一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并捕集CO

摘要

本发明公开了一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并捕集CO

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产水泥的方法及设备，尤其是涉及一种利用密闭环形煅 烧炉生产水泥并实现二氧化碳捕集的方法及设备。

背景技术

水泥，粉状无机胶凝材料，是一种既能在水中硬化又能在空气中硬化并能 把砂、石等材料牢固地胶结在一起的建筑材料，长期以来被广泛应用于土木建 筑、水利、国防等工程，是国民经济的基础原材料。水泥是典型的资源和能源 消耗型产品，其生产工艺过程主要包括生料制备、熟料煅烧、水泥制成3个阶 段，需要消耗大量的石灰石原料、煤和电力等资源和能源，是工业部门中排放 二氧化碳（CO₂）的大户。

与电力、钢铁等其它行业部门相比，水泥工业CO₂排放的一个显著特点是 它不仅包括燃料燃烧产生的CO₂和各工艺过程间接消耗的电力，还包括石灰石 中碳酸钙和碳酸镁分解产生的CO₂。据统计，由水泥工业导致的CO₂排放约占 全球人为CO₂排放量的8%。CO₂是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之 一，对温室效益的贡献率高达55%，由于CO₂等温室气体排放引起的气候变化 已成为全世界关注的焦点问题。为此，水泥工业也受到政府间气候变化专门委 员会（IPCC）的特别关注，2007年《中国应对气候变化国家方案》也明确指出 水泥工业是中国应对气候变化的重点领域。另一方面，CO₂又是一种多用途的工 业原材料，在食品加工保鲜、饮料、化肥、防火、石油开采等行业应用广泛。 目前，我国是世界上水泥产量最大的国家，约占全世界水泥产量的60%左右， 据统计，2011年我国水泥工业年生产水泥20.6亿吨，如果按平均每吨水泥排放 0.7吨CO₂计，产生约14亿吨CO₂。对水泥生产过程中产生的CO₂进行捕集， 既可以减少大量温室气体的排放，又可回收有经济价值的CO₂产品，具有广阔 的推广运用前景。

研究表明，现有水泥生产过程中，碳酸盐分解、燃料燃烧和电力消耗所排 放的CO₂分别约占总排放量的59%、32%和6%。为降低水泥行业的CO₂排放， 实现水泥行业的可持续发展，各科研单位、企业也在实践中也重点从以上三个 方面出发，提出和采用了许多针对性的的减排措施，包括：使用替代原料（如 以部分电石渣代替石灰石）和替代燃料（如以废旧二次燃料代替煤）、添加混合 材以减少熟料用量、提高热效及电效、对窑尾CO₂进行捕集回收等。以上措施 对于控制水泥工业CO₂排放具有一定成效，但减排空间仍然有限，水泥工业CO₂排放量大的问题仍然没有得到解决，原因包括以下几个方面：（1）鉴于对水泥 品质和燃料热值的要求，各种替代原料、燃料及混合材的替代加入量均不宜过 大；（2）对于选定的生产工艺和设备，热效及电效的提高率较低；（3）对窑尾 CO₂进行捕集回收成本极高。因此，必须继续寻找新的生产工艺，开发新的生产 设备推进水泥工业的碳减排工作。

基于目前水泥的生产和研究状况，还没有一种可以切实解决水泥工业CO₂排放量过高问题的生产工艺。不难发现，水泥生产工艺中，熟料煅烧过程中碳 酸盐分解及燃料燃烧是CO₂排放量巨大的最主要原因，但由于在现有的工艺中， 熟料煅烧过程为敞开式环境，碳酸盐分解生产的CO₂混入了燃料燃烧产生的废 气及空气中的N₂成分，使得窑尾排出的CO₂浓度较低，仅为15%左右，这给后 续CO₂的分离回收带来巨大的困难，成本较高。鉴于此，寻找一种在密闭环形 煅烧炉内进行，并实现窑尾高浓度CO₂捕集回收的工艺，必然为实现国内外水 泥行业可持续发展和碳捕集提供可能，也将产生良好的经济效益和环保效益。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用密闭环 形煅烧炉生产水泥并实现二氧化碳捕集的设备及工艺。该设备结构紧凑、投资 强度小、运行成本低、易于维护，具有良好的工业化应用前景；利用该设备实 现水泥生产并捕集CO₂的工艺条件成熟，步骤简单，能高效捕集水泥生产过程 中产生的CO₂。

