离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺

本发明涉及水泥生产与钙循环碳捕集的交叉技术领域，特别涉及一种离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺。

背景技术：

随国家经济的快速发展，中国的co2排放量逐年提高，2017年排放量达94.3亿吨，其中水泥工业是我国co2主要排放源之一(年排放约20.0亿吨，约占21％)。因此，我国碳减排压力极大，降低水泥工业碳排放尤为重要且迫在眉睫。

水泥工业碳减排主要通过烟气纯化捕集实现，目前主要捕集工艺包括：化学吸收法、膜分离法、纯氧燃烧法与钙循环法等。化学吸收法是先对水泥窑烟气加压，然后采用热钾溶液、氨水或有机胺等液体吸收co2，再通过脱硫床、干燥床脱硫除水，利用固体吸附剂脱除磷、砷、氮氧化物(nox)等杂质，最终得到工业级或食品级co2。膜分离法则是利用膜对气体分子直径的选择性，在一定压强作用下部分气体通过分子膜，进而实现co2的富集与分离。纯氧燃烧法是通过氧气助燃显著提高燃料的燃烧效率、降低nox排放，大幅度提高烟气中co2浓度以便碳捕集。钙循环法则是利用水泥窑系统中大量存在的cao吸收co2生成caco3，再在分解炉中重新分解释放co2并进行捕获，即通过“cao-caco3-cao”循环实现水泥窑烟气中co2的自富集。

综上，采用化学吸收与膜分离法进行碳捕集时需要大量化学试剂与膜材料，且均需对烟气进行加压与减压操作，极大地提高碳捕集成本。此外，水泥窑烟气流量大、粉尘与酸性气体含量高，膜分离法难以持续、高通量地进行co2分离与纯化，大大缩短了吸收剂循环寿命。实现水泥窑全系统纯氧环境成本极高，工业推广难度极大。针对水泥窑系统的高钙特征，钙循环具有实现高效碳捕集的潜力，可提高水泥窑烟气中co2的浓度，大大缓解水泥窑烟气尾端处理与捕获难度。然而钙循环则会出现cao活性急剧下降、循环效率低等问题，同时生料预热过程中释放的so2也会参与水泥窑系统气体循环，不利于烟气中co2的自富集。

技术实现要素：

为解决背景技术中所提及的技术问题，本发明提供一种离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置及工艺。

本发明所采用的技术方案是：离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置，包括预热器-碳化炉-回转窑模块、离线式分解炉模块以及辅助与纯化装置，其中，预热器-碳化炉-回转窑模块包括第一系列旋风预热器、碳化炉、第二系列旋风预热器、烟室、回转窑、三次风管、冷却机；离线式分解炉模块包括分解炉、第三系列旋风预热器、第二分风装置、增压风机；辅助与纯化装置包括第一sncr装置、第二sncr装置、第一分风装置、第一分料装置、第二分料装置、第一换热装置、第二换热装置、冷凝除水装置、富co2气体收集与储存装置、除尘装置、scr装置与烟气排出装置；

所述第一系列旋风预热器的旋风分离器数级数为4～7级，第二系列旋风预热器的旋风分离器级数为1～2级，第三系列旋风预热器的旋风分离器级数为1～2级。

该水泥生产碳捕集装置中，回转窑三次风管通过第一分风装置分为两路，其中一路进入预热器-碳化炉-回转窑模块，与烟室出风口及第二系列旋风预热器进风口相连，另一路进入离线式分解炉系统，与分解炉入口直接相连；

碳化炉的进风口与第二系列旋风预热器出风口相连；

第一系列旋风预热器的进风口与碳化炉出风口相连；

第一系列旋风预热器的出风口与第二换热装置、除尘装置、scr装置以及烟气排出装置依次相连；

分解炉出风口与第三系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器进风口相连；

第三系列旋风预热器的出风口连接第二分风装置并分为两路，一路通过增压风机，连接至离线式分解炉，一路与第一换热装置、冷凝除水装置、富co2气体收集与储存装置依次相连。

生料由生料进料装置喂入第一系列旋风预热器的第一级旋风分离器进风管，第一系列旋风预热器的倒数第二级旋风分离器出料口与碳化炉相连。优选地，碳化炉具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口，可多点进料，提高换热效率，充分利用碳化反应放出的热量预热生料；

