CN114751665B - 捕集水泥生料分解产生的co2气体的方法、水泥生产方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捕集水泥生料分解产生的CO₂的方法、水泥生产方法及系统。本发明提出一种捕集水泥生料分解产生的CO₂气体的水泥窑外预分解技术及水泥生产系统。具体地，在生产水泥时，将水泥生料与CO₂载流气分别从隔离式分解室的顶部和底部供给至所述隔离式分解室，以使所述水泥生料分解；使所述水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出所述隔离式分解室；然后捕集排出的CO₂气体。本发明的方法便于用于实际的水泥生产中，可以实现水泥生产过程中石灰岩分解产生的CO₂的高效低成本捕集回收，并实现水泥工业的低CO₂排放。

Description

捕集水泥生料分解产生的CO2气体的方法、水泥生产方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于捕集在水泥生料分解产生的CO₂气体的方法、水泥生产方法及水泥生产系统。

背景技术

CO₂排放造成的温室效应已成为全球面临的重要挑战，也是21世纪可持续发展的重要议程。材料工业是仅次于电力行业的第二大CO₂排放源，特别是水泥工业CO₂排放占年CO₂排放量的30％左右。水泥生产过程排放的CO₂主要来自两个方面：一是能耗导致的CO₂排放，二是水泥原料中石灰岩分解产生的CO₂。生产1吨水泥熟料能耗约为110kg左右标煤，相当于CO₂排放 403kg，由石灰岩分解产生的CO₂排放约为270Nm³(530kg)，约占水泥熟料生产CO₂排放的56％。我国2020年水泥熟料产量为15.79亿吨，排放CO₂约14.7 亿吨，其中由石灰岩分解产生的CO₂排放约为8.4亿吨。水泥工业碳减排十分迫切。虽然能耗产生的CO₂排放未来可以探索采用氢能、太阳能、风电等新能源方式解决，但是石灰岩作为水泥熟料的主要原料，难以找到如此巨大的其他钙源进行替代，因此如何解决水泥工业中由石灰岩分解产生的CO₂的问题是十分迫切的。

现有水泥窑外预分解技术是将水泥生料进入回转窑之前，将石灰岩大部分分解，以改善回转窑内水泥熟料烧成控制，同时充分利用了窑尾的高温烟气预热生料，由于石灰岩分解时会大量吸热，所以在分解炉内还需要配置烧嘴，提供部分热量。现有技术中，石灰岩分解产生的CO₂和回转窑烟气、分解炉烟气一起排出分解炉外进入前段旋风预热器，烟气余热被利用后最终排出炉外，烟气中CO₂浓度低，如采用溶剂吸收等CO₂捕集技术并不经济，不利于烟气中CO₂捕集。

专利文献1中公开了一种由在线型分解炉改造的可调节CO₂富集量水泥窑系统，该系统可切换为CO₂自富集型预分解窑或常规在线型预分解炉。该系统可以提高CO₂浓度、减少CO₂排放量。但是，该系统较为复杂，不利于实际运用。

专利文献2中公开了一种适合分离捕集CO₂的部分全氧型水泥生产方法，即在分解炉内采用全氧代替传统的空气燃烧来进行水泥生料预分解和常规空气燃烧进行熟料烧成相结合的水泥生产方法，从而使CO₂浓度高达95％以上。专利文献3中公开了一种采用O₂/CO₂燃烧技术富集CO₂的水泥熟料生产工艺，其是将从空气中分离出的O₂与高浓度CO₂的循环烟气混合后形成O₂/CO₂混合气，然后将O₂/CO₂混合气送入分解炉和回转窑，从而使水泥窑的排气为高浓度的CO₂，以实现水泥工业的CO₂直接富集。

