CN114605093B - 一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥窑技术领域，提供了一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及工艺，该系统包括回转窑，窑头上具有进料仓，窑尾上具有出料口和出气口，还包括：水泥熟料仓，水泥熟料仓用于接收从窑尾的出料口排出的物料；传料机构和碳酸化反应器，传料机构用于将部分水泥熟料仓内的物料输送至碳酸化反应器内；燃烧器和鼓风机，燃烧器与滚筒之间形成燃烧室，燃烧室设置在地面上，燃烧器具有进料口和进气口；烟气管，烟气管的第一端与燃烧室连通，烟气管的第二端与碳酸化反应器连通；返料机构，返料机构用于将碳酸化反应器内的物料输送至窑头上的进料仓内；以及压缩机和储气罐，压缩机的入口与窑尾上的出气口连通，压缩机的出口与储气罐连通。

Description

一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及工艺

技术领域

本发明涉及水泥窑技术领域，特别涉及一种能够实现二氧化碳零排放的 水泥窑系统及工艺。

背景技术

水泥是典型的资源和能源消耗性产品，其生产工艺过程主要包括生料制 备、熟料煅烧、水泥制成三个阶段，需要消耗大量的石灰石原料、煤炭等资 源和能源。

现有的生产系统中，熟料煅烧的阶段一般是在敞开式环境中进行的，碳酸盐 分解产生的二氧化碳、燃料燃烧产生的废气以及空气中的氮气成分混在一起，给 二氧化碳的分离与捕集带来了巨大的困难。水泥生产工业中产生的大量二氧化碳 严重强化了温室效应，因此必须继续提高水泥工业的创新能力，开发新的生产工 艺推进水泥工业的碳减排工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑 系统及工艺，使其能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。

根据本发明的一个方面，提供一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系 统，包括回转窑，所述回转窑包括窑头、窑尾和滚筒，所述窑头上具有进料 仓，所述进料仓内装有水泥生料，所述窑尾上具有出料口和出气口，所述滚 筒的两端分别与所述窑头和所述窑尾转动连接，还包括：

水泥熟料仓，所述水泥熟料仓用于接收从所述窑尾的出料口排出的物 料；

传料机构和碳酸化反应器，所述传料机构用于将部分所述水泥熟料仓内 的物料输送至所述碳酸化反应器内；

燃烧器和鼓风机，所述燃烧器套设在所述滚筒上、且与所述滚筒之间形 成燃烧室，所述燃烧室与所述滚筒之间保持动态密封，所述燃烧室的内壁上 安装有点火器，所述燃烧器具有进料口和进气口，所述燃烧器的进料口上安 装有控制阀，所述燃烧器的进气口与所述鼓风机的出口连通；

