[0001] 本发明涉及水泥生产技术领域，尤其是涉及一种富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排系统。

[0002] 环境污染与能源短缺问题加速了低碳化、能源清洁化的全球发展趋势，水泥工业占全球碳排放的7%‑8%，是人为CO2排放的主要来源之一，在生产制造水泥的过程中，针对末端处置的碳捕集、利用和封存，被认为是全球实现减排行动的重要技术途径，也是我国应对气候变化的重要手段。

[0003] 燃烧中的碳捕集是指用高浓度的O2与CO2的混合气体代替空气在窑炉内与煤粉等燃料进行燃烧反应，其中，O2是利用工业级的空分装置获得，制氧成本高昂，另外，脱硝问题是当前水泥行业大气污染物减排面临的又一难题，脱硝过程中，需要外购大量氨水，使脱硝成本居高不下。

[0004] 针对上述相关技术，亟需设计研发一种富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排系统，采用电转气装置电解水产生H2和O2，O2用于煤粉等燃料的燃烧，再利用CO2和H2在高温高压环境下反应生成CH4，CH4用于脱硝的还原剂使用，降低了制氧成本与脱硝成本，减少碳排放。

[0035] 以下结合附图1‑7对本申请作进一步详细说明。

[0036] 本申请实施例公开一种富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排系统。参照图1所示，富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排系统包括电转气装置1、熟料烧成系统2、SCR装置3、高温风机4、换热器一5、循环风机6、除水装置7、空压机装置8、清灰系统9、换热器二10、气密封系统11、煤粉输送系统12、氨水制备系统13、制氧制气系统14、风力光伏发电系统15、外部电网
16、CO2捕集系统17、生料烘干系统18、煤磨烘干系统19、熟料库20。

[0037] 参照图1和图2所示，熟料烧成系统2包括窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22、回转窑23、烟室24、分解炉25、篦冷机26、窑头罩27、预热器组件28、高温收尘器29、压力铰刀210和空气炮91，回转窑23与窑头燃烧器21相连接，烟室24与回转窑23相连接，分解炉25与烟室24相连接，窑尾燃烧器22与分解炉25相连接，电转气装置1与窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22相连接，电转气装置1连接CH4储罐211，CH4储罐211与分解炉25相连接，CH4储罐211与窑尾燃烧器22相连接，CH4储罐211与烟室24相连接。

[0038] 参照图1和图2所示，气密封系统11包括窑头密封装置111、窑尾密封装置112及系统各处经过改进的检修门、阀门、孔、盖和连接各密封点位的管路系统。

[0039] 参照图2和图3所示，窑头密封装置111采用双层鱼鳞密封结构，窑头密封装置111包括摩擦环1111、密封罩1112和密封片1113，摩擦环1111固定在回转窑23的外侧壁上，密封罩1112固定在窑头罩27上；密封片1113有若干个，若干个密封片1113分别层叠成双层鱼鳞状环形罩体，环形罩体的一端压设在摩擦环1111上，环形罩的另一端固定在密封罩1112上；若干个密封片1113、摩擦环1111和密封罩1112围合形成有隔离腔，密封罩1112上设有循环气入口一1114、循环气入口二1115以及循环气出口1116。

[0040] 参照图2和图3所示，循环气从循环气入口一1114通入隔离腔，并保持隔离腔内微正压，部分循环气穿过密封片1113间缝隙进入外部空气中，使外部空气不能进入隔离腔，从循环气入口二1115进入的循环气进入冷风套给窑头降温后，大部分经循环气出口排出，小部分通过窑头罩27进入系统，即窑头密封装置111隔离了外界空气进入系统。

[0041] 参照图2和图4所示，窑尾密封装置112采用压紧密封及鱼鳞密封双层密封结构，窑尾密封装置112包括压紧密封固定端1121、压紧密封转动端1122、隔离罩1123、鱼鳞片1124和接触环1125，压紧密封固定端1121和压紧密封转动端1122接触部分形成摩擦副，构成压紧密封结构；隔离罩1123固定在烟室24侧壁上，鱼鳞片1124有若干个，若干个鱼鳞片1124层叠成鱼鳞状环形罩体，若干个鱼鳞片1124一端固定在隔离罩1123上，若干个鱼鳞片1124的另一端压在接触环1125上，接触环1125固定压紧密封转动端1122上，隔离罩1123、鱼鳞片1124、接触环1125、压紧密封固定端1121和压紧密封转动端1122共同围成密封腔。

