CN112321183B - 实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法，系统包括生料预热预分解系统、烟室、回转窑和冷却机；烟室、回转窑和冷却机依次连通；生料预热预分解系统包括分解炉和旋风预热器，底端旋风预热器的进风口连接分解炉的出风管，顶端旋风预热器的出风口排出低温烟气；底端旋风预热器的出料口连通烟室，顶端旋风预热器的进料口用于生料进料；冷却机包括第一冷却区和第二冷却区，第一冷却区的进气口通入纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，第二冷却区的进气口通入空气。本发明解决现有燃烧后捕集CO₂技术存在的CO₂捕集提纯系统的CO₂气体捕集效率低、进捕集提纯系统烟气中CO₂浓度偏低、系统投资以及运行成本高的问题。

Description

实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法

技术领域

本发明属于水泥生产设备技术领域，具体涉及实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法。

背景技术

CO₂作为一种主要的温室气体，其大量排放加剧了全球温室效应，世界各国均普遍面临着实现碳减排、缓解全球气候变化的艰巨任务。为更好发展全球经济和保护自然环境，世界各国都相继制定了碳减排战略目标。在我国，水泥行业已成为仅次于电力行业的第二大CO₂排放源。据统计，2018年全国水泥熟料产量约为14.2亿吨，在国内现有每生产1吨水泥熟料的CO₂排放量约为0.84吨的技术水平条件下，CO₂排放量在2018年已接近12亿吨。因此，减缓水泥工业高CO₂排放问题刻不容缓。

对碳减排技术的研究，国内外已有不少报道，但这些研究主要面向电力、煤炭和钢铁等行业，水泥行业相关的碳减排技术报道相对较少。当前水泥生产工艺普遍采用的是新型干法生产工艺，它主要采用水泥窑系统，水泥窑系统具体由冷却机、燃烧器、回转窑、旋风预热器和连接风管等组成。其中，生料在旋风预热器中预热升温，在分解炉内分解，部分燃料在分解炉内燃烧为生料分解提供所需的热量，分解后的生料在回转窑内由另一部分燃料煅烧成水泥熟料，随后水泥熟料经冷却机冷却至合适温度。

当前水泥窑系统的冷却机通入的冷却气体为空气，从水泥窑系统排出的CO₂浓度为30％左右。

目前水泥行业可采用的碳减排技术方案为燃烧前捕集CO₂、燃烧后捕集CO₂以及水泥窑纯氧燃烧技术。

其中燃烧前捕集CO₂是指对燃料在燃烧前进行预处理，分离出燃料中的碳。由于水泥熟料生产工艺特点，燃烧前捕集CO₂的一个显著缺点是仅能分离出燃料燃烧产生的CO₂，而生料煅烧产生的约60％的CO₂随烟气排放了，即生料煅烧过程中产生的CO₂没有得到处理。此外，燃烧前捕集CO₂技术相比其他CO₂捕集技术熟料煅烧过程对氢燃烧的条件非常苛刻，需要对回转窑内燃烧器进行特殊设计，因此该技术在水泥行业碳减排中可行性较低。

燃烧后捕集CO₂技术主要是指从燃烧后的烟气进行CO₂捕集或者分离出CO₂，现有主要的技术包括吸收法、吸附法、膜吸收法和矿物碳化法等。上述方法均存在CO₂气体捕集效率低、CO₂气体捕集流量小、系统投资以及运行成本高的问题。

水泥窑纯氧燃烧技术是指利用纯氧气(实际氧气浓度可能为95％以上)代替空气助燃，可以大幅度提升窑尾烟气CO₂浓度，进而大大节省后续烟气CO₂捕集提纯系统的投资成本和运行成本。有研究机构对纯氧燃烧技术在玻璃和火电等行业的应用进行了研讨，由于水泥窑纯氧燃烧在生产布置、反应条件上与玻璃和火电炉窑等有较大差异，同时还需要对冷却机以及系统用风等进行特殊设计，目前水泥行业尚未有纯氧燃烧技术投运的实际案例。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及制备水泥熟料制备方法，解决现有燃烧后捕集CO₂技术存在的CO₂捕集提纯系统的CO₂气体捕集效率低、进捕集提纯系统烟气中CO₂浓度偏低、系统投资以及运行成本高的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，包括生料预热预分解系统、烟室、回转窑和冷却机；所述回转窑上设置第一燃烧器；

