TW201315530A - 用於水泥工廠之整合的二氧化碳捕集 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於水泥製造工廠，其特徵在於該工廠包含藉由在水泥製程中使用再生鈣循環(RCC)自該水泥製造工廠之窯110中產生之廢氣流捕集二氧化碳(CO2)之系統。本發明亦係關於自水泥窯中產生之富二氧化碳CO2廢氣流捕集二氧化碳CO2之方法，其中該方法包含使該富二氧化碳CO2廢氣流再循環至碳化單元。

Description

用於水泥工廠之整合的二氧化碳捕集
本發明係關於水泥製造工廠，其中已整合捕集富二氧化碳(CO2)廢氣流中之二氧化碳(CO2)之系統。本發明亦係關於捕集二氧化碳之方法。
在水泥製程中，二氧化碳CO2係在加熱碳酸鈣產生石灰及二氧化碳時直接釋放至大氣中。此係在窯及煅燒爐中進行之製程，因此係水泥生產之核心。若能量之產生涉及CO2之排放，則亦經由能量利用間接排放二氧化碳CO2。
水泥工業係僅次於發電之第二大CO2排放工業。水泥工業產生約5%之全球人為CO2排放，其中60%來自化學過程，且40%來自燃料燃燒。水泥工業所排放之CO2數量接近每產生1000 kg水泥排放900 kg CO2。
由於在化學過程中涉及二氧化碳之產生且在能量消耗中產生二氧化碳，故在生產水泥時無法避免產生二氧化碳，因此碳捕集及儲存(CCS)之使用正在變得引人注目或愈來愈令人關注。二氧化碳係在煅燒期間產生，由此在自石灰石提取石灰期間產生。
煅燒係吸熱過程且需要向煅燒爐中進行之反應供應能量。煅燒爐係在900℃下操作。在傳統水泥工廠中，此能量係自窯廢氣產生及供應。亦可能需要專用於向煅燒爐供能之焙燒系統來產生所需能量。
業內需要改良及優化該等系統中之能量利用之方法。減 少或移除二氧化碳最常係產熱過程。因此，業內需要尋找限制產熱之方法。
本發明係關於水泥製造工廠，其中藉由引入來自水泥窯之廢氣之封閉環路以及碳酸化單元將二氧化碳CO2捕集至幾乎純淨之CO2流。
在碳酸化單元(下文稱作「碳酸化器」)中，石灰(CaO)與二氧化碳CO2反應形成石灰石(CaCO3)，由此發生碳酸化反應。
在包括在水泥製程中且在煅燒單元(下文稱作「煅燒爐」)中進行之煅燒過程期間，石灰石CaCO3在熱處理時轉化或分解為石灰及二氧化碳CO2。
根據上文所述方案使用石灰自煙道氣捕集CO2且將石灰石選路至煅燒爐以供釋放CO2之CO2捕集過程稱作再生鈣循環(RCC)。
本發明之目標係提供在水泥製造工廠中捕集CO2之整合系統。
本發明之目標係改良水泥製造工廠中所產生能量之利用。
根據本文所闡釋態樣，提供水泥製造工廠，其中該工廠包含捕集二氧化碳(CO2)自水泥製造工廠之水泥窯中產生之廢氣流且將再生鈣循環(RCC)納入水泥製程之系統。
本發明之一實施例係水泥製造工廠，其中該系統包含捕集存於工廠中所存在廢氣中之二氧化碳CO2之碳酸化器。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中該系統包含使廢氣自窯再循環至窯下游之碳酸化器之構件。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中碳酸化器係在介於550與750℃之間之範圍內、較佳650℃之溫度下操作。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中將包含碳酸鈣之固體自碳酸化器轉移至水泥原材料處理單元；且將包含碳酸鈣CaCO3之分離固體轉移至煅燒爐。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中將包含氧化鈣CaO之固體自煅燒爐部分轉移至碳酸化器。
該系統可包含一或多個固體/固體熱交換器，其中藉由自煅燒爐進給之富氧化鈣流之逆流流動將來自碳酸化器之碳酸鈣CaCO3預加熱至(例如)750℃之溫度。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中藉由富二氧化碳CO2廢氣流之再循環向煅燒爐供能，該廢氣流係藉由與水泥窯中產生之熱廢氣流熱交換來加熱。
