CN115521085A - 一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统及方法，系统包括塔式太阳能集热装置、生料分解装置和余热发电机组；塔式太阳能集热装置接入生料分解装置的高温空气入口；塔式太阳能集热装置产生950℃以上的空气，从高温空气入口进入生料分解装置；水泥生料在生料分解装置中被空气携带在流动过程呈悬浮态受热分解；水泥生料整体呈自上而下流动，烟气整体呈自下而上流动；生料分解装置的烟气出口与余热发电机组相连，烟气进入余热发电机组进行发电。采用该系统分解水泥生料，生料在空气气氛下被加热分解，分解速率和分解率得到显著提高，可在大幅降低水泥生产碳排放的同时回收利用烟气余热，系统结构简单，可离线或在线运行，能量利用率高。
Description
技术领域
本发明属于水泥低碳生产和可再生能源利用技术领域，涉及一种水泥生料分解系统，尤其涉及一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统及方法。
背景技术
建筑材料行业是国民经济的重要基础产业。建筑材料的产业规模大、过程排放量高、能源结构以煤为主，其能源消费量和碳排放量位居工业行业前列。水泥作为重要的建筑材料之一，在我国的产量已经超过全球总产量的一半。水泥生产过程是一个高强度的碳排放过程，目前，我国水泥工业碳排放量占全国CO2排放总量的14％左右。因此，水泥工业是建材行业节能降碳的重点领域之一。
水泥生产过程中，碳排放的主要来源为燃料燃烧和生料分解所排放的CO2。生料分解产生的CO2来自于水泥生产原料，而燃料燃烧方面，采用低碳燃料、可再生能源等作为能量供给具有巨大的碳减排潜力。太阳能是一种被广泛关注的可再生能源，具有分布广泛、储量丰富、适宜规模化开发等优势，且太阳能资源在我国的空间分布与水泥工业具有较高的匹配度。发展以太阳能为能源供给的水泥生产技术是水泥工业碳减排的有效措施。为了能充分利用太阳能，最大程度降低水泥生产碳排放，亟待发展一种利用太阳能加热分解水泥生料的光热利用技术。
发明内容
针对水泥工业碳减排重大需求，本发明将塔式太阳能高温热利用技术与水泥生料分解相结合，提出了一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统及方法，能够实现太阳能高效利用，大幅降低水泥生产的碳排放。
为实现上述目的，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，具有这样的特征：包括塔式太阳能集热装置、生料分解装置和余热发电机组；所述生料分解装置的底部设有高温空气入口和分解生料出口，顶部设有烟气出口和生料喂入口；所述塔式太阳能集热装置的空气出口接入生料分解装置的高温空气入口；塔式太阳能集热装置产生950℃以上的空气，从生料分解装置底部的高温空气入口进入生料分解装置；水泥生料从生料分解装置顶部的生料喂入口进入生料分解装置；水泥生料在生料分解装置中被空气携带在流动过程呈悬浮态受热分解，产生CO2，与空气混合形成烟气；生料分解装置中水泥生料整体呈自上而下流动，烟气整体呈自下而上流动；最终烟气从生料分解装置顶部的烟气出口排出；所述生料分解装置的烟气出口与余热发电机组相连，烟气进入余热发电机组发电。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：其中，所述生料分解装置为多级生料分解反应器。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：其中，所述多级生料分解反应器包括多个依次互相连接的旋风筒；多个旋风筒分别为一级旋风筒至末级旋风筒；一级旋风筒至末级旋风筒自上而下依次呈左右交错式布置；所述旋风筒筒体切线方向设置物料入口通道；旋风筒顶部垂直方向设置气体出口通道；旋风筒锥体底部设置固体出口通道；旋风筒的固体出口通道与该级旋风筒下方设置的旋风筒的气体出口通道相接，汇入横向设置的管路，接入上述两级旋风筒的中间级旋风筒的物料入口通道。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：其中，所述多级生料分解反应器的生料喂入口与二级旋风筒的气体出口通道相接，汇入一级旋风筒的物料入口通道；末级旋风筒底部的固体出口通道为多级生料分解反应器的分解生料出口；多级生料分解反应器的高温空气入口与次末级旋风筒的固体出口通道相接，汇入末级旋风筒的物料入口通道；一级旋风筒顶部的气体出口通道为多级生料分解反应器的烟气出口。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：其中，所述塔式太阳能集热装置包括太阳能镜场和高温吸热器；太阳能镜场追踪太阳光线，将太阳能汇聚至高温吸热器表面。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：其中，所述高温吸热器具有夹套结构，包括夹套层及夹套层内布置的换热工质管道；夹套层中填充相变工质，换热工质管道内工质为空气。