所述烟室、回转窑和冷却机依次连通；

所述生料预热预分解系统包括分解炉和旋风预热器，所述分解炉上设置第二燃烧器和生料入口；

所述旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述分解炉的出风管，所述旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气；所述旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口用于生料进料，所述旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室；

所述冷却机包括第一冷却区和第二冷却区，所述第一冷却区的进气口通入纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，所述第二冷却区的进气口通入空气。

进一步的，所述冷却机的辊破布置方式采用中置，中置辊破将所述冷却机分为第一冷却区和第二冷却区。

进一步的，所述第一冷却区还包括出气口，根据冷却机中置辊破不同的耐受温度，所述第一冷却区的出气口的气体走向不同，具体如下：

若所述中置辊破的耐受温度为450-850℃左右，则所述第一冷却区的出气口的气体分为三路：

第一路气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧；

第二路气体作为三次风通过三次风管进入分解炉内供燃料燃烧；

第三路气体通过管道与第一余热利用系统的进气口连接；

若所述中置辊破的耐受温度≥900℃，则所述第一冷却区的出气口的气体分为两路：

第一路气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧；

第二路气体作为三次风通过三次风管进入分解炉内供燃料燃烧。

进一步的，还包括第一管路组件，所述第一管路组件包括第一支路管道和第二支路管道；

所述第一支路管道一端与第一余热利用系统的出气口连通，所述第一支路管道的另一端与所述第一冷却区的进气口连通；

所述第二支路管道的一端与所述第一余热利用系统的出气口连通，所述第二支路管道的另一端与所述第一燃烧器的进风口连通。

进一步的，所述旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口与第二余热利用系统的进气口连通，第二余热利用系统的出气口与除尘器的进气口连通。

进一步的，还包括第二管路组件，所述第二管路组件包括第三支路管道、第四支路管道和第五支路管道；

所述第三支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第三支路管道的另一端与二氧化碳捕集提纯系统连通；

所述第四支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第四支路管道的另一端与所述分解炉的出风管连通；

所述第五支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第五支路管道的另一端与纯氧混合得到所述的纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，混合气通入所述第一冷却区的进气口。

进一步的，还包括第二管路组件，所述第二管路组件包括第三支路管道、第四支路管道和第五支路管道；

所述第三支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第三支路管道的另一端与二氧化碳捕集提纯系统连通；

所述第四支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第四支路管道的另一端与所述分解炉的出风管连通；

所述第五支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第五支路管道的另一端与纯氧混合得到高浓度二氧化碳循环烟气和纯氧的混合气，所述混合气分为两路，第一路混合气进入第一冷却区的进气口，第二路混合气通入所述第一燃烧器。

采用上述的水泥窑系统制备水泥熟料的方法，包括如下步骤：

I-1将生料喂入旋风预热器，生料在旋风预热器内与烟气进行换热分离，得到预热后的生料；

I-2预热后的生料进入分解炉，分解炉内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，得到热生料；

I-3热生料通过烟室进入回转窑，在回转窑内煅烧形成水泥熟料，水泥熟料由回转窑出口进入冷却机；冷却机的辊破布置方式采用中置，中置辊破将冷却机分为第一冷却区和第二冷却区；

将纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气通入第一冷却区对水泥熟料进行第一次冷却，得到第一冷却气体和第一冷却水泥熟料；

根据冷却机的中置辊破不同的耐受温度，第一冷却气体有不同走向,具体如下：

若中置辊破的耐受温度为450-850℃左右，第一冷却气体分为三路，第一路的第一冷却气体作为二次风进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进入分解炉内供燃料燃烧，第三路的第一冷却气体进入第一余热利用系统进行余热利用，得到余热利用后的冷却气体；