此總體配置自煅燒爐分離水泥窯及可選焙燒系統中產生之廢氣流。該配置在水泥原材料處理單元下游產生氣流，該氣流係幾乎純淨之二氧化碳CO2氣體。此外，有利地，在本發明系統中不需要分離空氣之配置，例如空氣分離單元(ASU)。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中水泥窯中產生之廢氣係用於在熱交換器中預加熱空氣。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中使用水泥窯 中產生之廢氣在蒸汽發生器中產生蒸汽。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中該系統包含除塵構件。
直接來自窯出口之廢氣可具有高溫，通常在800-1200℃範圍內。在用於預加熱水泥原材料之後及在經受除塵之後，廢氣通常可具有100-300℃範圍內之溫度。
本發明之另一實施例係水泥製造工廠，其中該系統包含調節窯中所產生廢氣之壓力之構件。
根據本文所闡釋之其他態樣，提供捕集二氧化碳之方法，其中該方法自水泥窯中產生之富二氧化碳CO2廢氣流捕集二氧化碳CO2，該方法包含使富二氧化碳CO2廢氣流再循環至碳酸化單元(即碳酸化器)。二氧化碳CO2係藉由石灰來吸收，更具體而言，其參與與石灰CaO之反應而形成石灰石CaCO3。
本發明之另一實施例係自水泥窯中產生之富二氧化碳CO2廢氣流捕集二氧化碳CO2之方法，其中碳化係在介於550與750℃之間之範圍內、較佳650℃之溫度下進行。
本發明之另一實施例係捕集CO2之方法，其包含轉移包含碳酸化反應中生成之CaCO3之固體以與水泥原材料組合，之後該固體材料與該水泥原材料發生煅燒反應而形成氧化鈣CaO。
同樣，本發明之另一實施例係捕集CO2之方法，其中將至少一部分包含藉由煅燒反應產生之氧化鈣CaO之固體材料再循環至碳酸化反應。
本發明之另一實施例係該方法，其中藉由再循環至碳酸化反應之包含CaO之固體材料對自碳酸化反應轉移之包含CaCO3之固體材料進行加熱。
藉由以下圖式及詳細說明來例示上述及其他特徵。
下文將進一步闡述水泥製造工廠，其中包括上述用於捕集CO2之系統。
水泥原材料(一般係石灰(石灰質)、二氧化矽(矽質)、氧化鋁(泥質)及鐵(鐵質))係藉由採礦或採石獲得。在熟料生產過程中，在(例如)生料磨機中將原材料粉碎並均質化為混合物，將該混合物進給至回轉窯。此過程(一般稱作生料研磨)之特徵可端視原材料之狀態描述為乾式、濕式、半乾式或半濕式過程。在乾式過程中，乾研磨原材料且將其以粉末形式進給至窯中。在濕式過程中，濕研磨原材料且將其以漿液形式進給至窯中。在半乾式過程中，乾研磨原材料然後將其潤濕以形成結節，然後將該等結節進給至窯中。在半濕式過程中，在漿液中濕研磨原材料，將其脫水且之後進給至窯中。
窯可係大型旋轉管，一般約50 m至100 m長且直徑最多6 m。窯係藉由火焰在約2000℃之內部溫度下加熱。使窯略微傾斜以使得材料可緩慢到達另一端，於此處快速冷卻至100-200℃。
一般而言，以正確比例使用四種鹼性氧化物來製備水泥熟料，即氧化鈣(約65%)、氧化矽(約20%)、氧化鋁(約 10%)及氧化鐵(約5%)。該等均勻混合之元素將在藉由火焰加熱至約1450℃之溫度時組合。在此過程(一般稱作高溫處理)期間，形成新化合物，例如矽酸鈣、鋁酸鈣及亞鐵酸鈣。該等化合物之水合引起水泥之水性硬化。所獲得產物稱作熟料，且一般係以因材料在窯中部分熔融而形成之1-10 mm結節形式存在。
在高溫處理過程期間，排放CO2。CO2排放既與原材料相關亦與能量相關。原材料相關排放(即在石灰石去碳酸化期間產生之CO2排放)佔水泥製程中總CO2排放之約60%且燃料燃燒佔約40%。