专利文献2和3中的方法均是改变循环烟气来提高CO₂浓度，但是专利文献1和2的方法需要增加制氧设备、进行线路改造和特殊设计，因此这些方法也不利于实际投运。

引用文献

专利文献1：CN112654590A

专利文献2：CN101792276A

专利文献3：CN103253879A

发明内容

发明要解决的问题

基于上述现状，需要一种操作简便、不需要对现有水泥生产线路进行特殊的、复杂的改造和设计的CO₂捕集方法。

用于解决问题的方案

针对这一问题，本发明提出一种用于捕集在水泥生产中水泥生料分解产生的CO₂气体的水泥窑外预分解技术及水泥生产系统。

[1]具体地，本发明提供一种捕集水泥生料分解产生的CO₂气体的方法，其包括：

将水泥生料与CO₂载流气分别从隔离式分解室的顶部和底部供给至所述隔离式分解室，以使所述水泥生料分解；

使所述水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出所述隔离式分解室；

捕集排出的CO₂气体。

[2]根据上述1所述的方法，其还包括：在捕集CO₂气体之前，使从所述隔离式分解室排出的CO₂气体与夹带的水泥生料粉尘进行气-固分离。

[3]根据上述2所述的方法，其中所述CO₂载流气由蓄热式热风炉加热，且蓄热式热风炉出口处的CO₂载流气的出口温度为1000～1500℃，从隔离式分解室排出的CO₂气体的排出温度为850-950℃；所述水泥生料进入所述隔离式分解室前通过预热器进行预热，以使所述水泥生料的入炉温度为750～950℃。

[4]根据上述3所述的方法，其中分离出的CO₂气体中的一部分用于蓄热式热风炉，一部分用于预热器。

[5]一种生产水泥的方法，其包括：

利用上述1-4任一项所述的捕集CO₂气体的方法捕集水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气；和

使分解后的水泥生料进入回转窑煅烧，以得到水泥熟料。

[6]根据上述5所述的方法，其中分解后的水泥生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者，使分解后的水泥生料与CO₂气体和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室并进行气-固分离，然后使分离出的水泥生料进入回转窑。

[7]一种水泥生产系统，其包括：

隔离式分解室，在其中供给水泥生料和CO₂载流气并且水泥生料在其中分解；

CO₂捕集系统，其用于捕集水泥生料分解产生的CO₂气体和所述CO₂载流气；和

回转窑，在其中供给分解的水泥生料并得到水泥熟料，

生产水泥时，将水泥生料与CO₂载流气供给至所述隔离式分解室，以使所述水泥生料分解；

使所述水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气一起排出所述隔离式分解室，并用所述CO₂捕集系统捕集排出的CO₂气体；

使分解后的水泥生料进入所述回转窑，以得到水泥熟料。

[8]根据上述7所述的水泥生产系统，其还包括：

蓄热式热风炉，其用于加热CO₂载流气并将CO₂载流气供给至所述隔离式分解室；

预热器，其用于将进入所述隔离式分解室之前的水泥生料预热；和

旋风分离器，其用于分离从所述隔离式分解室排出的CO₂气体与水泥生料粉尘，

其中所述CO₂捕集系统包括分配阀、余热利用子系统、余热回收子系统和空气分离机，

所述分配阀用于分配分离出的CO₂气体，使得一部分CO₂气体用于蓄热式热风炉，剩余CO₂气体进入预热器或者进入余热利用子系统或者各有一部分；

所述余热利用子系统用于将分离出的CO₂气体的一部分经过换热器将空气加热，并将加热的空气用于预热器；

所述余热回收子系统用于回收经过余热利用子系统而换热降温后的CO₂气体并将CO₂气体温度降至室温；

所述空气分离机用于将CO₂液化以得到纯CO₂产品。

[9]根据上述7或8所述的水泥生产系统，其中所述隔离式分解室包括内部分解室和任选的外部加热室；所述水泥生料与所述CO₂载流气供给至所述内部分解室；所述外部加热室存在时，其用于给所述内部分解室加热。

[10]根据上述7-9任一项所述的水泥生产系统，其中分解后的水泥生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者，使分解后的水泥生料与CO₂气体和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室并进入旋风分离器以进行气-固分离，然后使分离出的水泥生料进入回转窑。

发明的效果

本发明的捕集CO₂气体的水泥窑外预分解技术及水泥生产系统仅对常规水泥生产工艺中的分解炉进行适当改进，不需要对线路进行特殊的、复杂的改造和设计，因此便于用于实际的水泥生产中，空气分离前的CO₂气体浓度高达95％以上，可以实现水泥生产过程中石灰岩分解产生的CO₂的高效低成本捕集回收，并实现水泥工业的低CO₂排放。

附图说明

图1为示出本发明的水泥生产系统的示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限定于此。本发明不限于以下说明的各构成，在发明请求保护的范围内可以进行各种变更，而适当组合不同实施方式、实施例中各自公开的技术手段而得到的实施方式、实施例也包含在本发明的技术范围中。另外，本说明书中记载的文献全部作为参考文献在本说明书中进行援引。