为达到上述发明目的，本发明提供的技术方案是：

提供一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并捕集CO₂的设备，包括对石灰石 及校正料（如铁矿石）等原料进行破碎的原料破碎机、以及将破碎后的原料进 行筛分的原料筛分机，筛分机通过传送带与将不同原料按比例混合以达到生产 要求化学成分的原料均化仓相连，原料均化仓与原料粉磨机相连，所述原料粉 磨机通过上料皮带连接原料计量装置，所述原料计量装置与密闭环形煅烧炉相 连；所述密闭环形煅烧炉分别与CO₂捕集机构以及篦冷机相连；所述篦冷机连 接有熟料储存仓，熟料储存仓与熟料计量装置相连，熟料计量装置和混合材备 料机构分别与水泥磨的进料端相连，水泥磨的出料端与水泥储存仓相连。

优选地，所述CO₂捕集机构包括与密闭环形煅烧炉相连的冷却器，冷却器 与除尘净化装置相连通，除尘净化装置依次通过管道连接压缩机、冷凝器后， 与CO₂储罐相连。

优选地，所述混合材备料机构包括混合材破碎机、与混合材破碎机相连的 混合材筛分机，所述混合材筛分机与混合材储存仓相连，所述混合材储存仓与 混合材计量装置相连，所述混合材计量装置通过上料皮带与水泥磨进料端相连。

优选地，所述密闭环形煅烧炉包括由外环炉墙、内环炉墙、炉顶和转动的 炉底构成的炉腔，所述炉腔内布置有多个辐射加热装置，所述外环炉墙与内环 炉墙之间设置有隔墙，将外环炉墙与内环炉墙之间的环形腔隔离为预热区I、加 热区II和高温煅烧区III；所述预热区的起始端设有密闭进料装置，所述高温煅 烧区III的尾端分别设有密闭出料装置和CO₂排出口；所述密闭进料装置与原料 计量装置出口相对接；所述密闭出料装置与篦冷机相对接；所述CO₂排出口通 过管道与冷却器相连。

优选地，所述辐射加热装置中的加热管为蓄热式辐射加热管。

优选地，所述冷却器连接有冷却塔，所述冷却塔分别与所述冷却器热介质 入口及回收介质入口相连。

相应地，本发明还提供了一种一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并捕集CO₂ 的工艺，包括下述步骤：

1）原料预处理：将合格的石灰石、校正料等适度破碎后进行筛分，将合格 粒度的筛下料输送至均化仓，各原料之间的比例应满足水泥生产化学反应的要 求；

2）生料制备：达到入炉要求的混合料经共同粉磨后形成生产要求的生料；

3）熟料煅烧：将步骤2）备好的达到生产要求的生料经密闭进料装置布入 密闭环形煅烧炉内，炉料中的各成分进入炉内后随炉底转动，依次经过预热区I、 加热区II、高温煅烧区III。在密闭环形煅烧炉内，辐射式加热管内产生大量热 量，并经由辐射管将热量辐射至炉内，使炉腔内各区温度达到水泥熟料煅烧的 生产要求。炉内高温使加入的物料发生化学与物理反应，将生料烧结为熟料；

4）出料：熟料经由密闭出料装置输送至篦冷机进行冷却；

5）碳捕集：生料煅烧为熟料过程中生成的高浓度CO₂气体经CO₂排出口进 入冷却器，并输送至除尘净化装置进行净化处理，经净化后的高浓度CO₂经压 缩、冷凝工序后，得到液态CO₂封存于CO₂储罐中；

6）混合材制备：将混合材适度破碎后进行筛分，将合格粒度的筛下料输送 至混合材储存仓；

7）水泥制成：将熟料与混合材成分进行混合后一起粉磨为水泥，物料之间 的比例应满足所制备水泥的性能要求。最终水泥产品均化、储存于水泥库中， 然后分配到包装站生成袋装水泥或者灌装车（散装水泥）进行运输。

