一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统及富集方法

技术领域

本发明涉及窑炉尾气处理技术领域，具体涉及一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统及富集方法。

背景技术

全球变暖是本世纪初人类面临的最大挑战，它不仅是环境问题，也是经济、政治、人类发展等问题。大气中，温度上升与温室气体浓度迅速的增加有着非常强的相关性，温室气体包括二氧化碳(二氧化碳)、甲烷(CH4)、氮氧化物(NOX)、氯氟烃(CFCS)和水蒸气(H2O)。而二氧化碳是最主要的温室气体，其含量增加对增强温室效应的贡献大约为60％。

二氧化碳捕集利用与封存技术(CCUS)作为一种大规模的温室气体减排技术，近年来在CCUS相关政策逐步完善，科研技术能力和水平日益提升，试点示范项目规模不断壮大，整体竞争力进一步增强，已呈现出良好的发展势头。但总体上看，现有减排技术体系与碳中和愿景的实际需求之间还存在较大差距。有研究表明，CCUS将成为实现碳中和目标不可或缺的关键性技术之一，需要根据新的形势对CCUS的战略定位进行重新思考和评估，并在此基础上加快推进、超前部署。

我国二氧化碳重点排放源包含：化石能源（煤炭、石油、天然气等）火力发电、钢铁、水泥、玻璃窑炉、石化化工、交通运输等。

工业窑炉广泛应用于建材、石化、钢铁等行业，对工业发展具有重要支撑作用，同时也是工业领域主要排放源。相对于电站锅炉和工业锅炉，工业窑炉治理水平明显落后。天然气作为重要的清洁能源，以其低污染排放、高效燃烧等特点逐步替代煤等燃料。但天然气是一种烷烃混合物，其燃烧后仍会产生二氧化碳。因此研究天然气炉窑二氧化碳减排对实现我国的碳排放目标是一种有益尝试。

富氧燃烧技术是一种极具发展潜力的碳捕获与封存技术之一。富氧燃烧技术中氧化剂（即助燃气体）为高浓度氧气，燃烧产物以H2O和二氧化碳为主，二氧化碳浓度较高，容易分离。而传统的空气助燃方式，由于空气中约含79%的氮气，大量的氮气不参与燃烧反应而直接进入燃烧产物尾气中，不但浪费了能源，而且使得尾气中二氧化碳浓度被稀释，给后续二氧化碳的富集、分离、利用等造成了很大困难。

以天然气燃烧为例，富氧燃烧（98%O2）尾气典型组分（体积百分比）为：二氧化碳：33.11%，H2O：64.61%，N2:1%，O2:1.29%。空气燃烧尾气典型组分（体积百分比）为：二氧化碳：7.2%，H2O：13.8%，N2:73.4%，O2:5.6%。可以看出，富氧燃烧下，二氧化碳的富集程度大大提高。

但实际应用中，以天然气玻璃炉窑为例，由于燃烧温度过高，而尾气进余热锅炉温度要求控制在600～650℃，普遍采用混入空气的方式降温，导致最终烟气中二氧化碳又被大量N2稀释，使得二氧化碳的捕集变得十分困难。

碳捕集利用与封存（CCUS）是指将二氧化碳从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存，以实现二氧化碳减排的工业过程，是一项新兴的、具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，有望实现化石能源的低碳利用，被广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的最重要技术之一。烟气中二氧化碳的捕集与分离是实现其封存和综合利用等减排措施的基础和前提条件。目前中国各大发电集团和石油系统也相继建成了二氧化碳捕集工业型示范装置。但在大部分工业窑炉应用上，如玻璃、水泥等行业碳捕捉技术仍是空白。

二氧化碳利用是指通过工程技术手段将捕集的二氧化碳实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同，可分为二氧化碳地质利用、二氧化碳化工利用和二氧化碳生物利用等。其中，二氧化碳地质利用是将二氧化碳注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水、铀矿等多种类型资源。

目前世界上大部分油田采用注水开发，面临着需要进一步提高采收率和水资源缺乏的问题。对此，国外近年来大力开展二氧化碳驱油，提高采收率技术的研发和应用。这项技术不仅能满足油田开发、的需求，还可以解决二氧化碳的封存问题，保护大气环境。该技术不仅仅适用于常规油藏，还适用于低渗、特低渗透油藏，可以明显提高原油采收率。将二氧化碳注入能量衰竭的油层，可提高油气田采收率，已成为世界许多国家石油开采业的共识。

二氧化碳纯度在90%以上即可用于提高采油率。二氧化碳在地层内溶于水后，可使水的黏度增加20%~30%。二氧化碳溶于油后，使原油体积膨胀，黏度降低30%~80%，油水界面张力降低，有利于增加采油速度，提高洗油效率和收集残余油。二氧化碳驱油一般可提高原油采收率7%~15%，延长油井生产寿命15~20年。二氧化碳可从工业设施如发电厂、化肥厂、水泥厂、化工厂、炼油厂、天然气加工厂等排放物中回收，既可实现温室气体的减排，又可达到增产油气的目的。