除非另有定义，本发明所用的技术和科学术语具有与本发明所属技术领域中的普通技术人员所通常理解的相同含义。

本说明书中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值 A、B的范围。

本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。本说明书中，“任选的”或“任选地”是指接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以下结合图1说明本发明的水泥生产系统、工艺流程和捕集CO₂的方法。

如图1中所示，本发明的水泥生产系统可包括以下部分：蓄热式热风炉、预热器、隔离式分解室(或称为气密性的分解室或分解炉)、高温除尘器、分配阀、余热利用子系统、余热回收子系统和空气分离机。其中，分配阀、余热利用子系统、余热回收子系统和空气分离机均属于CO₂捕集系统。

水泥的生产工艺流程如下：采用CO₂气体作为载流气，通过蓄热式热风炉预热后的CO₂载流气从隔离式分解室的底部进入隔离式分解室作为热源；水泥生料经预热器如旋风预热器预热后从隔离式分解室的顶部进入隔离式分解室；水泥生料与CO₂载流气换热后温度升高，在分解室内完成大部分石灰岩分解反应；分解后的生料进入回转窑，在此烧结形成水泥熟料，水泥熟料进一步进入冷却机(图中未示出)；分解产生的CO₂与CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室；然后，CO₂气体连同夹带的水泥生料粉尘进入高温除尘器以进行气固分离，分离得到的固体进入回转窑，分离得到的CO₂气体进入CO₂捕集系统。具体地，可根据需要经过分配阀将一部分CO₂气体作为CO₂载流气进入蓄热式热风炉循环使用，并且剩余CO₂气体供给至预热器或者进入高温CO₂余热利用子系统、余热回收子系统以及空气分离机，或者各有一部分。

在本发明的实施方案中，分解后的生料可以从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者也可以与分解产生的CO₂和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室，并一起进入高温除尘器进行气固分离。分离得到的固体进入回转窑，分离得到的CO₂气体进入CO₂捕集系统。分解后的生料从底部还是从顶部排出隔离式分解室可以根据需要来选择，并且可以通过调整CO₂载流气的流量来控制。

即使分解后的生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，从隔离式分解室的顶部排出的CO₂气体中也会夹带一些水泥生料粉尘，因此此时排出的 CO₂气体也优选进行气-固分离。

在本发明的水泥生产系统中，回转窑、旋风预热器、高温除尘器、余热利用子系统、余热回收子系统、空气分离机、冷却机等，均没有特别限定，可使用本领域的常规设备。

蓄热式热风炉

蓄热式热风炉为钢铁工业中的常规设备。本发明中，蓄热式热风炉利用燃料例如煤粉或者清洁燃料等燃烧加热蓄热体，停止燃烧后，利用蓄热体蓄积的热量加热CO₂载流气，实现CO₂载流气的闭路循环。燃料燃烧的空气源利用三次风。

其中，清洁燃料可包括天然气、发生炉煤气等。蓄热体的例子可包括硅砖、格子砖、陶瓷蜂窝体等。

隔离式分解室

隔离式分解室是本发明的核心部分。经过预热的水泥生料进入隔离式分解室进行分解。隔离式分解室内外气体实现隔离，即为气密性的。分解室内部气氛为CO₂载流气和石灰岩分解的CO₂气体。尽管通常隔离式分解室为一个室，但是任选地，可以根据需要在分解室外设置辅助燃烧室(或称为外部加热室)用于维持分解室的环境温度。辅助燃烧室和内部分解室之间用高导热耐高温材料实现气密隔离。为了保证气密性，外部加热室和内部分解室之间的炉壁可由耐热不锈钢构成。

高导热耐高温材料没有特别限定，例如可使用耐热不锈钢(如不锈钢 2025)、耐磨耐火浇注料、碳化硅砖、或者以上的组合。

外部加热室可配置烧嘴加热、或者采用回转窑窑尾烟气加热、或配置烧嘴和窑尾烟气共同加热。通常，分解室的温度可为1000～1200℃。

经过预热的水泥生料与CO₂载流气分别从顶部和底部进入分解室，在分解室内进行换热，使得水泥生料温度升高并分解。分解后的生料进入回转窑，而产生的CO₂与CO₂载流气一起从分解室的顶部排出分解室。

当分解后的水泥生料与产生的CO₂和CO₂载流气一起从分解室的顶部排出时，它们一起进入高温除尘器例如旋风分离器等进行气-固分离。当分解后的生料从分解室的底部直接进入回转窑时，由于气体中会夹带水泥生料的粉尘，因此排出的CO₂气体也优选进行气固分离。分离出的固体进入回转窑，分离出的CO₂气体由于温度仍较高，因此可以进行余热利用，例如可一部分用于蓄热式热风炉，剩余的CO₂气体可以全部用于预热器或者可以全部进入余热利用子系统或者也可以预热器与余热利用子系统各有一部分。