[0042] 参照图2和图3所示，压紧密封转动端1122随回转窑23转动，形成鱼鳞片1124和摩擦副双重密封结构，循环气从循环气入口三1126通入密封腔，并保持密封腔内微正压，部分循环气穿过密封片1113间缝隙进入外部空气中，部分循环气穿过压紧密封结构的摩擦副间的缝隙进入烟室24，作用是使外部空气不能进入密封腔，即窑尾密封装置112隔离了外界空气进入系统。

[0043] 参照图2所示，清灰系统9包括收尘器脉冲清灰装置及将连接各清灰点位的管路系统，空气炮91与烟室24相连接。

[0044] 参照图2和图5所示，高温收尘器29采用高箱披屋结构，包括收尘器壳体291、披屋292、脉冲清灰装置293、双层检修门和锁风阀294，披屋292是封闭结构，披屋292固定在壳体上部，披屋292上设若干双层检修门，双门中间形成封闭的分隔腔，锁风阀294设置于壳体下部。

[0045] 参照图2和图5所示，循环气通入双层检修门之间的分隔腔，保持分隔腔内微正压，微正压作用下，外界空气不能进入分隔腔，即不能进入高温收尘器29，收尘器下部连接双层锁风阀294，双层锁风阀294连接第三级预热器282至第二级预热器281之间的连接管道，避免锁风阀294漏入空气，脉冲清灰装置293清灰用气是来自空压机装置8的循环气，避免空气进入系统。

[0046] 参照图3和图4所示，氨水制备系统13包括氨合成装置131、氨水储罐132和空分制氮装置133，氨合成装置131与电转气装置1相连接，氨水储罐132与氨合成装置131相连接，空分制氮装置133与氨合成装置131相连接，氨水储罐132与分解炉25相连接。

[0047] 参照图1、图2和图6所示，循环气出高温收尘器29后与来自氨水储罐132的氨水掺混均化，进入SCR装置3去除部分氮氧化物，使出SCR装置3的循环气中Nox含量＜50mg/m³，循环气经高温风机4输送到换热器一5，换热降温后经过循环风机6。

[0048] 参照图1、图2和图6所示，循环气经过循环风机6后CO2干基浓度＞80%，其走向分三路：第一路循环气经CO2捕集系统17纯化，得到的高浓度CO2一部分进行封存，一部分输往电转气装置1再利用；第二路循环气经除水装置7去除部分水分后继续循环利用；第三路循环气在需要时进入烟囱排空，平时关闭。

[0049] 参照图1、图2和图6所示，篦冷机26包括第一冷却区261、第二冷却区262和第三冷却区263，第一冷却区261、第二冷却区262、第三冷却区263依次连接，窑头罩27与第一冷却区261相连接，回转窑23与篦冷机26中第一冷却区261相连接，窑头燃烧器21与窑头罩27相连接，第一冷却区261与空分制氧装置141相连接，第一冷却区261与储氧罐142相连接，第一冷却区261与电转气装置1相连接，第三冷却区263处连接有去原料烘干系统，去煤磨烘干系统19设置于第三冷却区263处，去煤磨烘干系统19与第三冷却区263相连接，熟料库20设置于第三冷却区263处，熟料库20与第三冷却区263相连接。

[0050] 参照图1、图2和图6所示，进篦冷机26第一冷却区261的循环气与来自回转窑23的熟料换热后进入窑头罩27，窑头罩27内气体温度950‑1250℃，窑头罩27内气体一部分作为二次风进入回转窑23，一部分作为三次风进入分解炉25；进入篦冷机26第二冷却区262的循环气与来自第一冷却区261的熟料换热后温度400‑500℃，之后进入分解炉25出口降温补气；在篦冷机26第三冷却区263，空气和来自第二冷却区262的熟料热交换后成为200‑250℃的热空气，热空气分别去往生料烘干系统18和煤磨烘干系统19。

[0051] 参照图1和图2所示，预热器组件28包括第二级预热器281、第三级预热器282、第四级预热器283和第五级预热器284，第二级预热器281、第三级预热器282、第四级预热器283和第五级预热器284依次连接，第五级预热器284与分解炉25相连接，第五级预热器284与氨水储罐132相连接，高温收尘器29与第二级预热器281相连接。

[0052] 参照图1和图2所示，高温收尘器29连接SCR装置3，SCR装置3连接高温风机4，SCR装置3连接氨水储罐132，高温风机4连接换热器一5，换热器一5连接循环风机6，循环风机6连接除水装置7，循环风机6连接烟囱，循环风机6连接CO2捕集系统，除水装置7连接换热器二10，除水装置7连接气密封系统11，除水装置7连接第一冷却区261，除水装置7连接第二冷却区262，CO2捕集系统与电转气装置1相连接。

