处理水泥熟料生产中产生的CO2的系统和方法与流程

本公开涉及碳处理领域，更具体地，涉及一种处理水泥熟料生产中产生的co2的系统和方法。

背景技术：

1、在高能耗、高排放的水泥行业，co2排放量占全球碳排放总量的7％，占中国碳排放总量的13.5％。在常规水泥生产工艺中，熟料成分占比约67.8％，熟料煅烧环节的co2排放量占总排放量的92％。为降低水泥行业碳排放强度，目前提出的常规技术手段有水泥窑炉烟气co2捕集技术(碳捕集技术)、燃料替代技术、水泥熟料替代技术等。其中，碳捕集技术是最有效的碳减排手段，但由于碳捕集设备运营成本较高且回收的co2市场需求小，价格低廉。水泥尾气碳捕集技术应用进展缓慢。

2、固体氧化物电解池(soec)也被称为“杂粮电池”，相比于其他电解装置如质子交换膜电解槽和碱性电解槽，soec可以直接电解碳基化合物，如在高温下(700-800℃)共电解co2-水蒸汽，生成合成气体(co和h2混合物)及o2，电解产物中的合成气体可作为甲烷、甲醇、油品等高附加值绿色化学品原料。

技术实现思路

1、发明人预期在soec的上游耦合碳捕集装置，在soec的下游耦合甲烷化、甲醇合成等化学合成装置，便可实现co2的高附加值回收及利用。

2、鉴于上述情况，本公开的目的在于提供一种处理水泥熟料生产中产生的co2的系统和方法，其可以将co2转化为高附加值的绿色燃料或绿色化学品，提高了碳捕集的经济型，降低了水泥行业中的碳排放强度。

3、根据本公开实施例的一个方面，提供了一种处理水泥熟料生产中产生的co2的系统，连接至水泥熟料生产单元，该水泥熟料生产单元生产水泥熟料并排放包括co2的烟气，该处理水泥熟料生产中产生的co2的系统包括：co2捕集单元，捕集从水泥熟料生产单元排放的烟气中的co2；以及固体氧化物电解池单元，包括阴极、阳极和阴极进气管，固体氧化物电解池单元通过阴极进气管道与co2捕集单元连接，其中，水蒸汽和由co2捕集单元捕集的co2经由阴极进气管道被供应至固体氧化物电解池单元的电堆，固体氧化物电解池单元的电堆对水蒸汽和co2进行电解，以在阴极处生成至少包括h2和co的第一气体且在阳极处生成至少包括o2的第二气体。

4、通过固体氧化物电解池单元将co2捕集单元从水泥熟料生产单元产生的烟气中包含的co2与水蒸汽进行电解，产生至少包括h2和co的第一气体和至少包括o2的第二气体，可以实现co2的零排放，另外，第一气体例如可以作为具有高附加值的绿色燃料或绿色化学品的原料，第二气体例如可以作为水泥熟料生产单元的助燃剂，它们的市场需求相比于co2市场需求较大，从而可以增加经济收入，有助于降低碳捕集成本。

5、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，固体氧化物电解池单元进一步包括阴极出气管，第一气体通过阴极出气管排出，系统进一步包括：化学合成单元，化学合成单元与阴极出气管连接，接收从阴极出气管排出的第一气体并将所接收的第一气体转化为碳中性燃料。

6、通过化学合成单元将co2转化为具有高附加值的碳中性燃料，提高了碳捕集的经济性。

7、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，系统进一步包括：热量集成单元，热量集成单元设置在水泥熟料生产单元和co2捕集单元之间，用于从水泥熟料生产单元排放的烟气中收集热量，其中，由热量集成单元利用所收集的热量加热供应至热量集成单元的水形成水蒸汽。

8、通过热量集成单元将水泥工艺中的高温余热进行回收，利用该高温余热使水蒸发形成固体氧化物电解池单元电解所用的高温水蒸汽，即，该高温余热作为固体氧化物电解池单元的热源，可以有效提高固体氧化物电解池单元的电解效率。

9、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，系统进一步包括：发电单元，发电单元连接至热量集成单元，并利用热量集成单元所收集的热量而产生电力；以及电力转换及控制单元，电力转换及控制单元与发电单元和固体氧化物电解池单元连接，其中，电力转换及控制单元将发电单元产生电力的电力转换为能够由固体氧化物电解池单元使用的直流电，并控制将所转换的直流电和/或外部电源提供的直流电供应给固体氧化物电解池单元。

