CN216941194U - 一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，可达到高温碳化养护下加强水泥制品性能的同时大量吸收二氧化碳的效果。系统将带有余热的烟气直接通入置有水泥制品的碳化养护装置内进行反应，并通过外置超声起雾装置和内置温度控制器实时调整系统反应炉内的蒸汽量和温度，加速烟气扩散溶解于水泥基材料的结构孔隙，迅速生成碳酸钙,极大增强了水泥基材料强度和性能表现。同时烟气的直接吸收方式省去工业提纯CO₂工序，同时吸收了烟气中剩余氮硫化物有害杂质。实现了综合利用工厂烟气及余热,同时降低了碳化养护水泥基材料性能成本的双重效益,使烟气成为低成本加固水泥的原料,实现了对工业废弃烟气及其余热最大限度的有效利用。

Description

一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统

技术领域

本发明属于气体废弃物回收利用及建筑材料领域，具体涉及一种利用工厂烟气及其余热在蒸汽条件下规模化处理水泥基材料的碳化系统。

背景技术

随着中国整体经济形势的蓬勃发展，近年来由热能产业排放的过多二氧化碳(CO₂)引起的温室气体效应对地球环境产生了较为严重的影响。其中，建筑材料工业(水泥、钢筋生产等)2020年二氧化碳排放量为14.8亿吨，比上一年同比上升2.7％，水泥、石灰行业的 CO₂排放量分别位居建材行业前两位。

目前，利用水泥基材料进行碳化可以在提高水泥基材料早期强度的同时回收CO₂，然而现有研究主要以纯CO₂碳化固体废弃物或水泥基材料，有耗能大、成本高的缺点，从而导致此项技术推广难度大、实践性低；且目前高温碳化水泥基材料的研究只关注反应环境初始湿度，忽略反应过程中环境及基体孔隙中水分含量对反应的后续影响。

利用工厂排放烟气及其余热，辅予蒸汽控制直接碳化水泥基材料及固废制备建筑材料及制品，可在提高材料性能提高固化CO₂效率的同时，显著降低CO₂提纯成本，达到优化能源结构的同时促进低碳技术发展的目的，实现CO₂自循环(即排放-吸收闭环)与建材生产使用过程CO₂零排放，为碳中和目标做出贡献。此外，利用烟气余热在高温下加速碳化反应处理固废及水泥制品，可弥补烟气中CO₂浓度低而导致的碳化反应滞后效应，同时吸收烟气中氮硫化物转化为安全稳定的化合物。此方法不仅减少了烟气处理成本，为大产量直接应用烟气找到了一条有效途径，并且可以合理化规模化处理待排放烟气，对发展绿色环保型建筑材料起到重要的推动作用，从而形成巨大的环境效益、社会效益和经济效益。

现有关于利用烟气及其余热处理改善水泥基材料的专利及文献较少。其中中国专利(公开号为：CN112191091A)将二氧化碳用于水泥基材料的综合利用，然而忽略了硫氮杂质对碳化反应的干扰作用，且高温工艺会消耗额外的能源，与利用烟气节能减排的出发点背道而驰；外文期刊(Flue gas carbonation of cement-based building products)将烟气应用于水泥基材料的碳封存处理，但并未考虑常温常压环境下，由于烟气CO2含量低而导致有限的碳化效率；外文期刊(Investigation of the carbonation performance ofcement-based materials under high temperatures)将高温方法应用于水泥基材料的碳化技术中，然而忽略了反应环境中水分对其碳化效率的影响。

目前，现有的传统碳化系统普遍存在如下缺点：

1)碳化所采用的提纯CO₂需要消耗大量能源与经济成本；

2)常温常压环境下的碳化效率低，而高温高压会产生额外的能源浪费；

3)高温碳化技术忽略环境中水分对于水泥基材料碳化反应的影响；

4)烟气碳化技术忽略硫氮杂质对碳化反应的干扰效应。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，本实用新型直接利用高温烟气碳化水泥制品，省去了工业提纯CO₂的工序，利用余热和辅助蒸汽增加了碳化反应速率，并吸收了烟气中剩余氮硫化物，具有回收能源和强化材料的双重价值，以解决现有技术中水泥制品碳化过程中存在的上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：

一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，其包括烟气输送装置、温湿度检测器、超声蒸汽控制仪、碳化反应装置、气体循环装置和尾气处理装置，其中，

所述烟气输送装置包括烟气接收仓，烟气储存仓和烟气输送管道，所述烟气接收仓经烟气输送管道与烟气储存仓连接，烟气储存仓经烟气输送管道与碳化装置相连接输送烟气；

所述的烟气接收仓和烟气储存仓上均设有温度控制器，连接烟气接收仓和烟气储存仓的烟气输送管道上、连接烟气储存仓和碳化装置的烟气输送管道上均设有温度检测器，用于调整烟气输送管道烟气温度至恒定温度；