余热利用后的冷却气体分为两路，第一路余热利用后的冷却气体与进入第一冷却区的纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气混合，第二路余热利用后的冷却气体作为一次风供第一燃烧器燃烧；

若中置辊破的耐受温度≥900℃，第一冷却气体分为两路，第一路的第一冷却气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进分解炉内供燃料燃烧；

第一冷却水泥熟料经过中置辊破落入第二冷却区进行第二次冷却，得到第二冷却气体和第二冷却水泥熟料，第二冷却水泥熟料的冷却温度为65℃+环境温度，第二冷却气体进入第三余热利用系统利用后经烟气处理排入大气；

I-4进入分解炉的窑气与分解炉内燃料燃烧和生料分解形成的烟气混合得到混合烟气产物，混合烟气产物经分解炉的出风管进入旋风预热器，与旋风预热器内的生料进行换热分离成为低温烟气，低温烟气从旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，低温烟气中CO₂浓度为60-80％；

I-5排出的低温烟气进入第二余热利用系统进行处理，然后进入除尘器进行除尘处理，经过除尘处理后的烟气分为三路，具体如下：

若中置辊破的耐受温度为450-850℃左右，第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉的出风管，第三路烟气作为高浓度二氧化碳循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气通入第一冷却区；

若中置辊破的耐受温度≥900℃，第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉的出风管，第三路烟气作为高浓度二氧化碳循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，混合气分为两路，第一路混合气通入第一冷却区，第二路混合气作为一次风供第一燃烧器燃烧。

和最接近的现有技术比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，对冷却机进行分区供风，即冷却机包括第一冷却区和第二冷却区，在第一冷却区鼓入纯氧和高浓度(60-80％)二氧化碳烟气的混合气，从而在回转窑和分解炉内形成O2/CO₂氛围，进而使得回转窑和分解炉内燃料燃烧和生料分解得到的混合烟气产物为含高浓度(60-80％)CO₂的混合烟气，在第二冷却区鼓入常规空气，可以继续对第一冷却区冷却后的水泥熟料继续进行冷却，采用上述设计，一方面，水泥窑系统实现CO₂自富集，极大便于后续CO₂捕集提纯系统对烟气中CO₂进行捕集提纯，提高CO₂气体捕集效率，实现CO₂捕集提纯系统针对水泥窑系统产生烟气中CO₂的全部捕集，从而实现水泥窑系统CO₂的零排放，并且可以降低CO₂捕集提纯系统的投资运行成本，另一方面，冷却后的水泥熟料温度满足后续生产需求，水泥熟料冷却效果不受影响。

本发明的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，适用于新建水泥生产线的设计或对现有水泥生产线进行改造。当对现有水泥生产线进行改造时，仅需要对冷却机、回转窑和分解炉等系统核心设备进行小幅度改造即可实现，系统改动工作量小，改造成本低。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统的结构示意图；

图2为实施例2的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统的结构示意图；

图3为实施例3的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统的结构示意图。

其中，1-烟室，2-回转窑，201-第一燃烧器，3-冷却机，4-风机，5-分解炉，501-第二燃烧器，502-第一生料入口，503-第二生料入口，504-第三生料入口，505-第四生料入口，506-出风管，601-第一旋风分离器，602-第二旋风分离器，603-第三旋风分离器，604-第四旋风分离器，605-第五旋风分离器，606-第六旋风分离器，607-第七旋风分离器，608-第八旋风分离器，609-第九旋风分离器，6010-第十旋风分离器，6011-第十一旋风分离器，6012-第十二旋风分离器，701-第一排气管，702-第二排气管，801-第一进风管，802-第二进风管，803-第三进风管，804-第四进风管，805-第五进风管，806-第六进风管，807-第七进风管，808-第八进风管，809-第九进风管，8010-第十进风管，901-第一支路管道，902-第二支路管道，903-第三支路管道，904-第四支路管道，905-第五支路管道，906-第六支路管道，907-第七支路管道，101-第一连通管道，102-第二连通管道，1101-第一分料阀，1102-第二分料阀。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本实施例的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，包括烟室1、回转窑2、冷却机3、风机4、生料预热预分解系统、第一管路组件和第二管路组件，生料预热预分解系统为常规生料预热预分解系统。

