一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统

1.本发明涉及水泥窑技术领域，特别涉及一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统。


背景技术：

2.水泥是典型的资源和能源消耗性产品，其生产工艺过程主要包括生料制备、熟料煅烧、水泥制成三个阶段，需要消耗大量的石灰石原料、煤炭等资源和能源。
3.现有的生产系统中，熟料煅烧的阶段一般是在敞开式环境中进行的，碳酸盐分解产生的二氧化碳、燃料燃烧产生的废气以及空气中的氮气成分混在一起，给二氧化碳的分离与捕集带来了巨大的困难。水泥生产工业中产生的大量二氧化碳严重强化了温室效应，因此必须继续提高水泥工业的创新能力，开发新的生产工艺推进水泥工业的碳减排工作，实现早日碳达峰碳中和。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统，使其能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。
5.本发明提供一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统，包括回转窑，所述回转窑包括窑头、窑尾和滚筒，所述窑头上具有进料仓，所述进料仓内装有水泥生料，所述窑尾上具有出料口和出气口，所述滚筒的两端分别与所述窑头和所述窑尾转动连接，还包括：
6.燃烧器和鼓风机，所述燃烧器套设在所述滚筒上、且与所述滚筒之间形成燃烧室，所述燃烧室与所述滚筒之间保持动态密封，所述燃烧室的内壁上安装有点火器，所述燃烧器具有进料口和进气口，所述燃烧器的进料口上安装有控制阀，所述燃烧器的进气口与所述鼓风机的出口连通；
7.碳捕集装置，所述碳捕集装置包括第一反应器和第二反应器，所述第一反应器和所述第二反应器并排设置，所述第一反应器的两端分别具有与其内部连通的第一入口和第一出口，所述第一反应器的内壁上安装有第一加热器，所述第二反应器的两端分别具有与其内部连通的第二入口和第二出口，所述第二反应器的内壁上安装有第二加热器，所述第二反应器内和所述第一反应器内均铺设有氧化钙；
8.烟气管，所述烟气管的第一端与所述燃烧室连通；以及
9.储气罐，所述储气罐的入口与所述窑尾的出气口连接；
10.本系统具有两种工作状态，在第一种工作状态下，所述烟气管的第二端与所述第一入口连接，所述储气罐的入口还与所述第二出口可连接；在第二种工作状态下，所述烟气管的第二端与所述第二入口连接，所述储气罐的入口还与所述第一出口可连接。
11.进一步地，还包括冷凝器和蒸汽发生器；
12.在第一种工作状态下，所述冷凝器的入口与所述第二出口连接，所述冷凝器的液体出口与所述蒸汽发生器的入口连通，所述蒸汽发生器的出口与所述第一入口或所述第二入口连接，所述蒸汽发生器通入所述第二反应器的蒸汽流量为通入所述第一反应器的蒸汽
流量的1/4-1/3；在第二种工作状态下，所述冷凝器的入口与所述第一出口连接，所述冷凝器的液体出口与所述蒸汽发生器的入口连通，所述蒸汽发生器的出口与所述第一入口或所述第二入口均连接，所述蒸汽发生器通入所述第一反应器的蒸汽流量为通入所述第二反应器的蒸汽流量的1/4-1/3。
13.进一步地，所述第一反应器与所述第二反应器之间设置有换热壁面，所述换热壁面用于传递所述第一反应器与所述第二反应器之间的热量。
14.进一步地，还包括返料机构，所述返料机构用于将所述碳捕集装置内失活的氧化钙输送至所述窑头上的进料仓内。
15.进一步地，所述滚筒的外侧设置有驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述所述滚筒旋转，所述滚筒的内部温度为850-1250℃。
16.进一步地，在第一种工作状态下，所述第一反应器内的温度为650-700℃，所述第二反应器内的温度为700-800℃；在第二种工作状态下，所述第一反应器内的温度为700-800℃，所述第二反应器内的温度为650-700℃。
17.进一步地，还包括水泥熟料仓，所述水泥熟料仓用于接收从所述窑尾的出料口排出的物料。
18.进一步地，还包括传料机构，所述传料机构用于将部分所述水泥熟料仓内的物料输送至所述碳捕集装置内。
19.进一步地，所述水泥生料在所述滚筒内停留的时间为20-40mi n。
20.进一步地，还包括压缩机，所述压缩机的入口与所述第二出口可拆卸连接，所述压缩机的出口与所述储气罐的入口连通。
21.有益效果：本发明提供的一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统，煤炭燃烧过程中产生的烟气会进入第一反应器内与氧化钙接触，接触时烟气中的二氧化碳会与氧化钙结合形成碳酸钙，从而使得烟气变成无碳烟气后再排入大气，因此本发明能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为碳捕集装置的工艺流程图。
