水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法

权利要求书： 1.一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，包括烟室、回转窑、冷却机、第一生料预热预分解系统和第二生料预热预分解系统，所述回转窑上设置第一燃烧器，所述第一生料预热预分解系统为常规生料预热预分解系统，所述第一生料预热预分解系统与所述烟室连通；所述第二生料预热预分解系统为采用全氧燃烧的二氧化碳自富集系统；其特征在于：所述第二生料预热预分解系统排出的低温烟气中CO2湿基浓度为60~70%；还包括低能耗碳提纯系统，所述第二生料预热预分解系统的低温烟气排出口连接低能耗碳提纯系统；所述低能耗碳提纯系统包括依次连接的烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，所述烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵、烟气水洗塔、烟气水洗罐、第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐组成，所述烟气预冷却除尘系统的出口与烟气水洗塔的进气口连接，所述烟气水洗塔的出水口通过烟气水洗泵与烟气水洗塔的进水口连接，所述烟气水洗罐与烟气水洗泵的入口连接，所述烟气水洗塔的出气口与第一冷却器的入口连接，所述第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐依次连接，所述第一分水器和第二分水器均用于对烟气进行深度脱水，所述第一净化塔用于对烟气中的SOx和NOx进行预脱除，所述第一吸附塔用于吸附烟气中重组分，使经第一吸附塔吸附后烟气中CO2湿基浓度达到90~95%，所述第二净化塔用于对烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体进行深度脱除，所述第二吸附塔用于对烟气进行深度脱水，所述液化器用于将烟气液化，所述精馏塔用于将氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质进行低温精馏脱除，使液体二氧化碳纯度达到99 99.99%，所述成品储罐用于储存~液体二氧化碳；

所述第二生料预热预分解系统包括预燃烧炉、第二分解炉和第三列旋风预热器，所述预燃烧炉上开设助燃介质进口和循环烟气进口，所述预燃烧炉顶部设置第三燃烧器，所述预燃烧炉的底部与所述第二分解炉的锥部通过连接管道连通，所述第二分解炉上设置第四燃烧器，所述第二分解炉上开设第三列生料入口；所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第二分解炉的出风管，所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气；所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第三进料口，所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室；

所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口通过循环风机分别与所述预燃烧炉循环烟气进口、低能耗碳提纯系统连通；

所述烟气预冷却除尘系统包括依次连接的烟气冷却器和收尘器，所述收尘器出口与烟气水洗塔的进气口连接。

2.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，当生料中硫含量为0.1 3.0%时，所述第一生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的下料管通过~高温螺旋铰刀与所述第二生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的进料口连通，使进入第二生料预热预分解系统的生料中的硫杂质在常规生料预热预分解系统被氧化生成SO2气体随烟气进入烟气余热利用系统，保证进入第三列旋风预热器的进料口的生料含硫量低。

3.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一生料预热预分解系统包括第一分解炉和第一列旋风预热器；所述第一分解炉上设置第二燃烧器，所述第一分解炉上开设第一列生料入口；所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20~30%；所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第一进料口，所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室。

4.根据权利要求3所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一生料预热预分解系统还包括第二列旋风预热器，所述第一分解炉上开设第二列生料入口；所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20 30%；所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第二进料口，所述第~二列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连接所述烟室。

5.根据权利要求4所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第一列旋风预热器的级数为4 7级；所述第二列旋风预热器的级数为4 7级。

~ ~

6.根据权利要求1所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，其特征在于，所述第三列旋风预热器的级数为4 7级。

~

7.根据权利要求1至6任一项所述的系统进行水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将生料分别喂入第一列旋风预热器、第二列旋风预热器、第三列旋风预热器，生料在对应列旋风预热器内与烟气进行换热和气固分离；经第一列旋风预热器和第二列旋风预热器预热后的生料进入第一分解炉，经第三列旋风预热器预热后的生料进入第二分解炉；

高纯度氧气与从第三列旋风预热器顶部排出的低温烟气混合后从预燃烧炉的循环烟气进口进入预燃烧炉内，供从预燃烧炉顶部进入预燃烧炉内的燃料燃烧，燃烧产物从预燃烧炉的底部经连接管道进入第二分解炉，在第二分解炉内进行全氧燃烧，燃料燃烧释放的大量热量供第二分解炉内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第二分解炉内产生的烟气进入第三列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，低温烟气经第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，此低温烟气中CO2湿基浓度为60~70%；

