CN116459650B - 一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺，属于二氧化碳捕集与利用技术领域。该系统包括水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备‑储存‑添加单元。具体工艺为：将烟气通入水泥窑烟气润湿和热交换装置，然后将润湿液通入吸收剂搅拌釜并加入有机胺类有机组分和碱金属化合物类组分得到吸收剂，并通入吸收塔中和润湿的烟气混合得到吸收液，接着通入至水泥外加剂搅拌釜并加入多元醇类有机物，最后添加至水泥磨中即完成捕集利用。本发明实现了二氧化碳的捕集与吸收剂免解吸利用的同时进行，不仅能够资源化的利用水泥窑烟气中的二氧化碳；还能够降低水泥粉磨能耗并提升水泥力学性能，降低水泥生产全流程的碳排放。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集与利用技术领域，具体涉及一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺。
背景技术
目前，水泥行业中二氧化碳排放占碳排放总量的12％左右，主要涉及燃料燃烧和碳酸盐分解。其中，水泥窑中产生的二氧化碳是其主要来源，因此，如何实现水泥的碳中和面临着巨大的挑战。在水泥工业中，采用原料替代和燃料替代被认为是降低水泥碳排放的重要途径，然而，其仍然无法避免因为熟料中碳酸盐的分解产生的二氧化碳排放。因此，水泥工业的碳捕集成为实现水泥碳中和重要的“兜底”技术。在现有技术中，化学吸收法是捕集二氧化碳的重要手段，主要是利用有机胺等作为吸收剂，在高温高压下分离二氧化碳，实现吸收剂的循环利用。但该方法仍然面临着解吸能耗高和二氧化碳利用率低等瓶颈问题。
因此，研究一种水泥窑烟气中的二氧化碳捕集与利用一体化系统与工艺，对水泥降碳提质具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统，所述系统包括水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元；
所述烟气预处理单元包括水泥窑烟气润湿和热交换装置；
所述烟气二氧化碳捕集单元包括吸收剂搅拌釜、二氧化碳吸收塔、三相控制阀和吸收液储存罐；
所述水泥窑烟气润湿和热交换装置底部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部与所述水泥窑烟气润湿和热交换装置的烟气出口连接；
所述二氧化碳吸收塔顶部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部通过所述三相控制阀分别连接所述吸收液储存罐和所述吸收剂搅拌釜；
所述水泥外加剂制备-储存-添加单元包括依次串联的水泥外加剂搅拌釜、储存罐和水泥磨；
所述吸收液储存罐与所述水泥外加剂搅拌釜连接。
有益效果：本发明设置水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元，实现了水泥窑烟气中二氧化碳的捕集与吸收剂的免解吸利用。并且本发明在烟气预处理单元设置水泥窑烟气润湿和热交换装置，实现了烟气与液相润湿液的热交换、制备吸收剂以及余热的回收利用。
进一步地，所述二氧化碳吸收塔与所述三相控制阀之间包括液相组成在线检测装置。
进一步地，所述二氧化碳吸收塔顶部还包括尾气出口。
本发明还提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，具体包括以下步骤：
(1)将烟气通入所述水泥窑烟气润湿和热交换装置中进行烟气润湿，然后将润湿液通入所述吸收剂搅拌釜，将润湿后的烟气通入所述二氧化碳吸收塔，并向所述吸收剂搅拌釜中加入有机胺类有机组分和碱金属化合物类无机组分混合，得到二氧化碳吸收剂；
(2)将所述二氧化碳吸收剂通入所述二氧化碳吸收塔中，与所述润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；
(3)将所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜内，加入多元醇类有机物，得到水泥外加剂，然后加入至所述水泥磨中和水泥混合，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化。
有益效果：本发明的水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，实现水泥窑中二氧化碳的捕集和免解吸利用，同时提高水泥的力学性能，进一步降低水泥的能耗和碳排放。
进一步地，步骤(1)中所述烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气，其中，二氧化碳浓度为14.3％，一氧化碳浓度为1.2％，温度为107℃，流量为45000Nm3/h；所述润湿液为水。
进一步地，步骤(1)中所述烟气润湿具体为：利用水泥窑烟气润湿和热交换装置中的热交换装置将烟气的热量加热润湿液至30-50℃，烟气温度降低至30-50℃，更有利于提高吸收剂对烟气中的二氧化碳的捕集效率。