生料预热预分解系统与烟室1连通，回转窑2上设置第一燃烧器201，回转窑2的尾部与烟室1连通，回转窑2的头部与冷却机1连通。

生料预热预分解系统包括分解炉5和旋风预热器，旋风预热器包括第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，需要说明的是图中旋风预热器的列数仅为示意，本领域技术人员可以根据实际需要设定。

分解炉5上设置第二燃烧器501，分解炉5的侧壁开设生料入口，分解炉5的顶部设置出风管506，需要说明的是，出风管506也可以设置在分解炉5的侧面。

为了调控分解炉5内温度场分布,生料入口可以设置为多个，本领域技术人员可以根据实际需要设定，图中示意生料入口包括第一生料入口502、第二生料入口503、第三生料入口504、第四生料入口505。

上述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接分解炉5的出风管506，第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出第一低温烟气，第一低温烟气的温度范围为300-400℃左右；第一低温烟气中含有高浓度二氧化碳气体，低温烟气中二氧化碳浓度为60-80％；

第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口用于生料进料，第一列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通烟室1。

具体的，第一列旋风预热器的级数优选为3-7级，图中示意第一列旋风预热器包括依次连通的第一旋风分离器601、第二旋风分离器602、第三旋风分离器603、第四旋风分离器604、第五旋风分离器605和第六旋风分离器606。

第一旋风分离器601的顶端开设第一出风口，第一出风口与第一排气管701连通，第一排气管701用于排出上述第一低温烟气，第一旋风分离器601的顶端侧面与第一进风管801连通，第一旋风分离器601的底端与第二进风管802连通。

第二旋风分离器602的顶端与第一进风管801连通，第二旋风分离器602的顶端侧面和第二进风管802连通，第一进风管801上开设第一进料口，第一进料口用于生料进料，第二旋风分离器602的底端与第三进风管803连通。

第三旋风分离器603的顶端与第二进风管802连通，第三旋风分离器603的顶端侧面和第三进风管803连通，第三旋风分离器603的底端与第四进风管804连通。

第四旋风分离器604的顶端与第三进风管803连通，第四旋风分离器604的顶端侧面和第四进风管804连通，第四旋风分离器604的底端与第五进风管805连通。

第五旋风分离器605的顶端与第四进风管804连通，第五旋风分离器的顶端侧面与第五进风管805连通，第五旋风分离器605的底端的下料管通过第一分料阀1101与上述的第一生料入口502和第二生料入口503连通。

第六旋风分离器606的顶端与第五进风管805连通，第六旋风分离器606的顶端侧面开设第一进风口，第一进风口通过第一连通管道101与分解炉5的出风管506连通，第六旋风分离器606的底端开设第一出料口，第一出料口与烟室1连通。

上述第二列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接分解炉6的出风管506，第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出第二低温烟气，第二低温烟气的温度为300-400℃左右，第二低温烟气中含有高浓度二氧化碳气体，二氧化碳气体的浓度为60-80％；

第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口用于生料进料，第二列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连接所述烟室1。

具体的，第二列旋风预热器的级数优选为3-7级，图中示意第二列旋风预热器包括依次连通的第七旋风分离器607、第八旋风分离器808、第九旋风分离器809、第十旋风分离器6010、第十一旋风分离器6011和第十二旋风分离器6012。

第七旋风分离器607的顶端开设第二出风口，第二出风口与第二排气管702连通，用于排出上述第二低温烟气，第七旋风分离器607的顶端侧面与第六进风管806连通，第七旋风分离器607的底端与第七进风管807连通。

