CN218915948U - 一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于绿氢应用及碳捕集利用技术领域，特别涉及一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统。其技术方案为：一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，包括可再生能源发电系统，可再生能源发电系统电连接有电解水制氢制氧系统，电解水制氢制氧系统通过氢气输送管路连接到二氧化碳加氢制甲醇系统；还包括水泥回转窑，水泥回转窑通过尾气输送管路连接至二氧化碳捕集纯化系统，二氧化碳捕集纯化系统通过二氧化碳输送管路连接至二氧化碳加氢制甲醇系统。本实用新型提供了一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统。

Description

一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统

技术领域

本实用新型属于绿氢应用及碳捕集利用技术领域，特别涉及一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统。

背景技术

水泥工业碳足迹涉及原材料、生产过程、物流运输、产品应用等各方面。水泥生产中约60％的CO₂来自原材料石灰石煅烧，约32％来自于直接煤炭燃烧，8％来自于使用电力带来的间接煤炭燃烧。作为传统的基础工业和国民经济的重要支柱产业。2020年中国水泥产量为23.8亿吨，约占全球市场份额的55％。同时，水泥行业已成为重要的CO₂排放源，2020年其排放总量达到14.7亿吨，占全国总碳排放量的14.3％。因此，实现水泥行业的碳减排目标，是实现碳中和目标过程中的重要环节。

水泥生产中石灰石煅烧过程产生大量CO₂，常规的减碳方法是采用高效的熟料制备方法，如专利CN113354311 A提出的“一种资源节约型低碳水泥熟料及其制备方法”，此方法降低了石灰石使用量、降低了水泥熟料的烧成温度、减少了用煤量，因此，大幅降低了CO₂的排放量。

水泥回转窑炉直接燃煤也会排放大量的CO₂，常规的减碳方法是改造燃烧器，提高燃烧效率，增加余热利用系统等，这些方法可以降低煤耗，减少CO₂排放。

但是，现有的方法虽虽大幅降低了CO₂的排放量，但仍并不能实现水泥行业的零碳排放。而且捕集后的CO₂也无法处理。绿色氢能是实现工业领域深度脱碳的重要解决方案之一，工信部发布的《“十四五”工业绿色发展规划》中明确提出：鼓励氢能等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，包括可再生能源发电系统，可再生能源发电系统电连接有电解水制氢制氧系统，电解水制氢制氧系统通过氢气输送管路连接到二氧化碳加氢制甲醇系统；还包括水泥回转窑，水泥回转窑通过尾气输送管路连接至二氧化碳捕集纯化系统，二氧化碳捕集纯化系统通过二氧化碳输送管路连接至二氧化碳加氢制甲醇系统。

本实用新型的可再生能源发电系统利用光伏、风力、光热等可再生能源发电，部分电力用于电解水制氢制氧系统制取氢气。电解水制氢制氧系统电解水制氢，同时制取氧气。二氧化碳捕集纯化系统将水泥回转窑产生的二氧化碳进行收集并进行纯化处理。二氧化碳与电解水制取的氢气反应生成甲醇产品。本实用新型通过烟气净化和捕集技术将石灰石煅烧分解工艺和熟料制备工艺等水泥生产过程的CO₂净化捕集，然后与电解绿氢原位转换成绿色甲醇产品，实现整个水泥生产流程的零碳排放。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统通过氢气输送管路与水泥回转窑连接。氢气作为燃料为水泥回转窑炉提供热量。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统通过氧气输送管路与水泥回转窑连接。电解水制氢制氧系统产生的氧气通入水泥回转窑，作为助燃气体，通过富氧燃烧减少熟料制备流程的直接碳排放。

作为本实用新型的优选方案，所述可再生能源发电系统还与厂区生产生活用能系统电连接。本实用新型将可再生能源发电系统所产生的部分电力用于水泥厂区生产/生活用电。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统通过氢气输送管路连接有氢燃料电池热电联供系统，氢燃料电池热电联供系统分别通过供电线路和供热管路与厂区生产生活用能系统连接。在没有风光条件时，部分电解水制氢制氧系统产生的氢气通过氢燃料电池热电联供系统为厂区供电。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统通过氢气输送管路连接有厂区交通运输用氢燃料电池车。电解水制氢制氧系统制得的氢气还可用于厂区交通运输用氢燃料电池车的氢燃料供应。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统通过氧气输送管路连接到高海拔地区水泥厂内的弥散式供氧/集中供氧系统。对于高海拔地区水泥厂，电解水制氢制氧系统制得的多余的氧气可用于弥散式供氧/集中供氧系统。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统连接有氢气纯化装置。氢气通过氢气纯化装置纯化，可得到纯度为99.999％的高纯氢气。