第三列旋风预热器顶端旋风分离器的出风口排出的低温烟气进入循环风机，随后分为两路，其中一路进入预燃烧炉内，另一路进入低能耗碳提纯系统；

进入低能耗碳提纯系统的低温烟气经烟气冷却器和收尘器进行烟气预冷却和除尘，预冷却和除尘后的烟气经烟气水洗塔降温脱水并进一步除去部分烟气含尘，随后烟气进入第一冷却器进行进一步冷却，再经第一分水器进行深度脱水；之后烟气进入第一净化塔，所述第一净化塔采用固体吸附剂对烟气中SOx和NOx进行预脱除；净化处理后的烟气经第一增压风机增压后进入第二冷却器以降低烟气温度，随后烟气进入第一吸附塔，使烟气中的醇、醛、酸烃类重组分及H2O杂质经第一吸附塔充分吸附后烟气中CO2湿基浓度由60~70%提升至

90 95%；经第一吸附塔吸附提浓后的烟气依次进入第三冷却器和第二分水器进一步降温和~

深度脱水；随后烟气经第二增压风机增压后进入第二净化塔，使烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体被第二净化塔内所填装的固体吸附剂进行深度脱除；随后烟气进入第二吸附塔进行深度脱水，第二吸附塔通过填装分子筛吸附剂或干燥剂实现对烟气深度脱水；随后烟气进入液化器，使烟气在液化器中被制冷系统提供的制冷剂所液化；随后进入精馏塔中经低温精馏脱除氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质，液体二氧化碳纯度达到

99 99.99%，精馏塔底部引出液体二氧化碳，进入成品储罐储存及外运使用。

~

8.根据权利要求7所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的方法，其特征在于，当生料含硫量为0.1 3.0%时，进入第三列旋风预热器的生料先进入第一列旋风预热器和/或第~二列旋风预热器，经第一列旋风预热器和/或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器进行预热和气固分离，之后再通过高温螺旋铰刀进入第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口。

9.根据权利要求7所述的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的方法，其特征在于，第一分解炉内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第一分解炉内的烟气分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，分别经第一列旋风预热器以及第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出的低温烟气中CO2湿基浓度为20

30%；

~

第一分解炉和第二分解炉内产生的热生料通过烟室进入回转窑，在回转窑内煅烧形成水泥熟料，回转窑内燃料燃烧生成窑气，水泥熟料由回转窑进入冷却机，与空气换热得到冷却水泥熟料，窑气依次经烟室和第一分解炉分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，经第一列旋风预热器和第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出。

说明书： 一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及水泥窑碳提纯技术领域，特别是涉及一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法。背景技术[0002] CO2作为一种主要的温室气体，其大量排放加剧了全球温室效应，世界各国均普遍面临着实现碳减排、缓解全球气候变化的艰巨任务。为更好发展全球经济和保护自然环境，世界各国都相继制定了碳减排战略目标。据统计数据，2020年，中国水泥行业CO2排放约12.3亿吨，同比上升1.8％，占建材行业碳排总量的84.3％、占全国碳排放总量的比例约为

13.5％。水泥行业是我国工业全面实现碳减排的关键产业。因此，减缓水泥行业高CO2排放问题刻不容缓。

[0003] 对碳减排技术的研究，国内外已有不少报道，但这些研究主要面向电力、煤炭和钢铁等行业，水泥行业相关的碳减排技术报道相对较少。目前，水泥行业普遍采用的是新型干法生产工艺，它主要由冷却机、燃烧器、回转窑、分解炉和旋风预热器等组成。其中，生料在旋风预热器中预热升温，在分解炉内分解，大部分燃料在分解炉内燃烧提供生料分解所需的热量，分解后的物料在回转窑内继续煅烧生成水泥熟料，随后水泥熟料经冷却机冷却至合适温度。[0004] 水泥行业可采用的碳减排技术方案主要有燃烧前捕集、燃烧后捕集或燃烧过程自富集技术。其中，燃烧前捕集是指对燃料在燃烧前进行预处理，分离出燃料中的碳。由于水泥熟料生产工艺特点，燃烧前CO2捕集的一个显著缺点是仅能分离出燃料燃烧产生的CO2，而生料煅烧产生的CO2(约占CO2排放总量的60～65％)则随烟气排放掉，导致这部分的CO2没有得到任何处理；此外，燃烧前捕集技术相比其他CO2捕集技术在熟料煅烧过程对氢燃烧的条件非常苛刻，需要对回转窑燃烧器进行特殊设计，因此该技术在水泥行业中可行性较低，可以被排除。燃烧后捕集技术主要是指对燃烧后的烟气进行捕集或者分离出CO2，主要的技术有热钾碱、苯菲尔法、乙醇胺等化学吸收法，碳酸丙烯酯、聚乙二醇二甲醚、甲醇等物理吸收方法；当前，通入水泥窑系统的助燃介质为空气，悬浮预热器出口烟气中CO2浓度普遍为20～30％，由于烟气中CO2浓度偏低，直接采用燃烧后捕集技术会导致捕集提纯系统投资成本和运行成本偏高。燃烧过程自富集技术是指采用技术手段显著提升窑尾预热器出口烟气CO2浓度，进而大大节省后续烟气CO2捕集提纯系统的投资成本和运行成本；典型的燃烧过程自富集技术主要包括全氧燃烧技术及间接换热技术，其中，与水泥生产联系更紧密的是全氧燃烧技术。采用全氧燃烧技术可将窑尾预热器出口烟气CO2湿基浓度提升至80％以上，但单纯的完全依靠全氧燃烧技术来提升烟气中CO2浓度，会显著增加单位CO2制备综合能耗，提高单位CO2制备成本。[0005] 并且，水泥窑系统在生产水泥的过程中，生料以及燃料会带入硫杂质，硫杂质主要以有机硫化物、无机硫化物(简单硫化物或者复杂硫化物)或者硫酸盐的形式存在，单质硫可以忽略不计，燃料带入的硫杂质一般会被分解炉内大量存在的活性氧化物吸收生成亚硫酸盐或硫酸盐，随后经烟室进入回转窑；生料中以硫酸盐形式存在的硫杂质在旋风预热器中一般不会形成SO2气体，最终会进入回转窑，进入回转窑内的一部分硫酸盐在高温下发生分解反应生成SO2气体，一部分SO2气体通过旋风预热器随烟气排出，另一部分SO2气体在烟室或旋风分离器的低温区域冷凝在生料上，随生料沉积进入回转窑内，形成旋风预热器和回转窑之间的内循环，未分解的硫酸盐则会随水泥熟料离开回转窑；生料中以有机硫化物、无机硫化物等其他形式存在的硫杂质一般会在300?600℃被氧化生成SO2气体，主要发生在旋风预热器顶部的两级旋风分离器以及连通顶部两级旋风分离器的进风管中。因此，若生料采用含硫量较高的劣质原料，则会引起水泥生产过程中排放的SO2浓度较高，而现有的CO2提纯系统对烟气中SO2非常敏感，有研究表明，进入CO2提纯系统的烟气SO2浓度要尽可能低，3

