一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法，包括第一、第二生料预热预分解系统和低能耗碳提纯系统，第二生料预热预分解系统排出低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；第二生料预热预分解系统的低温烟气排出口连接低能耗碳提纯系统；低能耗碳提纯系统包括烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵、烟气水洗塔、烟气水洗罐、第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐组成。本发明专利技术单位CO2制备综合能耗有效降低25％以上，单位CO2制备成本降低约20％。制备成本降低约20％。制备成本降低约20％。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法


[0001]本专利技术涉及水泥窑碳提纯
，特别是涉及一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法。

技术介绍

[0002]CO2作为一种主要的温室气体，其大量排放加剧了全球温室效应，世界各国均普遍面临着实现碳减排、缓解全球气候变化的艰巨任务。为更好发展全球经济和保护自然环境，世界各国都相继制定了碳减排战略目标。据统计数据，2020年，中国水泥行业CO2排放约12.3 亿吨，同比上升1.8％，占建材行业碳排总量的84.3％、占全国碳排放总量的比例约为13.5％。水泥行业是我国工业全面实现碳减排的关键产业。因此，减缓水泥行业高CO2排放问题刻不容缓。
[0003]对碳减排技术的研究，国内外已有不少报道，但这些研究主要面向电力、煤炭和钢铁等行业，水泥行业相关的碳减排技术报道相对较少。目前，水泥行业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。
[0004]水泥行业可采用的碳减排技术方案主要有燃烧前捕集、燃烧后捕集或燃烧过程自富集技术。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60～65％)则随烟气排放掉，导致这部分的CO2没有得到任何处理；此外，燃烧前捕集技术相比其他CO2捕集技术在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，主要的技术有热钾碱、苯菲尔法、乙醇胺等化学吸收法，碳酸丙烯酯、聚乙二醇二甲醚、甲醇等物理吸收方法；当前，通入水泥窑系统的助燃介质为空气，悬浮预热器出口烟气中CO2浓度普遍为 20～30％，由于烟气中CO2浓度偏低，直接采用燃烧后捕集技术会导致捕集提纯系统投资成本和运行成本偏高。燃烧过程自富集技术是指采用技术手段显著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捕集提纯系统的投资成本和运行成本；典型的燃烧过程自富集技术主要包括全氧燃烧技术及间接换热技术，其中，与水泥生产联系更紧密的是全氧燃烧技术。采用全氧燃烧技术可将窑尾预热器出口烟气CO2湿基浓度提升至80％以上，但单纯的完全依靠全氧燃烧技术来提升烟气中CO2浓度，会显著增加单位CO2制备综合能耗，提高单位CO2制备成本。
[0005]并且，水泥窑系统在生产水泥的过程中，生料以及燃料会带入硫杂质，硫杂质主要以有机硫化物、无机硫化物(简单硫化物或者复杂硫化物)或者硫酸盐的形式存在，单质硫可以忽略不计，燃料带入的硫杂质一般会被分解炉内大量存在的活性氧化物吸收生成亚硫
酸盐或硫酸盐，随后经烟室进入回转窑；生料中以硫酸盐形式存在的硫杂质在旋风预热器中一般不会形成SO2气体，最终会进入回转窑，进入回转窑内的一部分硫酸盐在高温下发生分解反应生成SO2气体，一部分SO2气体通过旋风预热器随烟气排出，另一部分SO2气体在烟室或旋风分离器的低温区域冷凝在生料上，随生料沉积进入回转窑内，形成旋风预热器和回转窑之间的内循环，未分解的硫酸盐则会随水泥熟料离开回转窑；生料中以有机硫化物、无机硫化物等其他形式存在的硫杂质一般会在300
‑
600℃被氧化生成SO2气体，主要发生在旋风预热器顶部的两级旋风分离器以及连通顶部两级旋风分离器的进风管中。因此，若生料采用含硫量较高的劣质原料，则会引起水泥生产过程中排放的SO2浓度较高，而现有的CO2提纯系统对烟气中SO2非常敏感，有研究表明，进入CO2提纯系统的烟气SO2浓度要尽可能低，最好应控制在10mg/Nm3以内，为了保证CO2提纯系统的稳定运行和正常使用，现有的CO2提纯系统需要对烟气进行脱硫处理，提高了CO2提纯系统的投资成本和运行成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有技术存在的问题，提供了一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法，该系统解决了现有水泥窑系统单纯依靠全氧燃烧技术来提升窑尾烟气中CO2浓度，导致单位CO2制备综合能耗及单位CO2制备成本显著增加，以及因生料采用含硫量较高的劣质原料，引起进CO2提纯系统的烟气SO2含量偏高，使得CO2提纯系统需要对烟气进行脱硫处理，导致CO2捕集提纯系统的投资成本和运行成本偏高的技术问题。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，包括烟室、回转窑、冷却机、第一生料预热预分解系统和第二生料预热预分解系统，所述回转窑上设置第一燃烧器，所述第一生料预热预分解系统为常规生料预热预分解系统，所述第一生料预热预分解系统与所述烟室连通；所述第二生料预热预分解系统为采用全氧燃烧的二氧化碳自富集系统；
[0008]所述第二生料预热预分解系统排出的低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；还包括低能耗碳提纯系统，所述第二生料预热预分解系统的低温烟气排出口连接低能耗碳提纯系统；所述低能耗碳提纯系统包括依次连接的烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，所述烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵、烟气水洗塔、烟气水洗罐、第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐组成，所述烟气预冷却除尘系统的出口与烟气水洗塔的进气口连接，所述烟气水洗塔的出水口通过烟气水洗泵与烟气水洗塔的进水口连接，所述烟气水洗罐与烟气水洗泵的入口连接，所述烟气水洗塔的出气口与第一冷却器的入口连接，所述第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐依次连接，所述第一分水器和第二分水器均用于对烟气进行深度脱水，所述第一净化塔用于对烟气中的SOx和NOx进行预脱除，所述第一吸附塔用于吸附烟气中重组分，使经第一吸附塔吸附后烟气中CO2湿基浓度达到90～95％，所述第二净化塔用于对烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体进行深度脱除，所述第二吸附塔用于对烟气进行深度脱水，所述液化器用于将烟气液化，所述精馏塔用于将氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质进行低温精馏脱除，使液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，所述成品储
