CN113509834B - 局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺，包括预热器‑碳化炉‑回转窑模块、纯氧燃烧分解炉模块以及辅助与纯化装置，预热器‑碳化炉‑回转窑模块包括生料进料装置、第一系列旋风预热器、碳化炉、第二系列旋风预热器、烟室、回转窑、三次风管、回转窑燃烧器以及冷却机；纯氧燃烧分解炉模块包括分解炉、分解炉燃烧器、第三系列旋风预热器以及增压风机；辅助与纯化装置包括第一SNCR装置、第二SNCR装置、分风装置、第一分料装置、第二分料装置、第一换热装置、第二换热装置、冷凝除水装置、CO2收集与储存装置、除尘装置、SCR装置、烟气排出装置；通过模块化分离与耦合，降低CO2捕集与利用难度，具有良好的经济性。

Description

局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺
技术领域
本发明涉及水泥生产与钙循环碳捕集交叉技术领域，特别涉及一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺。
背景技术
随国家经济的快速发展，中国的CO2排放量逐年提高，2017年排放量达94.3亿吨，其中水泥工业是我国CO2主要排放源之一(年排放约20.0亿吨，约占21％)。因此，我国碳减排压力极大，降低水泥工业碳排放尤为重要且迫在眉睫。
水泥工业碳减排主要通过烟气纯化捕集实现，目前主要捕集工艺包括：化学吸收法、膜分离法、纯氧燃烧法与钙循环法等。化学吸收法是先对水泥窑烟气加压，然后采用热钾溶液、氨水或有机胺等液体吸收CO2，再通过脱硫床、干燥床脱硫除水，利用固体吸附剂脱除磷、砷、氮氧化物(NOx)等杂质，最终得到工业级或食品级CO2。膜分离法则是利用膜对气体分子直径的选择性，在一定压强作用下部分气体通过分子膜，进而实现CO2的富集与分离。纯氧燃烧法是通过氧气助燃显著提高燃料的燃烧效率、降低NOx排放，大幅度提高烟气中CO2浓度以便碳捕集。钙循环法则是利用水泥窑系统中大量存在的CaO吸收CO2生成CaCO3，再在分解炉中重新分解释放CO2并进行捕获，即通过“CaO-CaCO3-CaO”循环实现水泥窑烟气中CO2的自富集。
综上，采用化学吸收与膜分离法进行碳捕集时需要大量化学试剂与膜材料，且均需对烟气进行加压与减压操作，极大地提高碳捕集成本。此外，水泥窑烟气流量大、粉尘与酸性气体含量高，膜分离法难以持续、高通量地进行CO2分离与纯化，大大缩短了吸收剂循环寿命。相比而言，纯氧燃烧法与钙循环法充分利用燃料特性与水泥窑系统高钙特点，可从源头提高水泥窑烟气中CO2的浓度，大大缓解水泥窑烟气尾端处理与捕获难度，具有较强的碳捕集潜力。由于钙循环过程中活性急剧下降、循环效率低，且实现水泥窑全系统纯氧环境成本极高，阻碍了纯氧燃烧与钙循环工艺在水泥窑烟气碳捕集领域的推广和应用。
发明内容
为解决背景技术中所提及的技术问题，本发明提供一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺。
本发明所采用的技术方案是：一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，包括预热器-碳化炉-回转窑模块、纯氧燃烧分解炉模块以及辅助与纯化装置，所述预热器-碳化炉-回转窑模块包括生料进料装置、第一系列旋风预热器、碳化炉、第二系列旋风预热器、烟室、回转窑、三次风管、回转窑燃烧器以及冷却机；所述纯氧燃烧分解炉模块包括分解炉、分解炉燃烧器、第三系列旋风预热器以及增压风机；所述辅助与纯化装置包括第一SNCR装置、第二SNCR装置、分风装置、第一分料装置、第二分料装置、第一换热装置、第二换热装置、冷凝除水装置、CO2收集与储存装置、除尘装置、SCR装置、烟气排出装置；