現代水泥窯之廢氣通常可總計為約2公噸/公噸所製備熟料。窯出口氣體在離開窯時可具有(例如)約1000℃之溫度。熱窯廢氣一般用於在將原材料引入窯中之前預加熱該等材料。預加熱可在例如一或多個篦式預加熱器及/或氣體懸浮式預加熱器中實施。
水泥窯之廢氣攜帶大量粉塵，通常約30克/立方米。環境法規一般要求將此量降低至約0.1克/立方米，故除塵需要至少99.7%有效。除塵方法包括靜電集塵器及袋式過濾器。在用於預加熱原材料之後及在除塵之後，窯出口氣體之溫度通常可為約150℃。
為降低釋放至大氣中之CO2之量，向水泥工廠提供氣體捕集系統以自水泥窯廢氣(窯氣)捕集CO2。
本發明水泥製造工廠之實施例進一步圖解說明於圖1中。
在本文中，水泥製造工廠1包含水泥窯110，其中將石灰CaO處理為熟料/CaO，然後經由導管113將其運輸至進一步處理。
將水泥窯中在製程期間產生之富含二氧化碳CO2之熱廢氣運送至碳酸化器130，由此運送至碳酸化單元。首先在旋風型除塵系統114中移除窯廢氣中之粉塵。將粉塵轉移至管道125且再次引入水泥窯中。水泥窯熱廢氣之熱量可在熱交換器(氣體/氣體加熱器)112中交換。分離來自水泥原材料處理單元170之氣體且將一部分經由再循環風扇175轉移至熱交換器112，其中將其加熱並經由導管115運送至煅燒爐120。水泥窯熱廢氣亦可用於在熱交換器140中加熱空氣，然後經由導管141及142將該空氣引入焙燒系統119。
亦可將水泥窯熱廢氣之熱量熱交換以產生蒸汽，將該廢氣經由導管131運送至蒸汽發生器130，且經由導管132再連接至導管111。
視情況，可在調節單元150中調節煙道氣，之後經由導管151將其引入碳酸化單元中。最常將污染物引入碳酸化器中。單元150中之調節可係(例如)廢氣處理(例如移除NOx氣體(DeNOx))或藉由(例如)靜電集塵(ESP)或任何其他適宜除塵裝置進行除塵。
然後藉由風扇單元154對廢氣加壓並藉由熱交換器152加熱，之後將其引入碳酸化器160中。
將廢氣加壓至50毫巴至400毫巴，較佳加壓100毫巴，且 加熱至介於300℃與600℃之間之溫度以優化二氧化碳之吸附。將包含二氧化碳之廢氣運送至碳酸化器160，將CO2添加至在碳酸化器中進行之反應，由此添加至石灰CaO與二氧化碳CO2之間之反應，以形成石灰石CaCO3。
碳酸化器通常係在介於550與750℃之間、例如介於600與700℃之間、較佳約650℃之溫度下操作。
自碳酸化器160經由導管161運送之含有少量二氧化碳CO2之廢氣可在多個步驟中冷卻，可在單元162中回收熱量，可引入熱交換器152中，且亦可用作引入水泥製造工廠之原材料之乾燥劑。
然後將固體材料及廢氣引入水泥原材料處理單元170中。自碳酸化器運送之固體材料主要包含碳酸鈣(石灰石)，但亦可包含數份CaO(石灰)。引入來自碳酸化器之固體材料且將其與進給至預處理單元170之原材料混合。預處理單元170包含原材料之多步驟預處理配置。
在一個配置中，固體材料包含(例如)石灰石CaCO3，將其經由管道121自碳酸化器運輸至水泥原材料處理單元170。熱交換(固體/固體熱交換)可在熱交換器128中進行，其中將經由管道126自煅燒爐運送之固體材料(主要包含石灰)流之熱量轉移至經由管道121及122自碳酸化器運送至煅燒爐之固體材料(主要包含石灰石)。熱交換器可係(例如)交叉熱交換器，其用碳酸化器之固體材料轉移煅燒爐之固體材料之熱量(固體/固體熱交換器)。
在另一配置中，可將固體材料經由管道121運送至水泥 原材料處理單元170，且可將其在原材料處理單元之較高位準處引入並與原材料混合。經由管道125及管道126自煅燒爐運送之固體材料(主要係CaO石灰)較佳通過熱交換器129以回收熱量。
在(例如)旋風器中或藉由自氣流分離固體材料之其他方法分離在煅燒爐中產生之富二氧化碳廢氣。
然後將經分離富二氧化碳CO2廢氣引入水泥原材料之預處理單元，且經由水泥原材料處理單元用逆流流動轉移並經由導管171運送。然後將運送至水泥原材料處理單元之該石灰石在水泥原材料之預處理期間與該原材料混合，且之後經由管道124將其引入煅燒爐120。在煅燒爐120中，藉由加熱使石灰石CaCO3分解為石灰CaO及二氧化碳CO2。