最好应控制在10mg/Nm以内，为了保证CO2提纯系统的稳定运行和正常使用，现有的CO2提纯系统需要对烟气进行脱硫处理，提高了CO2提纯系统的投资成本和运行成本。

发明内容[0006] 本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统及方法，该系统解决了现有水泥窑系统单纯依靠全氧燃烧技术来提升窑尾烟气中CO2浓度，导致单位CO2制备综合能耗及单位CO2制备成本显著增加，以及因生料采用含硫量较高的劣质原料，引起进CO2提纯系统的烟气SO2含量偏高，使得CO2提纯系统需要对烟气进行脱硫处理，导致CO2捕集提纯系统的投资成本和运行成本偏高的技术问题。[0007] 本发明是这样实现的，一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，包括烟室、回转窑、冷却机、第一生料预热预分解系统和第二生料预热预分解系统，所述回转窑上设置第一燃烧器，所述第一生料预热预分解系统为常规生料预热预分解系统，所述第一生料预热预分解系统与所述烟室连通；所述第二生料预热预分解系统为采用全氧燃烧的二氧化碳自富集系统；[0008] 所述第二生料预热预分解系统排出的低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；还包括低能耗碳提纯系统，所述第二生料预热预分解系统的低温烟气排出口连接低能耗碳提纯系统；所述低能耗碳提纯系统包括依次连接的烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，所述烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵、烟气水洗塔、烟气水洗罐、第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐组成，所述烟气预冷却除尘系统的出口与烟气水洗塔的进气口连接，所述烟气水洗塔的出水口通过烟气水洗泵与烟气水洗塔的进水口连接，所述烟气水洗罐与烟气水洗泵的入口连接，所述烟气水洗塔的出气口与第一冷却器的入口连接，所述第一冷却器、第一分水器、第一净化塔、第一增压风机、第二冷却器、第一吸附塔、第三冷却器、第二分水器、第二增压风机、第二净化塔、第二吸附塔、液化器、精馏塔和成品储罐依次连接，所述第一分水器和第二分水器均用于对烟气进行深度脱水，所述第一净化塔用于对烟气中的SOx和NOx进行预脱除，所述第一吸附塔用于吸附烟气中重组分，使经第一吸附塔吸附后烟气中CO2湿基浓度达到90～95％，所述第二净化塔用于对烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体进行深度脱除，所述第二吸附塔用于对烟气进行深度脱水，所述液化器用于将烟气液化，所述精馏塔用于将氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质进行低温精馏脱除，使液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，所述成品储罐用于储存液体二氧化碳。[0009] 进一步的，当生料中硫含量为0.1～3.0％时，所述第一生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的下料管通过高温螺旋铰刀与所述第二生料预热预分解系统的顶端旋风分离器的进料口连通，使进入第二生料预热预分解系统的生料中的硫杂质在常规生料预热预分解系统被氧化生成SO2气体随烟气进入烟气余热利用系统，保证进入第三列旋风预热器的进料口的生料含硫量低。[0010] 进一步的，所述第一生料预热预分解系统包括第一分解炉和第一列旋风预热器；所述第一分解炉上设置第二燃烧器，所述第一分解炉上开设第一列生料入口；所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％；所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第一进料口，所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室。