进一步，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，还可以具有这样的特征：还包括空气压缩机和换热器；空气压缩机、换热器和高温吸热器依次连接；换热器还与余热发电机组连接；余热发电机组发电后的烟气进入换热器；空气经空气压缩机进入换热器，在换热器中被来自余热发电机组的烟气预热，然后进入高温吸热器。
本发明还提供塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统的水泥生料分解方法，具有这样的特征：太阳能镜场将热能汇聚在高温吸热器，高温吸热器夹套层中的相变工质被加热至高温状态；空气经空气压缩机、换热器后，进入高温吸热器，在高温吸热器内被高温相变工质加热至950℃以上；
在生料分解装置中，出高温吸热器的空气携带次末级旋风筒固体出口通道的固体物料进入末级旋风筒，气固分离后逐级向上流动；水泥生料自生料喂入口加入生料分解装置，与二级旋风筒气体出口通道的烟气汇合进入一级旋风筒，气固分离后逐级向下流动；在流动的过程中，水泥生料被空气/烟气加热实现生料的预热和分解；最终分解后生料从分解生料出口流出，烟气从烟气出口离开；具体的，来自高温吸热器的高温空气携带来自次末级旋风筒固体出口通道的预热预分解生料进入末级旋风筒的物料入口通道，此时空气温度最高，气相中CO2浓度最低，可保证生料分解装置分解生料出口的生料的充分分解，即得到水泥生产的中间产品；
出生料分解装置的烟气进入余热发电机组发电；然后利用余热在换热器内预热进入高温吸热器的压缩空气，实现热量回收。
本发明的有益效果在于：
一、水泥生产烧成系统中，生料分解所需燃料占烧成系统燃料消耗量的百分之六十以上。本发明采用塔式太阳能高温集热装置产生高温热空气用作生料分解，替代了水泥烧成系统中大部分燃料使用，能够大幅度减少化石能源消耗，显著降低水泥生产的碳排放，促进行业技术升级，助力水泥行业实现绿色高质量发展。
二、本发明采用换热器、余热发电机组等装置对烟气中的余热进行充分利用，能在分解生料的同时产生部分电能，能量利用率高。
三、本发明提供的一种太阳能高温空气水泥生料分解方法能够离线运行，利用太阳能分解生料，为水泥生产线提供中间产品；同时，该系统也可在线运行，与现有新型干法水泥生产工艺有机融合，在充分利用太阳能资源情况下，保障水泥生产系统低碳高效运行。
四、本发明提供的一种太阳能高温空气水泥生料分解系统结构简单，容易控制，规模可根据实际情况灵活设计、布置。
五、本发明提供的一种太阳能高温空气水泥生料分解方法中，空气在高温吸热器内被相变工质加热至950℃以上，反应器内填充的相变工质在高温下具有良好的流动性，能保证吸热器温度场均匀，系统安全可靠。
六、与传统水泥生产相比，本申请采用夹套结构的高温吸热器能够实现将空气加热至950℃以上，可直接用于生料分解，从而避免了分解炉中煤的使用(约占水泥生产用煤的60％以上)，可大幅度降低水泥生产的碳排放；且进入生料分解装置的气体来自太阳能高温集热器，并非来自回转窑的烟气等其它技术中的烟气，从而使得分解体系中CO2分压较低，更利于生料的充分分解，同时分解生料后排出的气体为富含CO2的空气，不含煤燃烧产生的NOx、SOx等污染物，更加绿色环保。
附图说明
图1是塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统和方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，包括塔式太阳能集热装置、生料分解装置2和余热发电机组3。
塔式太阳能集热装置包括太阳能镜场11和高温吸热器12。太阳能镜场11追踪太阳光线，将太阳能汇聚至高温吸热器12表面。高温吸热器12具有夹套结构，包括夹套层及夹套层内布置的换热工质管道；夹套层中填充相变工质，换热工质管道内工质为空气。具体的，高温吸热器12可以为申请号为202210881479.9的发明专利申请提供的一种塔式太阳能超临界空气吸热器，采用该吸热器可将空气加热至高温状态。
生料分解装置2的底部设有高温空气入口21和分解生料出口22，顶部设有烟气出口23和生料喂入口24。高温吸热器12的空气出口接入生料分解装置2的高温空气入口21。塔式太阳能集热装置产生950℃以上的空气，从生料分解装置2底部的高温空气入口21进入生料分解装置2。水泥生料从生料分解装置2顶部的生料喂入口24进入生料分解装置2。水泥生料在生料分解装置2中被空气携带在流动过程呈悬浮态受热分解，产生CO2，与空气混合形成烟气。生料分解装置2中水泥生料整体呈自上而下流动，烟气整体呈自下而上流动；最终烟气从生料分解装置2顶部的烟气出口23排出。