第一系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器出料口与第二系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器进风管相连；

第二系列旋风预热器的出料口通过第一分料装置与分解炉相连。优选地，分解炉具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置有进料口，可多点进料，提高碳酸钙分解反应速率和效率。

分解炉与第三系列旋风预热器的入料口相连；分解炉出口与第三系列旋风预热器进风管连接，第三系列旋风预热器出料口通过第二分料装置，分别与碳化炉及回转窑窑尾相连接，控制局部钙循环的所用氧化钙比例；

优选地，分解炉与第二系列旋风预热器处均增设sncr装置，减少nox排放；

烟室下部与回转窑窑尾连接，回转窑窑头与燃烧器、冷却机连接。

一种离线式分解炉与局部钙循环耦合的水泥生产碳捕集工艺：

水泥窑三次风通过第一分风装置分为两路，一路进入预热器-碳化炉-回转窑模块，一路进入离线式分解炉模块。

水泥生料在第一系列旋风预热器的第一级旋风分离器进风管道喂入，在第一系列旋风预热器内生料与烟气充分发生热交换，从第一系列旋风预热器的倒数第二级旋风分离器进入碳化炉进一步热交换，降低碳化炉内气体温度，有利于碳化反应的进行；烟气经第一系列旋风预热器的倒数第一级旋风分离器气固分离后，热生料喂入第二系列旋风预热器进风管道，与烟室出口烟气及其中一路三次风进行热交换，进一步降低碳化炉入风温度，为提高碳化反应速率和效率奠定基础。此外，预热过程中生料所含硫化物受热分解释放出的so2随烟气排出，从而减少so2等杂质气体含量进入离线式分解炉模块，以便获得高纯度co2。

所述碳化炉具有多级缩口结构，通过多次喷腾实现烟气与物料充分接触，提高碳化速率和效率。

经过第二系列旋风预热器的热生料经第一分料装置多点喂入分解炉，以提高碳酸钙分解速率和效率，所述分解炉具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置进料口。

所述第一分料装置，设置在连接第二系列旋风预热器与分解炉的管路上，用于调节进入分解炉不同部位的热生料数量。

在分解炉的不同部位设置分解炉燃烧器，用于均匀喷注燃料，保证分解炉温度场分布均匀。

所述分解炉燃烧器，均处于分解炉各级缩口结构上方，且低于进料口，用于喷注燃料。

热生料在分解炉中分解产生大量co2，少量燃料型nox采用sncr装置除去，经第三系列旋风预热器气固分离后，烟气进入第二分风装置并分成两路，一路依次经过第一换热装置、冷凝除水装置，得到富co2气体，进入富co2气体收集与储存装置；另一路经过增压风机重新进入分解炉烟气循环。

所述第二分风装置，设置在第三系列旋风预热器出风管道上，用于调节进入富co2气体收集与储存装置或分解炉烟气循环的气体量。

含大量cao的热生料经第三系列旋风预热器气固分离后，通过第二分料装置分成两路，第一路热生料喂入碳化炉入风管，在600～850℃烟气环境中快速碳化，通过碳化炉与分解炉之间的局部钙循环捕获烟气中co2。第二路热生料喂入回转窑窑尾，进入回转窑参与熟料烧成。

至少具有以下有益效果：本发明主要包含了新型干法水泥窑的离线式分解炉模块、预热器-碳化炉-回转窑模块、辅助与纯化模块，其中分解炉为离线式设计，避免so2等杂质气体进入离线式分解炉模块，同时通过固体物料在预热器-碳化炉-回转窑模块与离线式分解炉模块中的传输构建“cao-caco3-cao”循环，进而实现水泥窑尾气co2的自富集与高效、稳定捕集。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：