优选地，在所述工艺中，所述校正料为可以提供Fe₂O₃、Al₂O₃和SiO₂等成 分的物料，为铁矿石、矾土、页岩、粘土或砂的一种或多种混合。

优选地，在所述工艺中，混合材为高炉矿渣、粉煤灰、石英砂、石灰石、 粘土、慢冷矿渣或其他与水泥无化学反应的工业废渣的一种或多种混合。

优选地，在所述工艺中，所述原料（石灰石、校正料）及混合材经破碎后 的粒度为5-15cm。

优选地，在所述工艺中，所述密闭环形煅烧炉预热区I的温度为800-1000 ℃，生料在预热区I的停留时间为1-5min；所述加热区II的温度为1000-1250 ℃，生料在加热区II的停留时间为2-10min；所述高温煅烧区III的温度为 1250-1450℃，生料在高温煅烧区III的停留时间为3-15min。

优选地，在所述工艺中，高浓度CO₂于冷却器中通过冷却介质换热后得到 冷却，冷却后的CO₂温度为50-100℃。

本发明提供的工艺和设备具有以下有益效果：

1、相对于现有方法，本发明提供的方法采用在完全隔绝空气的条件下对生 料进行煅烧，炉内生产的CO₂未混入其他气体成分，纯度可达99%及以上，有 利于CO₂后续利用及处理。

2、工艺流程简单，CO₂捕集成本低，对系统的腐蚀小，节约能源；

3、采用蓄热式加热辐射管最大程度地保留了燃气产生的热量，排烟温度低， 不需要设置预热回收系统，节约了投资成本；

4、燃料在辐射管内燃烧，不进入炉内，可很好地控制炉内气氛，辐射管数 量和位置有利于提高炉膛内温度分布的均匀性，有利于煅烧反应进行，煅烧效 率高，煅烧时间短；

5、冷却系统封闭循环，冷却介质循环利用，大大降低运行维护费用。

附图说明

图1为本发明实施例中一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并实现CO₂捕集 的设备流程图；

图2为本发明实施例中密闭环形煅烧炉俯视图；

图3为本发明实施例的工艺流程图。

图中：1、原料破碎机；2、原料筛分机；3、原料均化仓；4、原料粉磨机； 5、原料计量装置；6、密闭环形煅烧炉；6a、密闭进料装置；6b、密闭出料装 置；6c、CO₂排出口；6d、辐射加热装置；7、冷却器；8、除尘净化装置；9、 压缩机；10、冷凝器；11、CO₂储罐；12、冷却塔；13、篦冷机；14、熟料储存 仓；15、熟料计量装置；16、混合材破碎机；17、混合材筛分机；18、混合材 储存仓；19、混合材计量装置；20、水泥磨；21、水泥储存仓；22、外环炉墙； 23、内环炉墙；24、炉顶；25、炉底。

I、预热区；II、加热区；III、高温煅烧区。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明提供的生产水泥并实现CO₂捕集的设备和 利用该设备生产水泥并捕集CO₂的工艺做出详细说明。

图1所示为一种利用密闭环形煅烧炉生产水泥并捕集CO₂的设备，包括对 石灰石及校正料（如铁矿石）等原料进行破碎的原料破碎机1、将破碎后的原料 进行筛分的原料筛分机2以及将不同原料按比例混合以达到生产要求化学成分 的原料均化仓3，原料均化仓3与原料粉磨机4相连，原料粉磨机4通过上料皮 带连接原料计量装置5，原料计量装置5与密闭环形煅烧炉6相连；密闭环形煅 烧炉6分别与，包括有CO₂冷却器7的CO₂捕集机构和篦冷机13相连；篦冷机 13连接有熟料储存仓14，熟料储存仓14与熟料计量装置15相连，熟料计量装 置15和混合材备料机构分别与水泥磨20的进料端相连，水泥磨20的出料端与 水泥储存仓21相连。

其中，包括有CO₂冷却器7的CO₂捕集机构中有与密闭环形煅烧炉6相连 的冷却器7，冷却器7与除尘净化装置8相连通，除尘净化装置8依次通过管道 连接压缩机9、冷凝器10后，与CO₂储罐11相连。