可將藉由煅燒爐中之反應獲得之石灰分為不同部分，其中經由管道126將一第一部分運送回至碳酸化器。將第二部分運送至水泥窯110以供產生熟料及石灰(CaO)且經由管道113運送以供進一步處理。可藉由熱交換器116冷卻熟料及石灰，其中可加熱引入工廠之空氣。
在煅燒爐及水泥原材料之預處理單元中產生之廢氣通常可包含呈(例如)以下形式之污染物：粉塵顆粒、鹽酸HCl、氧化亞氮NOx、硫氧化物SOx及重金屬(包括汞Hg)。若諸如氧(O2)、氮(N2)等氣體在富CO2廢氣中之濃度係170或更高，則需要諸如氣體處理單元(GPU)182等分離步驟。或者，可在壓縮及/或乾燥系統中實施以下處理。可移除存於此已通過水泥原材料預處理單元之富二氧化碳 CO2廢氣中之粉塵，之後在氣體處理單元(GPU)中對其進行進一步處理。可自再循環迴路提取並移除在煅燒過程期間產生之粉塵以供在調節單元180中(例如在靜電集塵器(ESP)過程中)進一步處理。此外，可藉由熱交換器181回收該氣體之熱量，之後轉移該熱量以供進一步處理。
視情況，可將富含二氧化碳CO2之氣體運送至氣體處理單元(GPU)182。
視情況，亦可經由經由導管185連接之導管151將該氣體再次引入水泥製造工廠及碳酸化單元。
另一選擇係，若氧濃度較高，則將殘餘惰性氣體部分在GPU中進行二氧化碳純化後經由導管186引入回至進給至空氣加熱器之導管。否則可經由185將該氣體選路至主要窯廢氣。
水泥工廠中之加熱可在一或多個間接熱交換器中實施。本文所用術語「間接熱交換器」意指經組態以不混合兩個流體流即在該兩個流體流之間進行熱交換之熱交換器。熱交換器亦可係固體/固體熱交換器類型。熱交換器可係(例如)殼型及管型。熟習此項技術者可容易地確定熱交換器之適宜類型及尺寸。
圖2顯示先前技術之水泥工廠及其窯210及煅燒爐220。經由窯廢氣211及自添加至系統之能源218向煅燒爐220供能。亦可將空氣219添加至系統。任一前述窯廢氣可藉由專用焙燒系統219進一步加熱。同樣，可能不得不在將廢氣211與來自焙燒系統之煙道氣混合之前藉由(例如)在旋風 器(未顯示)中處理將廢氣211去粉塵。實施該去粉塵以減少或最小化系統中之水泥損失及沈積。在原材料單元270中預處理水泥原材料，之後使其進入煅燒爐220。
自系統移除來自原材料單元270之經冷卻廢氣271。可包括可調節壓力之通風扇254以(例如)補償壓力損失。為保護此風扇免受廢氣中之組份侵蝕，可能需要煙道氣調節系統250。此調節系統可包含或包括靜電集塵器(ESP)或任何其他適宜除塵裝置。
藉由本發明所獲得之優點在於：-對水泥製造工廠之效率的影響低；-系統不依賴其他能源；-由於系統封閉，所獲得二氧化碳CO2之純度高；-提供不需要空氣分離單元(ASU)之系統。
儘管已參照實例性實施例闡述本發明，但彼等熟習此項技術者應理解，可作出各種改變且可用等效物代替其要素而不背離本發明之範圍。另外，可做出多種修改以適應本發明教示內容之特定情況或材料而不背離本發明之基本範圍。因此，本發明不欲受限於作為實施本發明之最佳設想模式所揭示之特定實施例，但本發明將包括所有屬於隨附申請專利範圍範圍內之實施例。
110‧‧‧水泥窯
111‧‧‧導管
112‧‧‧熱交換器
113‧‧‧導管
114‧‧‧除塵系統
115‧‧‧導管
116‧‧‧熱交換器
119‧‧‧焙燒系統
120‧‧‧煅燒爐
121‧‧‧管道
122‧‧‧管道
124‧‧‧管道
125‧‧‧管道
126‧‧‧管道
128‧‧‧熱交換器
129‧‧‧熱交換器
130‧‧‧蒸汽發生器/碳酸化器
131‧‧‧導管
132‧‧‧導管
140‧‧‧熱交換器
141‧‧‧導管
142‧‧‧導管
150‧‧‧調節單元
151‧‧‧導管
152‧‧‧熱交換器
154‧‧‧風扇單元
160‧‧‧碳酸化器
161‧‧‧導管
162‧‧‧單元
170‧‧‧水泥原材料處理單元
