CN115159876B - 一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水泥熟料生产技术领域，尤其涉及一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法，所述低能耗碳捕集水泥熟料生产***包括冷却机、回转窑、烟室、分解炉、A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器，所述A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器下料管与分解炉进料口连接，所述分解炉出口与A列最下一级旋风预热器进风口相连，A列最下一级旋风预热器下料管与烟室连接，所述烟室与分解炉不直接相通，所述烟室、回转窑和冷却机依次相连。本发明提供一种提升烟气中CO2浓度，简化烟气捕集提纯***工艺流程，***设计，改造工作量小的低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法。
Description
技术领域
本发明属于水泥生产技术领域，尤其涉及一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法。
背景技术
对碳减排技术的研究，国内外已有不少报导，但这些研究主要面向电力、煤炭和钢铁等行业，水泥行业碳减排相关技术报导相对较少。当前水泥生产工艺普遍采用的是新型干法生产工艺，它主要由冷却机、燃烧器、回转窑、分解炉和旋风预热器等组成。其中，生料在旋风预热器中预热升温，在分解炉内分解，大部分燃料在分解炉内燃烧提供生料分解所需的热量，分解后的物料在回转窑内继续煅烧生成水泥熟料，随后水泥熟料经冷却机冷却至合适温度。
但本申请发明人发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
当前，通入水泥窑***的助燃介质为空气，旋风预热器出口烟气中CO2浓度普遍为20~30%。如说明书附图1所示，新型干法水泥熟料烧成***主要包括余热利用***、旋风预热器、分解炉、窑尾烟室、回转窑、窑头燃烧器、熟料冷却机等，具体生产工艺流程如下：生料经旋风预热器顶部喂入预热器***，经多级旋风预热器气固换热后进分解炉中煅烧分解，随后经旋风预热器气固分离后进窑尾烟室，随后进回转窑中进行固相反应烧结生成熟料，随后通过熟料冷却机将高温熟料冷却得到水泥熟料。空气经冷却机对高温熟料进行冷却，换热完成的空气主要分为以下三路：第一路高温空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气进分解炉；第二路高温空气作为三次风经三次风管进分解炉内供燃料燃烧；第三路温度较高的空气进余热锅炉发电或进行其他形式余热利用，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排入大气。分解炉内燃料燃烧和生料分解生成的烟气离开分解炉分别进入A列和B列旋风预热器，随后对A列和B列生料进行多次预热和气固分离，最终从A列和B列旋风预热器出口离开，从A列和B列旋风预热器离开的烟气CO2浓度为20~30%。A列和B列旋风预热器出口排出的高温废气经余热回收利用***回收部分热量后进生料磨***烘干生料，随后进烟气处理***，经烟气处理***处理后排放到大气中。
目前水泥行业可采用的碳减排技术方案主要有燃烧前捕集、燃烧后捕集或水泥窑全氧燃烧技术。其中燃烧前捕集是指对燃料在燃烧前进行预处理，分离出燃料中的碳。由于水泥熟料生产工艺特点，燃烧前CO2捕集的一个显著缺点是仅能分离出燃料燃烧产生的CO2，而生料煅烧产生的CO2(约占CO2排放总量的60%)随烟气排放了，这部分的CO2没有得到任何处理。此外，燃烧前捕集技术相比其他CO2捕集技术熟料煅烧过程对氢燃烧的条件非常苛刻，需要对回转窑燃烧器进行特殊设计，因此该技术在水泥行业中可行性较低，可以被排除。燃烧后捕集技术主要是指对燃烧后的烟气进行捕集或者分离出CO2，主要的技术包括吸收法、吸附法、膜分离法和矿物碳化法等。由于水泥工业窑尾烟气的压力小、体积流量大、CO2浓度低，且含有大量的粉尘和N2，上述方法均存在碳捕集效率低、捕集流量小、***复杂、设备投资大或者运行成本偏高的问题。
水泥窑全氧燃烧技术是指利用高纯度氧气(氧气纯度一般为90~95%)代替空气助燃，可以大幅度提升窑尾预热器出口烟气CO2浓度，进而大大节省后续烟气CO2捕集提纯***的投资成本和运行成本。水泥窑全氧燃烧技术可以细分为全***全氧燃烧技术和分解炉全氧燃烧技术，其中，全***全氧燃烧技术涉及对回转窑和分解炉内均采用全氧燃烧技术，需要考虑对冷却机、主燃烧器及分解炉等烧成***核心关键设备进行重点设计，对现有烧成***改动量大；而分解炉全氧燃烧技术只考虑对分解炉采用全氧燃烧技术，只需要对分解炉进行重点设计，对现有烧成***改动量小，是现阶段水泥行业碳减排的重点研究方向，但现有研究或公布的分解炉全氧燃烧技术普遍存在处理烟气量小、***能耗高等缺陷。
解决上述技术问题的难度和意义：