图1为离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置的结构框图。

附图标记说明：

1-第一系列旋风预热器，2-第二系列旋风预热器，3-第三系列旋风预热器，4-碳化炉，5-第一sncr装置，6-烟室，7-回转窑，8-回转窑燃烧器，9-冷却机，10-第一分风装置，11-第一分料装置，12-分解炉，13-分解炉燃烧器，14-第二sncr装置，15-第二分风装置，16-第一换热装置，17-冷凝除水装置，18-富co2气体收集与储存装置，19-增压风机，20-生料进料装置，21-第二换热装置，22-除尘装置，23-scr装置，24-烟气排出装置，25-三次风管，26-第二分料装置。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，除非另有明确的限定，术语“连接”、“相连”应为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。本发明的描述中，术语“喷入”、“喷注”指采用本领域技术人员知悉的各种手段将所述气体或固体物料加入到期望位置，“喷入”与“喷注”可互换使用。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

首先对下文出现的术语进行解释：

sncr：选择性非催化还原；scr：选择性催化还原。

如图1所示，本发明实施例提供一种离线式分解炉与钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置，泥生产碳捕集装置包括第一系列旋风预热器1、第二系列旋风预热器2、第三系列旋风预热器3、碳化炉4、第一sncr装置5、烟室6、回转窑7、回转窑燃烧器8、冷却机9、第一分风装置10、第一分料装置11、分解炉12、分解炉燃烧器13、第二sncr装置14、第二分风装置15、第一换热装置16、冷凝除水装置17、富co2气体收集与储存装置18、增压风机19、生料进料装置20、第二换热装置21、除尘装置22、scr装置23、烟气排出装置24、三次风管25、第二分料装置26。

所述第一系列旋风预热器1的旋风分离器数级数为4级，第二系列旋风预热器2的旋风分离器级数为1级，第三系列旋风预热器3的旋风分离器级数为1级。

一种离线式分解炉与局部钙循环耦合的水泥生产碳捕集装置中，三次风管25通过第一分风装置10分为两路，其中一路进入预热器-碳化炉-回转窑模块，与烟室6出风口及第二系列旋风预热器2进风口相连；碳化炉4的进风口与第二系列旋风预热器2出风口相连；第一系列旋风预热器1的进风口与碳化炉4出风口相连；第一系列旋风预热器1的出风口与第二换热装置21、除尘装置22、scr装置23、烟气排出装置24依次相连。三次风管25通过第一分风装置10分为两路，另一路进入离线式分解炉模块，与分解炉12入口直接相连；

分解炉12出风口与第三系列旋风预热器3的倒数第一级旋风分离器进风口相连。

第三系列旋风预热器3的出风口连接第二分风装置15并分为两路，一路通过增压风机19连接至离线式分解炉12，一路与第一换热装置16、冷凝除水装置17、富co2气体收集与储存装置18依次相连。

生料由生料进料装置20喂入第一系列旋风预热器1的第一级旋风分离器进风管，第一系列旋风预热器1的倒数第二级旋风分离器出料口与碳化炉4相连。优选地，可多点进料，提高换热效率，充分利用碳化反应放出的热量预热生料；

第一系列旋风预热器1的倒数第一级旋风分离器出料口与第二系列旋风预热器2的倒数第一级旋风分离器进风管相连；

第二系列旋风预热器2的出料口通过第一分料装置11与分解炉12相连，优选地，可多点进料，提高碳酸钙分解反应速率和效率；

分解炉12与第三系列旋风预热器3的进风管相连；分解炉12出口与第三系列旋风预热器3进风管连接，第三系列旋风预热器3出料口通过第二分料装置26分别与碳化炉4及回转窑7窑尾相连接，控制局部钙循环的所用氧化钙比例；

优选地，分解炉12与第二系列旋风预热器2进风管处增设第二sncr装置14与第一sncr装置5，减少nox排放；

烟室6下部与回转窑7窑尾连接，回转窑7窑头与回转窑燃烧器8、冷却机9连接。

一种离线式分解炉与局部钙循环耦合的水泥生产碳捕集工艺，具体如下：

水泥窑三次风通过第一分风装置10分为两路，一路进入预热器-碳化炉-回转窑模块，一路进入离线式分解炉模块。

水泥生料在第一系列旋风预热器1的第一级旋风分离器进风管道处的生料进料装置20喂入，在第一系列旋风预热器1内生料与烟气充分发生热交换，从第一系列旋风预热器1的倒数第二级旋风分离器进入碳化炉4进一步热交换，降低碳化炉4内气体温度，有利于碳化反应的进行；烟气经第一系列旋风预热器1的倒数第一级旋风分离器气固分离后，热生料喂入第二系列旋风预热器2进风管道，与烟室6出口烟气及其中一路三次风进行热交换，进一步降低碳化炉4入风温度，为提高碳化反应速率和效率奠定基础。此外，预热过程中生料所含硫化物受热分解释放出的so2随烟气排出，从而减少so2等杂质气体含量进入离线式分解炉模块，以便获得高纯度co2。