24.附图标记：10-回转窑、11-进料仓、12-出气口、13-滚筒、14-水泥熟料仓、20-燃烧室、21-燃烧器、21-燃烧室、22-点火器、30-碳捕集装置、40-烟气管、50-第一反应器、51-第一入口、52-第一出口、60-第二反应器、61-第二入口、62-第二出口、70-冷凝器、71-蒸汽发生器、72-换热壁面、80-返料机构、90-传料机构。
具体实施方式
25.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
26.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接；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或两个元件的
相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“纵”、“横”、“水平”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“内”和“外”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。
28.此外，术语“第一”、“第二”等仅适用于描述目的，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.如图1-2所示，本发明提供了一种外燃式水泥窑二氧化碳捕集系统，包括回转窑10，回转窑10包括窑头、窑尾和滚筒13，窑头上具有进料仓11，进料仓11内装有水泥生料，进料仓11的底部安装有落料阀，窑尾上具有出料口和出气口12，滚筒13的两端分别与窑头和窑尾转动连接。上述结构均为现有技术，具体结构在此不再赘述。本发明还包括燃烧器20、鼓风机、碳捕集装置30、烟气管40和储气罐。
30.燃烧器20套设在滚筒13上、且与滚筒13之间形成燃烧室21，燃烧室21与滚筒13之间保持动态密封。燃烧室21内铺设有煤炭，燃烧室21的内壁上安装有点火器22。燃烧器20具有进料口和进气口，燃烧器20的进料口上安装有控制阀，燃烧器20的进气口与鼓风机的出口连通。
31.碳捕集装置30包括第一反应器50和第二反应器60，第一反应器50和第二反应器60并排设置。第一反应器50的两端分别具有与其内部连通的第一入口51和第一出口52，第一反应器50的内壁上安装有第一加热器。第二反应器60的两端分别具有与其内部连通的第二入口61和第二出口62，第二反应器60的内壁上安装有第二加热器。第二反应器60和第一反应器50内均铺设有碳酸钙。
32.本系统具有两种工作状态，在第一种工作状态下，烟气管40的第二端与第一入口51连接，储气罐的入口还与第二出口62可连接；在第二种工作状态下，烟气管40的第二端与第二入口61连接，储气罐的入口还与第一出口可连接。
33.具体地工作过程为：在第一种工作状态下，鼓风机向燃烧室21内持续鼓入空气，点火器22启动将燃烧室21内的煤炭点燃，煤炭在燃烧室21内燃烧，产生的热量传导至滚筒13的内部，产生的烟气经过烟气管40进入第一反应器50内。然后进料仓11底部的落料阀打开，水泥生料(碳酸盐矿石、粘土等)在滚筒13内吸收热量煅烧成水泥熟料(主要为氧化钙)，煅烧过程中产生的高浓度二氧化碳进入储气罐内储存。
34.其中，煤炭燃烧过程中产生的烟气会通过烟气管40进入第一反应器50内，烟气进入第一反应器50后，第一加热器工作、促进烟气中的二氧化碳与氧化钙结合形成碳酸钙，从而使得烟气变成无碳烟气后再通过第一出口52排入大气，因此本发明能够解决水泥生产工业中二氧化碳的排放问题。
35.一段时间后，当第一反应器50内的氧化钙几乎全部变成碳酸钙时，工作人员切换第一反应器50与第二反应器60的位置，使得第二入口61与烟气管40的第二端连接，第一出口52与储气罐的入口连接，本系统转变为第二种工作状态下。这时烟气中的二氧化碳就会与第二反应器60内的氧化钙继续结合形成碳酸钙，同时第一加热器工作、促进第一反应器
50内的碳酸钙分解成为氧化钙和高浓度的二氧化碳，高浓度的二氧化碳进入储气罐内储存。
36.再过一段时间后，第二反应器60内的氧化钙几乎全部变成碳酸钙时，工作人员再次切换第一反应器50与第二反应器60的位置，如此循环进行，连续工作。
37.优选地，滚筒13的内部温度为850-1250℃，过低的温度将会因为煅烧速率不够而导致生产周期漫长，过高的温度将会使水泥熟料因为过烧而导致烧结失活。
38.本发明具有以下优点：1.环保：生产过程中没有任何固体废弃物、液体废弃物、颗粒物、噪声的污染，水泥生料中煅烧产生的二氧化碳不受煤炭燃烧时产生的烟气影响，可以直接加以封存或者利用。2.节能：由于水泥生料的煅烧过程和煤炭的燃烧过程是两个独立的工作单元，碳酸盐分解产生的高浓度二氧化碳不受煤炭燃烧时产生的烟气影响，因此这一部分的二氧化碳不需要额外设置碳捕集装置，可以节省能耗。此外，生产过程中的余热全部可以回收利用，其综合能耗远远低于现有工艺。3.产能大、产品质量高：连续生产，产能将远高于目前的生产线；水泥生料由于在煅烧过程中与火焰不直接接触，因此生产的水泥熟料纯度高(燃烧飞灰不会掺入产品中，也不会有过烧的矿石物料掺入其中)、活性好(产物不会因为局部高温而烧结)。4.矿石煅烧后产生的二氧化碳纯度高、品质好，可以直接用于生产食品级二氧化碳产品。5.水泥生料的品种适应性好，本方案除了适用于煅烧石灰石、白云石等碳酸盐矿石用于生产硅酸盐水泥外，也适用于生产磷铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥等。