进一步地，步骤(1)中所述有机胺类有机组分包括三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、单乙醇二异丙醇胺中的一种或几种；所述碱金属化合物类无机组分为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾中的一种或几种；所述有机胺类有机组分、碱金属化合物类无机组分和润湿液的质量比为(0.5-10)∶(20-35)∶(79.5-55)。
更进一步地，所述有机胺类有机组分优选为三乙醇胺，所述碱金属化合物类无机组分优选为氢氧化钠。
有益效果：本发明采用三乙醇胺作为有机胺类有机组分和氢氧化钠作为无机组分的复合吸收剂，不仅可以捕集水泥窑烟气中的二氧化碳，同时捕集液也是重要的水泥外加剂原料，使制备的水泥外加剂具有助磨和增强的双重作用。
进一步地，步骤(3)中所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜之前还需要经过所述液相组成在线检测装置进行检测；其中，所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经所述三相控制阀通入所述吸收液储存罐中，然后再通入所述水泥外加剂搅拌釜；所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经所述三相控制阀流回所述吸收剂搅拌釜内。
进一步地，步骤(3)中所述多元醇类有机物为多羟基有机物，所述多羟基有机物包括乙二醇、二乙二醇、丙三醇、白糖和糖蜜中的一种或几种；所述多元醇类有机物为二氧化碳吸收液总质量的1-10％。本发明中引入多羟基有机物，能够对水泥起到辅助助磨和增强的作用。
进一步地，步骤(3)中所述水泥外加剂为水泥质量的0.03-0.20％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺的技术原理为：
捕集阶段发生的化学反应：
R1R1R2N+H2O→R1R2R3NH++OH- (1)
2OH-+CO2→CO3 2-+H2O (2)
其中R1和R2为-CH2CH2OH和-CH2CH(CH3)OH中的一种，R1和R2可相同。
有机胺加速烟气中CO2向液相传输，提高吸收效率。
水泥粉磨阶段：
有机胺类有机组分和多羟基有机物通过在水泥颗粒表面的吸附分散水泥颗粒，有利于提高水泥的粉磨效率；碳酸盐在碱性环境下快速形成碳酸钙，经历了粉磨过程后形成晶核，有利于促进水泥水化并填充空隙，提升水泥力学性能。
CO3 2-+Ca2+→CaCO3 (3)
本发明针对水泥窑中的复杂烟气环境与水泥熟料、混合材的水化特征，依次通过水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元，将制备的水泥外加剂添加到水泥磨中使用，实现了水泥窑烟气中二氧化碳的捕集与吸收剂免解吸利用的同时进行，不仅能够资源化的利用水泥窑烟气中的二氧化碳；还能够利用吸收液制备水泥外加剂，降低水泥粉磨能耗并提升水泥力学性能，整体降低水泥生产全流程的碳排放。
本发明以有机胺和碱金属化合物组成复合吸收剂，不仅能够吸收烟气中的二氧化碳，而且适用于制备高性能水泥外加剂，通过界面吸附降低表面能起到提高水泥粉磨效率与水化碳酸化协同增强水泥早后期强度的作用，进而减少有用能源和资源的消耗，对保护环境较有利。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统的示意图；
附图标记为：1、水泥窑烟气润湿和热交换装置；2、二氧化碳吸收塔；3、尾气出口；4、吸收剂搅拌釜；5、液相组成在线检测装置；6、三相控制阀；7、吸收液储存罐；8、水泥外加剂搅拌釜；9、储存罐；10、水泥磨；a-i为相应的管路。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统(系统示意图如图1所示)，包括水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元；
其中，水泥窑烟气预处理单元包括水泥窑烟气润湿和热交换装置1，水泥窑烟气润湿和热交换装置1一侧包括烟气入口，另一侧包括烟气出口；
烟气二氧化碳捕集单元包括吸收剂搅拌釜4、二氧化碳吸收塔2、三相控制阀6和吸收液储存罐7，水泥窑烟气润湿和热交换装置1底部与吸收剂搅拌釜4连接，二氧化碳吸收塔2底部与水泥窑烟气润湿和热交换装置1的烟气出口连接，二氧化碳吸收塔2顶部与吸收剂搅拌釜4连接，二氧化碳吸收塔2顶部还包括尾气出口3，二氧化碳吸收塔2底部通过三相控制阀6分别连接吸收液储存罐7和吸收剂搅拌釜4，二氧化碳吸收塔2与三相控制阀6之间包括液相组成在线检测装置5；
水泥外加剂制备-储存-添加单元包括依次串联的水泥外加剂搅拌釜8、储存罐9和水泥磨10，吸收液储存罐7与水泥外加剂搅拌釜8连接。
实施例2
一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，使用上述实施例1的系统，具体包括以下步骤：
(1)将烟气通入水泥窑烟气润湿和热交换装置1中进行烟气润湿，其中，润湿液为水，烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气，二氧化碳浓度为14.3％，一氧化碳浓度为1.2％，温度为107℃，流量为45000Nm3/h，利用烟气的热量将润湿液加热至30℃，烟气温度降低至30℃，然后将润湿液通入吸收剂搅拌釜4，将润湿后的烟气通入二氧化碳吸收塔2，并向吸收剂搅拌釜4中加入有机胺和氢氧化钠混合均匀，得到二氧化碳吸收剂，其中，有机胺、氢氧化钠和润湿液的质量比为1∶25∶74，有机胺是质量比为1∶1的三乙醇胺和单乙醇二异丙醇胺的混合物；