[0053] 参照图1和图2所示，换热器二10连接空压机装置8，换热器二10连接有罗茨风机212，换热器二10连接煤粉输送系统12，空压机装置8连接清灰系统9，罗茨风机212连接窑头燃烧器21，罗茨风机212连接窑尾燃烧器22，煤粉输送系统12连接窑头燃烧器21，煤粉输送系统12连接窑尾燃烧器22，第二冷却区262连接于分解炉25、第五级预热器284件间的连接管道。

[0054] 参照图1和图2所示，循环气经除水装置7后，CO2干基浓度＞80%，温度为75‑80℃，其走向分成四路，第一路经换热器二10降到常温后又分别去往空压机装置8、罗茨风机212和煤粉输送系统12；第二路去气密封系统11；第三路与来自制氧制气系统14的高浓度O2混合后去篦冷机26第一冷却区261；第四路去篦冷机26第二冷却区262。

[0055] 参照图1和图2所示，经过空压机装置8后的压缩循环气作为清灰系统9的气源利用，经过罗茨风机212后的循环气分为两路：第一路与来自制氧制气系统14的高浓度O2混合输往窑尾燃烧器22；第二路与来自制氧制气系统14的高浓度O2混合作为一次风输往窑头燃烧器21。通过调整循环气和高浓度O2的配比得到不同的燃烧火焰形态，煤粉输送系统12利用循环气把煤粉分别气力输送到窑尾燃烧器22和窑头燃烧器21。

[0056] 参照图1、图2和图7所示，制氧制气系统14包括空分制氧装置141和储氧罐142，储氧罐142与空分制氧装置141相连接，空分制氧装置141与窑尾燃烧器22相连接，空分制氧装置141与窑头燃烧器21相连接，储氧罐142与电转气装置1相连接，储氧罐142与窑尾燃烧器22相连接，储氧罐142与窑头燃烧器21相连接。

[0057] 参照图1、图2和图7所示，外部电网16与电转气装置1相连接，外部电网16与空分制氧装置141相连接，外部电网16与氨合成装置131相连接，外部电网16与空分制氮装置133相连接，风力光伏发电系统15与空分制氧装置141相连接，风力光伏发电系统15与电转气装置1相连接，风力光伏发电系统15与空分制氮装置133相连接，风力光伏发电系统15与氨合成装置131相连接。

[0058] 参照图1、图2和图7所示，当风力光伏发电系统15出力大，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1制得O2，所产O2一部分输往窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22，富余O2进入储氧罐142储存；当风力光伏发电系统15出力小，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1所产O2不能满足系统富氧运行需求时，O2差额由储氧罐142供应，仍有差额时，启用外部电网16补充供电制氧，从而保证整个反应正常进行。

[0059] 参照图1、图2和图7所示，风力光伏发电系统15和外部电网16提供空分制氧装置141、电转气装置1、空分制氮装置133和氨合成装置131所需电能，制氧制气系统14和氨水制备系统13通过灵活调度各设备出力计划和能量分配关系，综合峰、谷时段及风光强度调度外部电网16和风力光伏发电系统15的电能利用，风力光伏发电系统15优先使用。

[0060] 参照图1、图2和图7所示，空分制氧装置141所制得的O2进入储氧罐142储存或直接输往窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22、篦冷机26第一冷却区261利用，电转气装置1把水电解生成O2和H2，其中O2进入储氧罐142储存或直接输往窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22、篦冷机26第一冷却区261利用。

[0061] 参照图1、图2和图7所示，H2走向分为两路：一部分H2和来自CO2捕集系统17纯化后的高浓度CO2在催化剂作用下发生CH4化反应生成CH4，进入CH4储罐储存；另一部分H2进入氨合成装置131，在氨合成装置131中与空分制氮装置133制得的高浓度N2在催化剂作用下发生氨合成反应生成氨气，再将合成的氨气与水混合成氨水储存在氨水储罐132中；氨水储罐132中的氨水分别输往SCR装置3、第五级预热器284和分解炉25，还原消除循环气中的部分氮氧化物。

[0062] 参照图1、图2和图7所示，储氧罐142实现O2的跨时段使用，当风力‑光伏发电系统出力大，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1制得O2，所产O2一部分输往窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22、篦冷机26第一冷却区261利用，富余O2进入储氧罐142储存；当风力‑光伏发电系统出力小，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1所产O2不能满足系统富氧运行需求时，O2差额由储氧罐142供应，仍有差额时，启用外部电网16补充供电制氧。