所述超声蒸汽控制仪包括超声起雾系统和蒸汽输送装置，所述超声起雾装置根据烟气输送管道中湿度检测器示数实时调整起雾量，所述蒸汽输送装置与所述超声起雾系统连接；

所述碳化反应装置包括管式炉，真空泵和温度控制器，所述管式炉设置有烟气进口、蒸汽进口和烟气出口，所述烟气输送管道连接管式炉烟气进口，所述蒸汽进口与蒸汽输送装置相连接，所述真空泵与所述管式炉相连接，用以在输送烟气前确保所述管式炉内保持绝对真空状态，所述温度控制器分别设置于管式炉进气口、炉腔内和出气口，用于检测及实时调整控制炉腔内反应温度恒定；

所述气体循环装置包括除尘仓、风机和循环烟道，所述除尘仓的进气口与所述管式炉出气口连接，进行初步除尘，以防堵塞后续设备，所述风机设置在除尘仓出口处用于送烟气至循环烟道内，所述循环烟道进气口与除尘仓出气口连接，除尘后气体通过循环烟道先进入烟气储存仓与烟气储存仓内的气体混合成混合气体后，再由烟气储存仓进入管式炉进行反应；

所述尾气处理装置包括洗气仓、气体搅拌装置和沉淀池，所述洗气仓进气口与所述气体循环装置中除尘仓出气口连接，洗气仓内部设置有干燥系统和气体搅拌装置，用于全面吸收剩余废气，所述沉淀池设置于洗气仓下部，用于储存尾气反应生成的沉淀并方便于回收利用，剩余无害气体排放于大气中。

特别地，所述烟气中包含CO₂含量为15％-25％，NO_X和SO₂含量不高于500ppm，其中包含且不限于细小固体颗粒物。

特别地，所述管式炉内恒定温度限定在120-160℃，以符合实际工厂管道烟气出厂温度，气体压力为1个大气压，蒸汽含量控制在100-300g/cm³，碳化反应时间控制为30min-2h。

特别地，所述烟气输送装置中的烟气输送管道和超声蒸汽控制仪中的蒸汽输送装置以并列关系分别与碳化装置中管式炉相连通。

特别地，所述管式炉内有布置镂空石英板，所述石英板底部设置有圆形镂空以确保水泥基材料样品充分与烟气接触并反应。

特别地，所述循环装置中循环烟道和尾气处理装置中洗气仓以并列关系和除尘仓连接，其中循环烟道设置于洗气仓下方，用于循环包含更多CO₂和SO₂分子体积大的反应后重组烟气，以实现气体资源合理利用。

本实用新型的有益效果为，与现有技术相比，所述利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，通过控制反应仓中蒸汽含量及利用烟气余热实时调整反应温度，产生早强高性能碳化水泥制品，实现规模化固碳和能源节约目标，实施对碳化反应、水化反应、硫氮反应精准控制，是一种有效利用废热废气的节能经济型。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式提供的系统结构示意图；

图2为本实用新型具体实施方式提供的碳化装置示意图；

图3为本实用新型具体实施方式所得水泥基材料经碳化后的性能表现。

图中：

1、烟气接收仓；2、烟气储存仓；3、烟气输送管道；4、管式炉；5、温度检测器；6、温度控制器；7、超声起雾系统；8、蒸汽输送装置；9、湿度检测器；10、真空泵；11、烟气进口；12、蒸汽进口；13、烟气出口；14、镂空石英板；15、除尘仓；16、风机；17、循环烟道；18、洗气仓；19、气体搅拌装置；20、沉淀池。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清除完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1和图2所示，本实施例中，一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统包括烟气输送装置、温湿度检测器、超声蒸汽控制仪、碳化反应装置、气体循环装置和尾气处理装置，所述烟气输送装置包括烟气接收仓1、烟气储存仓2和烟气输送管道3，所述烟气接收仓(1)经烟气输送管道(3)与烟气储存仓(2)连接，烟气储存仓(2)经烟气输送管道(3)与碳化装置中管式炉4相连通输送烟气；所述的烟气接收仓1和烟气储存仓2上均设有温度控制器6，连接烟气接收仓1和烟气储存仓2的烟气输送管道3上、连接烟气储存仓2和碳化装置的烟气输送管道3上均设有温度检测器5，用于调整烟气输送管道 3烟气温度至恒定温度；所述超声蒸汽控制仪包括超声起雾系统7和蒸汽输送装置8，所述超声起雾装置根据烟气输送管道中湿度检测器9示数实时调整超声起雾系统7的起雾量，所述蒸汽输送装置8与所述超声起雾系统7连接；所述碳化装置包括真空泵10，管式炉4,和温度控制器6。

参阅图2所示，所述管式炉4设置有烟气进口11、蒸汽进口12和烟气出口13，所述烟气输送管道3连接管式炉烟气进口11，所述蒸汽进口12与蒸汽输送装置8相连接，所述真空泵10与所述管式炉4相连接，用以在输送烟气前确保所述管式炉4内保持绝对真空状态，所述温度控制器6分别设置于管式炉烟气进口11、管式炉4内和烟气出口13，用于实时调整控制炉腔内反应温度恒定；所述管式炉内置有镂空石英板14，用以放置反应材料。