三次风管与烟室的出口相连，第二系列旋风预热器的进风口与烟室相连，碳化炉的进风口与第二系列旋风预热器相连，第一系列旋风预热器的进风口与碳化炉的出风口相连，第一系列旋风预热器的出风口与第二换热装置、除尘装置、SCR装置依次相连；分解炉的出风口与第三系列旋风预热器的进风口相连，第三系列旋风预热器的出风口连接分风装置，分风装置其中一个出口连接增压风机，并与分解炉的进风口相连，分风装置的另一出口与第一换热装置、冷凝除水装置、CO2收集与储存装置依次相连；
第一系列旋风预热器的倒数第二级旋风分离器的出料口与碳化炉相连，第一系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器的出料口与第二系列旋风预热器进风管相连，第二系列旋风预热器的出料口通过第二分料装置与分解炉相连，分解炉与第三系列旋风预热器的入料口相连，第三系列旋风预热器的出料口通过第一分料装置，分别与碳化炉及回转窑窑尾相连接，分解炉的进风口与第二SNCR装置连接，第二系列旋风预热器的进风口与第一SNCR装置连接，烟室下部与回转窑窑尾连接，回转窑窑头与回转窑燃烧器、冷却机连接。
至少具有以下有益效果：纯氧燃烧分解炉模块与预热器-碳化炉-回转窑模块进行分离式设计，同时耦合分解炉-碳化炉局部钙循环，将分解炉产生的CaO部分喂入碳化炉高效捕集CO2，再将固碳产物CaCO3传输至分解炉完成CO2释放，实现了水泥窑烟气中CO2的高效捕集与超高浓度自富集，降低后续CO2捕集与利用难度，具有良好的经济性，便于推广。并且，通过将纯氧燃烧分解炉模块与预热器-碳化炉-回转窑模块进行分离式设计，一方面使回转窑内产生的氯碱硫等挥发性物质无法进入分解炉；另一方面第一系列预热器内生料中硫化物分解释放的SO2等杂质气体也无法进入分解炉，均有利于纯氧燃烧分解炉模块获得超高浓度、较为纯净的CO2烟气，进一步降低了后续纯化、利用等难度。
进一步地，所述第一系列旋风预热器的旋风分离器级数为4～7级，第二系列旋风预热器的旋风分离器级数为1～2级，第三系列旋风预热器的旋风分离器级数为1～2级。
进一步地，所述碳化炉具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口。
进一步地，所述分解炉具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口。
一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置的捕集工艺：
在第一系列旋风预热器的第一个旋风分离器的进风口处设置生料进料装置，生料与烟气在第一系列旋风预热器的倒数第二级旋风分离器进入碳化炉；
生料经碳化炉后进入第一系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器，再与烟室出口的气体共同进入第二系列旋风预热器，通过第二分料装置在分解炉不同部位分别喷入热生料；
在分解炉的不同部位设置分解炉燃烧器，喷注燃料与氧气；采用第二SNCR装置除去烟气中的NOx，再进入第三系列旋风预热器，气固分离后，烟气进入分风装置并分成两路，一路依次经过第一换热装置、冷凝除水装置，得到高纯度CO2，进入CO2收集与储存装置，另一路经过增压风机加速，重新进入分解炉参与气体循环；
生料在纯氧燃烧分解炉模块中分解产生大量的CaO，随气体进入第三系列旋风预热器，经过气固分离后，物料通过第一分料装置分成两路，一路进入碳化炉，实现碳化炉与分解炉之间的局部钙循环，另一路进入回转窑窑尾，进而参与熟料烧成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：
图1为局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置的结构框图。
附图标记说明：1-第一系列旋风预热器，2-第二系列旋风预热器，3-第三系列旋风预热器，4-碳化炉，5-第一SNCR装置，6-第二SNCR装置，7-烟室，8-回转窑，9-回转窑燃烧器，10-冷却机，11-第一分料装置，12-第二分料装置，13-分解炉，14-分解炉燃烧器，15-分风装置，16-第一换热装置，17-第二换热装置，18-冷凝除水装置，19-CO2收集与储存装置，20-增压风机，21-生料进料装置，22-除尘装置，23-SCR装置，24-烟气排出装置，25-三次风管。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
