本發(fā)明涉及水泥技術領域，尤其是一種水泥廠中CO₂捕捉封存方法。

背景技術：

CO₂是對氣候變化影響最大的氣體，它使全球氣溫升高。全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響，進而威脅到人類社會的生存和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，目前每年有300多億噸CO₂排放到大氣層中，其中約有90%來自發(fā)電廠、水泥廠、鋼廠和煉油廠等集中采用化石燃料的單位。 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源的使用和消耗將增加，CO₂的排放量必會增加，為此世界各國都在尋求各種技術來降低CO₂的排放量。

多年來，世界上CO₂排放量最大的工業(yè)源頭之一水泥工業(yè)，通過改善能效、使用替代燃料以及增加水泥中混合材的含量等，持續(xù)地降低了CO₂的排放量，但是通過這些方式減少CO₂的排放量的程度很有限，而CO₂捕捉與封存（CCS）技術給我們帶來了希望。CCS技術是一種將排放源產(chǎn)生的CO₂進行收集、運輸并安全存儲到某處，使其長期與大氣隔離的過程，主要由捕捉、運輸和封存3個環(huán)節(jié)組成。與分離技術(投資大、成本高、回收CO₂的同時又在排放CO₂)不同，捕捉和封存技術則以其存儲容量大、地下保持時間長、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，被許多國家認為是目前為止可選的有效技術之一。

針對排放的CO₂的CCS 技術主要有三類：燃燒后捕捉系統(tǒng)、富氧燃燒捕捉系統(tǒng)以及燃燒前捕捉系統(tǒng)，這些捕獲技術的技術特點及其成熟度，如表1所示。

表1 碳捕捉技術的特點和成熟度

在燃煤或燃氣發(fā)電站中已廣泛地進行燃燒后CO₂捕捉的應用研究，但是在水泥廠中的應用研究則很少。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種水泥廠中CO₂捕捉封存方法，布局合理，操作簡便，效果好。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術方案：一種水泥廠中CO₂捕捉封存方法，包括燃燒后CO₂捕捉過程和富氧燃燒CO₂捕捉過程。

進一步地，所述燃燒后CO₂捕捉過程包括對尾氣除塵過程、濕法煙氣脫硫洗滌、中和洗滌和單乙醇胺吸收過程。

進一步地，還包括CO₂汽提、干燥和壓縮。

進一步地，進入單乙醇胺吸收過程的煙氣要求為：SO₂的濃度小于10ppmv、NO_X的含量小于200ppmv、NO₂的含量小于20ppmv和溫度小于50℃。

進一步地，所述富氧燃燒CO₂捕捉過程包括向預分解器中通入富氧空氣、從預分解器中出來的煙氣進行分離。

進一步地，所述富氧空氣為95%O₂，2%N₂，3%Ar。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：采用兩種捕捉方法使得水泥廠中CO₂的排放量大大降低，降低了溫室效應，改善了生活環(huán)境。

附圖說明

圖1為本發(fā)明燃燒后CO₂捕捉過程的流程圖；

圖2為本發(fā)明富氧燃燒CO₂捕捉過程的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。

燃燒后CO₂捕捉技術在水泥廠中的應用研究

1.1 工藝簡述

燃燒后CO₂捕捉的基本原理是燃燒后用單乙醇胺進行CO₂吸收。水泥廠通過改造現(xiàn)有的廠房就可以配置這種捕捉設備。圖1為水泥廠中燃燒后CO₂捕捉的工藝流程圖。與傳統(tǒng)的水泥廠相比，這個流程圖有五個主要的特點，如下所示：

一是在預熱器和原料磨之間有一個用于去除NO_x的選擇性催化還原裝置（SCR）。

二是安裝了用于消除煙氣SO_x的濕式石灰石煙氣脫硫裝置。

三是安裝了單乙醇胺吸收設備。

四是安裝一套燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)設備，用其來生產(chǎn)MEA分離所需的低壓蒸汽，同時也可為胺吸收系統(tǒng)和壓縮廠提供電力。這個過程產(chǎn)生的CO₂在濕式石灰石煙氣脫硫裝置之前將會與煙氣混合，同時也被捕捉。

五是凈CO₂產(chǎn)品經(jīng)過壓縮、干燥，再壓縮至管道壓力達到110 bara。

注意問題

安裝燃燒后CO₂捕捉系統(tǒng)必須要考慮以下問題：

（1）SO₂

SO₂濃度的大小對于使用胺進行燃燒后捕捉技術來說很關鍵，因為胺會與酸性化合物反應生成鹽而不游離于胺溶出系統(tǒng)中。據(jù)報道，在胺吸收過程中SO₂的濃度應約為10 ppmv。

（2）NO₂

由于燃氣中的NO_x在單乙醇胺吸收系統(tǒng)中會發(fā)生溶劑降解作用，所以NO_x的含量也是一個重要的問題，更要注意的是NO₂會反應生成熱穩(wěn)定性鹽。NO_x的排放量與水泥窯有關，一般在200-300mg/Nm³之間變化。然而，通常NO_x中NO₂的含量不超過10%，其余大部分是NO。

（3）粉塵

在水泥廠燃氣中含有大量的粉塵，大約為3000mg/Nm³，可以用靜電除塵器或袋式除塵器去除。粉塵會降低胺吸收過程的效率。據(jù)了解為了更有效經(jīng)濟地進行燃燒后捕捉，粉塵水平必須低于15mg/Nm³。