[0011] 更进一步的，所述第一生料预热预分解系统还包括第二列旋风预热器，所述第一分解炉上开设第二列生料入口；所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第一分解炉的出风管，所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％；所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第二进料口，所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连接所述烟室。[0012] 更进一步的，所述第一列旋风预热器的级数为4～7级；所述第二列旋风预热器的级数为4～7级。[0013] 进一步的，所述第二生料预热预分解系统包括预燃烧炉、第二分解炉和第三列旋风预热器，所述预燃烧炉上开设助燃介质进口和循环烟气进口，所述预燃烧炉顶部设置第三燃烧器，所述预燃烧炉的底部与所述第二分解炉的锥部通过连接管道连通，所述第二分解炉上设置第四燃烧器，所述第二分解炉上开设第三列生料入口；所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器的进风口连接所述第二分解炉的出风管，所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出低温烟气；所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的进口处设有第三进料口，所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器的出料口连通所述烟室；[0014] 所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口通过循环风机分别与所述预燃烧炉循环烟气进口、低能耗碳提纯系统连通。[0015] 更进一步的，所述第三列旋风预热器的级数为4～7级。[0016] 进一步的，所述烟气预冷却除尘系统包括依次连接的烟气冷却器和收尘器，所述收尘器出口与烟气水洗塔的进气口连接。[0017] 上述水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的方法，所述方法包括如下步骤：[0018] 将生料分别喂入第一列旋风预热器、第二列旋风预热器、第三列旋风预热器，生料在对应列旋风预热器内与烟气进行换热和气固分离；[0019] 经第一列旋风预热器和第二列旋风预热器预热后的生料进入第一分解炉，经第三列旋风预热器预热后的生料进入第二分解炉；[0020] 高纯度氧气与从第三列旋风预热器顶部排出的低温烟气混合后从预燃烧炉的循环烟气进口进入预燃烧炉内，供从预燃烧炉顶部进入预燃烧炉内的燃料燃烧，燃烧产物从预燃烧炉的底部经连接管道进入第二分解炉，在第二分解炉内进行全氧燃烧，燃料燃烧释放的大量热量供第二分解炉内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第二分解炉内产生的烟气进入第三列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，低温烟气经第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出，此低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；[0021] 第三列旋风预热器顶端旋风分离器的出风口排出的低温烟气进入循环风机，随后分为两路，其中一路进入预燃烧炉内，另一路进入低能耗碳提纯系统；[0022] 进入低能耗碳提纯系统的低温烟气经烟气冷却器和收尘器进行烟气预冷却和除尘，预冷却和除尘后的烟气经烟气水洗塔降温脱水并进一步除去部分烟气含尘，随后烟气进入第一冷却器进行进一步冷却，再经第一分水器进行深度脱水；之后烟气进入第一净化塔，所述第一净化塔采用固体吸附剂对烟气中SOx和NOx进行预脱除；净化处理后的烟气经第一增压风机增压后进入第二冷却器以降低烟气温度，随后烟气进入第一吸附塔，使烟气中的醇、醛、酸烃类重组分及H2O杂质经第一吸附塔充分吸附后烟气中CO2湿基浓度由60～70％提升至90～95％；经第一吸附塔吸附提浓后的烟气依次进入第三冷却器和第二分水器进一步降温和深度脱水；随后烟气经第二增压风机增压后进入第二净化塔，使烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体被第二净化塔内所填装的专用固体吸附进行深度脱除；随后烟气进入第二吸附塔进行深度脱水，第二吸附塔通过填装专用分子筛吸附剂或干燥剂实现对烟气深度脱水；随后烟气进入液化器，使烟气在液化器中被制冷系统提供的制冷剂所液化；随后进入精馏塔中经低温精馏脱除氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质，液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，精馏塔底部引出液体二氧化碳，进入成品储罐储存及外运使用。