10、通过利用热量集成单元从水泥工艺中收集的热量产生电力，并利用所产生的电力来给固体氧化物电解池单元供电，实现了对水泥工艺中的高温余热的有效利用。

11、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，水泥熟料生产单元至少包括：预热塔，对水泥干料进行预热；回转窑，对预热后的水泥干料进行煅烧以形成水泥熟料；以及冷却器，用空气流对所形成的水泥熟料进行冷却降温，并产生具有第一温度的第一空气流和具有第二温度的第二空气流，其中，第一温度高于第二温度，其中，第一空气流被引导至回转窑以对回转窑中的水泥干料进行煅烧，第二空气流被引导至预热塔以对预热塔中的水泥干料进行预热。

12、通过将从冷却器产生的具有不同温度的第一空气流和第二空气流分别引导至回转窑和预热塔，可以实现水泥工艺中热量的充分有效利用。

13、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，co2捕集单元包括co2吸收塔，co2吸收塔通过对从水泥熟料生产单元排放的烟气进行洗涤而吸收其中的co2；以及co2解吸塔，co2解吸塔对所吸收的co2进行解吸以释放co2。

14、通过上述方式，提供了co2捕集单元的一种具体形式。

15、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，固体氧化物电解池单元进一步包括阳极出气管，第二气体通过阳极出气管排出，系统进一步包括燃烧燃料以为回转窑提供热源的燃烧器，其中，从阳极出气管排出的第二气体被供应给燃烧器。

16、第二气体被供应给燃烧器作为助燃剂，可以帮助燃烧器提高燃烧温度并在一定程度上提高从水泥熟料生产单元产生的烟气中的co2的浓度，便于后续co2的捕集。

17、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，化学合成单元包括甲烷合成单元或甲醇合成单元，碳中性燃料为甲烷或甲醇。

18、通过上述方式，提供了化学合成单元和碳中性燃料的具体实例。

19、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，热量集成单元包括锅炉；进水通道，设置在锅炉上，通过进水通道向锅炉供水；进气通道，设置在锅炉上，通过所述进气通道，从水泥熟料生产单元排放的烟气被引导至所述锅炉中，其中，引导至锅炉中的烟气对供应至锅炉中的水进行加热以产生水蒸汽；第一水蒸汽支路，将锅炉中产生的水蒸汽引导至发电单元以使发电单元利用水蒸汽产生电力；以及第二水蒸汽支路，将锅炉中产生的水蒸汽引导至固体氧化物电解池单元以作为固体氧化物电解池单元的电解原料。

20、通过上述方式，提供了热量集成单元的一种具体设置形式。

21、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，冷却器用空气流对所形成的水泥熟料进行冷却降温还产生具有低于所述第二温度的第三温度的第三空气流，第三空气流被引导至进气通道，以对供应至热量集成单元中的水进行加热。

22、通过将从冷却器产生的第三空气流引导至热量集成单元的进气通道，可以利用第三空气流的热量对热量集成单元中的水进行加热以产生水蒸汽，从而实现水泥工艺中热量的充分有效利用。

23、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，化学合成单元包括气流通道，通过气流通道引入空气流来吸收化学合成单元所产生的反应热，吸收了反应热的空气流与第三空气流一起被引导至进气通道，以对供应至热量集成单元中的水进行加热。

24、通过将吸收了化学合成单元的反应热的空气流与第三空气流一起引导至热量集成单元的进气通道，可以利用它们的热量对热量集成单元中的水进行加热以产生水蒸汽，从而实现系统中热量的充分有效利用。

25、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，系统进一步包括：电加热器，设置在固体氧化物电解池单元的阳极的入口处，电加热器通过加热空气而使得固体氧化物电解池单元升温。

26、通过电加热器将固体氧化物电解池单元升温，可以使固体氧化物电解池单元保持在电解反应的工作温度区间，这有助于提供高固体氧化物电解池单元的电解效率同时延长固体氧化物电解池单元的使用寿命。