隔离式分解室的产能由蓄热式热风炉供给的CO₂载流气的风量和风温决定。通过蓄热式热风炉预热的CO₂载流气的出口温度为1000～1500℃、优选 1200℃～1500℃。CO₂载流气的风量可根据设备的处理量适当设定，例如针对日产4000吨的设备可为1×10⁵Nm³/h～5×10⁶Nm³/h、优选4×10⁵Nm³/h～3× 10⁶Nm³/h，针对日产1000吨的设备，CO₂载流气的风量可为2.5× 10⁴Nm³/h～1.25×10⁶Nm³/h、优选1×10⁵Nm³/h～7.5×10⁵Nm³/h。

本发明中，水泥生料的入炉温度，即经预热器如旋风预热器预热的温度，可为750～950℃、优选850-950℃。CO₂气体从隔离式分解室的排出温度约为 900-950℃。

CO₂捕集系统

CO₂捕集系统可包括图1中所示的分配阀、余热利用子系统、余热回收子系统和空气分离机。

如上所述，经过气-固分离而分离出的CO₂气体由于温度仍较高，因此可以进行余热利用，其中一部分CO₂气体用于蓄热式热风炉，剩余的CO₂气体可以全部用于预热器或者全部进入余热利用子系统或者也可以各有一部分。

在余热利用子系统中，CO₂气体通过一级或多级换热器或者蓄热式换热器(图1中未示出)，将CO₂气体降温至200℃左右，同时预热空气，换热降温后的CO₂气体进入余热回收子系统，而换热升温的空气可进入回转窑、隔离式分解炉的燃烧室或旋风预热器(图1中仅示出了旋风预热器)以实现余热利用。

经过余热利用子系统而换热降温后的CO₂气体通过低温余热回收装置 (图1中未示出)，将CO₂气体温度降至室温，同时低温余热可进入水泥厂的供热或低温发电系统例如热水锅炉等，而降至室温的CO₂气体可进入空气分离机如压缩制冷机将CO₂液化以得到纯CO₂产品，同时实现杂质气体分离。分离出的杂质气体可经过净化后排放至大气。其中，杂质气体中可能主要包括 O₂、N₂、H₂O等少量在换气和进出料过程中漏入的气体。

需要说明的是，尽管图1中示出了余热利用子系统和余热回收子系统，但也可以使气-固分离出的CO₂气体降温后直接进入空气分离机进行捕集。本申请图1中未示出的设备均可使用本领域的常规设备而没有特别限定。

另外，尽管图1中未示出，但在实际生产中，从回转窑排出的烟气(包括 CO₂气体和少量杂质气体)也可以用于预热器以进行余热利用。

实施例

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照水泥行业常规条件进行。所用试剂或设备未注明生产厂商者，均为可以通过市售获得的常规产品。

以日产4000吨新型干法水泥生产线为例，采用本技术的隔离式分解室替代原有分解炉，隔离式分解室由外部加热室和内部分解室组成，加热室和分解室之间的炉壁由耐热不锈钢构成，保证气密，加热室配置烧嘴加热，炉温为约1000℃，水泥生料由旋风预热器预热至900℃并进入隔离式分解室的分解室，石灰岩分解后的水泥生料从隔离式分解室的分解室的底部进入回转窑，加热室烟气和回转窑窑尾烟气均进入旋风预热器预热水泥生料。

设置蓄热式热风炉，采用煤粉作为燃料，三次风作为热空气进行加热，以CO₂气作为循环载流气，热风炉CO₂载流气出口温度为1250℃，CO₂载流气风量为1×10⁶Nm³/h，热CO₂载流气通过管道进入分解室，流态换热给水泥生料，使生料中的石灰岩完成分解，分解产生的CO₂气体和CO₂载流气共同排出分解室，CO₂气排出温度在约950℃，排出后的CO₂气进入旋风分离器，脱出夹带的水泥生料粉尘，分离的生料粉尘也进入回转窑，分离后的 CO₂气体进入分配阀，一部分CO₂气按照需要通过管道进入热风炉作为CO₂载流气，另一部分CO₂气经过高温换热器进行余热利用，再经过余热回收，降温至室温，进行空气分离，获得纯CO₂产品。每小时可获得88.5吨CO₂产品，每年可实现CO₂减排50万吨以上。

