[发明专利]实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法

说明书

本发明提供实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法，系统包括生料预热预分解系统、烟室、回转窑和冷却机；烟室、回转窑和冷却机依次连通；生料预热预分解系统包括分解炉和旋风预热器，底端旋风预热器的进风口连接分解炉的出风管，顶端旋风预热器的出风口排出低温烟气；底端旋风预热器的出料口连通烟室，顶端旋风预热器的进料口用于生料进料；冷却机包括第一冷却区和第二冷却区，第一冷却区的进气口通入纯氧和高浓度二氧化碳烟气的混合气，第二冷却区的进气口通入空气。本发明解决现有燃烧后捕集CO₂技术存在的CO₂捕集提纯系统的CO₂气体捕集效率低、进捕集提纯系统烟气中CO₂浓度偏低、系统投资以及运行成本高的问题。

技术领域

本发明属于水泥生产设备技术领域，具体涉及实现二氧化碳零排放的水泥窑系统及水泥熟料制备方法。

背景技术

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。在我国，水泥行业已成为仅次于电力行业的第二大CO₂排放源。据统计，2018年全国水泥熟料产量约为14.2亿吨，在国内现有每生产1吨水泥熟料的CO₂排放量约为0.84吨的技术水平条件下，CO₂排放量在2018年已接近12亿吨。因此，减缓水泥工业高CO₂排放问题刻不容缓。

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。当前水泥生产工艺普遍采用的是新型干法生产工艺，它主要采用水泥窑系统，水泥窑系统具体由冷却机、燃烧器、回转窑、旋风预热器和连接风管等组成。其中，生料在旋风预热器中预热升温，在分解炉内分解，部分燃料在分解炉内燃烧为生料分解提供所需的热量，分解后的生料在回转窑内由另一部分燃料煅烧成水泥熟料，随后水泥熟料经冷却机冷却至合适温度。

当前水泥窑系统的冷却机通入的冷却气体为空气，从水泥窑系统排出的CO₂浓度为30％左右。

目前水泥行业可采用的碳减排技术方案为燃烧前捕集CO₂、燃烧后捕集CO₂以及水泥窑纯氧燃烧技术。

其中燃烧前捕集CO₂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，燃烧前捕集CO₂的一个显著缺点是仅能分离出燃料燃烧产生的CO₂，而生料煅烧产生的约60％的CO₂随烟气排放了，即生料煅烧过程中产生的CO₂没有得到处理。此外，燃烧前捕集CO₂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，需要对回转窑内燃烧器进行特殊设计，因此该技术在水泥行业碳减排中可行性较低。

燃烧后捕集CO₂技术主要是指从燃烧后的烟气进行CO₂捕集或者分离出CO₂，现有主要的技术包括吸收法、吸附法、膜吸收法和矿物碳化法等。上述方法均存在CO₂气体捕集效率低、CO₂气体捕集流量小、系统投资以及运行成本高的问题。

水泥窑纯氧燃烧技术是指利用纯氧气(实际氧气浓度可能为95％以上)代替空气助燃，可以大幅度提升窑尾烟气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。有研究机构对纯氧燃烧技术在玻璃和火电等行业的应用进行了研讨，由于水泥窑纯氧燃烧在生产布置、反应条件上与玻璃和火电炉窑等有较大差异，同时还需要对冷却机以及系统用风等进行特殊设计，目前水泥行业尚未有纯氧燃烧技术投运的实际案例。

发明内容