混合材备料机构包括对混合材（石膏、其它矿物质材料等）进行破碎的混 合材破碎机16、与混合材破碎机16相连的将破碎后的混合材进行筛分的混合材 筛分机17，混合材筛分机17与混合材储存仓18相连，混合材储存仓18与混合 材计量装置19相连，混合材计量装置19通过上料皮带与水泥磨20进料端相连。

如图2所示，密闭环形煅烧炉6包括由外环炉墙22、内环炉墙23、炉顶24 和转动的炉底25构成的炉腔，炉底25可以转动，炉腔内布置有多个辐射加热 装置6d，炉腔内划分为预热区I、加热区II、高温煅烧区III；预热区I的起始端 设有密闭进料装置6a，高温煅烧区III的尾端分别设有密闭出料装置6b和CO₂ 排出口6c；密闭进料装置6a与原料计量装置5相对接；密闭出料装置6b与篦 冷机13相对接；CO₂排出口6c通过管道与冷却器7相连。CO₂冷却器7与除尘 净化装置8相连通，除尘净化装置8依次通过管道连接压缩机9、冷凝器10后， 与CO₂储罐11相连。

在具体的实施例中，CO₂冷却器7连接有冷却塔12，冷却塔12分别与冷却 器7热水入口及回收冷却水入口相连。

在具体的实施例中，篦冷机13连接有熟料储存仓14，熟料储存仓14与熟 料计量装置15相连，熟料计量装置15通过上料皮带与水泥磨20的进料端相连， 水泥磨20的出料端与水泥储存仓21相连。

在具体实施例中，所述辐射加热装置6d中的加热管为蓄热式辐射加热管。

如图3所示，上述设备对应的水泥生产工艺流程如下：

1）原料预处理：经筛选合格的石灰石、校正料等经原料破碎机1适度破碎 粒度为5-15cm后，经由原料筛分机2进行筛分，合格粒度的筛下料输送至原料 均化仓3，各原料之间的比例应满足水泥生产化学反应的要求；

上述校正料为可以提供Fe₂O₃、Al₂O₃和SiO₂等成分的物料，为铁矿石、矾 土、页岩、粘土或砂的一种或多种混合物；

2）生料制备：将达到入炉要求的混合料经原料粉磨机4共同粉磨后形成生 产要求的生料；

3）熟料煅烧：将步骤2）达到生产要求的生料经密闭进料装置6a布入密闭 环形煅烧炉6内，生料中的各成分进入炉内后随炉底25转动，依次经过预热区 I、加热区II、高温煅烧区III。在密闭环形煅烧炉6内，辐射式加热装置6d中 的辐射加热管产生大量热量，并经由辐射加热管将热量辐射至炉内，使炉腔内 各区温度达到水泥熟料煅烧的生产要求。炉内高温使加入的物料发生化学与物 理反应，将生料烧结为熟料。密闭环形煅烧炉预热区I的温度为800-1000℃，物 料在预热区I的停留时间为1-5min；加热区II的温度为1000-1250℃，物料在加 热区II的停留时间为2-10min；高温煅烧区III的温度为1250-1450℃，物料在高 温煅烧区III的停留时间为3-15min；

4）出料：熟料经由密闭出料装置6b输送至篦冷机13进行冷却；

5）碳捕集：生料煅烧为熟料过程中生成的高浓度CO₂气体经CO₂排出口 6c进入冷却器7，并输送至除尘净化装置8进行净化处理，经净化后的高浓度 CO₂经压缩机9、冷凝器10的作用后，得到液态CO₂封存于CO₂储罐11中；

6）混合材制备：将混合材（为高炉矿渣、粉煤灰、石英砂、石灰石、粘 土、慢冷矿渣或其他与水泥无化学反应的工业废渣的一种或多种混合）经混合 材破碎机16适度破碎后（破碎粒度为5-15cm），再经混合材筛分机进行筛分， 将合格粒度的筛下料输送至混合材储存仓18；

7）水泥制成：将熟料与混合材成分按照满足水泥生产的质量比进行混合后， 经水泥磨20一起粉磨为水泥。最终水泥产品均化、储存于水泥储存仓21中， 然后分配到包装站生成袋装水泥或者灌装车（散装水泥）进行运输。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。