首先对下文出现的术语进行解释：
SNCR：选择性非催化还原；SCR：选择性催化还原。
参照图1，本发明实施例提供一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置包括第一系列旋风预热器1、第二系列旋风预热器2、第三系列旋风预热器3、碳化炉4、第一SNCR装置5、第二SNCR装置6、烟室7、回转窑8、回转窑燃烧器9、冷却机10、第一分料装置11、第二分料装置12、分解炉13、分解炉燃烧器14、分风装置15、第一换热装置16、第二换热装置17、冷凝除水装置18、CO2收集与储存装置19、增压风机20、生料进料装置21、除尘装置22、SCR装置23、烟气排出装置24、三次风管25。第一系列旋风预热器1的旋风分离器数级数为4级，第二系列旋风预热器2的旋风分离器级数为1级，第三系列旋风预热器3的旋风分离器级数为1级。
局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置中，三次风管25的出口与烟室7出口相连；第二系列旋风预热器2的进风口与烟室7相连；碳化炉4的进风口与第二系列旋风预热器2的出风口相连；第一系列旋风预热器1的进风口与碳化炉4出风口相连；第一系列旋风预热器1的出风口与第二换热装置17、除尘装置22、SCR装置23以及烟气排出装置24依次相连。
分解炉13的出风口与第三系列旋风预热器3的进风口相连；第三系列旋风预热器3的出风口连接分风装置15；分风装置15其中一个出口连接增压风机20，并与分解炉13进风口相连；分风装置15另一出口与第一换热装置16、冷凝除水装置18、CO2收集与储存装置19依次相连。
生料由生料进料装置21喂入第一系列旋风预热器1的第一级旋风分离器进风管，第一系列旋风预热器1的倒数第二级旋风分离器出料口与碳化炉4相连；第一系列旋风预热器1的倒数第一级旋风分离器出料口与第二系列旋风预热器2的进风管相连；第二系列旋风预热器2的出料口通过第二分料装置12与分解炉13相连；分解炉13出口与第三系列旋风预热器3的进风管连接，第三系列旋风预热器3的出料口通过第一分料装置11分别与碳化炉4及回转窑8窑尾相连接；分解炉13的进风口与第二SNCR装置6连接，第二系列旋风预热器2的进风口与第一SNCR装置5连接；烟室7下部与回转窑8的窑尾连接，回转窑的窑头与回转窑燃烧器9、冷却机10连接。
局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集工艺如下：水泥生料在第一系列旋风预热器1的第一级旋风分离器进风管道进入，在第一系列旋风预热器1内生料与烟气充分发生热交换，从第一系列旋风预热器1的第三级旋风分离器进入碳化炉4进一步热交换；烟气经第一系列旋风预热器1的第四级旋风分离器气固分离后，热生料进入第二系列旋风预热器2进风管道，通过热交换进一步降低碳化炉4入风温度，为提高碳化反应速率和效率奠定基础。此外，预热过程中生料所含硫化物受热分解释放出SO2随烟气排出，以便后续分解炉13获得高纯度CO2，减少SO2等杂质气体含量。
本实施例中，分解炉13具有四级缩口结构，除了最后一级缩口结构，每级缩口结构上方均设置进料口，经过第二系列旋风预热器2的热生料经第二分料装置12多点喂入，以提高碳酸钙分解速率和效率。
第二分料装置12设置在连接第二系列旋风预热器2与分解炉14的管路上，用于调节进入分解炉13不同部位的热生料数量。
优选地，分解炉13的不同部位设置分解炉燃烧器14，用于喷注燃料与氧气，使分解炉13处于局部纯氧燃烧状态。
分解炉燃烧器14均处于分解炉13各级(除最后一级)缩口结构上方，且低于进料口，用于喷注燃料与氧气。
热生料在纯氧燃烧分解炉模块中分解产生大量CO2，少量热力型与燃料型NOx采用SNCR脱硝装置除去，经第三系列旋风预热器3气固分离后，烟气进入分风装置15并分成两路，一路依次经过第一换热装置16、冷凝除水装置18得到高纯度CO2，进入CO2收集与储存装置19；另一路经过增压风机20重新进入分解炉13参与气体循环。