(2)将上述二氧化碳吸收剂通入二氧化碳吸收塔2中，与润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；
(3)将步骤(2)得到的二氧化碳吸收液经液相组成在线检测装置5进行检测，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经三相控制阀6流回吸收剂搅拌釜4内，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经三相控制阀6通入吸收液储存罐7中，然后再将吸收液储存罐7中的二氧化碳吸收液通入水泥外加剂搅拌釜8内，同时加入二氧化碳吸收液总质量的10％的多元醇类有机物，其中，多元醇类有机物为乙二醇，丙三醇和糖蜜的混合物，其质量比为5∶10∶3，搅拌均匀后得到水泥外加剂，最后将其加入至水泥磨10中和水泥混合，水泥外加剂的添加质量为水泥质量的0.03％，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化。
实施例3
一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，使用上述实施例1的系统，具体包括以下步骤：
(1)将烟气通入水泥窑烟气润湿和热交换装置1中进行烟气润湿，其中，润湿液为水，烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气，二氧化碳浓度为14.3％，一氧化碳浓度为1.2％，温度为107℃，流量为45000Nm3/h，利用烟气的热量将润湿液加热至40℃，烟气温度降低至40℃，然后将润湿液通入吸收剂搅拌釜4，将润湿后的烟气通入二氧化碳吸收塔2，并向吸收剂搅拌釜4中加入三乙醇胺和质量比为1∶1的氢氧化钠与碳酸钠混合物混合均匀，得到二氧化碳吸收剂，其中，三乙醇胺、氢氧化钠与碳酸钠混合物和润湿液的质量比为5∶30∶65；
(2)将上述二氧化碳吸收剂通入二氧化碳吸收塔2中，与润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；
(3)将步骤(2)得到的二氧化碳吸收液经液相组成在线检测装置5进行检测，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经三相控制阀6流回吸收剂搅拌釜4内，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经三相控制阀6通入吸收液储存罐7中，然后再将吸收液储存罐7中的二氧化碳吸收液通入水泥外加剂搅拌釜8内，同时加入二氧化碳吸收液总质量的8％的二乙二醇，搅拌均匀后得到水泥外加剂，最后将其加入至水泥磨10中和水泥混合，水泥外加剂的添加质量为水泥质量的0.10％，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化。
实施例4
一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，使用上述实施例1的系统，具体包括以下步骤：
(1)将烟气通入水泥窑烟气润湿和热交换装置1中进行烟气润湿，其中，润湿液为水，烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气，二氧化碳浓度为14.3％，一氧化碳浓度为1.2％，温度为107℃，流量为45000Nm3/h，利用烟气的热量将润湿液加热至50℃，烟气温度降低至50℃，然后将润湿液通入吸收剂搅拌釜4，将润湿后的烟气通入二氧化碳吸收塔2，并向吸收剂搅拌釜4中加入质量比为1∶1的三异丙醇胺与二乙醇单异丙醇胺混合物和质量比为1∶1的氢氧化钾与碳酸钾混合物混合均匀，得到二氧化碳吸收剂，其中，三异丙醇胺与二乙醇单异丙醇胺混合物、氢氧化钾与碳酸钾混合物和润湿液的质量比为10∶35∶55；
(2)将上述二氧化碳吸收剂通入二氧化碳吸收塔2中，与润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；
(3)将步骤(2)得到的二氧化碳吸收液经液相组成在线检测装置5进行检测，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经三相控制阀6流回吸收剂搅拌釜4内，当二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经三相控制阀6通入吸收液储存罐7中，然后再将吸收液储存罐7中的二氧化碳吸收液通入水泥外加剂搅拌釜8内，同时加入二氧化碳吸收液总质量的3％的白糖，搅拌均匀后得到水泥外加剂，最后将其加入至水泥磨10中和水泥混合，水泥外加剂的添加质量为水泥质量的0.20％，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化。
性能验证：
对采用实施例2-4制备的水泥进行水泥磨台时和比表面积分析，并参照GB 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》检测其强度，根据GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定水泥的初凝终凝时间，结果如表1所示。