[0023] 进一步的，当生料含硫量为0.1～3.0％时，进入第三列旋风预热器的生料先进入第一列旋风预热器和/或第二列旋风预热器，经第一列旋风预热器和/或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器进行预热和气固分离，之后再通过高温螺旋铰刀进入第三列旋风预热器的顶端旋风分离器的进料口。[0024] 进一步的，第一分解炉内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第一分解炉内的烟气分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，分别经第一列旋风预热器以及第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出的低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％；[0025] 第一分解炉和第二分解炉内产生的热生料通过烟室进入回转窑，在回转窑内煅烧形成水泥熟料，回转窑内燃料燃烧生成窑气，水泥熟料由回转窑进入冷却机，与空气换热得到冷却水泥熟料，窑气依次经烟室和第一分解炉分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，经第一列旋风预热器和第二列旋风预热器的顶端旋风分离器的出风口排出。[0026] 本发明具有的优点和积极效果是：[0027] 1、本发明充分考虑常规水泥窑生产过程中采用空气助燃导致预热器出口烟气CO2浓度偏低，进而导致烟气CO2捕集回收系统能耗大、捕集提纯工艺流程复杂、运行成本偏高的技术特点，将水泥窑生产过程由常规空气助燃调整为全氧燃烧，这样可以将旋风预热器出口烟气CO2湿基浓度由20～30％显著提升至60～70％，且只需将CO2湿基浓度提高至60～70％即可以在后续采用适应性和经济性更优的变压吸附技术将烟气CO2湿基浓度进一步提升至90～95％，随后通过成熟可靠的低温精馏技术得到工业级或食品级液体CO2产品。和最接近的现有技术相比，经详细分析计算，本发明采用的全氧燃烧+变压吸附+低温精馏组合技术方案，与采用化学溶剂吸收法对常规水泥窑烟气(烟气中CO2湿基浓度为20～30％)进行碳捕集提纯相比，单位CO2制备综合能耗可有效降低25％以上，单位CO2制备成本可降低约20％。

[0028] 2、本发明将水泥窑生产过程由常规空气助燃调整为全氧燃烧，在相同捕集规模前提下，烟气CO2浓度的大幅度提升可以显著降低烟气处理量。和最接近的现有技术相比，经详细分析计算，本发明采用的全氧燃烧+变压吸附+低温精馏组合技术方案的烟气处理量仅为最接近的现有技术的30～40％，烟气处理量的大幅降低可以有效降低捕集提纯系统设备规模和系统占地。[0029] 3、本发明中，当生料中硫含量较高时(为0.1～3.0％时)，生料可以先通过常规生料预热预分解系统的第一列旋风预热器或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器预热和气固分离后，经下料管通过高温螺旋铰刀喂入第三列旋风预热器的进料口，对于含有高挥发性硫原料的劣质生料，劣质生料中以有机硫化物、无机硫化物等其他形式存在的硫杂质在第一列旋风预热器或第二列旋风预热器的顶部两级旋风分离器以及连通顶部两级旋风分离器的进风管中被氧化生成SO2气体，SO2气体和低硫生料在第一列旋风预热器或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器内气固分离，SO2气体随烟气排出，低硫生料喂入第三列旋风预热器的进料口，从而保证进入第三列旋风预热器的进料口的生料含硫量低，进而保证从第3

三列旋风预热器排出的低温烟气中含硫量低(SO2浓度＜10mg/Nm)，使得后续CO2提纯系统可以省去脱硫工序，大幅度降低脱硫工序的投资成本和运行成本，提高CO2提纯系统的运行稳定性。

[0030] 4、本发明综合考虑全氧燃烧、变压吸附及低温精馏等技术的技术特点及适用范围，通过对全氧燃烧子系统进行合理设计，使得出全氧燃烧子系统烟气CO2湿基浓度为60～70％的合理区间，这样可保证制氧系统的综合能耗为较低水平(由于出全氧燃烧子系统烟气CO2浓度不需要控制在较高水平，比如控制在75％或80％以上，使得制氧系统只需要制备

80～90％纯度的氧气产品即可满足全氧燃烧子系统的要求)，且烟气CO2湿基浓度为60～

70％也不会对后续变压吸附及低温精馏系统的工艺流程和运行成本造成显著影响。经详细分析计算，采用本发明提供的技术，与通过全氧燃烧直接将烟气CO2浓度提升至75?80％及以上浓度范围相比，单位CO2制备成本可进一步降低约3～5％，本发明的低能耗优势更加显著。