分风装置15设置在第三系列旋风预热器3出风口处，用于调节进入纯氧燃烧分解炉模块与CO2收集与储存装置19的气体量。
根据实施方案，含大量CaO的热生料经第三系列旋风预热器3气固分离后，通过第一分料装置11分成两路，第一路喂入碳化炉4入风管，在600～850℃烟气环境中快速碳化，通过碳化炉4与分解炉13之间的局部钙循环捕获烟气中CO2。第二路喂入回转窑8的窑尾，进入回转窑8参与熟料烧成。
碳化炉4具有多级缩口结构，通过多次喷腾实现气固充分接触，提高碳化速率和效率。
碳化炉4的排出烟气进入第一系列预热器1的倒数第一级旋风分离器，气固分离后热生料喂入第二系列预热器2进风管，与烟室排出的高温烟气发生热交换后进入分解炉13。热交换可降低进入碳化炉的烟气温度，有利于加速碳化炉中碳化反应速率，提高局部钙循环捕获CO2的效率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
1)、纯氧燃烧分解炉模块与预热器-碳化炉-回转窑模块进行分离式设计，同时耦合分解炉-碳化炉局部钙循环，将分解炉产生的CaO部分喂入碳化炉高效捕集CO2，再将固碳产物CaCO3传输至分解炉完成CO2释放，实现了水泥窑烟气中CO2的高效捕集与超高浓度自富集，降低后续CO2捕集与利用难度，具有良好的经济性，便于推广。
2)、纯氧燃烧分解炉模块与预热器-碳化炉-回转窑模块进行分离式设计，一方面使回转窑内产生的氯碱硫等挥发性物质无法进入分解炉模块；另一方面第一系列预热器内生料中硫化物分解释放的SO2等杂质气体也无法进入分解炉模块，均有利于纯氧燃烧分解炉模块获得超高浓度、较为纯净的CO2烟气，进一步降低了后续纯化、利用等难度。
3)、分解炉采用多级缩口结构设计，发挥喷腾效应使物料与助燃气体充分接触，提升燃烧效率，提高CO2生成量，控制NO与CO的生成，利用热生料、燃料与氧气的多级燃烧，使分解炉内温度场分布均匀，避免局部过热，保障了设备运行安全。
4)、将经过第一系列旋风预热器1热交换的热生料喂入第二系列旋风预热器2的进风管，通过气固热交换进一步提高生料温度，一方面减小热生料与分解炉环境的温度差异，提高热效率，也有利于降低分解炉燃料与氧气的消耗量；另一方面，对进入碳化炉4的烟气进行降温，辅以碳化炉4内多点喂入生料，通过热交换吸收碳化释放的热量、降低烟气温度，从而降低碳化炉4中CaCO3的再分解率，提高碳化反应速率，保证了碳化炉中CO2的高效捕集。
5)、在分解炉13与烟室7出风口均设置SNCR脱硝装置，减少烟气中NOx等杂质气体的含量，保证了烟气中CO2的高浓度富集；
6)、利用第三系列旋风预热器3的出口处的分料装置，调控进入碳化炉4局部钙循环与回转窑的CaO量，动态更新进入钙循环体系中的高活性CaO，维持了CaO对CO2的吸收活性，实现了钙循环对CO2的持续、高效捕集作用。
综上，本发明基于水泥窑系统的气固流向与动力学特性，通过物料与温度场的匹配，实现了水泥窑系统中CO2捕集与自富集，充分挖掘了耦合局部纯氧燃烧与局部钙循环的水泥窑烟气碳捕集技术的潜力，实现了水泥窑烟气中CO2的高浓度自富集，有利于水泥窑烟气的资源化利用，便于促进水泥工业的节能减排。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，其特征在于，包括预热器-碳化炉-回转窑模块、纯氧燃烧分解炉模块以及辅助与纯化装置，所述预热器-碳化炉-回转窑模块包括生料进料装置（21）、第一系列旋风预热器（1）、碳化炉（4）、第二系列旋风预热器（2）、烟室（7）、回转窑（8）、三次风管（25）、回转窑燃烧器（9）以及冷却机（10）；所述纯氧燃烧分解炉模块包括分解炉（13）、分解炉燃烧器（14）、第三系列旋风预热器（3）以及增压风机（20）；所述辅助与纯化装置包括第一SNCR装置（5）、第二SNCR装置（6）、分风装置（15）、第一分料装置（11）、第二分料装置（12）、第一换热装置（16）、第二换热装置（17）、冷凝除水装置（18）、CO2收集与储存装置（19）、除尘装置（22）、SCR装置（23）、烟气排出装置（24）；