因此，基于这些问题，提供一种提升烟气中CO2浓度，简化烟气捕集提纯***工艺流程，***设计，改造工作量小的低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法具有重要的实用价值。
发明内容
本申请目的在于为解决现有技术中技术问题而提供一种提升烟气中CO2浓度，简化烟气捕集提纯***工艺流程，***设计，改造工作量小的低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法。
本申请实施例为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***，所述低能耗碳捕集水泥熟料生产***包括冷却机、回转窑、烟室、分解炉、A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器，所述A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器下料管与分解炉进料口连接，所述分解炉出口与A列最下一级旋风预热器进风口相连，A列最下一级旋风预热器下料管与烟室连接，所述烟室与分解炉不直接相通，所述烟室、回转窑和冷却机依次相连。
本申请实施例还可以采用以下技术方案：
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，所述A列倒数第二级旋风预热器、B列最下一级旋风预热器和C列最下一级旋风预热器下料管连接分解炉进料口。
在上述低能耗碳捕集水泥生产***中，进一步的，所述A列旋风预热器的级数为三~七级，B列旋风预热器的级数为三~七级，C列旋风预热器的级数为三~七级。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，出所述分解炉的烟气进入A列旋风预热器，从A列旋风预热器离开的烟气分为两路，其中一路烟气与空气分离装置制备的高纯度氧气按一定比例混合后，混合气体进入分解炉底部；另外一路烟气通过换热器进行冷却降温，冷却降温后的烟气经除尘器进行烟气除尘，除尘后的烟气进入CO2捕集提纯***。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，所述混合气体中O2所占的体积比为20~80%。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，从所述C列旋风预热器出口离开的空气分为两路，其中一路空气进入余热利用***，另一路空气经循环风机进换热器***，与混合气体在换热器***进行间接换热，换热完后进入余热利用***。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，出所述冷却机的高温空气分为三路，第一路空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，经B列最下一级旋风预热器进风口进入B列旋风预热器；第二路空气经C列最下一级旋风预热器进风口进入C列旋风预热器；第三路空气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，所述第一路空气的温度为950~1200℃；第二路空气的温度为850~1000℃；第三路空气的温度为250~450℃。
在上述低能耗碳捕集水泥熟料生产***中，进一步的，出所述B列旋风预热器的烟气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中；出所述C列旋风预热器的空气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中。
一种低能耗碳捕集制备水泥熟料的方法，所述低能耗碳捕集制备水泥熟料的方法使用上述任一项所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：
1、现有烧成***预热器出口烟气中CO2浓度为20-30%，提纯为99.9%的工业级或99.99%的食品级或干冰等形式的CO2产品所需要的工艺流程较为复杂，捕集提纯***的投资成本和运行成本偏高。本发明方案分解炉出口与A列旋风预热器相连，由于分解炉内为O2/CO2气氛，可实现A列旋风预热器出口烟气CO2浓度≥75%(干基浓度)，烟气中CO2浓度的提升可简化烟气捕集提纯***工艺流程，显著降低烟气捕集提纯***投资成本和运行成本。
2、若对现有烧成***产生的CO2全部进行捕集提纯，则需要将烧成***整体设计为全氧燃烧模式，需要同时对分解炉、主燃烧器和冷却机进行重点设计，项目设计或改造工作量大。本发明创造性将现有烧成***改造为离线型，即将烟室与分解炉设计为断开，基于上述设计，仅需要对分解炉进行小幅度改造即可实现分解炉全氧燃烧的设计意图，***设计或改造工作量小。