[0031] 5、本发明所提供的变压吸附系统与低温精馏系统均充分考虑水泥窑烟气的组成特点，详细设计了烟气预处理、烟气脱硫脱硝及深度脱水等工序，有效避免烟气中水蒸气以及NOx、SOx等酸性气体对变压吸附系统与低温精馏系统的影响，保证变压吸附系统与低温精馏系统长时间稳定运行。[0032] 6、本发明对水泥窑烧成系统也进行了重点考虑，本发明提供的水泥窑烧成系统，无需对回转窑、冷却机及窑头燃烧器等关键烧成设备进行重新设计，大大简化工艺流程，降低改造成本。具体来说，生料进入第三列旋风预热器，随后经多次换热和气固分离后进入第二分解炉内，包括外购或制氧系统制取的高纯度氧气在内的助燃介质与循环烟气混合后从预燃烧炉循环烟气进口进入预燃烧炉内，供从预燃烧炉顶部进入预燃烧炉内的燃料燃烧，燃烧产物从预燃烧炉的底部进入第二分解炉内，在第二分解炉内全氧燃烧，燃烧释放大量热量供第二分解炉内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，烟气携带热生料离开第二分解炉进入第三列旋风预热器的底端旋风分离器，随后热生料与烟气气固分离，烟气通过第三列旋风预热器向上运动，继续与喂入第三列旋风预热器内的生料进行多次换热，最终成为低温烟气，低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％；热生料通过烟室进入回转窑，在回转窑内煅烧形成水泥熟料。此外，喂入第三列旋风预热器的生料量可以根据市场对CO2产品的需求量灵活调节，从而实现水泥工业碳减排的目的。附图说明[0033] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0034] 图1是本发明实施例提供的适用于低硫原料(原料中硫含量≤0.1％)的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统流程图；[0035] 图2是本发明实施例提供的适用于高硫原料(原料中硫含量为0.1～3.0％)的水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统流程图。[0036] 其中：1、烟室；2、回转窑；201、第一燃烧器；3、冷却机；4、第一生料预热预分解系统；401、第一分解炉；402、第二燃烧器；403、第一列旋风预热器的底端旋风分离器；404、第一列旋风预热器的顶端旋风分离器；405、第二列旋风预热器的底端旋风分离器；406、第二列旋风预热器的顶端旋风分离器；5、第二生料预热预分解系统；501、预燃烧炉；502、第二分解炉；503、第三燃烧器；504、第四燃烧器；505、第三列旋风预热器的底端旋风分离器；506、第三列旋风预热器的顶端旋风分离器；6、第一循环风机；7、低能耗碳提纯系统；701、烟气冷却器；702、收尘器；703、第二循环风机；704、烟气水洗泵；705、烟气水洗塔；706、烟气水洗罐；707、第一冷却器；708、第一分水器；709、第一净化塔；710、第一增压风机；711、第二冷却器；712、第一吸附塔；713、第三冷却器；714、第二分水器；715、第二增压风机；716、第二净化塔；717、第二吸附塔；718、液化器；719、精馏塔；720、成品储罐；8、高温螺旋铰刀。具体实施方式[0037] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0039] 实施例1[0040] 请参阅图1，本发明实施例提供一种水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的系统，包括烟室1、回转窑2、冷却机3、第一生料预热预分解系统4、第二生料预热预分解系统5和低能耗碳提纯系统7，烟室1、回转窑2、冷却机3依次连通，所述回转窑2上设置第一燃烧器201。[0041] 所述第一生料预热预分解系统4为常规生料预热预分解系统。[0042] 所述第一生料预热预分解系统4包括第一分解炉401和第一列旋风预热器；所述第一分解炉401上设置第二燃烧器402，所述第一分解炉401上开设第一列生料入口；所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器403的进风口连接所述第一分解炉401的出风管，所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％，温度范围为240～450℃(根据第一列旋风预热器级数变化)；所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404的进口处设有第一进料口，用于生料进料，所述第一列旋风预热器的底端旋风分离器403的出料口连通所述烟室1。

[0043] 所述第一生料预热预分解系统4还包括第二列旋风预热器，所述第一分解炉401上开设第二列生料入口；所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器405的进风口连接所述第一分解炉401的出风管，所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406的出风口排出低温烟气，此低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％，温度范围为240～450℃(根据第二列旋风预热器级数变化)；所述第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406的进口处设有第二进料口，用于生料进料，所述第二列旋风预热器的底端旋风分离器405的出料口连接所述烟室1。[0044] 为了调控第一分解炉401内温度场分布，第一列生料入口和第二列生料入口均可以设置为多个，本领域技术人员可以根据实际需要设定。[0045] 所述第二生料预热预分解系统5为采用全氧燃烧的二氧化碳自富集系统。[0046] 所述第二生料预热预分解系统5包括预燃烧炉501、第二分解炉502和第三列旋风预热器，所述预燃烧炉501上开设助燃介质进口和循环烟气进口，助燃介质可以选用高纯度氧气，高纯度氧气可以外购或者采用空气分离装置制得；所述预燃烧炉501顶部设置第三燃烧器503，所述预燃烧炉501的底部与所述第二分解炉502的锥部通过连接管道连通，预燃烧炉501顶部的第三燃烧器503采用带油枪通道的多通道燃烧器，当第二生料预热预分解系统5刚投入运行时，采用油枪点火，待预燃烧炉501内温度稳定至600?700℃后切换至燃料燃烧，燃料可为固体燃料、液体燃料或气体燃料；需要说明的是，所述高纯度氧气的纯度范围优选为80～90％。所述第二分解炉502上设置第四燃烧器504，所述第二分解炉502上开设第三列生料入口；所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器505的进风口连接所述第二分解炉502的出风管，所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的出风口排出低温烟气，所述第二生料预热预分解系统5排出的低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％，温度范围为200～350℃(根据第三列旋风预热器级数变化)；所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的进口处设有第三进料口，用于生料进料，所述第三列旋风预热器的底端旋风分离器505的出料口连通所述烟室1。[0047] 所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的出风口通过第一循环风机6分别与所述预燃烧炉501循环烟气进口、低能耗碳提纯系统7连通。[0048] 需要说明的是，第一生料预热预分解系统4和第二生料预热预分解系统5的个数仅为示意，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定，冷却机3可以是篦式冷却机，也可以是单筒冷却机或多筒冷却机。本实施例中，所述第一列旋风预热器的级数优选为4～7级；所述第二列旋风预热器的级数优选为4～7级；所述第三列旋风预热器的级数优选为4～7级。[0049] 所述低能耗碳提纯系统7包括依次连接的烟气预冷却除尘系统和烟气捕集提纯系统，所述烟气预冷却除尘系统包括依次连接的烟气冷却器701和收尘器702，所述烟气捕集提纯系统由烟气水洗泵704、烟气水洗塔705、烟气水洗罐706、第一冷却器707、第一分水器708、第一净化塔709、第一增压风机710、第二冷却器711、第一吸附塔712、第三冷却器713、第二分水器714、第二增压风机715、第二净化塔716、第二吸附塔717、液化器718、精馏塔719和成品储罐720组成；所述收尘器702出口通过第二循环风机703与烟气水洗塔705的进气口连接，所述烟气水洗塔705的出水口通过烟气水洗泵704与烟气水洗塔705的进水口连接，所述烟气水洗罐706与烟气水洗泵704的入口连接，所述烟气水洗塔705的出气口与第一冷却器707的入口连接，所述第一冷却器707、第一分水器708、第一净化塔709、第一增压风机