参阅图1所示，所述气体循环装置包括除尘仓15、风机16和循环烟道17，所述除尘仓 15的进气口与所述管式炉4烟气出口13连接，进行初步除尘，以防堵塞后续设备，所述风机16设置在除尘仓15出口处用于送烟气至循环烟道17内，所述循环烟道17进气口与除尘仓15出气口连接，除尘后气体通过循环烟道17进入烟气储存仓2进行混合，与管式炉4的烟气进口相连接，作为混合烟气再次通入管式炉4内进行反应；所述尾气处理装置包括洗气仓18、气体搅拌装置19和沉淀池20，所述洗气仓18进气口与所述气体循环装置中除尘仓 15出气口连接，内部设置有干燥系统和气体搅拌装置19，用于全面吸收剩余废气，所述沉淀池20设置于洗气仓18底部，用于储存尾气反应生成的沉淀并方便于回收利用，剩余无害气体排放于大气中。

参阅图3所示，本实施例中，按既定比例将普通硅酸盐水泥和水置于普通搅拌机中，将拌合物慢搅2分钟使其混合均匀。然后称取一定质量的均匀拌合物，分三次倒入压制成型的模具中，使用10MPa压力压制20s，将其制作为20×20×20mm的净浆试件。压制完成后立即脱模，并放入20-160℃温度的管式炉中碳化1h，接着进行水养28d，并将不同龄期的试件进行宏微观性能检测。另外，在实验室条件下的自然养护组作为其对照组。

由本实施例进行的高温碳化水泥基材料系统，在确定的水灰比范围内成型后，可得出在 140℃-160℃的碳化条件下，其高温碳化养护1h后水养1d的早期强度提高至常温碳化反应下的5倍，并超过自然养护28天的强度，可有效缩短水泥基材料养护周期。

以上实施例只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述事例限制，在不脱离本实用新型范围的前提下，本实用新型还有若干变动和改进，这些改进和变动也视为本实用新型的保护范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，其特征在于：由烟气输送装置，温湿度检测器，超声蒸汽控制仪，碳化反应装置，气体循环装置和尾气处理装置组成；所述烟气输送装置包括烟气接收仓(1)，烟气储存仓(2)和烟气输送管道(3)，所述烟气接收仓(1)经烟气输送管道(3)与烟气储存仓(2)连接，烟气储存仓(2)经烟气输送管道(3)与碳化装置相连接；所述的烟气接收仓(1)和烟气储存仓(2)上均设有温度控制器(6)，连接烟气接收仓(1)和烟气储存仓(2)的烟气输送管道(3)上、连接烟气储存仓(2)和碳化装置的烟气输送管道(3)上均设有温度检测器(5)；所述超声蒸汽控制仪包括超声起雾系统(7)和蒸汽输送装置(8)，所述超声起雾系统(7)根据烟气输送管道(3)中湿度检测器(9)示数实时调整起雾量，所述蒸汽输送装置(8)与所述超声起雾系统(7)连接；所述碳化反应装置包括管式炉(4)，真空泵(10)和温度控制器(6)，所述管式炉(4)设置有烟气进口(11)、蒸汽进口(12)和烟气出口(13)，所述烟气输送管道(3)连接烟气进口(11)，所述蒸汽进口(12)与蒸汽输送装置(8)相连接，所述真空泵(10)与所述管式炉(4)相连接，所述温度控制器(6)分别设置于管式炉(4)内部，用于检测及实时调整控制炉腔内反应温度恒定；所述气体循环装置包括除尘仓(15)、风机(16)和循环烟道(17)，所述除尘仓(15)的进气口与所述管式炉(4)连接进行除尘，所述风机(16)设置在除尘仓(15)出口处用于送烟气至循环烟道(17)内，所述循环烟道(17)进气口与除尘仓(15)出气口连接，除尘后气体通过循环烟道(17)先进入烟气储存仓(2)与烟气储存仓(2)内的气体混合成混合气体后，再由烟气储存仓(2)进入管式炉(4)进行反应；所述尾气处理装置包括洗气仓(18)、气体搅拌装置(19)和沉淀池(20)，所述洗气仓(18)进气口与所述气体循环装置中除尘仓(15)出气口连接，洗气仓(18)内部设置有干燥系统和气体搅拌装置(19)，用于全面吸收剩余废气，所述沉淀池(20)设置于洗气仓(18)下部，用于回收利用废物。

2.根据权利要求1所述的利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，其特征在于，所述烟气输送装置中的烟气输送管道(3)和超声蒸汽控制仪中的蒸汽输送装置(8)以并列关系分别与碳化装置中管式炉(4)相连通，所述管式炉(4)内有布置镂空石英板(14)，所述石英板(14)底部设置有圆形镂空以确保水泥基材料样品充分与烟气接触并反应。

3.根据权利要求1所述的利用烟气及其余热规模化处理水泥基材料的碳化系统，其特征在于，所述循环装置中循环烟道(17)和尾气处理装置中洗气仓(18)以并列关系和除尘仓(15)连接，其中循环烟道(17)设置于洗气仓(18)下方，用于循环包含更多CO₂和SO₂分子式大的反应后重组烟气。

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