从上述实施例可知，在不需要对线路进行特殊改造和设计的情况下，仅使用本发明的隔离式分解室替换原有分解室的情况下，每年就可CO₂减排50 万吨以上，实现了CO₂的高效低成本捕集回收。

以上已经描述了本发明的实施例是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的实施例。

产业上的可利用性

本发明的方法和系统可用于实际的水泥生产中，可以实现CO₂的高效低成本捕集回收和低CO₂排放。

Claims (10)

1.一种捕集水泥生料分解产生的CO₂气体的方法，其包括：

将水泥生料与CO₂载流气分别从隔离式分解室的顶部和底部供给至所述隔离式分解室，以使所述水泥生料分解，分解的水泥生料进入回转窑；

使所述水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出所述隔离式分解室；

捕集排出的CO₂气体，

所述方法还包括：在捕集CO₂气体之前，使从所述隔离式分解室排出的CO₂气体与夹带的水泥生料粉尘进行气-固分离，分离出的水泥生料进入回转窑。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述CO₂载流气由蓄热式热风炉加热，且蓄热式热风炉出口处的CO₂载流气的出口温度为1000～1500℃，从隔离式分解室排出的CO₂气体的排出温度为850-950℃；所述水泥生料进入所述隔离式分解室前通过预热器进行预热，以使所述水泥生料的入炉温度为750～950℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其中分离出的CO₂气体中的一部分用于蓄热式热风炉，一部分用于预热器。

4.一种生产水泥的方法，其包括：

利用权利要求1-3任一项所述的捕集CO₂气体的方法捕集水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气；和

使分解后的水泥生料进入回转窑煅烧，以得到水泥熟料。

5.根据权利要求4所述的方法，其中分解后的水泥生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者，使分解后的水泥生料与CO₂气体和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室并进行气-固分离，然后使分离出的水泥生料进入回转窑。

6.一种水泥生产系统，其包括：

隔离式分解室，在其中供给水泥生料和CO₂载流气并且水泥生料在其中分解；

旋风分离器，其用于分离从所述隔离式分解室排出的CO₂气体与水泥生料粉尘，

CO₂捕集系统，其用于捕集水泥生料分解产生的CO₂气体和所述CO₂载流气；和

回转窑，在其中供给分解的水泥生料并得到水泥熟料，

生产水泥时，将水泥生料与CO₂载流气供给至所述隔离式分解室，以使所述水泥生料分解；

使所述水泥生料分解产生的CO₂气体与CO₂载流气一起排出所述隔离式分解室，并用所述CO₂捕集系统捕集排出的CO₂气体；

使分解后的水泥生料进入所述回转窑，以得到水泥熟料。

7.根据权利要求6所述的水泥生产系统，其还包括：

蓄热式热风炉，其用于加热CO₂载流气并将CO₂载流气供给至所述隔离式分解室；和

预热器，其用于将进入所述隔离式分解室之前的水泥生料预热，

其中所述CO₂捕集系统包括分配阀、余热利用子系统、余热回收子系统和空气分离机，

所述分配阀用于分配分离出的CO₂气体，使得一部分CO₂气体用于蓄热式热风炉，剩余CO₂气体进入预热器或者进入余热利用子系统或者各有一部分；

所述余热利用子系统用于将分离出的CO₂气体的一部分经过换热器将空气加热，并将加热的空气用于预热器；

所述余热回收子系统用于回收经过余热利用子系统而换热降温后的CO₂气体并将CO₂气体温度降至室温；

所述空气分离机用于将CO₂液化以得到纯CO₂产品。

8.根据权利要求6或7所述的水泥生产系统，其中所述隔离式分解室包括内部分解室和任选的外部加热室；所述水泥生料与所述CO₂载流气供给至所述内部分解室；所述外部加热室存在时，其用于给所述内部分解室加热。

9.根据权利要求6或7所述的水泥生产系统，其中分解后的水泥生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者，使分解后的水泥生料与CO₂气体和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室并进入旋风分离器以进行气-固分离，然后使分离出的水泥生料进入回转窑。

10.根据权利要求8所述的水泥生产系统，其中分解后的水泥生料从隔离式分解室的底部直接进入回转窑，或者，使分解后的水泥生料与CO₂气体和CO₂载流气一起从隔离式分解室的顶部排出隔离式分解室并进入旋风分离器以进行气-固分离，然后使分离出的水泥生料进入回转窑。

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