罐用于储存液体二氧化碳。
[0009]进一步的，当生料中硫含量为0.1～3.0％时，所述第一生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的下料管通过高温螺旋铰刀与所述第二生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的进料口连通，使进入第二生料预热预分解系统的生料中的硫杂质在常规生料预热预分解系统被氧化生成SO2气体随烟气进入烟气余热利用系统，保证进入第三列旋风预热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，包括烟室、回转窑、冷却机、第一生料预热预分解系统和第二生料预热预分解系统，所述回转窑上设置第一燃烧器，所述第一生料预热预分解系统为常规生料预热预分解系统，所述第一生料预热预分解系统与所述烟室连通；所述第二生料预热预分解系统为采用全氧燃烧的二氧化碳自富集系统；其特征在于：所述第二生料预热预分解系统排出的低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；还包括低能耗碳提纯系统，所述第二生料预热预分解系统的低温烟气排出口连接低能耗碳提纯系统；所述低能耗碳提纯系统包括依次连接的烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，所述烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵、烟气水洗塔、烟气水洗罐、第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐组成，所述烟气预冷却除尘系统的出口与烟气水洗塔的进气口连接，所述烟气水洗塔的出水口通过烟气水洗泵与烟气水洗塔的进水口连接，所述烟气水洗罐与烟气水洗泵的入口连接，所述烟气水洗塔的出气口与第一冷却器的入口连接，所述第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐依次连接，所述第一分水器和第二分水器均用于对烟气进行深度脱水，所述第一净化塔用于对烟气中的SOx和NOx进行预脱除，所述第一吸附塔用于吸附烟气中重组分，使经第一吸附塔吸附后烟气中CO2湿基浓度达到90～95％，所述第二净化塔用于对烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体进行深度脱除，所述第二吸附塔用于对烟气进行深度脱水，所述液化器用于将烟气液化，所述精馏塔用于将氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质进行低温精馏脱除，使液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，所述成品储罐用于储存液体二氧化碳。2.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，当生料中硫含量为0.1～3.0％时，所述第一生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的下料管通过高温螺旋铰刀与所述第二生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的进料口连通，使进入第二生料预热预分解系统的生料中的硫杂质在常规生料预热预分解系统被氧化生成SO2气体随烟气进入烟气余热利用系统，保证进入第三列旋风预热器的进料口的生料含硫量低。3.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一生料预热预分解系统包括第一分解炉和第一列旋风预热器；所述第一分解炉上设置第二燃烧器，所述第一分解炉上开设第一列生料入口；所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％；所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第一进料口，所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室。4.根据权利要求3所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一生料预热预分解系统还包括第二列旋风预热器，所述第一分解炉上开设第二列生料入口；所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％；所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第二进料口，所述
第二列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连接所述烟室。5.根据权利要求4所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一列旋风预热器的级数为4～7级；所述第二列旋风预热器的级数为4～7级。6.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第二生料预热预分解系统包括预燃烧炉、第二分解炉和第三列旋风预热器，所述预燃烧炉上开设助燃介质进口和循环烟气进口，所述预燃烧炉顶部设置第三燃烧器，所述预燃烧炉的底部与所述第二分解炉的锥部通过连接管道连通，所述第二分解炉上设置第四燃烧器，所述第二分解炉上开设第三列生料入口；所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第二分...

【专利技术属性】
技术研发人员：代中元，彭学平，陈昌华，武晓萍，林敏燕，赵琳，
申请(专利权)人：中国建材集团有限公司，
类型：发明
国别省市：