水泥厂中CO2捕捉封存方法与流程

本发明涉及水泥技术领域，尤其是一种水泥厂中CO₂捕捉封存方法。

背景技术：

CO₂是对气候变化影响最大的气体，它使全球气温升高。全球气候变化对生态系统造成重大影响，进而威胁到人类社会的生存和发展。据统计，目前每年有300多亿吨CO₂排放到大气层中，其中约有90%来自发电厂、水泥厂、钢厂和炼油厂等集中采用化石燃料的单位。 随着社会经济的发展，能源的使用和消耗将增加，CO₂的排放量必会增加，为此世界各国都在寻求各种技术来降低CO₂的排放量。

多年来，世界上CO₂排放量最大的工业源头之一水泥工业，通过改善能效、使用替代燃料以及增加水泥中混合材的含量等，持续地降低了CO₂的排放量，但是通过这些方式减少CO₂的排放量的程度很有限，而CO₂捕捉与封存（CCS）技术给我们带来了希望。CCS技术是一种将排放源产生的CO₂进行收集、运输并安全存储到某处，使其长期与大气隔离的过程，主要由捕捉、运输和封存3个环节组成。与分离技术(投资大、成本高、回收CO₂的同时又在排放CO₂)不同，捕捉和封存技术则以其存储容量大、地下保持时间长、环境友好等诸多优点，被许多国家认为是目前为止可选的有效技术之一。

针对排放的CO₂的CCS 技术主要有三类：燃烧后捕捉系统、富氧燃烧捕捉系统以及燃烧前捕捉系统，这些捕获技术的技术特点及其成熟度，如表1所示。

表1 碳捕捉技术的特点和成熟度

在燃煤或燃气发电站中已广泛地进行燃烧后CO₂捕捉的应用研究，但是在水泥厂中的应用研究则很少。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种水泥厂中CO₂捕捉封存方法，布局合理，操作简便，效果好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种水泥厂中CO₂捕捉封存方法，包括燃烧后CO₂捕捉过程和富氧燃烧CO₂捕捉过程。

进一步地，所述燃烧后CO₂捕捉过程包括对尾气除尘过程、湿法烟气脱硫洗涤、中和洗涤和单乙醇胺吸收过程。

进一步地，还包括CO₂汽提、干燥和压缩。

进一步地，进入单乙醇胺吸收过程的烟气要求为：SO₂的浓度小于10ppmv、NO_X的含量小于200ppmv、NO₂的含量小于20ppmv和温度小于50℃。

进一步地，所述富氧燃烧CO₂捕捉过程包括向预分解器中通入富氧空气、从预分解器中出来的烟气进行分离。

进一步地，所述富氧空气为95%O₂，2%N₂，3%Ar。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用两种捕捉方法使得水泥厂中CO₂的排放量大大降低，降低了温室效应，改善了生活环境。

附图说明

图1为本发明燃烧后CO₂捕捉过程的流程图；

图2为本发明富氧燃烧CO₂捕捉过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

燃烧后CO₂捕捉技术在水泥厂中的应用研究

1.1 工艺简述

燃烧后CO₂捕捉的基本原理是燃烧后用单乙醇胺进行CO₂吸收。水泥厂通过改造现有的厂房就可以配置这种捕捉设备。图1为水泥厂中燃烧后CO₂捕捉的工艺流程图。与传统的水泥厂相比，这个流程图有五个主要的特点，如下所示：

一是在预热器和原料磨之间有一个用于去除NO_x的选择性催化还原装置（SCR）。

二是安装了用于消除烟气SO_x的湿式石灰石烟气脱硫装置。

三是安装了单乙醇胺吸收设备。

四是安装一套燃煤热电联产设备，用其来生产MEA分离所需的低压蒸汽，同时也可为胺吸收系统和压缩厂提供电力。这个过程产生的CO₂在湿式石灰石烟气脱硫装置之前将会与烟气混合，同时也被捕捉。

五是净CO₂产品经过压缩、干燥，再压缩至管道压力达到110 bara。

注意问题

安装燃烧后CO₂捕捉系统必须要考虑以下问题：

（1）SO₂

SO₂浓度的大小对于使用胺进行燃烧后捕捉技术来说很关键，因为胺会与酸性化合物反应生成盐而不游离于胺溶出系统中。据报道，在胺吸收过程中SO₂的浓度应约为10 ppmv。

（2）NO₂

由于燃气中的NO_x在单乙醇胺吸收系统中会发生溶剂降解作用，所以NO_x的含量也是一个重要的问题，更要注意的是NO₂会反应生成热稳定性盐。NO_x的排放量与水泥窑有关，一般在200-300mg/Nm³之间变化。然而，通常NO_x中NO₂的含量不超过10%，其余大部分是NO。

（3）粉尘

在水泥厂燃气中含有大量的粉尘，大约为3000mg/Nm³，可以用静电除尘器或袋式除尘器去除。粉尘会降低胺吸收过程的效率。据了解为了更有效经济地进行燃烧后捕捉，粉尘水平必须低于15mg/Nm³。