27、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的系统中，系统进一步包括：换热器，设置在co2捕集单元与固体氧化物电解池单元之间，其中，由co2捕集单元捕集的co2经由换热器加热后被供应至固体氧化物电解池单元的阴极进气管；以及阀门，设置在热量集成单元的进气通道和换热器之间，以选择性地将进气通道中引导的气体引导至换热器。

28、通过设置阀门，可以选择性地利用热量集成单元的进气通道中引导的气体的热量来加热换热器中的co2，灵活地实现系统中热量的充分有效利用。

29、根据本公开实施例的另一方面，提供了一种处理水泥熟料生产中产生的co2的方法，包括：由水泥熟料生产单元生产水泥熟料并排放其中包括co2的烟气；由co2捕集单元捕集从水泥熟料生产单元排放的烟气中的co2；将水蒸汽和由co2捕集单元捕集的co2供应至固体氧化物电解池单元；以及由固体氧化物电解池单元对水蒸汽和co2进行电解，以在固体氧化物电解池单元的阴极处生成至少包括h2和co的第一气体且在固体氧化物电解池单元的阳极处生成至少包括o2的第二气体。

30、通过固体氧化物电解池单元将co2捕集单元从水泥熟料生产单元产生的烟气中包含的co2与水蒸汽进行电解，产生至少包括h2和co的第一气体和至少包括o2的第二气体，可以实现co2的零排放，另外，第一气体例如可以作为具有高附加值的绿色燃料或绿色化学品的原料，第二气体例如可以作为水泥熟料生产单元的助燃剂，它们的市场需求相比于co2市场需求较大，从而可以增加经济收入，有助于降低碳捕集成本。

31、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，方法进一步包括：将第一气体引导至化学合成单元；以及由化学合成单元将所接收的所述第一气体转化为碳中性燃料。

32、通过将co2转化为具有高附加值的碳中性燃料，提高了碳捕集的经济性。

33、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，方法进一步包括：由热量集成单元从水泥熟料生产单元排放的烟气中收集热量；由发电单元利用热量集成单元所收集的热量而产生电力；以及由电力转换及控制单元将发电单元产生电力的电力转换为能够由固体氧化物电解池单元使用的直流电，并控制将所转换的直流电和/或外部电源提供的直流电供应给固体氧化物电解池单元。

34、通过利用热量集成单元从水泥工艺中收集的热量产生电力，并利用所产生的电力来给固体氧化物电解池单元供电，实现了对水泥工艺中的高温余热的有效利用。

35、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，水泥熟料生产单元至少包括：预热塔，对水泥干料进行预热；回转窑，对预热后的水泥干料进行煅烧以形成水泥熟料；以及冷却器；用空气流对所形成的水泥熟料进行冷却降温，并产生具有第一温度的第一空气流和具有第二温度的第二空气流，其中，第一温度高于第二温度，其中，第一空气流被引导至所述回转窑以对回转窑内的水泥干料进行煅烧，第二空气流被引导至预热塔以对预热塔中的水泥干料进行预热。

36、通过将从冷却器产生的具有不同温度的第一空气流和第二空气流分别引导至回转窑和预热塔，可以实现水泥工艺中热量的充分有效利用。

37、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，方法进一步包括：将第二气体供应给为回转窑提供热源的燃烧器。

38、第二气体被供应给燃烧器作为助燃剂，可以帮助燃烧器提高燃烧温度并在一定程度上提高从水泥熟料生产单元产生的烟气中的co2的浓度，便于后续co2的捕集。

39、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，冷却器对所形成的水泥熟料进行冷却降温还产生具有低于第二温度的第三温度的第三空气流，第三空气流被引导至热量集成单元。

40、通过将从冷却器产生的第三空气流引导至热量集成单元的进气通道，可以利用第三空气流的热量对热量集成单元中的水进行加热以产生水蒸汽，从而实现水泥工艺中热量的充分有效利用。

41、在根据本公开实施例的处理水泥熟料生产中产生的co2的方法中，方法进一步包括：通过引入空气流来吸收化学合成单元所产生的反应热，吸收了反应热的空气流与第三空气流一起被引导至热量集成单元。

42、通过将吸收了化学合成单元的反应热的空气流与第三空气流一起引导至热量集成单元的进气通道，可以利用它们的热量对热量集成单元中的水进行加热以产生水蒸汽，从而实现系统中热量的充分有效利用。