所述碳化炉4具有多级缩口结构，通过多次喷腾实现烟气与物料充分接触，提高碳化速率和效率。

经过第二系列旋风预热器2的热生料经第一分料装置11多点喂入分解炉12，以提高碳酸钙分解速率和效率，所述分解炉12具有多级缩口结构，每级缩口结构上方均设置进料口。

所述第一分料装置11设置在连接第二系列旋风预热器2与分解炉12的管路上，用于调节进入分解炉12不同部位的热生料数量。

在分解炉12的不同部位设置分解炉燃烧器13，用于均匀喷注燃料，保证分解炉12温度场分布均匀。

所述分解炉燃烧器13，均处于分解炉12各级缩口结构上方，且低于进料装置，用于喷注燃料。

热生料在分解炉12中分解产生大量co2，少量燃料型nox采用第二sncr装置14除去，经第三系列旋风预热器3气固分离后，烟气进入第二分风装置15并分成两路，一路依次经过第一换热装置16、冷凝除水装置17，得到富co2气体，进入富co2气体收集与储存装置18；另一路经过增压风机19重新进入分解炉烟气循环。

所述第二分风装置15设置在第三系列旋风预热器3出风管道上，用于调节进入富co2气体收集与储存装置18或分解炉12烟气循环的气体量。

含大量cao的热生料经第三系列旋风预热器3气固分离后，通过第二分料装置26分成两路，第一路热生料喂入碳化炉4入风管，在600～850℃烟气环境中快速碳化，通过碳化炉4与分解炉12之间的局部钙循环捕获烟气中co2。第二路热生料喂入回转窑7窑尾，进入回转窑7参与熟料烧成。

本发明的一种离线式分解炉与局部钙循环耦合的水泥生产碳捕集工艺及其装置应用于水泥生产与钙循环碳捕集的交叉技术领域。与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1)采用分解炉模块的离线式设计，利用三次风温度与o2含量高的优势，可减少分解炉空气需求量和能耗；通过分解炉烟气循环，在不增加烟气量的情况下，实现分解炉内气固两相流态化，提高caco3分解效率，进一步提高了气体中co2的浓度，从而实现了水泥窑烟气中co2的高浓度自富集。通过局部钙循环与离线式分解炉耦合，实现了传统空气燃烧条件下烟气co2自富集，显著提升了技术经济性。

2)水泥窑系统中分解炉模块的离线式设计，一方面使回转窑内产生的氯碱硫等挥发性物质无法进入分解炉模块；另一方面第一系列预热器内生料中硫化物分解释放的so2等杂质气体也无法进入分解炉模块，均有利于分离式分解炉模块获得超高浓度、较为纯净的co2烟气，进一步降低了后续纯化、利用等难度。

3)利用第三系列旋风预热器出口处的分料装置调控进入局部钙循环与回转窑的cao量，动态更新进入钙循环体系中的高活性cao，维持了cao对co2的吸收活性，实现了钙循环对co2的持续、高效捕集作用；

4)分解炉采用多级缩口结构设计，发挥喷腾效应使物料与三次风充分接触，提升燃烧效率，提高co2生成量，控制nox与co的生成，利用热生料、燃料的多级喷注，使分解炉内温度场分布均匀，避免局部过热，保障了设备运行安全。

5)分解炉与烟室出风口均设置sncr脱硝装置，减少烟气中nox等杂质气体的含量，保证了烟气中co2的高浓度富集。

综上，本发明基于水泥窑系统含钙量高的特征、气固流向与动力学特性，进一步实现了分解炉模块的离线式设计，通过物料与温度场的匹配实现了水泥窑系统中co2的高浓度富集与稳定捕集，充分挖掘了新型干法水泥窑的碳捕集的潜力，有力促进了水泥工业的可持续发展与国家碳中和宏伟目标的实现。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。