输送至换热器换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将所述第一烟气输送至TSA脱水装置内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)将所述第二烟气输送至PSA脱CO2装置内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气输送至曝气系统发生酸碱反应。
9.一种去除水泥窑尾烟气中CO2的方法，其特征在于，采用权利要求5所述的系统，所述方法包括：
(1)通过离心风机，将水泥窑炉排出烟气输送至换热器换热，得到降温后的第一烟气，
(2)将所述第一烟气输送至TSA脱水装置内进行脱水，得到干燥后的第二烟气，
(3)第二烟气由第一压缩机压缩后，输送至PSA脱CO2装置内脱除CO2，得到不含有CO2的第三烟气和含有CO2的产品气，
(4)将第三烟气进行排放，产品气由第二压缩机压缩后，输送至曝气系统发生酸碱反应。
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