一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺

本发明属于二氧化碳捕集与利用，具体涉及一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺。

背景技术：

1、目前，水泥行业中二氧化碳排放占碳排放总量的12％左右，主要涉及燃料燃烧和碳酸盐分解。其中，水泥窑中产生的二氧化碳是其主要来源，因此，如何实现水泥的碳中和面临着巨大的挑战。在水泥工业中，采用原料替代和燃料替代被认为是降低水泥碳排放的重要途径，然而，其仍然无法避免因为熟料中碳酸盐的分解产生的二氧化碳排放。因此，水泥工业的碳捕集成为实现水泥碳中和重要的“兜底”技术。在现有技术中，化学吸收法是捕集二氧化碳的重要手段，主要是利用有机胺等作为吸收剂，在高温高压下分离二氧化碳，实现吸收剂的循环利用。但该方法仍然面临着解吸能耗高和二氧化碳利用率低等瓶颈问题。

2、因此，研究一种水泥窑烟气中的二氧化碳捕集与利用一体化系统与工艺，对水泥降碳提质具有重要意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统与工艺。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化系统，所述系统包括水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元；

4、所述烟气预处理单元包括水泥窑烟气润湿和热交换装置；

5、所述烟气二氧化碳捕集单元包括吸收剂搅拌釜、二氧化碳吸收塔、三相控制阀和吸收液储存罐；

6、所述水泥窑烟气润湿和热交换装置底部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部与所述水泥窑烟气润湿和热交换装置的烟气出口连接；

7、所述二氧化碳吸收塔顶部与所述吸收剂搅拌釜连接，所述二氧化碳吸收塔底部通过所述三相控制阀分别连接所述吸收液储存罐和所述吸收剂搅拌釜；

8、所述水泥外加剂制备-储存-添加单元包括依次串联的水泥外加剂搅拌釜、储存罐和水泥磨；

9、所述吸收液储存罐与所述水泥外加剂搅拌釜连接。

10、有益效果：本发明设置水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元，实现了水泥窑烟气中二氧化碳的捕集与吸收剂的免解吸利用。并且本发明在烟气预处理单元设置水泥窑烟气润湿和热交换装置，实现了烟气与液相润湿液的热交换、制备吸收剂以及余热的回收利用。

11、进一步地，所述二氧化碳吸收塔与所述三相控制阀之间包括液相组成在线检测装置。

12、进一步地，所述二氧化碳吸收塔顶部还包括尾气出口。

13、本发明还提供了一种水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，具体包括以下步骤：

14、(1)将烟气通入所述水泥窑烟气润湿和热交换装置中进行烟气润湿，然后将润湿液通入所述吸收剂搅拌釜，将润湿后的烟气通入所述二氧化碳吸收塔，并向所述吸收剂搅拌釜中加入有机胺类有机组分和碱金属化合物类无机组分混合，得到二氧化碳吸收剂；

15、(2)将所述二氧化碳吸收剂通入所述二氧化碳吸收塔中，与所述润湿后的烟气混合，得到二氧化碳吸收液；

16、(3)将所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜内，加入多元醇类有机物，得到水泥外加剂，然后加入至所述水泥磨中和水泥混合，即可完成水泥窑碳捕集利用一体化。

17、有益效果：本发明的水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺，实现水泥窑中二氧化碳的捕集和免解吸利用，同时提高水泥的力学性能，进一步降低水泥的能耗和碳排放。

18、进一步地，步骤(1)中所述烟气为经过脱硫、脱硝和除尘处理后的烟气，其中，二氧化碳浓度为14.3％，一氧化碳浓度为1.2％，温度为107℃，流量为45000nm3/h；所述润湿液为水。

19、进一步地，步骤(1)中所述烟气润湿具体为：利用水泥窑烟气润湿和热交换装置中的热交换装置将烟气的热量加热润湿液至30-50℃，烟气温度降低至30-50℃，更有利于提高吸收剂对烟气中的二氧化碳的捕集效率。

20、进一步地，步骤(1)中所述有机胺类有机组分包括三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、单乙醇二异丙醇胺中的一种或几种；所述碱金属化合物类无机组分为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾中的一种或几种；所述有机胺类有机组分、碱金属化合物类无机组分和润湿液的质量比为(0.5-10)∶(20-35)∶(79.5-55)。

21、更进一步地，所述有机胺类有机组分优选为三乙醇胺，所述碱金属化合物类无机组分优选为氢氧化钠。

22、有益效果：本发明采用三乙醇胺作为有机胺类有机组分和氢氧化钠作为无机组分的复合吸收剂，不仅可以捕集水泥窑烟气中的二氧化碳，同时捕集液也是重要的水泥外加剂原料，使制备的水泥外加剂具有助磨和增强的双重作用。

23、进一步地，步骤(3)中所述二氧化碳吸收液通入所述水泥外加剂搅拌釜之前还需要经过所述液相组成在线检测装置进行检测；其中，所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量达到90％以上时，经所述三相控制阀通入所述吸收液储存罐中，然后再通入所述水泥外加剂搅拌釜；所述二氧化碳吸收液中二氧化碳的负载量未达到90％时，经所述三相控制阀流回所述吸收剂搅拌釜内。

24、进一步地，步骤(3)中所述多元醇类有机物为多羟基有机物，所述多羟基有机物包括乙二醇、二乙二醇、丙三醇、白糖和糖蜜中的一种或几种；所述多元醇类有机物为二氧化碳吸收液总质量的1-10％。本发明中引入多羟基有机物，能够对水泥起到辅助助磨和增强的作用。

25、进一步地，步骤(3)中所述水泥外加剂为水泥质量的0.03-0.20％。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、本发明中水泥窑烟气碳捕集利用一体化工艺的技术原理为：

28、捕集阶段发生的化学反应：

29、r1r1r2n+h2o→r1r2r3nh++oh-   (1)

30、2oh-+co2→co32-+h2o   (2)

31、其中r1和r2为-ch2ch2oh和-ch2ch(ch3)oh中的一种，r1和r2可相同。

32、有机胺加速烟气中co2向液相传输，提高吸收效率。

33、水泥粉磨阶段：

34、有机胺类有机组分和多羟基有机物通过在水泥颗粒表面的吸附分散水泥颗粒，有利于提高水泥的粉磨效率；碳酸盐在碱性环境下快速形成碳酸钙，经历了粉磨过程后形成晶核，有利于促进水泥水化并填充空隙，提升水泥力学性能。

35、co32-+ca2+→caco3   (3)

36、本发明针对水泥窑中的复杂烟气环境与水泥熟料、混合材的水化特征，依次通过水泥窑烟气预处理单元、烟气二氧化碳捕集单元和水泥外加剂制备-储存-添加单元，将制备的水泥外加剂添加到水泥磨中使用，实现了水泥窑烟气中二氧化碳的捕集与吸收剂免解吸利用的同时进行，不仅能够资源化的利用水泥窑烟气中的二氧化碳；还能够利用吸收液制备水泥外加剂，降低水泥粉磨能耗并提升水泥力学性能，整体降低水泥生产全流程的碳排放。

37、本发明以有机胺和碱金属化合物组成复合吸收剂，不仅能够吸收烟气中的二氧化碳，而且适用于制备高性能水泥外加剂，通过界面吸附降低表面能起到提高水泥粉磨效率与水化碳酸化协同增强水泥早后期强度的作用，进而减少有用能源和资源的消耗，对保护环境较有利。