具体的，生料分解装置2为多级生料分解反应器。多级生料分解反应器包括多个依次互相连接的旋风筒25。多个旋风筒25分别为一级旋风筒至末级旋风筒。一级旋风筒至末级旋风筒自上而下依次呈左右交错式布置。旋风筒25筒体切线方向设置物料入口通道，顶部垂直方向设置气体出口通道，锥体底部设置固体出口通道。旋风筒的固体出口通道与该级旋风筒下方设置的旋风筒的气体出口通道相接，汇入横向设置的管路，接入上述两级旋风筒的中间级旋风筒的物料入口通道。
多级生料分解反应器的生料喂入口24与二级旋风筒的气体出口通道相接，汇入一级旋风筒的物料入口通道；末级旋风筒底部的固体出口通道为多级生料分解反应器的分解生料出口22；多级生料分解反应器的高温空气入口21与次末级旋风筒的固体出口通道相接，汇入末级旋风筒的物料入口通道；一级旋风筒顶部的气体出口通道为多级生料分解反应器的烟气出口23。
本实施例中，多级生料分解反应器包括五个多级生料分解反应器，分别为一级旋风筒(C1)至五级旋风筒(C5)。一至三级旋风筒的固体出口通道与该级下方设置的旋风筒的气体出口通道相接，然后汇入横向管路，进入中间级旋风筒的物料入口通道。四级旋风筒的固体出口通道与高温空气入口21相接，然后汇入横向管路，进入五级旋风筒的物料入口通道。五级旋风筒底部的固体出口通道即为生料分解装置2的分解生料出口22，顶部的气体出口通道与三级固体出口通道相接，然后汇入横向管路，进入四级旋风筒的物料入口通道。
生料分解装置2的烟气出口23与余热发电机组3相连，烟气进入余热发电机组3发电。
系统还包括空气压缩机4和换热器5。空气压缩机4、换热器5和高温吸热器12依次连接；换热器5还与余热发电机组3连接。余热发电机组3发电后的烟气进入换热器5；空气经空气压缩机4进入换热器5，在换热器5中被来自余热发电机组3的烟气预热，然后进入高温吸热器12。
本实施例中，气体流动路径依次为：空气压缩机4、换热器5、高温吸热器12、生料分解装置2的高温空气入口21、五级旋风筒、四级旋风筒、三级旋风筒、二级旋风筒、一级旋风筒、烟气出口23、余热发电机组3、换热器5；生料流动路径依次为：生料喂入口24、一级旋风筒、二级旋风筒、三级旋风筒、四级旋风筒、五级旋风筒、分解生料出口22；高温空气携带生料进入各级旋风筒，在此过程加热生料，最终实现生料的充分分解。
本发明系统的水泥生料分解方法为：日照充足时，太阳光被太阳能镜场11汇聚至高温吸热器12表面，将高温吸热器12夹套层内的相变工质加热至高温流动状态。空气压缩机4运行，空气经换热器5进入高温吸热器12，被高温相变工质加热至950℃以上。水泥生料自生料喂入口24加入生料分解装置2；出高温吸热器12的高温空气携带四级旋风筒固体出口通道排出的被预热预分解的水泥生料进入五级旋风筒，在此过程高温空气加热生料，释放CO2，实现生料的充分分解；在五级旋风筒内，含CO2烟气与分解后生料分离，分解生料自底部固体出口通道(分解生料出口22)排出，烟气从五级旋风筒顶部气体出口通道排出，携带三级旋风筒固体出口通道排出的生料进入四级旋风筒，此过程中生料被预热预分解，以此类推，直至二级旋风筒气体出口通道排出的烟气携带生料喂入口24的生料进入一级旋风筒，预热生料，并将生料与烟气分离。出一级旋风筒的中高温烟气进入余热发电机组3发电；余热发电机组3利用后烟气进入换热器5与经空气压缩机4后的冷空气进行换热，实现烟气余热的充分利用。
本实施例中，该系统可离线运行，生产水泥生料分解产物，为水泥生产线直接提供中间产品，无需利用水泥生产线中的分解炉，从而大幅降低了煤的使用，简化水泥生产流程；特别地，该系统亦可与水泥生产线有机融合，实现在线运行，分解后生料可直接送入回转窑进行煅烧生产熟料。
Claims (8)
1.一种塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
包括塔式太阳能集热装置、生料分解装置和余热发电机组；
所述生料分解装置的底部设有高温空气入口和分解生料出口，顶部设有烟气出口和生料喂入口；
所述塔式太阳能集热装置的空气出口接入生料分解装置的高温空气入口；
塔式太阳能集热装置产生950℃以上的空气，从生料分解装置底部的高温空气入口进入生料分解装置；水泥生料从生料分解装置顶部的生料喂入口进入生料分解装置；水泥生料在生料分解装置中被空气携带在流动过程呈悬浮态受热分解，产生CO2，与空气混合形成烟气；生料分解装置中水泥生料整体呈自上而下流动，烟气整体呈自下而上流动；最终烟气从生料分解装置顶部的烟气出口排出；
所述生料分解装置的烟气出口与余热发电机组相连，烟气进入余热发电机组发电。
2.根据权利要求1所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