710、第二冷却器711、第一吸附塔712、第三冷却器713、第二分水器714、第二增压风机715、第二净化塔716、第二吸附塔717、液化器718、精馏塔719和成品储罐720依次连接，所述第一分水器708和第二分水器714均用于对烟气进行深度脱水，所述第一净化塔709用于对烟气中的SOx和NOx进行预脱除，所述第一吸附塔712用于吸附烟气中重组分，使经第一吸附塔

712吸附后烟气中CO2湿基浓度达到90～95％，所述第二净化塔716用于对烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体进行深度脱除，所述第二吸附塔717用于对烟气进行深度脱水，所述液化器718用于将烟气液化，所述精馏塔719用于将氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质进行低温精馏脱除，使液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，所述成品储罐720用于储存液体二氧化碳。

[0050] 一般来说，低浓度烟气(CO2湿基浓度范围为：≤30％)捕集回收技术主要有化学吸收、物理吸收和变压吸附等，由于水泥窑烟气的CO2浓度及压力均较低，导致采用上述技术对水泥窑烟气进行CO2捕集回收时系统能耗较大，捕集提纯工艺流程复杂，运行成本偏高，且上述技术均无法直接制备工业级或食品级液体CO2产品；中等浓度烟气(CO2湿基浓度范围为：30～70％)的CO2捕集回收技术主要有膜分离和变压吸附技术，一般来说，变压吸附技术的适应性和经济性要优于膜分离技术；高浓度烟气(CO2湿基浓度范围为：≥90％)的CO2捕集回收技术主要有低温精馏技术，而低温精馏技术多适用于CO2浓度已经达到90％以上且产品纯度要求很高，需要液化储运的场合。[0051] 目前，水泥行业唯一投运的CO2捕集纯化装置，该装置的CO2捕集回收技术采用针对低浓度烟气的化学吸收法(溶剂为有机胺)，通过化学吸收装置后，烟气中CO2湿基浓度由20～30％可提升至95％左右，随后通过低温精馏技术得到工业级或食品级液体CO2产品。由于水泥窑烟气CO2浓度和压力低，该CO2捕集纯化装置的能耗和单位CO2产品制备成本均较高。[0052] 由于窑尾烟气中含有一定量的酸性气体，比如SOx和NOx，为避免对后续的变压吸附和低温精馏造成影响，首先需要对烟气进行脱酸预处理；同时，考虑到烟气中还含有一定量的粉尘和水蒸气，在烟气预处理阶段也需要同时除去。[0053] 本发明水泥窑全氧燃烧耦合低能耗碳提纯的方法，所述方法包括如下步骤：[0054] 将生料分别通过各自的喂料口喂入第一列旋风预热器、第二列旋风预热器、第三列旋风预热器，生料在对应列旋风预热器内与烟气进行换热和气固分离；经第一列旋风预热器和第二列旋风预热器预热后的生料进入第一分解炉401，经第三列旋风预热器预热后的生料进入第二分解炉502。[0055] 第一分解炉401内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第一分解炉401内的烟气分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，分别经第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404以及第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406的出风口排出的低温烟气中CO2湿基浓度为20～30％。