烟气管，所述烟气管的第一端与所述燃烧室连通，所述烟气管的第二端 与所述碳酸化反应器连通；

返料机构，所述返料机构用于将所述碳酸化反应器内的物料输送至所述 窑头上的进料仓内；以及

压缩机和储气罐，所述压缩机的入口与所述窑尾上的出气口连通，所述 压缩机的出口与所述储气罐连通。

进一步地，所述滚筒的外侧设置有驱动装置，所述驱动装置用于驱动所 述滚筒旋转。

进一步地，所述碳酸化反应器为固定床结构。

进一步地，所述滚筒由金属材料制成。

根据本发明的第二方面，提供了一种能够实现二氧化碳零排放的工艺， 包括以下步骤：

煤炭在所述燃烧室内燃烧，产生的热量传导至所述滚筒的内部，产生的 烟气进入所述碳酸化反应器内；

水泥生料在所述滚筒内吸收热量后煅烧成为水泥熟料，煅烧过程中产生 的二氧化碳被压缩后储存，所述水泥熟料进入水泥熟料仓内储存；

其中一部分所述水泥熟料进入所述碳酸化反应器内吸收烟气中的二氧化 碳后成为碳酸盐；

所述碳酸盐进入所述滚筒内吸收热量后分解产生二氧化碳，所述二氧化 碳被压缩后储存。

进一步地，所述滚筒的内部温度为850-1250℃。

进一步地，所述碳酸化反应器的内部温度为600-700℃。

进一步地，所述水泥生料在所述滚筒内停留的时间为20-40min。

进一步地，所述水泥熟料在所述碳酸化反应器内停留的时间为20- 40min。

进一步地，进入所述碳酸化反应器的所述水泥熟料占全部所述水泥熟料 的1/2-2/3。

有益效果：本发明提供的一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及 工艺，煤炭燃烧过程中产生的二氧化碳会进入碳酸化反应器内与水泥熟料结 合形成碳酸盐，碳酸盐再进入滚筒内吸收热量后分解产生高浓度的二氧化 碳，高浓度的二氧化碳被压缩后进入储气罐内储存。同时，水泥生料煅烧生 成水泥熟料的过程中产生的二氧化碳也会被压缩后进入储气罐内储存。因此 本发明能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工艺流程图。

附图标记：10-回转窑、11-进料仓、12-出气口、13-滚筒、20-水泥熟 料仓、30-传料机构、40-碳酸化反应器、50-燃烧器、51-燃烧室、52-点火 器、60-烟气管、70-返料机构。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”应 做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可 以是机械连接，也可以是连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接 相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域 的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含 义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵”、“横”、“水平”、 “顶”、“底”、“上”、“下”、“内”和“外”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。

此外，术语“第一”、“第二”等仅适用于描述目的，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。在本发明的描 述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-2所示，本发明提供了一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系 统，包括回转窑10，回转窑10包括窑头、窑尾和滚筒13，窑头上具有进料 仓11，进料仓11内铺设有水泥生料，进料仓11的底部安装有落料阀，窑尾 上具有出料口和出气口12，滚筒13的两端分别与窑头和窑尾转动连接。上 述结构均为现有技术，具体结构在此不再赘述。本发明还包括水泥熟料仓 20、传料机构30、碳酸化反应器40、燃烧器50、鼓风机、烟气管60、返料 机构70、压缩机和储气罐。

水泥熟料仓20设置在地面上、且位于窑尾的下方，水泥熟料仓20用于 接收从窑尾的出料口排出的物料。

传料机构30设置在地面上、用于将部分水泥熟料仓20内的物料输送至 碳酸化反应器40内。

燃烧器50套设在滚筒13上、且与滚筒13之间形成燃烧室51，燃烧室 51与滚筒13之间保持动态密封。燃烧室51内铺设有煤炭，燃烧室51的内 壁上安装有点火器52。燃烧器50具有进料口和进气口，燃烧器50的进料口 上安装有控制阀，燃烧器50的进气口与鼓风机的出口连通。工作人员预先 通过进料口向燃烧室51内加入煤炭，然后关闭控制阀。

烟气管60的第一端与燃烧室51连通，烟气管60的第二端与碳酸化反 应器40连通。

返料机构70设置在地面上、用于将碳酸化反应器40内的物料输送至窑 头上的进料仓11内。

压缩机的入口与窑尾上的出气口12连通，压缩机的出口与储气罐连 通。

具体地工作过程为：鼓风机向燃烧室51内持续鼓入空气，点火器52启 动将燃烧室51内的煤炭点燃，煤炭在燃烧室51内燃烧，产生的热量传导至 滚筒13的内部，产生的烟气经过烟气管60进入碳酸化反应器40内。然后 进料仓11底部的落料阀打开，水泥生料(碳酸盐矿石、粘土等)在滚筒13 内吸收热量煅烧成水泥熟料(主要为氧化钙和氧化镁)，煅烧过程中产生的 二氧化碳进入压缩机内被压缩后进入储气罐内储存，水泥熟料进入水泥熟料仓20内储存。接着，传料机构30将水泥熟料仓20内的一部分水泥熟料进 入碳酸化反应器40内，这部分水泥熟料吸收烟气中的二氧化碳后成为碳酸 盐(主要是碳酸钙和碳酸镁)，进料仓11底部的落料阀打开，碳酸盐在返 料机构70的作用下进入滚筒13内吸收热量后分解产生高浓度的二氧化碳， 这部分高浓度的二氧化碳也进入压缩机内被压缩后进入储气罐内储存。因此 本发明能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。