[0063] 参照图1、图2和图7所示，CH4储罐实现CH4的跨时段使用，进入CH4储罐储存的CH4一部分作为辅助燃料稳定供给窑尾燃烧器22使用，减少煤粉消耗，一部分在烟室24出口处作为脱硝还原剂使用。

[0064] 参照图1、图2和图7所示，氨水储罐132实现氨水的跨时段使用，优先使用风力‑光伏发电系统的电能供给电转气装置1、空分制氮装置133和氨合成装置131制得氨水进入氨水储罐132储存，当氨水储罐132的氨水储量不能满足系统降氮需求时，启用外部电网16补充供电生产氨水。

[0065] 本申请实施例一种富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排系统主体的实施原理为：电转气装置1与窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22相连接，电转气装置1产生O2供于窑
头燃烧器21、窑尾燃烧器22用于燃烧煤粉，回转窑23与窑头燃烧器21相连接，烟室24与回转窑23相连接，分解炉25与烟室24相连接，分解炉25与窑尾燃烧器22相连接，电转气装置1连接CH4储罐211，CH4储罐211与分解炉25相连接，CH4储罐211与窑尾燃烧器22相连接，电转气装置1产生H2与高浓度CO2在高温高压条件下产生CH4，CH4用于窑尾燃烧器22与分解炉25内脱硝的还原剂使用，降低制氧成本与脱硝成本，减少碳排放。

[0066] 本申请实施例还公开一种富氧燃烧生产水泥熟料的节能减排方法，包括如下步骤：S1、生料通过压力铰刀210输入第二级预热器281至高温收尘器29的连接管道处，
与管道中富含高浓度CO2的循环气进行热交换，随循环气进入高温收尘器29；
S2、生料经过高温收尘器29过滤后进入第三级预热器282与第二级预热器281之间
的连接管道，与其中循环气热交换后进入第二级预热器281，生料依次与第二四级预热器内循环气进行热交换后进入分解炉25，循环气出高温收尘器29后与来自氨水储罐132的氨水掺混均化，进入SCR装置3去除部分氮氧化物，使出SCR装置3的循环气中Nox含量＜5mg/m³，循环气经高温风机4输送到换热器一5，换热降温后经过循环风机6；
S3、生料在分解炉25内预分解后进入第五级预热器284，经第五级预热器284收集
后进入烟室24，之后再进入回转窑23，在回转窑23烧成熟料后进入篦冷机26的第一冷却区
261，熟料依次经篦冷机26的第一冷却区261、第二冷却区262、第三冷却区263冷却至要求温度后进入熟料库20储存；
循环气经过循环风机6后CO2干基浓度＞80%，其走向分三路：第一路循环气经CO2捕集系统17纯化，得到的高浓度CO2一部分进行封存，一部分输往电转气装置1再利用；第二路循环气经除水装置7去除部分水分后继续循环利用；第三路循环气在需要时进入烟囱排空，平时关闭；
循环气进入篦冷机26第一冷却区261后与来自回转窑23的熟料换热后进入27，窑
头罩27内气体温度950‑1250℃，窑头罩27内气体一部分作为二次风进入回转窑23，一部分作为三次风进入分解炉25；进入篦冷机26第二冷却区262的循环气与来自第一冷却区261的熟料换热后温度400‑500℃，之后进入分解炉25出口降温补气；在篦冷机26第三冷却区263，空气和来自第二冷却区262的熟料热交换后成为200‑250℃的热空气，供其他系统使用；
循环气经除水装置7后，CO2干基浓度＞80%，温度为75‑80℃，其走向分成四路，第一路经换热器二10降到常温后又分别去往空压机装置8、罗茨风机212和煤粉输送系统12；
第二路去气密封系统11；第三路与来自制氧制气系统14的高浓度O2混合后去篦冷机26第一冷却区261；第四路去篦冷机26第二冷却区262。

[0067] 风力光伏发电系统15出力大，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1制得O2，所产O2一部分输往窑头燃烧器21、窑尾燃烧器22，富余O2进入储氧罐142储存；风力光伏发电系统15出力小，其电能供给空分制氧装置141和电转气装置1所产O2不能满足系统富氧运行需求时，O2差额由储氧罐142供应，仍有差额时，启用外部电网16补充供电制氧，从而保证整个反应正常进行；风力光伏发电系统15和外部电网16提供空分制氧装置141、电转气装置1、空分制
氮装置133和氨合成装置131所需电能，制氧制气系统14和氨水制备系统13通过灵活调度各设备出力计划和能量分配关系，综合峰、谷时段及风光强度调度外部电网16和风力光伏发电系统16的电能利用，风力‑光伏发电优先使用。

[0068] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。