3、现有水泥生产线三次风管与分解炉相连，三次风通过三次风管进分解炉内助燃，通过设计三次风有效保证了***的热回收效率。由于本发明方案冷却机仍采用空气冷却，三次风则为高温空气，若仍采用三次风管与分解炉相连，由于空气中大量氮气的存在，则会显著降低分解炉出口烟气中CO2浓度，本发明方案在取消三次风管的同时创造性新增一列独立的预热器***(即C列)，原有高温空气进C列旋风预热器对进入C列的生料进行充分预热，充分换热后的生料进分解炉内分解，充分换热后的空气可根据需要进余热回收***或预热进全氧燃烧分解炉的混合烟气，即在保证A列旋风预热器出口烟气中CO2浓度≥75%(干基浓度)的同时，保证烧成***热回收效率不降低，提高了技术方案的经济性。
4、本专利通过独立列预热器对进分解炉的生料进行充分预热，通过合理设计C列的级数(比如4级或5级)，先将第二路高温空气冷却至300~450℃的合理温度，然后通过循环风机进换热器对混合烟气预热；或者设计C列的级数为6级或者更高，直接将第二路烟气温度降低为240℃左右，然后再进余热利用***。上述两种技术方案均可有效保障烧成***热回收效率不降低。
附图说明
以下将结合附图来对本申请实施例的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本申请范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是现有技术的工艺流程图；
图2是本发明实施例一的工艺流程图；
图3是本发明实施例二的工艺流程图。
图中：1、烟室，2、分解炉，3、A列旋风预热器，4、B列旋风预热器，5、C列旋风预热器，6、回转窑，7、空气分离装置，8、换热器***，9、换热器，10、除尘器，11、冷却机。
具体实施方式
本发明通过将高纯度氧气与循环烟气混合，混合烟气进入分解炉从而在分解炉内形成O2/CO2氛围，进而使得分解炉内燃料燃烧和生料分解得到的混合烟气产物中CO2浓度≥75%(干基浓度)，从而实现CO2浓度在分解炉内自富集，烟气CO2浓度的显著提高可以有效提升CO2捕集提纯***的效率，进而实现CO2捕集提纯***运行成本的显著降低，即本技术可提供一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***及制备水泥熟料的方法。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1
本实施例主要包括如图2所示的工艺流程：
按物料流向而言，生料经提升机由喂料装置分别喂入预分解窑A列、B列和C列旋风预热器，在旋风预热器的旋风分离器和连接风管内与烟气进行换热，在旋风分离器中与烟气分离。A列生料经过多次换热和气固分离后从A列倒数第二级旋风分离器进入分解炉，B列生料经过多次换热和气固分离后从B列最后一级旋风分离器进入分解炉，C列生料经过多次换热和气固分离后从C列最后一级旋风分离器进入分解炉。分解炉内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，分解完成的生料离开分解炉经A列最下一级旋风分离器气固分离后进入回转窑，在回转窑内继续煅烧生成熟料，熟料由回转窑窑口落入冷却机，随后经冷却机冷却至65℃+环境温度。
按气体流向而言，空气经冷却机对高温熟料进行冷却，换热完成的空气主要分为以下三路：第一路高温空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气经B列最下一级旋风分离器的连接风管进入B列旋风预热器，随后对B列生料进行多次预热和气固分离后最终从B列旋风预热器出口离开。从B列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≤15%，而后烟气进入余热利用***，余热利用后的烟气经烟气处理***处理后排到大气中；第二路高温空气经窑门罩进C列最下一级旋风预热器，随后对C列生料进行多次预热和气固分离后最终从C列旋风预热器出口离开，而后空气进入余热利用***，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排到大气中；第三路温度较高的空气进余热锅炉发电或进行其他形式余热利用，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排入大气。空气分离装置制备的高纯度氧气与A列部分循环烟气按一定比例混合后进入分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。分解炉内燃料燃烧和生料分解释放出大量CO2，随后分解炉内燃料燃烧和生料分解生成的烟气离开分解炉进入A列旋风预热器，随后对A列生料进行多次预热和气固分离，最终从A列旋风预热器出口离开，从A列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≥75%(干基浓度)，随后烟气分为两路，其中一路烟气与空气分离装置制备的高纯度氧气按一定比例混合后进入分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。另外一路烟气通过换热器进行冷却降温，冷却降温后的烟气经除尘器进行烟气除尘，除尘后的烟气进入CO2捕集提纯***，经进一步的捕集提纯工序后CO2浓度可达到99%以上，可封存或资源化利用。
所述的A列旋风预热器的优选级数为三~七级；
所述的B列旋风预热器的优选级数为三~七级；