发明内容

技术目的：针对现有纯氧燃烧窑炉尾气中二氧化碳富集存在的不足，本发明公开了一种能够实现对窑炉尾气中热量有效利用，同时提升二氧化碳富集效率的纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统及富集方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统，包括工业窑炉和余热锅炉，所述工业窑炉与余热锅炉之间通过尾气-空气换热器相连通，工业窑炉的高温尾气经尾气-空气换热器换热后进入余热锅炉内，所述余热锅炉采用分段式结构，包括进口与尾气-空气换热器相连通的高温段以及出口与换热除湿装置相连接的低温段，尾气通过换热除湿装置后进入干燥塔内进行干燥处理；在高温段与低温段之间依次设有用于对尾气进行处理的脱硫塔和除尘脱硝装置；在低温段的出口处设置回混尾气管，所述回混尾气管与尾气-空气换热器的出口端连通，与尾气-空气换热器排出的尾气混合后进入余热锅炉的高温段内。

优选地，本发明的干燥塔使用干燥剂进行尾气的干燥，干燥塔的高温空气回路与尾气-空气换热器的空气换热管路相连通，形成高温空气通路，常温空气通过尾气-空气换热器与尾气进行换热后进入干燥塔内进行干燥剂的再生。

优选地，本发明的换热除湿装置包括喷淋除湿塔和冷水喷淋结构，所述喷淋除湿塔的侧面设置尾气进口，顶部设置尾气出口，冷水喷淋结构设置尾气进口与尾气出口之间，所述冷水喷淋结构包括沿喷淋除湿塔的高度方向排布的冷水喷淋层，所述冷水喷淋层上设有朝向与尾气流动方向相反的喷头，冷水喷淋层与外部的冷水给水管相连通。

优选地，本发明的喷淋除湿塔在尾气进口所在高度的下方设存水槽，存水槽通过给水管道连接有循环喷淋系统，所述循环喷淋系统包括循环喷淋泵以及设置在冷水喷淋层下方的循环喷淋层，所述循环喷淋层与循环喷淋泵相连接，对落入存水槽的冷水循环喷淋强化换热；在存水槽底部设有出水管道，所述出水管道处设有温控阀，在水温达到设定要求时，将热水从存水槽排出，用作供暖热需求的热源。

优选地，本发明在冷水喷淋层上方设置用于对尾气内携带的水汽进行处理的除雾器，所述除雾器使用机械式折流板式除雾器。

优选地，本发明的干燥塔的数量为两组，两组干燥塔并联在换热除湿装置的出口端，在两个干燥塔之间设有对尾气进行切换的控制阀，尾气进入对应的干燥塔内通过干燥剂进行吸附干燥；每个干燥塔的高温空气进口处设有用于控制高温空气进入的第二控制阀，通过控制阀和第二控制阀控制干燥塔对尾气的干燥以及干燥塔内干燥剂的再生。

本发明还提供一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集方法，使用上述的富集利用系统，使用纯氧作为助燃气体，使天然气在工业窑炉内进行燃烧；燃烧的尾气经尾气-空气换热器换热后，与余热锅炉出口端回流的低温尾气混合降温后进入余热锅炉内进行脱硫脱硝处理，再经过喷淋换热除湿后，进入干燥塔干燥除湿，得到富集后的二氧化碳混合气体。

优选地，本发明在进行尾气干燥除湿时，使用经尾气-空气换热器加热后的高温空气对吸湿饱和的干燥塔进行干燥剂再生。

优选地，本发明的尾气喷淋换热除湿在喷淋除湿塔内使用冷水直接接触喷淋去除尾气中的水蒸气，喷淋换热塔内通过循环喷淋系统对经过一次换热的冷水进行强制循环，加强冷水与尾气间的换热。

有益效果：本发明所提供的一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统及富集方法具有如下有益效果：

1、本发明针对纯氧燃烧窑炉尾气中的二氧化碳富集采用物理方式，主要通过低温水喷淋降温除湿、干燥剂吸附等实现尾气的深度脱水，获得纯度超过90%的CO2气体。相对于化学吸附、加压冷冻等技术，缩短了流程、节约了能耗又没有二次污染产生。

2、本发明在工业窑炉与余热锅炉之间设置尾气-空气换热器，利用空气与尾气换热，降低尾气的温度，并通过从余热锅炉出口端引出的回混尾气管将低温尾气送入尾气-空气换热器的出口与高温尾气进行混合，进一步降低进入余热锅炉的温度，使尾气的温度降低到符合余热锅炉的进口限制温度要求，在实现对尾气余热进行吸收利用的同时，利用低温尾气进行混合降温，不会影响到尾气内二氧化碳的浓度，利于后续针对尾气的二氧化碳富集处理。