39.碳捕集装置30的优点：1.由可以切换功能的第一反应器50和第二反应器60组成，装置紧凑且高效，操作方便且可靠。2.工作时，第一反应器50和第二反应器60的温差较小，更加节能。3.第一反应器50和第二反应器60均优选为固定床结构，床料不需要流动，减少了颗粒碰撞磨损，进而避免了颗粒物排放。4.碳捕集装置中的氧化钙为高效的钙基吸附剂，具有碳捕集容量大、反应动力学好、成本低廉等优势。5.与现有的胺吸收法、膜分离法等二氧化碳捕集技术相比，该系统无需额外的设置除尘以及脱硫装置，经济有效、解决了现有燃烧后捕集二氧化碳技术存在的二氧化碳捕集提纯系统中的二氧化碳气体捕集效率低、系统投资以及运营成本高的问题。
40.在一个实施例中，还包括冷凝器70和蒸汽发生器71。
41.在第一种工作状态下，冷凝器70的入口与第二出口62连接，冷凝器70的液体出口与蒸汽发生器71的入口连通，冷凝器70的气体出口与外界连通，蒸汽发生器71的出口与第一入口51或所述第二入口61连接，蒸汽发生器70通入第二反应器60的蒸汽流量为通入第一反应器50的蒸汽流量的1/4-1/3。在第二种工作状态下，冷凝器70的入口与第一出口52连接，冷凝器70的液体出口与蒸汽发生器71的入口连通，蒸汽发生器71的出口与第一入口51或第二入口52连接，蒸汽发生器70通入第一反应器50的蒸汽流量为通入第二反应器60的蒸汽流量的1/4-1/3。
42.蒸汽流量过小将会导致氧化钙再生缓慢；而蒸汽流量过大将会导致氧化钙粉化结块，并且需要过大的能耗。蒸汽的作用不仅仅在于驱动碳酸钙的分解，同时还能将氧化钙进行活化，以提高氧化钙的碳捕集活性。
43.在一个实施例中，第一反应器50与第二反应器60之间设置有换热壁面72，换热壁面72用于传递第一反应器50与第二反应器60之间的热量，从而充分利用到氧化钙与二氧化
碳结合时的反应热。
44.在一个实施例中，还包括返料机构80，返料机构80用于将碳捕集装置30内失活的氧化钙输送至窑头上的进料仓11内。氧化钙可以多次循环使用，大约在使用10000次循环以后失活，该失活的氧化钙可以作为水泥料的优质原料返回到回转窑10内用以煅烧制水泥。
45.在一个实施例中，滚筒13的外侧设置有驱动装置，驱动装置用于驱动滚筒13旋转，从而增加传热效率，并使得水泥生料的煅烧更加均匀。
46.在一个实施例中，在第一种工作状态下，第一反应器50内的温度为650-700℃，第二反应器60内的温度为700-800℃。在第二种工作状态下，第一反应器50内的温度为700-800℃，第二反应器60内的温度为650-700℃。
47.在第一种工作状态下，当第一加热器工作、促进烟气中的二氧化碳与氧化钙结合形成碳酸钙时，第一加热器会使得第一反应器50内的温度保持在650—700℃，过低的反应温度将导致反应动力学差也不足以有效捕集烟气中二氧化碳,而过高的温度将导致水泥料因为高温分解而产生二氧化碳逃逸。在第二种工作状态下，当第一加热器工作、促进第一反应器50内的碳酸钙分解成为氧化钙和高浓度的二氧化碳时，第一加热器会使得第一反应器50内的温度保持在700—800℃，过低的反应温度将导致反应动力学差，难以在相应的时间内将氧化钙捕集的co2全部释放；而过高的温度将会因为第一反应器50和第二反应器60之间的温差过大而增加能耗。第二反应器60同理。
48.在一个实施例中，还包括水泥熟料仓14，水泥熟料仓14用于接收从窑尾的出料口排出的水泥熟料(主要成分为氧化钙)。
49.在一个实施例中，还包括传料机构90，传料机构90用于将部分水泥熟料仓14内的物料输送至碳捕集装置30内、以补充失活的氧化钙。
50.在一个实施例中，水泥生料在滚筒13内停留的时间为20-40mi n。
51.在一个实施例中，还包括压缩机，压缩机的入口与第二出口62可拆卸连接，压缩机的出口与储气罐的入口连通。
52.初始状态下，压缩机的入口与第二出口62连通，压缩机的出口与储气罐的入口连通。
53.当第一反应器50与第二反应器60切换位置后，压缩机的入口与第一出口52连通，压缩机的出口与储气罐的入口连通，这样压缩机便能够将碳酸钙分解产生的二氧化碳进行压缩收集。
54.当第一反应器50与第二反应器60再次切换位置后，压缩机的入口与第一出口52连通，压缩机的出口与储气罐的入口连通。如此循环工作。
55.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
56.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。