作为本实用新型的优选方案，所述氢气纯化装置连接有氢气压缩机，氢气压缩机连接有氢气储罐。高纯氢气通过氢气压缩机经氢气汇流排架平衡压力后分配至各氢气储罐储存，储存量应满足后续工艺稳定运行的要求。

作为本实用新型的优选方案，所述电解水制氢制氧系统连接有氧气压缩机，氧气压缩机连接有氧气储罐。氧气经过氧气压缩机压缩后用氧气储罐储存，储存量应满足后续工艺稳定运行的要求。

本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型的电解水制氢制氧系统产生的氢气代替分解炉的煤炭燃烧，减少石灰石煅烧分解流程的直接碳排放；电解水制氢制氧系统产生的氧气通过富氧燃烧，减少熟料制备流程的直接碳排放。通过烟气净化和捕集技术将石灰石煅烧分解工艺和熟料制备工艺等水泥生产过程的二氧化碳净化捕集，然后与电解绿氢原位转换成绿色甲醇产品，实现整个水泥生产流程的零碳排放。

2.本实用新型采用可再生能源代替化石能源发电，解决了生产生活用电的间接碳排放问题。厂区供热采用氢燃料电池热电联供系统，解决了生产生活辅助系统用热的间接碳排放问题；厂区交通和运输采用氢燃料电池汽车，解决了辅助生产的间接碳排放问题，实现水泥生产全流程的零碳排放。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1-可再生能源发电系统；2-电解水制氢制氧系统；3-二氧化碳加氢制甲醇系统；4-水泥回转窑；5-二氧化碳捕集纯化系统；6-水泥产品；7-甲醇产品；8-厂区生产生活用能系统；9-氢燃料电池热电联供系统；10-厂区交通运输用氢燃料电池车。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例采用的技术方案是通过可再生能源发电系统1、电解水制氢制氧系统2、水泥回转窑4、二氧化碳捕集纯化系统5、二氧化碳加氢制甲醇系统3、氢燃料电池热电联供系统9、厂区生产生活用能系统8、厂区交通运输用氢燃料电池车10在现有水泥生产线的深度耦合应用，实现水泥厂的零碳排放。

其中，可再生能源发电系统1是指光伏、风力、光热等可再生能源发电系统1。受自然条件影响，在有光照条件或者高风速条件下，利用可再生光伏发电系统或风力发电系统所产生的电力部分用于水泥厂厂区生产生活用能系统8用电，部分用于水泥生产流程的氢气代煤燃烧，部分用于电解水制氢制氧系统2制取氢气并用压力容器储存。

在没有风光条件时，部分储存的氢气通过氢燃料电池热电联供系统9为厂区供电，部分储存的氢气用于水泥生产流程的氢气代煤燃烧。本方案中光伏、风电的装机规模根据实际用电量确定。优选的氢气代煤燃烧方式为氢气在石灰石碳酸盐分解炉中进行代煤燃煤燃烧；优选的富氧燃烧方式为氧气在回转炉中富氧燃烧，富氧燃烧的浓度≥40％。

用于实现水泥厂零碳排放的氢气由可再生能源电解水制氢获得，优选的是与可再生风光动态响应更灵活的PEM电解水制氢系统。电解水制氢制氧系统2是指利用光伏、风电、光热等可再生能源发电的低成本电力进行电解水制氢，同时制取氧气。水电解制氢是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离，分别在阴、阳两极析出氢气和氧气的技术。根据实际用氢气量匹配电解水系统的规模。一般采用多个电解槽并联的方式。电解水系统采用单元组装式结构，主要由电解槽、气液处理器(框架)、加水泵、水碱箱、控制柜、整流柜、整流变压器、阻火器等部分组成。氢气通过氢气纯化装置，由催化剂催化与氢气中残留的氧气发生反应，再经过冷却、吸附、分离后，得到纯度为99.999％的高纯氢气。

