CN115636608A - 一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，具体为：将一定量甲烷气体送入位于回转窑上方并距回转窑上表面一定距离的预热管路中，预热至200～260℃，甲烷气体从窑尾至窑头，再折返至窑尾；将采用全氧燃烧水泥生产工艺的预热器顶部出口排出的烟气经脱硫、脱硝和初步除尘后，选取20～50％的气体与预热后的甲烷气体充分混合之后；通入位于三次风管内的混合气体管道，混合气体从窑尾到窑头，预热至反应温度后；通入催化反应器内，发生甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应，生成H2和CO，部分通入分解炉，部分通入窑头燃烧器。本发明可降低CO2排放量30％以上，能耗较低，无需高压环境，工艺过程简单，适合大规模推广。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，特别是涉及一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法。
背景技术
近年来，人类生产生活活动大量使用化石燃料，燃烧产生的CO2排放也越来越多，水泥行业是CO2的排放大户。中国水泥总产量占世界55％～58％，2021年排放约12-13亿吨CO2。
针对水泥行业CO2的捕集和/或利用降碳技术，CN200610092071.4公开了一种利用水泥窑尾气生产食品级液体二氧化碳的方法，其经过除尘、升压、一次脱硫、溶液吸收CO2、升温解吸、分离CO2、二次脱硫、干燥、液化步骤，但能耗高且目前食品级二氧化碳市场处于饱和状态。CN113606946A公开了一种水泥窑尾烟气的二氧化碳捕集系统及减排方法，其在保证水泥窑系统正常生产时，将热能与化学能进行相互转化和储能，充分利用集成系统热量，降低再生过程的能耗，并将窑尾烟气中的CO2捕集后储存，但并未真正解决CO2减量的问题。CN109550360A公开了一种碳捕捉、封存及利用技术用二氧化碳解吸装置，该技术采用化学吸收法进行CO2捕集，但会产生一定污染且解析等过程能耗较高。
综上所述，现有水泥行业在CO2减排方面存在的问题为：
(1)水泥行业尾气中CO2排放量大，排放浓度高；
(2)采用现有工艺技术进行CO2的捕集和利用，能耗较高；
(3)目前很多现有CO2捕集技术，并未真正解决CO2利用的问题；
(4)现有水泥窑表面热辐射热传导较多，浪费能源。
因此，随着双碳的逐步实施，寻找一种适用于水泥行业CO2减排的技术路线迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，采用该方法可直接将水泥窑尾气中的一部分CO2循环利用，相比二次转化，可节约更多能耗。
本发明是这样实现的，一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，包括如下步骤：
将一定量甲烷气体送入位于回转窑上方并距回转窑上表面一定距离的预热管路中，甲烷气体流经方向为从窑尾至窑头，再折返至窑尾，使甲烷气体升温预热至200～260℃；
将采用全氧燃烧水泥生产工艺的预热器顶部出口排出的烟气经脱硫、脱硝和初步除尘后，选取20～50％的脱硫脱硝除尘后气体与预热后的甲烷气体在气体混合器充分混合，得到混合气体；
将混合气体通入位于三次风管内成环状布置的混合气体管道，混合气体流经方向为从窑尾到窑头方向，混合气体在混合气体管道内预热至反应温度后；通入装有颗粒状催化剂的催化反应器内，使混合气体在催化反应器内同时发生甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应；
混合气体在催化反应器内经甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应后，生成H2和CO，H2和CO一部分通入分解炉中，一部分通入窑头燃烧器中。
优选的，所述预热管路距回转窑上表面的距离为10cm～50cm，甲烷气体在预热管路中的流速为6～12m/s。
优选的，所述预热管路的布置方式为窑中心辐射状布置有10～20根，预热管路的管径为300～600mm，并在回转窑前段筒体温度高的区域预热管路采取折返布置。
优选的，所述甲烷气体进入预热管路前的管道上设置甲烷调节阀和甲烷止回阀。
优选的，所述气体混合器入口设置两个螺旋状喷嘴，两种气体分别通过螺旋状喷嘴喷入气体混合器中充分混合；气体混合器出口设置多孔板，使出气体混合器的气体进一步混合均匀。
优选的，气体混合器中，预热后的甲烷气体与脱硫脱硝除尘后气体的体积比为1.0～1.5:1。
优选的，每个所述混合气体管道的外表面均设置有螺旋形挡板。
优选的，所述催化反应器紧邻窑头三次风管布置，所述颗粒状催化剂装在位于催化反应器后端的催化反应床内。
优选的，所述催化反应器内的反应温度为550～1000℃。
优选的，H2和CO经增压后通入窑头燃烧器中。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明可实现水泥窑窑尾烟气中CO2的综合利用，可降低CO2排放量30％以上；
(2)本发明对全氧燃烧后的水泥窑窑尾烟气进行净化后直接对CO2进行转化利用，无需进行吸附脱附，与其他CO2捕集技术相比能耗显著降低；且直接对催化转化产物进行利用，无需二次转化，能量效率高；
(3)本发明与其他CO2捕集利用技术相比，采用该工艺无需额外除尘，只需根据产物的热值进行适当补充燃料和气体；
(4)本发明与传统CO2加氢制甲醇技术相比，采用该技术，无需高压环境，操作安全，适合大规模推广；
(5)采用本发明进行CO2减排，不额外产生粉尘和废液，工艺操作简单，适合大规模推广。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的布置在回转窑上方的预热管路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的气体混合器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的布置在三次风管内的混合气体管道的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的催化反应器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的三次风管和催化反应器的立体图；
图7是本发明实施例提供的三次风管和催化反应器的剖视图。