第八旋风分离器608的顶端与第六进风管806连通，第六进风管806上开设第二进料口，第二进料口用于生料进料，第八旋风分离器608的顶端侧面与第七进风管807连通，第八旋风分离器608的底端与第八进风管808连通。

第九旋风分离器609的顶端与第七进风管807连通，第九旋风分离器609的顶端侧面和第八进风管808连通，第九旋风分离器609的底端与第九进风管809连通。

第十旋风分离器6010的顶端与第八进风管808连通，第十旋风分离器6010的顶端侧面和第九进风管809连通，第十旋风分离器6010底端与第十进风管8010连通。

第十一旋风分离器6011的顶端与第九进风管809连通，第十一旋风分离器6011的顶端侧面与第十进风管8010连通，第十一旋风分离器的底端的下料管通过第二分料阀1102与上述第三生料入口504和第四生料入口505连通。

第十二旋风分离器6012的顶端与第十进风管8010连通，第十二旋风分离器6012的顶端侧面开设第二进风口，第二进风口通过第二连通管道102与分解炉5顶端的出风管506连通，第十二旋风分离器6012的底端开设第二出料口，第二出料口与烟室1连通。

上述冷却机3的辊破布置方式为中置，需要说明的是“辊破”表示辊式破碎机，冷却机的辊破布置方式为中置表示辊式破碎机放置在冷却机的中间位置。中置辊破将冷却机3分为第一冷却区和第二冷却区，第一冷却区的进气口通入纯氧和高浓度(60-80％)二氧化碳烟气的混合气，第二冷却区的进气口通入空气，空气的输出源为图中示意的风机4，纯氧可以是制氧系统制取，也可以购买，第一冷却区的出气口排出第一冷却气体，第二冷却区的出气口排出第二冷却气体，第二冷却气体进入第三余热利用系统利用后经烟气处理排入大气。

根据冷却机3中置辊破不同的耐受温度，上述第一冷却气体的气体走向不同，本实施例中冷却机3的中置辊破耐受温度为600℃左右，当中置辊破耐受温度为600℃左右时，辊破一般位于冷却机中段或中后段，此时，第一冷却气体走向分为三路；

第一路的第一冷却气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧；

第二路的第一冷却气体作为三次风通过三次风管进入分解炉内供燃料燃烧；

第三路的第一冷却气体通过管道与第一余热利用系统的进气口连接；第三路的第一冷却气体由第一余热利用系统利用，具体的，本实施例的第一余热利用系统为余热锅炉，第三路的第一冷却气体进入余热锅炉发电。

上述第一管路组件包括第一支路管道901和第二支路管道902；

第一支路管道901一端与第一余热利用系统的出气口连通，第一支路管道901的另一端通过风机与第一冷却区的进气口连通，余热利用后的第一路气体与纯氧及高浓度二氧化碳烟气的混合气进行混合，随后一起鼓入第一冷却区；

第二支路管道902的一端与第一余热利用系统的出气口连通，第二支路管道902的另一端通过风机与第一燃烧器201的进风口连通，余热利用后的第二路气体作为一次风进入第一燃烧器201供应燃料燃烧。

优选的，上述第一排气管701和第二排气管702的排气口与第二余热利用系统(优选为余热锅炉)的进气口连通，从而便于对第一列旋风预热器排出的第一低温烟气以及第二列旋风预热器排出的第二低温烟气进行余热利用，第二余热利用系统的出气口通过风机与除尘器的进气口连通，对应的，上述第二管路组件包括第三支路管道903、第四支路管道904和第五支路管道905；

第三支路管道903的一端通过风机与除尘器的出气口连通，第三支路管道903的另一端与二氧化碳捕集提纯系统连通；

第四支路管道904的一端通过风机与除尘器的出气口连通，第四支路管道904的另一端与分解炉的出风管连通；

第五支路管道905的一端通过风机与除尘器的出气口连通，第五支路管道905的另一端与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳循环烟气的混合气，这里的纯氧和高浓度二氧化碳循环烟气的混合气可以作为上述纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气进入第一冷却区的进气口；

