一种低能耗水泥生料间接加热制高纯CO2的系统及方法与流程

本发明涉及一种水泥与co2制备耦合的系统及方法，尤其涉及一种低能耗水泥生料间接加热制高纯co2的系统及方法。

背景技术：

1、水泥行业的碳减排对实现碳中和目标的影响重大，迫切需要水泥行业通过技术创新驱动实现绿色低碳发展。其中，在“提高能源效率、替代原燃料、低碳水泥、ccus(carboncapture，utilization and storage)”等碳减排措施中，ccus减排潜力最大。目前国内外ccus技术的研究主要面向电力、煤炭和化工等行业，国内外ccus技术尚处于起步阶段。

2、传统水泥生产工艺中燃料及燃烧后产生的烟气与物料直接接触，窑尾废气量大、co2浓度低、且各种杂质含量大，导致co2捕集效率低、系统复杂和运行成本偏高。

3、水泥工业直接排放的co2分为燃料燃烧排放和生产过程(碳酸盐分解)排放两部分，即q全＝∑(q燃+q过)。水泥行业直接排放的co2约为(0.8～0.85)kg/kg.cl，其中生产过程中碳酸盐分解的co2占60％以上；另一方面，碳减排最大的挑战是如何降低碳捕集成本以及后续co2如何有效、充分利用和封存的问题。目前水泥工业全氧燃烧及化学吸收等碳减排技术存在系统复杂、投资及运行成本高等问题，因此有必要结合水泥工业co2排放的特点及目前捕集后co2的实际利用现状，提出一种能够降低水泥厂碳捕集能耗及运行成本的碳减排系统及方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种具有较高的co2捕集率、运行成本低的低能耗水泥生料间接加热制高纯co2的系统；

2、本发明的第二个目的是提供利用上述的系统制备高纯co2的方法。

3、技术方案：本发明所述的低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳系统，包括预热子系统、煅烧子系统和冷却子系统，还包括用于对部分生料加热使碳酸盐分解产生co2的换热分解子系统、对产生的co2进行热量回收的余热回收子系统、对热量回收后的co2进行储存的co2储存子系统；所述换热分解子系统的物料进口与预热子系统连接，物料出口与烟室连接，热烟气进口与分解炉的三次风连通、换热分解子系统的燃料燃烧后的热烟气出口与余热回收子系统的热空气出口连接，用于排出换热后的烟气的废烟气出口与分解炉中上部连接，co2出口与余热回收子系统连接；所述换热分解子系统设有与生料直接接触换热的过热蒸汽进口。

4、其中，所述预热子系统第三旋风筒的物料进口与换热分解子系统的物料进口并联接入第二旋风筒的物料出口；换热分解子系统的物料出口和余热回收子系统物料出口并联接入位于分解炉下方的烟室。

5、其中，所述换热分解子系统包括2个及以上的反应块，所述反应块包括换热外管、反应内管及保温层，底部设置过热蒸汽管；所述反应内管内设有换热内管。

6、其中，所述换热内管外部设置与水平面夹角为20～30度的挡板，挡板在换热内管竖向上整体呈螺旋结构。

7、其中，所述余热回收子系统包括旋风分离器和空气预热器；所述旋风分离器的物料出口与换热分解子系统的物料出口和余热回收子系统物料出口并联接入烟室；所述co2储存子系统包括依次连接的水气分离器、收尘器、气体干燥塔和液化储存装置。

8、上述的系统制备高纯二氧化碳的方法，包括如下步骤：

9、水泥生料加入预热子系统，在预热子系统完成热交换后，进入煅烧子系统煅烧成为水泥熟料，经冷却后，物料送至成品库储存；

10、从第二旋风筒出料口分出的部分物料与过热蒸汽在换热分解子系统内接触逆流换热，换热分解子系统内燃料燃烧后的热烟气及分解炉的三次风进入换热分解子系统内，与生料进行非接触逆流换热；经换热降温后的废烟气返回分解炉中上部，物料中的碳酸盐经加热分解释放的co2进入到余热回收子系统回收余热；co2在余热回收子系统内经气固分离后与环境空气进行换热，换热后的热空气作为燃料的助燃风并联至换热分解子系统的热烟气中，换热后的co2进入co2储存子系统内经过冷凝、收尘、干燥后储存；从换热分解子系统出来的物料与余热回收子系统回收的物料共同作为水泥的部分原料进入烟室，生成水泥熟料。

11、其中，所述二级热交换后的热料分出生料的2～12％进入到换热分解子系统内。

12、其中，进入换热分解子系统的热烟气温度为1000-1050℃，离开换热分解子系统的热烟气温度为930-950℃，物料分解温度为950-1000℃。

13、其中，进入换热分解子系统的物料温度为480～500℃，物料停留时间为5～15秒，离开换热分解子系统的物料和co2气体温度为900-950℃。

14、其中，进入换热分解子系统的过热蒸汽温度为950～1000℃，换热分解子系统内的气体中水蒸气含量为10～15％。

15、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：

16、(1)本发明从预热器n-1级旋风筒的热料或入窑生料分出一部分，加入用于间接加热碳酸盐分解的换热分解子系统，可直接制得高纯的co2气体。不再单独设置预热器，充分利用了水泥生产系统原有的预热器，有利于降低系统的热耗和电耗。系统相对简单，co2捕集率高、碳捕集成本低。