3、本发明利用与尾气在尾气-空气换热器内换热的空气进行干燥塔内干燥剂的加热再生，相较于现有使用空气混合尾气进行降温的方式，本发明能够在尾气高温状态进行换热利用，降低热利用难度，同时空气不与尾气直接接触，在完成再生后可以直接排出，降低处理难度，同时不需要针对干燥炉额外提供热源，降低系统能耗。

4、本发明使用冷水直接喷淋的方式来去除尾气中的大量水蒸气，除湿的同时，对尾气进一步降温冷却，并通过循环喷淋系统加强水与尾气之间的换热，提升存水槽的水温，水温可达60-85℃，以便进行利用，同时降低除湿产生的冷水消耗。

5、本发明的干燥塔的数量为两组，并通过控制阀对尾气与高温空气的流向进行控制，能够实现对尾气的持续干燥，在一组干燥塔进行除湿干燥时，另一组干燥塔内通入与尾气-空气换热器内的高温尾气换热后的高温空气，对干燥塔内的干燥剂进行干燥再生，以实现系统的持续高效运行。

6、本发明富集利用系统尾气中的二氧化碳富集程度能够达到93%以上，能够满足油田的驱油利用需求，经进一步加压、运输、净化等预处理，可就近用于油田的CO2驱油。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为本发明二氧化碳富集利用系统结构示意图；

图2为本发明换热除湿塔结构图；

其中，1-工业窑炉、2-余热锅炉、3-尾气-空气换热器、4-高温段、5-换热除湿装置、6-低温段、7-干燥塔、8-脱硫塔、9-除尘脱硝装置、10-回混尾气管、11-高温空气回路、12-喷淋除湿塔、13-冷水喷淋结构、14-尾气进口、15-尾气出口、16-冷水喷淋层、17-喷头、18-冷水给水管、19-存水槽、20-循环喷淋泵、21-循环喷淋层、22-出水管道。

实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1和图2所示为本发明所提供的一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集利用系统，包括工业窑炉1和余热锅炉2，所述工业窑炉1与余热锅炉2之间通过尾气-空气换热器3相连通，工业窑炉1的高温尾气经尾气-空气换热器3换热后进入余热锅炉2内，所述余热锅炉2采用分段式结构，包括进口与尾气-空气换热器3相连通的高温段4以及出口与换热除湿装置5相连接的低温段6，尾气通过换热除湿装置5后进入干燥塔7内进行干燥处理；在高温段4与低温段6之间依次设有用于对尾气进行处理的脱硫塔8和除尘脱硝装置9；在低温段6的出口处设置回混尾气管10，所述回混尾气管10与尾气-空气换热器3的出口端连通，与尾气-空气换热器3排出的尾气混合后进入余热锅炉2的高温段4内。

本发明的干燥塔7使用干燥剂进行尾气的干燥，干燥塔7的高温空气回路11与尾气-空气换热器3的空气换热管路相连通，形成高温空气通路，常温空气通过尾气-空气换热器3与尾气进行换热后进入干燥塔7内进行干燥剂的再生。

在本发明的系统中，在高温段进行空气与尾气的换热，并使用换热后的空气通入干燥塔7内进行干燥剂的再生，提升尾气余热的利用率，同时使用余热锅炉出口的低温尾气回混进行高温尾气的冷却，不会影响尾气中二氧化碳整体浓度，同时降低后续的富集难度。

在经过余热锅炉处理后，尾气温度在150-200℃左右，经前面的脱硫脱硝除尘环节处理后，尾气中污染物大部分被去除，剩余的成分主要是二氧化碳、水蒸汽以及少量的氮气，氮气含量取决于纯氧助燃气的纯度，对于水蒸气，本发明采用冷水直接接触喷喷淋的方式进行去除，在去除水蒸气的同时，对尾气进行进一步的冷却，充分实现对尾气内的余热利用；如图2所示，本发明的换热除湿装置5包括喷淋除湿塔12和冷水喷淋结构13，所述喷淋除湿塔12的侧面设置尾气进口14，顶部设置尾气出口15，冷水喷淋结构13设置尾气进口14与尾气出口15之间，所述冷水喷淋结构13包括沿喷淋除湿塔12的高度方向排布的冷水喷淋层16，所述冷水喷淋层16上设有朝向与尾气流动方向相反的喷头17，冷水喷淋层16与外部的冷水给水管18相连通。