表1测试结果
| 台时产量 | 比表面积 | 初凝时间 | 终凝时间 | 3d抗压强度 | 28d抗压强度 | |
| 实施例2 | +12.6％ | +4.8％ | -17min | -28min | +3.4MPa | +4.2MPa |
| 实施例3 | +12.2％ | +5.6％ | -20min | -32min | +3.9MPa | +4.5MPa |
| 实施例4 | +13.1％ | +6.3％ | -28min | -19min | +3.0MPa | +3.9MPa |
由表1可知，采用本发明的系统和工艺得到的水泥外加剂，添加至水泥磨后，水泥的台时产量和比表面积均显著提高，说明水泥的粉磨效率得到明显改善。此外，水泥的初凝和终凝的时间更短，3d和28d的抗压强度更高，说明采用本发明的系统和工艺得到的水泥外加剂有利于促进水泥的水化，并提升水泥的力学性能。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，其特征在于，包括一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统，所述系统包括水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元；
所述水泥窑烟气预处理单元包括水泥窑烟气润湿和热交换装置；
所述烟气二氧化碳捕集单元包括吸收剂搅拌釜、二氧化碳吸收塔、三相控制阀和吸收液储存罐；
所述水泥窑烟气润湿和热交换装置底部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部与所述水泥窑烟气润湿和热交换装置的烟气出口连接；
所述二氧化碳吸收塔顶部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部通过所述三相控制阀分别连接所述吸收液储存罐和所述吸收剂搅拌釜；
所述水泥外加剂制备-储存-添加单元包括依次串联的水泥外加剂搅拌釜、储存罐和水泥磨；
所述吸收液储存罐与所述水泥外加剂搅拌釜连接；
所述二氧化碳吸收塔与所述三相控制阀之间包括液相组成在线检测装置；
所述一种水泥窑碳捕集利用一体化系统，具体包括以下步骤：
(1)将烟气通入所述水泥窑烟气润湿和热交换装置中进行烟气润湿，然后将润湿液通入所述吸收剂搅拌釜，将润湿后的烟气通入所述二氧化碳吸收塔，并向所述吸收剂搅拌釜中加入有机胺类有机组分和碱金属化合物类无机组分混合，得到二氧化碳吸收剂；
(2)将所述二氧化碳吸收剂通入所述二氧化碳吸收塔中，与所述润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；
(3)将所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜内，加入多元醇类有机物，得到水泥外加剂，然后加入至所述水泥磨中和水泥混合，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化；
步骤(1)中所述烟气润湿具体为：利用烟气的热量将润湿液加热至30-50℃，烟气温度降低至30-50℃；
所述有机胺类有机组分、碱金属化合物类无机组分和润湿液的质量比为(0.5-10)∶(20-35)∶(55-79.5)；
所述有机胺类有机组分为三乙醇胺，所述碱金属化合物类无机组分为氢氧化钠；
步骤(3)中所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜之前还需要经过所述液相组成在线检测装置进行检测；
其中，所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经所述三相控制阀通入所述吸收液储存罐中，然后再通入所述水泥外加剂搅拌釜；所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经所述三相控制阀流回所述吸收剂搅拌釜内；
所述多元醇类有机物为二氧化碳吸收液总质量的1-10％。
2.根据权利要求1所述的一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，其特征在于，所述二氧化碳吸收塔顶部还包括尾气出口。
3.根据权利要求1所述的一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，其特征在于，步骤(1)中所述烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气；
所述润湿液为水。
4.根据权利要求1所述的一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，其特征在于，步骤(3)中所述多元醇类有机物为多羟基有机物，所述多羟基有机物包括乙二醇、二乙二醇、丙三醇、白糖和糖蜜中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，其特征在于，步骤(3)中所述水泥外加剂为水泥质量的0.03-0.20％。
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