[0056] 第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的出风口排出的低温烟气进入第一循环风机6，随后分为两路，其中一路进入预燃烧炉501内，另一路进入低能耗碳提纯系统7。高纯度氧气与从第三列旋风预热器顶部排出的低温烟气混合后从预燃烧炉501的循环烟气进口进入预燃烧炉501内，供从预燃烧炉501顶部进入预燃烧炉501内的燃料燃烧，燃烧产物从预燃烧炉501的底部经连接管道进入第二分解炉502，在第二分解炉502内进行全氧燃烧，燃料燃烧释放的大量热量供第二分解炉502内的生料吸热分解，得到热生料，并产生大量烟气，第二分解炉502内产生的烟气进入第三列旋风预热器内与生料换热成为低温烟气，低温烟气经第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的出风口排出，此低温烟气中CO2湿基浓度为60～70％。

[0057] 第一分解炉401和第二分解炉502内产生的热生料通过烟室1进入回转窑2，在回转窑2内煅烧形成水泥熟料，回转窑2内燃料燃烧生成窑气，水泥熟料由回转窑2进入冷却机3，与空气换热得到冷却水泥熟料，窑气依次经烟室1和第一分解炉401分别进入第一列旋风预热器和第二列旋风预热器，经第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404和第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406的出风口排出。

[0058] 由于窑尾烟气成分较为复杂，为了进一步提高CO2捕集提纯系统的效率，首先需要对烟气中的杂质成分进行脱除。进入低能耗碳提纯系统7的低温烟气经烟气冷却器701和收尘器702进行烟气预冷却和除尘，预冷却和除尘后的烟气经烟气水洗塔705降温脱水并进一步除去部分烟气含尘，随后烟气进入第一冷却器707进行进一步冷却，再经第一分水器708进行深度脱水；之后烟气进入第一净化塔709，所述第一净化塔709采用固体吸附剂对烟气中SOx和NOx进行预脱除；净化处理后的烟气经第一增压风机710增压后进入第二冷却器

711以降低烟气温度(降低烟气温度有利于提高第一吸附塔712对烟气中重组分的吸附效果；需要说明的是，以CO2为界，常压沸点比CO2高的组分称为重组分，常压沸点比CO2低的组分为轻组分)，随后烟气进入第一吸附塔712，由于重组分在吸附剂上具有很强的吸附能力，而轻组分在吸附剂上的吸附能力很弱，烟气中的醇、醛、酸烃类重组分及H2O杂质被充分吸附在第一吸附塔712中的固体吸附剂上，使烟气经第一吸附塔712充分吸附后烟气中CO2湿基浓度由60～70％提升至90～95％，所述第一吸附塔712由吸附单元和解析单元组成，通过吸附和解析操作可实现对烟气连续吸附提浓；经第一吸附塔712吸附提浓后的烟气依次进入第三冷却器713和第二分水器714进一步降温和深度脱水；CO2精制液化的目的是除去原料气中除CO2以外的其它成分，从而制备高纯度液体CO2产品；由于原料气中含有一定量的水蒸气及SOx、NOx等酸性气体，原料气中的水蒸气在低温精馏时会与CO2形成水合物，造成系统设备的严重堵塞，因此在低温精馏阶段，原料气中的水蒸气需要经过深度的干燥净化处理；考虑到原料气中的SOx和NOx等酸性气体会对低温精馏设备造成酸性腐蚀，在低温精馏阶段，原料气中的SOx和NOx等酸性气体也需要进行深度脱除。随后变压吸附浓缩后的烟气经第二增压风机715增压后进入第二净化塔716，使烟气中的微量无机硫和无机氮类酸性气体被第二净化塔716内所填装的专用固体吸附进行深度脱除；随后烟气进入第二吸附塔717进行深度脱水，第二吸附塔717通过填装专用分子筛吸附剂或干燥剂实现对烟气深度脱水；

随后烟气进入液化器718，使烟气在液化器718中被制冷系统提供的制冷剂所液化；随后进入精馏塔719中经低温精馏脱除氢气、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气类轻组分杂质，液体二氧化碳纯度达到99～99.99％，精馏塔719底部引出液体二氧化碳，进入成品储罐720储存及外运使用，液体二氧化碳达到国家工业级和食品级二氧化碳产品标准。

[0059] 实施例2[0060] 如图2所示，与实施例1不同的是，当生料含硫量为0.1～3.0％时，所述第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404和/或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406的下料管通过高温螺旋铰刀8与所述第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的进料口连通，使进入第三列旋风预热器的生料中的硫杂质在常规生料预热预分解系统被氧化生成SO2气体随烟气进入烟气余热利用系统，保证进入第三列旋风预热器的进料口的生料含硫量低。[0061] 进入第三列旋风预热器的生料先进入第一列旋风预热器和/或第二列旋风预热器，经第一列旋风预热器的顶端旋风分离器404和/或第二列旋风预热器的顶端旋风分离器406进行预热和气固分离，之后再通过高温螺旋铰刀8进入第三列旋风预热器的顶端旋风分离器506的进料口。

[0062] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。