其中，所述生料分解装置为多级生料分解反应器。
3.根据权利要求2所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
其中，所述多级生料分解反应器包括多个依次互相连接的旋风筒；多个旋风筒分别为一级旋风筒至末级旋风筒；一级旋风筒至末级旋风筒自上而下依次呈左右交错式布置；
所述旋风筒筒体切线方向设置物料入口通道；旋风筒顶部垂直方向设置气体出口通道；旋风筒锥体底部设置固体出口通道；
旋风筒的固体出口通道与该级旋风筒下方设置的旋风筒的气体出口通道相接，汇入横向设置的管路，接入上述两级旋风筒的中间级旋风筒的物料入口通道。
4.根据权利要求3所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
其中，所述多级生料分解反应器的生料喂入口与二级旋风筒的气体出口通道相接，汇入一级旋风筒的物料入口通道；
末级旋风筒底部的固体出口通道为多级生料分解反应器的分解生料出口；
多级生料分解反应器的高温空气入口与次末级旋风筒的固体出口通道相接，汇入末级旋风筒的物料入口通道；
一级旋风筒顶部的气体出口通道为多级生料分解反应器的烟气出口。
5.根据权利要求1所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
其中，所述塔式太阳能集热装置包括太阳能镜场和高温吸热器；
太阳能镜场追踪太阳光线，将太阳能汇聚至高温吸热器表面。
6.根据权利要求5所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
其中，所述高温吸热器具有夹套结构，包括夹套层及夹套层内布置的换热工质管道；夹套层中填充相变工质，换热工质管道内工质为空气。
7.根据权利要求5所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统，其特征在于：
还包括空气压缩机和换热器；
空气压缩机、换热器和高温吸热器依次连接；换热器还与余热发电机组连接；
余热发电机组发电后的烟气进入换热器；
空气经空气压缩机进入换热器，在换热器中被来自余热发电机组的烟气预热，然后进入高温吸热器。
8.如权利要求7所述的塔式太阳能高温空气水泥生料分解系统的水泥生料分解方法，其特征在于：
太阳能镜场将热能汇聚在高温吸热器，高温吸热器夹套层中的相变工质被加热至高温状态；
空气经空气压缩机、换热器后，进入高温吸热器，在高温吸热器内被高温相变工质加热至950℃以上；
在生料分解装置中，出高温吸热器的空气携带次末级旋风筒固体出口通道的固体物料进入末级旋风筒，气固分离后逐级向上流动；水泥生料自生料喂入口加入生料分解装置，与二级旋风筒气体出口通道的烟气汇合进入一级旋风筒，气固分离后逐级向下流动；在流动的过程中，水泥生料被空气/烟气加热实现生料的预热和分解；最终分解后生料从分解生料出口流出，烟气从烟气出口离开；
出生料分解装置的烟气进入余热发电机组进行发电；然后利用余热在换热器内预热进入高温吸热器的压缩空气，实现热量回收。
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| CN114249550A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-29 | 天津水泥工业设计研究院有限公司 | 利用太阳能、氢能煅烧水泥的co2零排放生产工艺及系统 |
| CN115183476A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-10-14 | 南京工业大学 | 一种超超临界太阳能塔式水工质吸热器 |
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2022
- 2022-10-31 CN CN202211342458.6A patent/CN115521085A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114249550A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-29 | 天津水泥工业设计研究院有限公司 | 利用太阳能、氢能煅烧水泥的co2零排放生产工艺及系统 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 周国藩主编: "设备安装工程概预算编制实例应用手册", vol. 1, 武汉理工大学出版社, pages: 240 - 241 * |
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