本发明具有以下优点：1.环保：生产过程中没有任何固体废弃物、液体 废弃物、颗粒物、噪声的污染，水泥生料中煅烧产生的二氧化碳不受煤炭燃 烧时产生的烟气影响，可以直接加以封存或者利用。2.节能：由于水泥生料 的煅烧过程和煤炭的燃烧过程是两个独立的工作单元，碳酸盐分解产生的高 浓度二氧化碳不受煤炭燃烧时产生的烟气影响，因此这一部分的二氧化碳不 需要额外设置碳捕集装置，可以节省能耗。此外，生产过程中的余热全部可 以回收利用，其综合能耗远远低于现有工艺。3.产能大、产品质量高：外燃 式回转窑10是连续生产，产能将远高于目前的生产线；水泥生料由于在煅 烧过程中与火焰不直接接触，因此生产的水泥熟料纯度高(燃烧飞灰不会掺 入产品中，也不会有过烧的矿石物料掺入其中)、活性好(产物不会因为局 部高温而烧结)。4.矿石煅烧后产生的二氧化碳纯度高、品质好，可以直接 用于生产食品级二氧化碳产品。5.水泥生料的品种适应性好，本方案除了适 用于煅烧石灰石、白云石等碳酸盐矿石用于生产硅酸盐水泥外，也适用于生 产磷铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥等。

抽取一部分水泥熟料直接送入碳酸化反应器40的优点：碳酸化为放热 反应，其捕集二氧化碳过程中的能量足够维持自身反应进行，不需要额外设 置加热热源；此外，水泥熟料的碳酸化转化率高，具有良好的碳酸化反应动 力学活性；该方法不需要额外引进二氧化碳吸附剂，系统实用紧凑；与现有 的胺吸收法、膜分离法等二氧化碳捕集技术相比，该系统无需额外的设置除 尘以及脱硫装置，经济有效、解决了现有燃烧后捕集二氧化碳技术存在的二 氧化碳捕集提纯系统中的二氧化碳气体捕集效率低、系统投资以及运营成本 高的问题。

在一个实施例中，滚筒13的外侧设置有驱动装置，驱动装置用于驱动 滚筒13旋转，从而增加传热效率，并使得水泥生料的煅烧更加均匀。

在一个实施例中，碳酸化反应器40为固定床结构，增加气固反应速 率。

在一个实施例中，滚筒13由金属材料制成，从而使得滚筒的导热性更 好。

图2为上述能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统的工艺流程图，该工 艺包括以下步骤：

S10：点火器52启动，煤炭在燃烧室51内燃烧，产生的热量传导至滚 筒13的内部，产生的烟气进入碳酸化反应器40内。

S20：水泥生料在滚筒13内吸收热量煅烧后成为水泥熟料，煅烧过程中 产生的二氧化碳被压缩机压缩后进入储气罐内储存，水泥熟料从窑尾的出料 口排出到水泥熟料仓20内储存。

S30：其中一部分水泥熟料在传料机构30的作用下进入碳酸化反应器40 内吸收烟气中的二氧化碳后成为碳酸盐；

S40：碳酸盐在返料机构70的作用下进入滚筒13内吸收热量后分解产 生高浓度的二氧化碳，高浓度的二氧化碳被压缩机压缩后进入储气罐内储 存。

在一个实施例中，滚筒13的内部温度为850-1250℃。过低的温度将会 因为煅烧速率不够而导致生产周期漫长，过高的温度将会使水泥熟料因为过 烧而导致烧结失活。

在一个实施例中，碳酸化反应器40的内部温度为600-700℃。过低的反 应温度将导致反应动力学差也不足以有效捕集烟气中二氧化碳，而过高的温 度将导致碳酸盐因为高温分解而产生二氧化碳逃逸。