三次风管（25）与烟室（7）的出口相连，第二系列旋风预热器（2）的进风口与烟室（7）相连，碳化炉（4）的进风口与第二系列旋风预热器（2）相连，第一系列旋风预热器（1）的进风口与碳化炉（4）的出风口相连，第一系列旋风预热器（1）的出风口与第二换热装置（17）、除尘装置（22）、SCR装置（23）依次相连；分解炉（13）的出风口与第三系列旋风预热器（3）的进风口相连，第三系列旋风预热器（3）的出风口连接分风装置（15），分风装置（15）其中一个出口连接增压风机（20），并与分解炉（13）的进风口相连，分风装置（15）的另一出口与第一换热装置（16）、冷凝除水装置（18）、CO2收集与储存装置（19）依次相连；
第一系列旋风预热器（1）的倒数第二级旋风分离器的出料口与碳化炉（4）相连，第一系列旋风预热器（1）的倒数第一级旋风分离器的出料口与第二系列旋风预热器（2）进风管相连，第二系列旋风预热器（2）的出料口通过第二分料装置（12）与分解炉（13）相连，第三系列旋风预热器（3）的出料口通过第一分料装置（11），分别与碳化炉（4）及回转窑（8）窑尾相连接，分解炉（13）的进风口与第二SNCR装置（6）连接，第二系列旋风预热器（2）的进风口与第一SNCR装置（5）连接，烟室（7）下部与回转窑（8）窑尾连接，回转窑（8）窑头与回转窑燃烧器（9）、冷却机（10）连接。
2.根据权利要求1所述的局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，其特征在于：所述第一系列旋风预热器（1）的旋风分离器级数为4~7级，第二系列旋风预热器（2）的旋风分离器级数为1~2级，第三系列旋风预热器（3）的旋风分离器级数为1~2级。
3.根据权利要求1所述的局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，其特征在于：所述碳化炉（4）具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口。
4.根据权利要求1所述的局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，其特征在于：所述分解炉（13）具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口。
5.一种局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置的捕集工艺，采用权利要求1至4任一项所述的局部钙循环与纯氧燃烧耦合的水泥生产碳捕集装置，其特征在于：
在第一系列旋风预热器（1）的第一个旋风分离器的进风口处设置生料进料装置（21），生料与烟气在第一系列旋风预热器（1）的倒数第二级旋风分离器进入碳化炉（4）；
生料经碳化炉（4）后进入第一系列旋风预热器（1）的倒数第一级旋风分离器，再与烟室（7）出口的气体共同进入第二系列旋风预热器（2），通过第二分料装置（12）在分解炉（13）不同部位分别喷入热生料；
在分解炉（13）的不同部位设置分解炉燃烧器（14），喷注燃料与氧气；采用第二SNCR装置（6）除去烟气中的NOx，再进入第三系列旋风预热器（3），气固分离后，烟气进入分风装置（15）并分成两路，一路依次经过第一换热装置（16）、冷凝除水装置（18），得到高纯度CO2，进入CO2收集与储存装置（19），另一路经过增压风机（20）加速，重新进入分解炉（13）参与气体循环；
生料在纯氧燃烧分解炉模块中分解产生大量的CaO，随气体进入第三系列旋风预热器（3），经过气固分离后，物料通过第一分料装置（11）分成两路，一路进入碳化炉（4），实现碳化炉（4）与分解炉（13）之间的局部钙循环，另一路进入回转窑（8）窑尾，进而参与熟料烧成。
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