即上述经除尘器除尘的烟气分为以下三路，第一路烟气进二氧化碳捕集提纯系统，经过除水、净化和精馏等一系列提纯工艺可得到CO₂浓度为99.9％的工业级或99.99％的食品级或干冰等形式的CO₂产品；第二路烟气进分解炉5的出风管506，对分解炉5出口烟气进行降温，避免分解炉5出口管道或与分解炉5出口连接的第一列或第二列旋风预热器的最下一级旋风分离器锥部或下料管出现结皮堵塞；第三路烟气与制氧系统制取或外购的纯氧进行混合得到混合气通入第一冷却区的进气口。

采用上述水泥窑系统制备水泥熟料的方法，包括如下步骤：

I-1将经过均化处理后的生料经过生料提升机分别喂入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，生料在旋风预热器内与烟气进行换热分离，得到预热后的生料，预热后的生料温度为700-800℃；

I-2预热后的生料进入分解炉5，分解炉5内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，得到热生料；

I-3热生料通过烟室1进入回转窑2，在回转窑2内煅烧形成水泥熟料，水泥熟料由回转窑2出口进入冷却机3；

将纯氧和高浓度二氧化碳的烟气通入第一冷却区对水泥熟料进行第一次冷却，得到第一冷却气体和第一冷却水泥熟料；

第一冷却气体分为三路，第一路的第一冷却气体作为二次风进入回转窑2内供燃料燃烧，回转窑内2燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉5，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进入分解炉5内供燃料燃烧，第三路的第一冷却气体进入第一余热利用系统处理进行余热利用，得到余热利用后的冷却气体；

余热利用后的冷却气体分为两路，第一路余热利用后的冷却气体与进入第一冷却区的纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气混合，第二路余热利用后的冷却气体作为一次风进入回转窑2内的第一燃烧器燃烧；

第一冷却水泥熟料经过中置辊破落入第二冷却区进行第二次冷却，得到第二冷却气体和第二冷却水泥熟料，第二冷却水泥熟料的冷却温度为65℃+环境温度，第二冷却气体进入第三余热利用系统利用后经烟气处理排入大气；

I-4进入分解炉5的窑气与分解炉5内燃料燃烧和生料分解形成的烟气混合得到混合烟气产物，混合烟气产物经分解炉5的出风管506进入旋风预热器，与旋风预热器内的生料进行换热分离成为低温烟气，低温烟气从旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，低温烟气中CO₂浓度为60-80％；

I-5排出的低温烟气进入第二余热利用系统进行余热利用，然后进入除尘器进行除尘处理，经过除尘处理后的烟气分为三路，具体如下：

第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉5的出风管506，第三路烟气作为高浓度二氧化碳循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气通入第一冷却区。

实施例2

如图2所示，为本实施例的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，和实施例1的水泥窑系统结构基本类似，区别在于，本实施例的第一余热利用系统包括换热器和煤磨装置，即第三路的第一冷却气体经换热器与空气进行换热，换热后的空气进煤磨装置进行烘干，随后经烟气处理后排入大气，换热后的气体分为两路分别进入第一支路管道901和第二支路管道902。

本实施例的采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法同实施例1。

实施例3

如图3所示，为本实施例的实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，和实施例1的水泥窑系统结构基本类似，区别如下：

1、冷却机3内中置辊破耐受温度≥900℃，当中置辊破的耐受温度≥900℃，辊破一般位于冷却机3前段或前中段，此时，第一冷却气体分为两路；

第一路的第一冷却气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧；

第二路的第一冷却气体作为三次风通过三次风管进入分解炉内供燃料燃烧。

2、第五支路管道905另一端与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳循环烟气的混合气的走向不同，本实施例的混合气分为两路，第一路混合气通过第六支路管道906进入第一冷却区的进气口，第二路混合气通过第七支路管道907通入第一燃烧器201。

本实施例的水泥窑系统制备水泥熟料的方法如下：

I-1将经过均化处理后的生料经过生料提升机分别喂入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，生料在旋风预热器内与烟气进行换热分离，得到预热后的生料；