在一个实施例中，水泥生料在滚筒13内停留的时间为20-40min。

在一个实施例中，水泥熟料在碳酸化反应器40内停留的时间为20- 40min。

在一个实施例中，进入碳酸化反应器40的水泥熟料占全部水泥熟料的 1/2-2/3。碳酸化反应器40中的水泥料过多将会导致巨大的能耗损失，而其 中的水泥料含量过少将导致烟气中二氧化碳捕集效率不够，进而造成二氧化 碳向空气中的逃逸。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限 制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，包括回转窑，所述回转窑包括窑头、窑尾和滚筒，所述窑头上具有进料仓，所述进料仓内装有水泥生料，所述窑尾上具有出料口和出气口，所述滚筒的两端分别与所述窑头和所述窑尾转动连接，其特征在于：还包括：

水泥熟料仓，所述水泥熟料仓用于接收从所述窑尾的出料口排出的物料；

传料机构和碳酸化反应器，所述传料机构用于将部分所述水泥熟料仓内的物料输送至所述碳酸化反应器内；

燃烧器和鼓风机，所述燃烧器套设在所述滚筒上、且与所述滚筒之间形成燃烧室，所述燃烧室与所述滚筒之间保持动态密封，所述燃烧室的内壁上安装有点火器，所述燃烧器具有进料口和进气口，所述燃烧器的进料口上安装有控制阀，所述燃烧器的进气口与所述鼓风机的出口连通；

烟气管，所述烟气管的第一端与所述燃烧室连通，所述烟气管的第二端与所述碳酸化反应器连通；

返料机构，所述返料机构用于将所述碳酸化反应器内的物料输送至所述窑头上的进料仓内；以及

压缩机和储气罐，所述压缩机的入口与所述窑尾上的出气口连通，所述压缩机的出口与所述储气罐连通；

所述滚筒的外侧设置有驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述滚筒旋转；

所述碳酸化反应器为固定床结构。

2.根据权利要求1所述的一种能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，其特征在于：所述滚筒由金属材料制成。

3.一种能够实现二氧化碳零排放的工艺，应用于权利要求1-2任意一项所述的能够实现二氧化碳零排放的水泥窑系统，其特征在于：包括以下步骤：

煤炭在所述燃烧室内燃烧，产生的热量传导至所述滚筒的内部，产生的烟气进入所述碳酸化反应器内；

水泥生料在所述滚筒内吸收热量后煅烧成为水泥熟料，煅烧过程中产生的二氧化碳被压缩后储存，所述水泥熟料进入水泥熟料仓内储存；

其中一部分所述水泥熟料进入所述碳酸化反应器内吸收烟气中的二氧化碳后成为碳酸盐；

所述碳酸盐进入所述滚筒内吸收热量后分解产生二氧化碳，所述二氧化碳被压缩后储存；

所述滚筒的内部温度为850-1250℃；

所述碳酸化反应器的内部温度为600-700℃。

4.根据权利要求3所述的一种能够实现二氧化碳零排放的工艺，其特征在于：所述水泥生料在所述滚筒内停留的时间为20-40min。

5.根据权利要求3所述的一种能够实现二氧化碳零排放的工艺，其特征在于：所述水泥熟料在所述碳酸化反应器内停留的时间为20-40min。

6.根据权利要求3所述的一种能够实现二氧化碳零排放的工艺，其特征在于：进入所述碳酸化反应器的所述水泥熟料占全部所述水泥熟料的1/2-2/3。

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