高纯氢气通过氢气压缩机经氢气汇流排架平衡压力后分配至各氢气储罐储存，储存量应满足后续工艺稳定运行的要求。氧气经过氧气压缩机压缩后用氧气储罐储存，储存量应满足后续工艺稳定运行的要求。氢气作为燃料为水泥窑炉提供热量，为合成甲醇提供原料，为热电联供系统和氢燃料汽车提供能源，氧气作为助燃气体，也可在高原地区弥散式供氧或者集中式供氧。当风光等自然条件不能满足可再生能源发电时，通过储罐的氢气用于进行水泥生产的氢气代煤燃烧、氢燃料电池发电供热供能、CO₂加氢制备甲醇、厂区交通/运输车的氢燃料供应，保证整个水泥生产流程的连续性和稳定性。

二氧化碳捕集纯化系统5是指用物理或化学方法将烟气中的CO₂分离后进行收集的系统，主要由烟气预处理系统、CO₂吸收、CO₂再生系统、压缩干燥系统等组成。捕集后的CO₂经过纯化与电解水制取的氢气反应生成甲醇产品7。

二氧化碳加氢制甲醇系统3包含甲醇合成、甲醇精馏及甲醇贮存等工序。甲醇合成主要是将由电解水制取并经干燥提纯的H₂经捕集提纯的CO₂制成粗甲醇。甲醇精馏的主要作用是对粗甲醇进行精馏提纯，得到合格的甲醇产品7送往罐区。从甲醇精馏来的精甲醇及杂醇油进入储罐储存后经过装车泵送往装车站装车外卖。

氢燃料电池热电联供系统9是利用氢气燃料电池发电技术同时向厂区供给电能和热能的生产方式。在提供电能的同时，回收热能，有效提高了能源利用效率。

电解水制氢制氧系统2产生的氢气代替分解炉的煤炭燃烧，减少石灰石煅烧分解流程的直接碳排放；电解水制氢制氧系统2产生的氧气通过富氧燃烧，减少熟料制备流程的直接碳排放。通过烟气净化和捕集技术将石灰石煅烧分解工艺和熟料制备工艺等水泥生产过程的二氧化碳净化捕集，然后与电解绿氢原位转换成绿色甲醇产品7，实现整个水泥生产流程的零碳排放。

本实用新型采用可再生能源代替化石能源发电，解决了生产生活用电的间接碳排放问题。厂区供热采用氢燃料电池热电联供系统9，解决了生产生活辅助系统用热的间接碳排放问题；厂区交通和运输采用氢燃料电池汽车，解决了辅助生产的间接碳排放问题，实现水泥生产全流程的零碳排放。

综上，电解副产多余的氢气可通过氢燃料电池热电联供系统9为厂区生产生活用能系统供热和厂区交通运输用氢燃料电池车供氢，电解副产多余的氧气可用于高海拔地区水泥厂内的弥散式供氧/集中供氧。通过本实用新型中的可再生能源发电系统、电解水制氢制氧系统、富氧燃烧系统、掺氢燃烧系统、烟气净化系统、CO₂捕集系统、CO₂提纯系统、CO₂加氢合成甲醇系统、热电联供等系统耦合，通过流程降碳、工艺降碳、原料替代，实现生产零碳排放。

本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：包括可再生能源发电系统(1)，可再生能源发电系统(1)电连接有电解水制氢制氧系统(2)，电解水制氢制氧系统(2)通过氢气输送管路连接到二氧化碳加氢制甲醇系统(3)；还包括水泥回转窑(4)，水泥回转窑(4)通过尾气输送管路连接至二氧化碳捕集纯化系统(5)，二氧化碳捕集纯化系统(5)通过二氧化碳输送管路连接至二氧化碳加氢制甲醇系统(3)。

2.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)通过氢气输送管路与水泥回转窑(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)通过氧气输送管路与水泥回转窑(4)连接。

4.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述可再生能源发电系统(1)还与厂区生产生活用能系统(8)电连接。

5.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)通过氢气输送管路连接有氢燃料电池热电联供系统(9)，氢燃料电池热电联供系统(9)分别通过供电线路和供热管路与厂区生产生活用能系统(8)连接。

6.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)通过氢气输送管路连接有厂区交通运输用氢燃料电池车(10)。

7.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)通过氧气输送管路连接到高海拔地区水泥厂内的弥散式供氧/集中供氧系统。

8.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)连接有氢气纯化装置。

9.根据权利要求8所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述氢气纯化装置连接有氢气压缩机，氢气压缩机连接有氢气储罐。

10.根据权利要求1所述的一种利用可再生绿氢实现水泥厂零碳排放的系统，其特征在于：所述电解水制氢制氧系统(2)连接有氧气压缩机，氧气压缩机连接有氧气储罐。

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