171‧‧‧導管
175‧‧‧再循環風扇
180‧‧‧調節單元
181‧‧‧熱交換器
182‧‧‧氣體處理單元
185‧‧‧導管
186‧‧‧導管
210‧‧‧窯
218‧‧‧能源
219‧‧‧空氣/焙燒系統
220‧‧‧煅燒爐
250‧‧‧煙道氣調節系統
254‧‧‧通風扇
270‧‧‧原材料單元
271‧‧‧經冷卻廢氣
現參照附圖，其係實例性實施例且其中相同元件具有相同編號：
圖1示意性繪示水泥製造工廠，其包含碳酸化器且使水 泥窯廢氣再循環。
圖2示意性繪示水泥製造工廠(先前技術)。
110‧‧‧水泥窯
111‧‧‧導管
112‧‧‧熱交換器
113‧‧‧導管
114‧‧‧除塵系統
115‧‧‧導管
116‧‧‧熱交換器
119‧‧‧焙燒系統
120‧‧‧煅燒爐
121‧‧‧管道
122‧‧‧管道
124‧‧‧管道
125‧‧‧管道
126‧‧‧管道
128‧‧‧熱交換器
129‧‧‧熱交換器
130‧‧‧蒸汽發生器/碳酸化器
131‧‧‧導管
132‧‧‧導管
140‧‧‧熱交換器
141‧‧‧導管
142‧‧‧導管
150‧‧‧調節單元
151‧‧‧導管
152‧‧‧熱交換器
154‧‧‧風扇單元
160‧‧‧碳酸化器
161‧‧‧導管
162‧‧‧單元
170‧‧‧水泥原材料處理單元
171‧‧‧導管
175‧‧‧再循環風扇
180‧‧‧調節單元
181‧‧‧熱交換器
182‧‧‧氣體處理單元
185‧‧‧導管
186‧‧‧導管

Claims (14)

  1. 一種水泥製造工廠，其特徵在於該工廠包含藉由在水泥製程中使用再生鈣循環(RCC)自該水泥製造工廠之窯110產生之廢氣流捕集二氧化碳(CO2)之系統。
  2. 如請求項1之水泥製造工廠，其中該系統包含捕集存於該工廠中存在之該廢氣中之該二氧化碳CO2之碳酸化器160。
  3. 如請求項2之水泥製造工廠，其中該系統包含使該廢氣自該窯110再循環至該窯下游之該碳酸化器160之構件。
  4. 如請求項3之水泥製造工廠，其中該碳酸化器係在介於550℃與750℃範圍內、較佳650℃之溫度下操作。
  5. 如請求項2之水泥製造工廠，其中將來自該碳酸化器之包含碳酸鈣之固體的一部分轉移至水泥原材料處理單元170；且將在其中分離之包含碳酸鈣CaCO3之固體轉移至煅燒爐120。
  6. 如請求項5之水泥製造工廠，其中將來自該煅燒爐120之該包含氧化鈣之固體部分轉移至該碳酸化器160。
  7. 如請求項5之水泥製造工廠，其中該系統包含一或多個熱交換器128，其中藉由自該煅燒爐進給之富氧化鈣流126預加熱來自該碳酸化器122之碳酸鈣CaCO3流。
  8. 如請求項2之水泥製造工廠，其中藉由富二氧化碳CO2廢氣流115之再循環向該煅燒爐供能，該富二氧化碳CO2廢氣流115係藉由與該水泥窯110中產生之熱廢氣流熱交換112來加熱。
  9. 如請求項8之水泥製造工廠，其中該水泥窯中產生之該廢氣係用於在熱交換器140中預加熱空氣。
  10. 如請求項9之水泥製造工廠，其中該水泥窯中產生之該廢氣係用於在蒸汽發生器130中產生蒸汽。
  11. 一種自水泥窯中產生之富二氧化碳CO2廢氣流捕集二氧化碳CO2之方法，其中該方法包含使該富二氧化碳CO2廢氣流再循環至碳化單元。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含將在碳酸化反應中產生之包含CaCO3之固體轉移以與水泥原材料組合，之後該固體材料與該水泥原材料進行煅燒反應以形成氧化鈣CaO。
  13. 如請求項12之方法，其中使藉由該煅燒反應產生之該包含氧化鈣CaO之固體材料之至少一部分再循環至該碳酸化反應。
  14. 如請求項13之方法，其中藉由再循環至該碳酸化反應之該包含CaO之固體材料對自該碳酸化反應轉移之該包含CaCO3之固體材料進行加熱。
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