（4）蒸汽需求

利用单乙醇胺进行CO₂捕捉的一个主要问题就是需要大量的蒸汽，蒸汽条件要求为：压力3.5bara，温度140℃-150℃。

（5）避免还原气氛

熟料不能在还原的气氛中生成，在生产过程中要保持过量的O₂，在预热器、预分解炉及窑中要求O₂的浓度大于2%（w/w），在单乙醇胺CO₂吸收系统中要求O₂的含量大于1.5%（v/v）。

（6）燃气降温

水泥厂原料磨中排放的燃气温度约为110℃，为了达到胺吸收系统的理想温度，燃气温度必须冷却到50℃左右。

（7）其他气体

在水泥生产的烟气中会有少量的盐酸，其浓度约为8mg/Nm³，这些酸性成分会降低胺吸收过程的效率。

富氧燃烧CO₂捕捉技术在水泥厂中的应用研究

2.1 工艺简介

在现代水泥厂中燃料主要在两个地方投料：预分解炉和窑头。大部分（达到95%）CO₂是从预热器和预分解炉里的石灰石原料中分解而来。图2是富氧燃烧CO₂捕捉的工艺流程图。

这个捕捉技术在预分解炉中进行富氧燃烧，选择这个方案是因为它使高浓度CO₂气氛对熟料生产过程的影响达到最小化。富氧燃烧CO₂捕捉工艺和传统的水泥厂相比主要有两个特点，如下所示：

一是预分解炉所需的空气在进入预分解器之前就会被空分设备分离，分离出的氧气（95%O₂，2%N₂，3%Ar）只提供给预分解炉。

二是从预分解炉出来的净烟气经冷却后输送到CO₂压缩和惰性气体分离装置。净产品经压缩、干燥及分离出惰性气体后产生的CO₂进一步被压缩至管道压力110bara。

注意问题

关于在水泥厂中利用富氧燃烧捕捉CO₂的研究很少，下文讨论了在水泥生产工艺中应用富氧燃烧捕捉的相关技术问题。其主要的技术问题如下：

(1) 火焰温度

富氧燃烧的原理是在燃烧的过程中排除空气中的惰性气体。在富氧燃烧中，火焰温度可以达到3500℃以上。在正常的运行状态下，这样的温度太高，因此必须要往烧成带内输入一定比例富含CO₂的燃气以达到稀释O₂和降温的作用。

(2) 热交换的影响

燃烧室内气体的组成变化会对辐射热的变化和对流热的转移行为产生明显影响。

(3) 损坏和损耗

因为温度很高，水泥窑壁在O₂浓度高的情况下很容易损坏，所以在保持高温的同时也要保护好窑壁（更换窑衬）。

(4) 化学放应

研究要继续进行，以确定在不同的气氛下反应生成的孰料是否是有用的产品。

(5) 空气泄露

在原料磨、预热器和窑内有大量的空气泄漏，过量的空气会污染富含CO₂的烟气。需要去除这些污染物，但同时也会提高捕捉的成本。

(6) 烟气的清洁

储存CO₂的地方要求对烟气进行清洁，主要是去除水蒸气、氮气、氩气、NO_x及SO_x等。

(7) 空气分离设备（以下简称空分设备）

空分设备是必须的装置，它给富氧燃烧过程输送O₂，和传统的水泥厂相比，这就需要更多的电能。

(8) 避免还原气氛

通常情况下，在熟料生产过程中O₂ 的浓度应保持大于2%（w/w）。

燃烧后捕捉技术和富氧燃烧捕捉技术的效果和成本

3.1 燃烧后捕捉

燃烧后捕捉技术的水泥厂现场CO₂的减排量是74%。如果CO ₂的捕捉百分数增加到95%，那么减排量就可以提高到93%。燃烧后捕捉CO₂的成本是107欧元每吨。水泥厂烟气中CO₂的浓度很高，和以煤或天然气为燃料的电厂的烟气相比，水泥厂减少了吸收塔和相关的管道、风机的尺寸。然而，这些都被较低的规模经济水平所抵消。

富氧燃烧捕捉

预分解器里的富氧燃烧就可避免水泥厂产生的61%的CO₂，但是富氧燃烧会显著地增加现场功耗，这些功耗主要用于生产O₂和CO₂的压缩和净化。考虑到生产这些电功时所排放的CO₂，总体上CO₂的减排量为50%，如果输入的电能是由低CO₂排放量的电厂生产的，那么总的CO₂减排量就会接近现场的减排量。窑和预分解炉的富氧燃烧可以使CO₂的减排量接近100%，但这还涉及到更多不确定的技术问题。

富氧燃烧捕捉CO₂成本是40欧元每吨，比燃烧后捕捉的成本低很多。富氧燃烧技术特别适合水泥厂，因为只需给因燃料燃烧产生的CO₂提供氧，不需给因矿物分解而产生的CO₂提供氧。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。