17、(2)本发明合理设计换热分解子系统的反应块的内部构件，内部构件一方面增大了物料流动行程，另一方面减缓了物料向下移动的速度，两者共同作用下大幅提高了物料在反应块内的停留时间；在内部构件作用下物料更加容易分散，避免了偏料，可有效强化气固两相间的换热效果。

18、(3)由于高温co2难以输送且对碳酸盐分解有影响，采用含量适宜的过热蒸汽携带物料向上运动，本发明采用静态、间接加热碳酸盐分解、过热蒸汽与物料间接逆流换热冷却(热回收)的组合装置，由于采取静态设备，减少了运动部件，高温下运行可靠性提高，漏风量大为减少，因而可制得高纯度co2气体。

19、(4)本发明充分考虑热源提供方式、加热方式与温度控制、碳酸盐的来源、物料运动方式与停留时间控制、气固分离和co2提取等，通过与水泥熟料烧成系统的耦合与协同优化，该技术及装备开发换热速度快及效率高，实现捕集与熟料烧成系统运行稳，有望成为水泥行业有竞争力的碳捕集和减排的重要技术手段。

技术特征：

1.一种低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统，包括预热子系统、煅烧子系统和冷却子系统，其特征在于，还包括用于对部分生料加热使碳酸盐分解产生co2的换热分解子系统、对产生的co2进行热量回收的余热回收子系统、对热量回收后的co2进行储存的co2储存子系统；所述换热分解子系统的物料进口与预热子系统连接，物料出口与烟室(106)入口连接，热烟气进口与分解炉(6)的三次风连通、换热分解子系统的燃料燃烧后的热烟气出口与余热回收子系统的热空气出口连接，用于排出换热后的烟气的废烟气出口与分解炉(6)中上部连接，co2出口与余热回收子系统连接；所述换热分解子系统设有与生料直接接触换热的过热蒸汽进口以及用于通入燃料的燃料进口。

2.根据权利要求1所述的低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统，其特征在于，所述预热子系统的第三旋风筒(3)的物料进口与换热分解子系统的物料进口并联接入第二旋风筒(2)的物料出口；换热分解子系统的物料出口和余热回收子系统物料出口并联接入分解炉(6)下方烟室(106)。

3.根据权利要求1所述的低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统，其特征在于，所述换热分解子系统包括2个及以上的反应块(30)，所述反应块(30)由内向外包括换热内管(28)、反应内管(16)、换热外管(12)及保温层(17)；所述过热蒸汽口设于反应内管(16)底部用于连接过热蒸汽管(29)；所述换热外管(12)及换热内管(16)均设有热烟气进口。

4.根据权利要求3所述的低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统，其特征在于，所述换热内管(28)外部设有与水平面夹角为20°～30°的若干个挡板(102)，若干个挡板(102)在换热内管(28)竖向上呈螺旋结构。

5.根据权利要求1所述的低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统，其特征在于，所述余热回收子系统包括旋风分离器(20)和空气预热器(21)；所述旋风分离器(20)的物料出口、换热分解子系统的物料出口和余热回收子系统物料出口并联接入位于分解炉下方的烟室(106)；所述co2储存子系统包括依次连接的水气分离器(22)、收尘器(24)、气体干燥塔(25)和液化储存装置(26)。

6.一种利用权利要求1所述的系统制备高纯二氧化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求1所述的制备高纯二氧化碳的方法，其特征在于，二级热交换后，分出生料质量的2～12％进入到换热分解子系统内。

8.根据权利要求6所述的制备高纯二氧化碳的方法，其特征在于，进入换热分解子系统的热烟气温度为1000-1050℃，离开换热分解子系统的热烟气温度为930-950℃，物料分解温度为950-1000℃。

9.根据权利要求6所述的制备高纯二氧化碳的方法，其特征在于，进入换热分解子系统的物料温度为480～500℃，物料停留时间为5～15秒，离开换热分解子系统的物料和co2气体温度为900-950℃。

10.根据权利要求6所述的制备高纯二氧化碳的方法，其特征在于，进入换热分解子系统的过热蒸汽温度为950～1000℃，换热分解子系统内的气体中水蒸气含量为10～15％。

技术总结
本发明公开了一种低能耗水泥生料间接加热制备高纯二氧化碳的系统及方法，包括预热子系统、煅烧子系统、冷却子系统、换热分解子系统、余热回收子系统和CO<subgt;2</subgt;储存子系统；换热分解子系统的物料进口与预热子系统连接，物料出口与烟室入口连接，热烟气进口与分解炉的三次风连通、燃料燃烧后的热烟气出口与余热回收子系统的热空气进口连接，废烟气出口与分解炉中上部连接，CO<subgt;2</subgt;出口与余热回收子系统连接；换热分解子系统设有与生料直接接触换热的过热蒸汽进口以及燃料进口。本发明结合水泥工业CO<subgt;2</subgt;排放的特点，通过与水泥熟料烧成系统的耦合与协同优化，降低碳捕集能耗及运行成本，提高水泥厂碳减排的经济效益，捕集的CO<subgt;2</subgt;浓度达到95％以上。

技术研发人员：孙德群,冯冬梅,刘仁越,赵美江,朱刚,潘轶,宋华庭,周斌,刘渊,蔡祎,史超其,鞠立鑫
受保护的技术使用者：中国中材国际工程股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15