所述的C列旋风预热器的优选级数为三~七级；
所述的第一路空气的优选温度为950~1200℃；
所述的第二路空气的优选温度为850~1000℃；
所述的第三路空气的优选温度为250~450℃；
所述的冷却降温工艺可选为空气或冷却水作为冷却介质进行冷却降温；
所述的高纯度氧气也可通过外购得到；
所述的按照一定比例混合后的混合气中的O2与CO2的比例可根据燃料的热值与分解炉内所需要的操作温度进行调节，混合气体中O2所占的体积比优选为20~80%。
本发明的原理为：
如图2所示，在工艺过程中，生料经提升机由喂料装置分别喂入预分解窑A列、B列和C旋风预热器，在旋风预热器的旋风分离器和连接风管内与烟气进行换热，最终生料可预热至700~800℃，在旋风分离器中与烟气分离。A列生料经过多次换热和气固分离后从A列倒数第二级旋风分离器进入分解炉，B列生料经过多次换热和气固分离后从B列最后一级旋风分离器进入分解炉，C列生料经过多次换热和气固分离后从C列最后一级旋风分离器进入分解炉。分解炉内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，生料离开分解炉经A列最下一级旋风分离器气固分离后进入回转窑，在回转窑内继续煅烧生成熟料，熟料由回转窑窑口落入冷却机，随后经冷却机冷却至65℃+环境温度。空气经冷却机对高温熟料进行冷却，换热完成的空气主要分为以下三路：第一路高温空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气经B列最下一级旋风分离器的连接风管进入B列旋风预热器，随后对B列生料进行多次预热和气固分离后最终从B列旋风预热器出口离开。从B列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≤15%，而后烟气进入余热利用***，余热利用后的烟气经烟气处理***处理后排到大气中；第二路高温空气经窑门罩进入C列旋风预热器，随后对C列生料进行多次预热和气固分离后最终从C列旋风预热器出口离开，而后空气进入余热利用***，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排到大气中；第三路温度较高的空气进余热锅炉发电或进行其他形式余热利用，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排入大气。空气分离装置制备或者外购的高纯度氧气与A列部分循环烟气按一定比例混合后进入分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。分解炉内燃料燃烧和生料分解释放出大量CO2，随后分解炉内燃料燃烧和生料分解生成的烟气离开分解炉进入A列旋风预热器，随后对A列生料进行多次预热和气固分离，最终从A列旋风预热器出口离开，从A列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≥75%(干基浓度)，随后烟气分为两路，其中一路烟气与空气分离装置制备或者外购的高纯度氧气按一定比例混合后进入分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。另外一路烟气通过换热器进行冷却降温，冷却降温后的烟气经除尘器进行烟气除尘，除尘后的烟气进入CO2捕集提纯***，经进一步的捕集提纯工序后CO2浓度可达到99%以上，可封存或资源化利用。
实施例2
如图3所示，经过均化处理后的生料经生料提升机分别喂入预分解窑***A列、B列和C列，生料经旋风分离器和连接风管与烟气多次换热，最终生料可预热至700~800℃；A列生料经过多次换热和气固分离后从A列倒数第二级旋风分离器进入分解炉，B列生料经过多次换热和气固分离后从B列最后一级旋风分离器进入分解炉，C列生料经过多次换热和气固分离后从C列最后一级旋风分离器进入分解炉。分解炉内燃料燃烧释放大量热量供生料分解，分解完成的生料离开分解炉经A列最下一级旋风分离器气固分离后进入回转窑，在回转窑内继续煅烧生成熟料，熟料由回转窑窑口落入冷却机，随后经冷却机冷却至65℃+环境温度。空气经冷却机对高温熟料进行冷却，换热完成的空气主要分为以下三路：第一路高温空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，回转窑内燃料燃烧和部分生料分解形成的窑气经B列最下一级旋风分离器的连接风管进入B列旋风预热器，随后对B列生料进行多次预热和气固分离后最终从B列旋风预热器出口离开。从B列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≤15%，而后烟气进入余热利用***，余热利用后的烟气经烟气处理***处理后排到大气中；第二路高温空气经窑门罩进入C列旋风预热器，随后对C列生料进行多次预热和气固分离后最终从C列旋风预热器出口离开，从C列旋风预热器出口离开的空气分为两路，其中一路空气进入余热利用***，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排到大气中。