单次使用冷水直接喷淋，冷水与尾气间的换热量小，冷水与尾气仍存在较大的温差，为实现对冷水的高效利用，降低冷水的损耗，同时使换热后的冷水能够对其内部吸收的热量进行利用，本发明的喷淋除湿塔12在尾气进口14所在高度的下方设存水槽19，存水槽19通过给水管道连接有循环喷淋系统，所述循环喷淋系统包括循环喷淋泵20以及设置在冷水喷淋层16下方的循环喷淋层21，所述循环喷淋层21与循环喷淋泵20相连接，对落入存水槽19的冷水循环喷淋强化换热；在存水槽19底部设有出水管道22，所述出水管道22处设有温控阀，在水温达到设定要求时，将热水从存水槽19排出，用作供暖热需求的热源。在冷水喷淋层16上方设置用于对尾气内携带的水汽进行处理的除雾器23，所述除雾器23使用机械式折流板式除雾器，对尾气中的液滴等进行滤除。

在经过喷淋除湿后，尾气中仅存在少量的水汽，需要使用干燥塔进行干燥，以便进行后续的处理和利用，本发明的干燥塔7的数量为两组，两组干燥塔7并联在换热除湿装置5的出口端，在两个干燥塔7之间设有对尾气进行切换的控制阀，尾气进入对应的干燥塔7内通过干燥剂进行吸附干燥；每个干燥塔7的高温空气进口处设有用于控制高温空气进入的第二控制阀，通过控制阀和第二控制阀控制干燥塔对尾气的干燥以及干燥塔7内干燥剂的再生。

本发明还提供一种纯氧燃烧窑炉尾气二氧化碳富集方法，使用上述的富集利用系统，使用纯氧作为助燃气体，使天然气在工业窑炉内进行燃烧；燃烧的尾气经尾气-空气换热器换热后，与余热锅炉出口端回流的低温尾气混合降温后进入余热锅炉内进行脱硫脱硝处理，再经过喷淋换热除湿后，进入干燥塔干燥除湿，得到富集后的二氧化碳混合气体。

本发明在进行尾气干燥除湿时，使用经尾气-空气换热器加热后的高温空气对吸湿饱和的干燥塔进行干燥剂再生，提升对尾气的热利用效率，对尾气喷淋换热除湿在喷淋除湿塔内使用冷水直接接触喷淋去除尾气中的水蒸气，喷淋换热塔内通过循环喷淋系统对经过一次换热的冷水进行强制循环，加强冷水与尾气间的换热。

本发明的具体实施例中，工业窑炉纯氧助燃气的过氧系数采用1.02-1.1，燃烧器排气温度在1000-1500℃，高温尾气先与常温空气进行换热，在较大的温差下，实现对空气的快速加热，以保证其温度能够满足赶干燥塔的干燥剂再生需求，提升对于尾气热量的利用效率；在换热后，通过回混的低温尾气与换热后的高温尾气进行混合，使混合温度达到500-600℃后进入余热锅炉的高温段，实现在降低余热锅炉进口温度的同时，避免尾气中的二氧化碳被稀释；而且本发明将余热锅炉分为高温段和低温段，并将脱硫塔和除尘脱硝装置设置在高温段和低温段之间，使二者处于最佳的运行温度（一般为300-400℃之间），提升尾气的处理效果。

余热锅炉低温段出口烟气温度降低到150-200℃左右，经前面的脱硫脱硝除尘环节处理后，烟气中污染物大部分被去除。此时以天然气纯氧燃烧（98%O2、1%N2）工况为例，典型的烟气组分（体积百分比）如表1所示：

表1

可以看出，经纯氧燃烧得到的烟气主要成分为CO2和H2O，少量的N2取决于纯氧助燃气的纯度，少量的O2取决于燃烧的过氧系数。为进一步提升富集CO2，喷淋式换热除湿装置利用较冷的给水和烟气直接接触，来冷凝烟气中的水蒸气，从而达到对烟气降温除湿的作用，根据水蒸气的特性，在1标准大气压下，温度和烟气中的饱和含水率存在如表2所示的对应关系：

表2

以烟气被冷却到40℃为例，此时烟气中的水蒸气含量为7.28%，烟气中各组分如表3所示：

表3

可以看出，此时烟气中CO2富集程度大大提高了，达到了86.74%。为后续的CO2利用提供了非常有利的条件，在喷淋除湿后，温度降低到了40℃左右，此时烟气中仍然含有7.28%左右的水分，通过干燥塔进一步对残余的水分进行干燥除湿，干燥后的尾气中，CO2的富集程度可达93%以上，可以满足后续的油田CO2驱油利用的要求。经进一步加压、运输、净化等预处理，可就近用于油田的CO2驱油，以较低的代价实现了工业窑炉CO2捕集和再利用，在就近存在油田利用时，本发明可实现经济效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。