I-2预热后的生料进入分解炉5，分解炉5内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，得到热生料；

I-3热生料通过烟室1进入回转窑2，在回转2窑内煅烧形成水泥熟料，水泥熟料由回转窑2出口进入冷却机3；冷却机3的辊破布置方式采用中置，中置辊破将冷却机3分为第一冷却区和第二冷却区；

将纯氧和高浓度二氧化碳的烟气的混合气通入第一冷却区对水泥熟料进行第一次冷却，得到第一冷却气体和第一冷却水泥熟料；

第一冷却气体分为两路，第一路的第一冷却气体作为二次风直接进入回转窑2内供燃料燃烧，回转窑2内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉5，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进分解炉5内供燃料燃烧；

第一冷却水泥熟料经过中置辊破落入第二冷却区进行第二次冷却，得到第二冷却气体和第二冷却水泥熟料，第二冷却水泥熟料的冷却温度为65℃+环境温度，第二冷却气体进入第三余热利用系统利用后经烟气处理排入大气；

I-4进入分解炉5的窑气与分解炉5内燃料燃烧和生料分解形成的烟气混合得到混合烟气产物，混合烟气产物经分解炉5的出风管506进入旋风预热器，与旋风预热器内的生料进行换热分离成为低温烟气，低温烟气从旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，低温烟气中CO₂浓度为60-80％；

I-5排出的低温烟气进入第二余热利用系统进行余热利用，然后进入除尘器进行除尘处理，经过除尘处理后的烟气分为三路，具体如下：

第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉5的出风管506，第三路烟气作为高浓度二氧化碳的循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，混合气分为两路，第一路混合气通入第一冷却区，第二路混合气作为一次风供第一燃烧器201燃烧。

本发明的水泥窑系统具有如下改进：

1、能够让二氧化碳捕集提纯系统实现将水泥熟料生产制备过程中排放的对生态环境造成不利影响的CO₂全部进行捕集，制备为99.9％的工业级或99.99％的食品级或干冰等形式的CO₂产品，实现了对CO₂的再利用，推广意义显著。

2、现有水泥窑系统出口烟气量大，烟气中CO₂浓度为30％左右，提纯为99.9％的工业级或99.99％的食品级或干冰等形式的CO₂产品所需要的工艺流程较为复杂，捕集提纯系统的投资成本和运行成本偏高。本发明回转窑和分解炉内为O₂/CO₂气氛，第一列旋风预热器或第二列旋风预热器的出口烟气CO₂浓度为70％左右，可大大简化烟气捕集提纯系统工艺流程，大幅度降低烟气捕集提纯系统投资成本和运行成本。

3、本发明方案适用于新建水泥生产线的设计或对现有水泥生产线进行改造。当对现有水泥生产线进行改造时，仅需要对冷却机、回转窑和分解炉等烧成系统核心设备进行小幅度改造即可实现本发明方案的设计意图，系统改动工作量小，改造成本低。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法，其特征在于，所述水泥窑系统能够实现二氧化碳零排放；

所述水泥窑系统包括生料预热预分解系统、烟室、回转窑和冷却机；所述回转窑上设置第一燃烧器；

所述烟室、回转窑和冷却机依次连通；

所述生料预热预分解系统包括分解炉和旋风预热器，所述分解炉上设置第二燃烧器和生料入口；

所述旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述分解炉的出风管，所述旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气；所述旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口用于生料进料，所述旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室；

所述冷却机包括第一冷却区和第二冷却区，所述第一冷却区的进气口通入纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，所述第二冷却区的进气口通入空气；

所述方法包括如下步骤：

I-1将生料喂入旋风预热器，生料在旋风预热器内与烟气进行换热分离，得到预热后的生料；

I-2预热后的生料进入分解炉，分解炉内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，得到热生料；

I-3热生料通过烟室进入回转窑，在回转窑内煅烧形成水泥熟料，水泥熟料由回转窑出口进入冷却机；冷却机的辊破布置方式采用中置，中置辊破将冷却机分为第一冷却区和第二冷却区；

将纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气通入第一冷却区对水泥熟料进行第一次冷却，得到第一冷却气体和第一冷却水泥熟料；

根据冷却机的中置辊破不同的耐受温度，第一冷却气体有不同走向,具体如下：

若中置辊破的耐受温度为450-850℃，第一冷却气体分为三路，第一路的第一冷却气体作为二次风进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进入分解炉内供燃料燃烧，第三路的第一冷却气体进入第一余热利用系统进行余热利用，得到余热利用后的冷却气体；

余热利用后的冷却气体分为两路，第一路余热利用后的冷却气体与进入第一冷却区的纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气混合，第二路余热利用后的冷却气体作为一次风供第一燃烧器燃烧；

若中置辊破的耐受温度≥900℃，第一冷却气体分为两路，第一路的第一冷却气体作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉，第二路的第一冷却气体作为三次风直接进分解炉内供燃料燃烧；

第一冷却水泥熟料经过中置辊破落入第二冷却区进行第二次冷却，得到第二冷却气体和第二冷却水泥熟料，第二冷却水泥熟料的冷却温度为65℃+环境温度，第二冷却气体进入第三余热利用系统利用后经烟气处理排入大气；

I-4进入分解炉的窑气与分解炉内燃料燃烧和生料分解形成的烟气混合得到混合烟气产物，混合烟气产物经分解炉的出风管进入旋风预热器，与旋风预热器内的生料进行换热分离成为低温烟气，低温烟气从旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，低温烟气中CO₂浓度为60-80%；

I-5排出的低温烟气进入第二余热利用系统进行处理，然后进入除尘器进行除尘处理，经过除尘处理后的烟气分为三路，具体如下：

若中置辊破的耐受温度为450-850℃，第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉的出风管，第三路烟气作为高浓度二氧化碳循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气通入第一冷却区；

若中置辊破的耐受温度≥900℃，第一路烟气进入二氧化碳捕集提纯系统，第二路烟气进入分解炉的出风管，第三路烟气作为高浓度二氧化碳循环烟气与纯氧混合，得到纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，混合气分为两路，第一路混合气通入第一冷却区，第二路混合气作为一次风供第一燃烧器燃烧。

2.根据权利要求1所述的采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法，其特征在于，还包括第一管路组件，所述第一管路组件包括第一支路管道和第二支路管道；

所述第一支路管道一端与第一余热利用系统的出气口连通，所述第一支路管道的另一端与所述第一冷却区的进气口连通；

所述第二支路管道的一端与所述第一余热利用系统的出气口连通，所述第二支路管道的另一端与所述第一燃烧器的进风口连通。

3.根据权利要求1所述的采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法，其特征在于，所述旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口与第二余热利用系统的进气口连通，第二余热利用系统的出气口与除尘器的进气口连通。

4.根据权利要求3所述的采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法，其特征在于，还包括第二管路组件，所述第二管路组件包括第三支路管道、第四支路管道和第五支路管道；

所述第三支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第三支路管道的另一端与二氧化碳捕集提纯系统连通；

所述第四支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第四支路管道的另一端与所述分解炉的出风管连通；

所述第五支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第五支路管道的另一端与纯氧混合，得到所述纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，混合气通入所述第一冷却区的进气口。

5.根据权利要求3所述的采用水泥窑系统制备水泥熟料的方法，其特征在于，还包括第二管路组件，所述第二管路组件包括第三支路管道、第四支路管道和第五支路管道；

所述第三支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第三支路管道的另一端与二氧化碳捕集提纯系统连通；

所述第四支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第四支路管道的另一端与所述分解炉的出风管连通；

所述第五支路管道的一端与所述除尘器的出气口连通，所述第五支路管道的另一端与纯氧混合得到高浓度二氧化碳循环烟气和纯氧的混合气，所述混合气分为两路，第一路混合气进入第一冷却区的进气口，第二路混合气通入所述第一燃烧器。

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