第二路空气经循环风机进换热器***，与空气分离装置制备或外购的高纯度氧气与A列部分循环烟气组成的混合烟气在换热器***进行间接换热(即第二路空气与混合烟气不直接接触)，换热完后的混合烟气进分解炉底部，换热完后的空气进入余热利用***，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排到大气中；第三路温度较高的空气进余热锅炉发电或进行其他形式余热利用，余热利用后的空气经烟气处理***处理后排入大气。空气分离装置制备或外购的高纯度氧气与A列部分循环烟气按一定比例混合后进换热器***与来自冷却机的第二路高温空气进行换热，换热完成的混合烟气进分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。分解炉内燃料燃烧和生料分解释放出大量CO2，随后分解炉内燃料燃烧和生料分解生成的烟气离开分解炉进入A列旋风预热器，随后对A列生料进行多次预热和气固分离，最终从A列旋风预热器出口离开，从A列旋风预热器离开的烟气CO2浓度≥75%(干基浓度)，随后烟气分为两路，其中一路烟气与空气分离装置制备或外购的高纯度氧气按一定比例混合后进换热器***换热，换热完成的混合烟气进分解炉底部，供进入分解炉内的燃料燃烧。另外一路烟气通过换热器进行冷却降温，冷却降温后的烟气经除尘器进行烟气除尘，除尘后的烟气进入CO2捕集提纯***，经进一步的捕集提纯工序后CO2浓度可达到99%以上，可封存或资源化利用。
综上所述，本发明提供一种提升烟气中CO2浓度，简化烟气捕集提纯***工艺流程，***设计，改造工作量小的低能耗碳捕集水泥生产***及制备水泥熟料的方法。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：所述低能耗碳捕集水泥熟料生产***包括冷却机、回转窑、烟室、分解炉、A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器，所述A列旋风预热器、B列旋风预热器和C列旋风预热器下料管与分解炉进料口连接，所述分解炉出口与A列最下一级旋风预热器进风口相连，A列最下一级旋风预热器下料管与烟室连接，所述烟室与分解炉不直接相通，所述烟室、回转窑和冷却机依次相连，出所述冷却机的高温空气分为三路，第一路空气作为二次风直接进入回转窑内供燃料燃烧，随后经B列最下一级旋风预热器进风口进入B列旋风预热器；第二路空气经C列最下一级旋风预热器进风口进入C列旋风预热器；第三路空气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中。
2.根据权利要求1所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：所述A列倒数第二级旋风预热器、B列最下一级旋风预热器和C列最下一级旋风预热器下料管连接分解炉进料口。
3.根据权利要求1所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：所述A列旋风预热器的级数为三～七级，B列旋风预热器的级数为三～七级，C列旋风预热器的级数为三～七级。
4.根据权利要求1所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：出所述分解炉的烟气进入A列旋风预热器，从A列旋风预热器离开的烟气分为两路，其中一路烟气与空气分离装置制备的高纯度氧气按一定比例混合后，混合气体进入分解炉底部；另外一路烟气通过换热器进行冷却降温，冷却降温后的烟气经除尘器进行烟气除尘，除尘后的烟气进入CO2捕集提纯***。
5.根据权利要求4所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：所述混合气体中O2所占的体积比为20～80％。
6.根据权利要求4所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：从所述C列旋风预热器出口离开的空气分为两路，其中一路空气进入余热利用***，另一路空气经循环风机进换热器***，与混合气体在换热器***进行间接换热，换热完后进入余热利用***。
7.根据权利要求1所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：所述第一路空气的温度为950～1200℃；第二路空气的温度为850～1000℃；第三路空气的温度为250～450℃。
8.根据权利要求1所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***，其特征在于：出所述B列旋风预热器的烟气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中；出所述C列旋风预热器的烟气进入余热利用***，余热利用后，经烟气处理***处理后排到大气中。
9.一种低能耗碳捕集制备水泥熟料的方法，其特征在于：所述低能耗碳捕集制备水泥熟料的方法使用权利要求1-8任一项所述的低能耗碳捕集水泥熟料生产***。
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