（4）蒸汽需求

利用單乙醇胺進行CO₂捕捉的一個主要問題就是需要大量的蒸汽，蒸汽條件要求為：壓力3.5bara，溫度140℃-150℃。

（5）避免還原氣氛

熟料不能在還原的氣氛中生成，在生產(chǎn)過程中要保持過量的O₂，在預熱器、預分解爐及窯中要求O₂的濃度大于2%（w/w），在單乙醇胺CO₂吸收系統(tǒng)中要求O₂的含量大于1.5%（v/v）。

（6）燃氣降溫

水泥廠原料磨中排放的燃氣溫度約為110℃，為了達到胺吸收系統(tǒng)的理想溫度，燃氣溫度必須冷卻到50℃左右。

（7）其他氣體

在水泥生產(chǎn)的煙氣中會有少量的鹽酸，其濃度約為8mg/Nm³，這些酸性成分會降低胺吸收過程的效率。

富氧燃燒CO₂捕捉技術在水泥廠中的應用研究

2.1 工藝簡介

在現(xiàn)代水泥廠中燃料主要在兩個地方投料：預分解爐和窯頭。大部分（達到95%）CO₂是從預熱器和預分解爐里的石灰石原料中分解而來。圖2是富氧燃燒CO₂捕捉的工藝流程圖。

這個捕捉技術在預分解爐中進行富氧燃燒，選擇這個方案是因為它使高濃度CO₂氣氛對熟料生產(chǎn)過程的影響達到最小化。富氧燃燒CO₂捕捉工藝和傳統(tǒng)的水泥廠相比主要有兩個特點，如下所示：

一是預分解爐所需的空氣在進入預分解器之前就會被空分設備分離，分離出的氧氣（95%O₂，2%N₂，3%Ar）只提供給預分解爐。

二是從預分解爐出來的凈煙氣經(jīng)冷卻后輸送到CO₂壓縮和惰性氣體分離裝置。凈產(chǎn)品經(jīng)壓縮、干燥及分離出惰性氣體后產(chǎn)生的CO₂進一步被壓縮至管道壓力110bara。

注意問題

關于在水泥廠中利用富氧燃燒捕捉CO₂的研究很少，下文討論了在水泥生產(chǎn)工藝中應用富氧燃燒捕捉的相關技術問題。其主要的技術問題如下：

(1) 火焰溫度

富氧燃燒的原理是在燃燒的過程中排除空氣中的惰性氣體。在富氧燃燒中，火焰溫度可以達到3500℃以上。在正常的運行狀態(tài)下，這樣的溫度太高，因此必須要往燒成帶內(nèi)輸入一定比例富含CO₂的燃氣以達到稀釋O₂和降溫的作用。

(2) 熱交換的影響

燃燒室內(nèi)氣體的組成變化會對輻射熱的變化和對流熱的轉(zhuǎn)移行為產(chǎn)生明顯影響。

(3) 損壞和損耗

因為溫度很高，水泥窯壁在O₂濃度高的情況下很容易損壞，所以在保持高溫的同時也要保護好窯壁（更換窯襯）。

(4) 化學放應

研究要繼續(xù)進行，以確定在不同的氣氛下反應生成的孰料是否是有用的產(chǎn)品。

(5) 空氣泄露

在原料磨、預熱器和窯內(nèi)有大量的空氣泄漏，過量的空氣會污染富含CO₂的煙氣。需要去除這些污染物，但同時也會提高捕捉的成本。

(6) 煙氣的清潔

儲存CO₂的地方要求對煙氣進行清潔，主要是去除水蒸氣、氮氣、氬氣、NO_x及SO_x等。

(7) 空氣分離設備（以下簡稱空分設備）

空分設備是必須的裝置，它給富氧燃燒過程輸送O₂，和傳統(tǒng)的水泥廠相比，這就需要更多的電能。

(8) 避免還原氣氛

通常情況下，在熟料生產(chǎn)過程中O₂ 的濃度應保持大于2%（w/w）。

燃燒后捕捉技術和富氧燃燒捕捉技術的效果和成本

3.1 燃燒后捕捉

燃燒后捕捉技術的水泥廠現(xiàn)場CO₂的減排量是74%。如果CO ₂的捕捉百分數(shù)增加到95%，那么減排量就可以提高到93%。燃燒后捕捉CO₂的成本是107歐元每噸。水泥廠煙氣中CO₂的濃度很高，和以煤或天然氣為燃料的電廠的煙氣相比，水泥廠減少了吸收塔和相關的管道、風機的尺寸。然而，這些都被較低的規(guī)模經(jīng)濟水平所抵消。

富氧燃燒捕捉

預分解器里的富氧燃燒就可避免水泥廠產(chǎn)生的61%的CO₂，但是富氧燃燒會顯著地增加現(xiàn)場功耗，這些功耗主要用于生產(chǎn)O₂和CO₂的壓縮和凈化。考慮到生產(chǎn)這些電功時所排放的CO₂，總體上CO₂的減排量為50%，如果輸入的電能是由低CO₂排放量的電廠生產(chǎn)的，那么總的CO₂減排量就會接近現(xiàn)場的減排量。窯和預分解爐的富氧燃燒可以使CO₂的減排量接近100%，但這還涉及到更多不確定的技術問題。

富氧燃燒捕捉CO₂成本是40歐元每噸，比燃燒后捕捉的成本低很多。富氧燃燒技術特別適合水泥廠，因為只需給因燃料燃燒產(chǎn)生的CO₂提供氧，不需給因礦物分解而產(chǎn)生的CO₂提供氧。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。