图中：1、回转窑；2、预热管路；3、甲烷调节阀；4、甲烷止回阀；5、废气引风机；6、废气调节阀；7、废气止回阀；8、气体混合器；81、螺旋状喷嘴；82、多孔板；9、三次风管；10、混合气体管道；11、螺旋形挡板；12、催化反应器；121、催化反应床；13、颗粒状催化剂；14、窑头燃烧器；
带箭头虚线为气流方向；带箭头实线为料流方向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参见图1～图7，本发明实施例提供了一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，包括如下步骤：
将一定量甲烷气体送入位于回转窑1上方并距回转窑1上表面距离10cm～50cm的预热管路2中，甲烷气体流经方向为从窑尾至窑头，再折返至窑尾，甲烷气体在预热管路2中的流速为6～12m/s，使甲烷气体升温预热至200～260℃。所述预热管路2的布置方式为窑中心辐射状布置有10～20根，预热管路2的管径为300～600mm，并在回转窑1前段筒体温度高的区域预热管路2采取折返布置，增强换热效率。所述甲烷气体进入预热管路2前的管道上设置甲烷调节阀3和甲烷止回阀4，调节甲烷气体流量和防止甲烷气体倒流。
将采用全氧燃烧水泥生产工艺的预热器顶部出口排出的烟气经脱硫、脱硝和初步除尘后，选取20～50％的脱硫脱硝除尘后气体经废气引风机5送至气体混合器8，与预热后的甲烷气体在气体混合器8充分混合，得到混合气体；其中，气体混合器中，预热后的甲烷气体与脱硫脱硝除尘后气体的体积比为1.0～1.5:1。所述气体混合器8入口设置两个螺旋状喷嘴81，两种气体分别通过螺旋状喷嘴81喷入气体混合器8中充分混合；气体混合器8出口设置多孔板82，使出气体混合器8的气体进一步混合均匀。脱硫脱硝除尘后气体进入气体混合器8前的管道上设置废气调节阀6和废气止回阀7，调节脱硫脱硝除尘后气体流量和防止脱硫脱硝除尘后气体倒流。预热器顶部出口排出的烟气采用干法协同脱硫脱硝工艺，且兼具一定除尘功能；预热器顶部出口排出的烟气的其余部分可通入余热发电等设备，返回水泥生产系统供原料粉磨烘干使用。
将混合气体通入位于三次风管9内成环状布置的混合气体管道10，每个所述混合气体管道10的外表面均设置有螺旋形挡板11，可以使三次风在混合气体管道10外旋转，避免粉尘通过惯性积累在混合气体管道10的管壁上，同时可以增强换热效果，提高混合气体温度。混合气体流经方向为从窑尾到窑头方向，混合气体在混合气体管道10内预热至反应温度后；通入装有颗粒状催化剂13的催化反应器12内，所述颗粒状催化剂13装在位于催化反应器12后端的催化反应床121内，所述催化反应器12内的反应温度为550～1000℃，使混合气体在催化反应器12内同时发生甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应；所述催化反应器12紧邻窑头三次风管9布置，减小管道热量散失。
混合气体在催化反应器12内经甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应后，生成H2和CO，H2和CO一部分通入分解炉中，供水泥生料预分解，一部分经增压后通入窑头燃烧器14中，供回转窑1烧成使用。生产时，分解炉内需要补充一定量的燃料(如甲烷或煤粉)和气体保持气体温度、配比稳定平衡。
本发明可降低CO2排放量30％以上，能耗相对较低，无需高压环境，工艺过程简单，适合大规模推广。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于：包括如下步骤：
将一定量甲烷气体送入位于回转窑上方并距回转窑上表面一定距离的预热管路中，甲烷气体流经方向为从窑尾至窑头，再折返至窑尾，使甲烷气体升温预热至200～260℃；
将采用全氧燃烧水泥生产工艺的预热器顶部出口排出的烟气经脱硫、脱硝和初步除尘后，选取20～50％的脱硫脱硝除尘后气体与预热后的甲烷气体在气体混合器充分混合，得到混合气体；
将混合气体通入位于三次风管内成环状布置的混合气体管道，混合气体流经方向为从窑尾到窑头方向，混合气体在混合气体管道内预热至反应温度后；通入装有颗粒状催化剂的催化反应器内，使混合气体在催化反应器内同时发生甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应；
混合气体在催化反应器内经甲烷水蒸气重整和甲烷二氧化碳重整反应后，生成H2和CO，H2和CO一部分通入分解炉中，一部分通入窑头燃烧器中。
2.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述预热管路距回转窑上表面的距离为10cm～50cm，甲烷气体在预热管路中的流速为6～12m/s。
3.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述预热管路的布置方式为窑中心辐射状布置有10～20根，预热管路的管径为300～600mm，并在回转窑前段筒体温度高的区域预热管路采取折返布置。
4.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述甲烷气体进入预热管路前的管道上设置甲烷调节阀和甲烷止回阀。
5.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述气体混合器入口设置两个螺旋状喷嘴，两种气体分别通过螺旋状喷嘴喷入气体混合器中充分混合；气体混合器出口设置多孔板，使出气体混合器的气体进一步混合均匀。
6.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，气体混合器中，预热后的甲烷气体与脱硫脱硝除尘后气体的体积比为1.0～1.5:1。
7.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，每个所述混合气体管道的外表面均设置有螺旋形挡板。
8.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述催化反应器紧邻窑头三次风管布置，所述颗粒状催化剂装在位于催化反应器后端的催化反应床内。
9.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，所述催化反应器内的反应温度为550～1000℃。
10.如权利要求1所述的基于催化转化利用降低二氧化碳排放的水泥生产方法，其特征在于，H2和CO经增压后通入窑头燃烧器中。
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