本发明涉及碳减排，特别是涉及一种低碳原料制备高活性scm材料的系统及方法。
背景技术：
1、水泥生产消耗大量自然资源，同时排放大量二氧化碳。水泥工业是我国第三大二氧化碳排放来源，碳排量约占全国工业碳总排量的13％。2022年我国水泥产量高达21.18亿吨，二氧化碳排放约13亿吨。因此，国内水泥工业的碳减排关乎碳达峰、碳中和战略目标的实现。为此，学术界和工业界提出并采取了各种节能减排的策略，如减少混凝土中水泥用量、降低水泥中熟料系数、减少水泥熟料生产过程中的碳排放、采用新型生物质燃料、碳捕集利用与储存等。
2、现有通用水泥以普通硅酸盐水泥为主，其主要矿物组成为c3s、c2s、c3a、c4af等，通过加水搅拌发生水化反应制成胶凝材料。普通硅酸水泥的原料以石灰石为主，生产1吨普通硅酸盐水泥熟料需消耗约1.2吨石灰石，产生约500kg co2排放，占水泥生产过程总碳排放的60％左右。为了减少水泥生产碳排放，开发新的可碳化的低钙低碳水泥品种是一个重要途径，一方面减少碳酸钙的原料消耗，另一方面水泥碳化过程中可捕集部分co2。然而，由于可碳化的低碳水泥主要应用在混凝土制品行业，这严重制约了该技术的推广应用。因此，若将可碳化的新型低碳熟料制备成高活性的辅助胶凝材料，将其用于水泥和混凝土中，使得制备的水泥和混凝土变成负碳的水泥和混凝土，那么就解决了可碳化新型低碳水泥的应用范围，这也将成为水泥工业减少碳排放的有效路径之一。
3、目前，关于可碳化低钙低碳水泥的报道绝大多数还处于实验室研究阶段。美国索利达技术公司在international cement review杂志发表的low-co2 synthetic scms中提到，使用可碳化矿物为主的低碳熟料在浆体或者半湿状态下通入含二氧化碳的工业尾气制备scm材料的报道，其所使用的低碳熟料主要以cs和c3s2为主，这两种矿物基本不与水发生水化反应，但是可以与二氧化碳发生碳化反应，生成方解石和非晶态二氧化硅。索利达公司的文献中提到了其制备的scm中含有较多的方解石产物。然而gb175-2021《通用硅酸盐水泥》标准中对水泥烧失量具有明确的要求，如果scm掺量为30％，充分碳化大约可以形成15％方解石。由于pⅱ型硅酸盐水泥要求石灰石含量≤5％，硅酸盐水泥(pⅰ和pⅱ)要求烧失量分别小于3.0％和3.5％，而普通硅酸水泥要求po烧失量≤5.0％，同样在gb/t1596-2017《水泥和混凝土中的粉煤灰》标准中对作为混合材的烧失量要求≤8.0％，这严重限制了充分碳化后制备的scm材料的掺量范围。
4、低碳水泥在碳减排领域有广阔的应用前景，关于低碳水泥的工业级碳化方法及碳化系统目前尚未见报道。目前研究相对较多的是关于钢渣的碳化，中国专利公开号cn113072311a公开了一种钢渣辅助性胶凝材料及其制备方法和应用，其提到了将工业尾气用于碳化钢渣微粉，并在粉磨过程通入含有二氧化碳浓度为20％的工业尾气。但由于粉磨设备容积有限，烟气在磨机内的停留时间较短，仅仅通过磨机内部进行碳化反应，难以对钢渣充分碳化，且碳化过程不可控。中国专利公开号cn214571715u公开了一种尾砂土试块碳化钢渣加热加压装置，其通过温度和二氧化碳气体压力的控制，使得碳化速率显著提高，大大加快了反应进程，提高钢渣和二氧化碳的综合利用。但由于加压系统受到压力容器体积和进料方式的限制，该加压碳化方式在工业上难以大型化，且难以连续生产。
5、综上所述，现有技术存在的问题是：
6、(1)目前常用的水泥原料中碳酸钙占比大，生产过程产生大量的碳排放。
7、(2)低钙型低碳水泥可减少碳酸盐比例，降低碳排放，但若不经过碳化处理提高活性，会导致应用范围相对较窄。
8、(3)现有的加压碳化方法难以满足生产运行大型化、生产过程连续运转的需求。
9、(4)现有的磨机内碳化方法反应停留时间短，碳化反应不充分，碳化过程不可控，碳化后的材料活性低，且不能对烟气co2充分捕集。
10、因此，在全球碳减排形势下，亟需开发一种适用于工业规模化连续生产、原料碳排放低、碳化率高、碳化后的scm材料活性高的新工艺方法。
技术实现思路
1、本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种低碳原料制备高活性scm材料的系统及方法，实现了降低原料碳酸盐的消耗以及烟气co2的捕集，从而降低了碳排放。
2、本发明是这样实现的，一种低碳原料制备高活性scm材料的系统，包括水泥烧成系统、熟料粉磨系统、低压悬浮碳化床系统、袋收尘器和引风机；
3、所述水泥烧成系统包括依次连接的窑尾预热预分解系统、回转窑和篦冷机；所述篦冷机的物料出口与熟料粉磨系统的物料入口连接，所述窑尾预热预分解系统的窑尾烟气出口与熟料粉磨系统的烟气入口连接，所述熟料粉磨系统的粉状物料出口与低压悬浮碳化床系统的物料入口连接；
4、所述低压悬浮碳化床系统包括风管、悬浮碳化床和喷水系统，所述风管位于悬浮碳化床下方，风管底部为烟气入口，所述窑尾预热预分解系统的窑尾烟气出口通过除尘器与风管的烟气入口连接，所述低压悬浮碳化床系统的物料入口设置在风管或悬浮碳化床上，使粉状物料在烟气带动下向上运动，所述风管顶端与悬浮碳化床底端连接，连接部位设喷腾管道，使出窑尾预热预分解系统并经除尘后的净烟气向上喷入悬浮碳化床内；所述悬浮碳化床的下部设置若干支喷枪，并位于喷腾管道上方，所述喷水系统出口与喷枪入口连接，使水溶液以雾滴形式喷入悬浮碳化床内，悬浮碳化床内烟气中水蒸气形成水蒸气-水滴临界饱和状态，物料表面形成液膜；
5、所述悬浮碳化床的出口与袋收尘器的烟气入口连接；所述袋收尘器的物料出口连接高活性scm材料成品处，或分别连接高活性scm材料成品处和低压悬浮碳化床系统的物料入口，袋收尘器的烟气出口连接引风机入口。
6、在上述技术方案中，优选的，所述悬浮碳化床包括从下至上依次连接的喷腾管道、碳化床椎体和碳化床柱体；所述喷腾管道为竖直管道，喷腾管道内部设置有用于使烟气分布均匀的导流装置。所述导流装置为导流板、格栅或导流环。
7、在上述技术方案中，进一步优选的，所述碳化床椎体处设置有超声波发生器。
8、在上述技术方案中，优选的，所述悬浮碳化床与袋收尘器之间设置有二次控温混合室，二次控温混合室用于提升出悬浮碳化床烟气的温度、降低烟气的湿度；所述二次控温混合室具有入口一、入口二和出口，所述悬浮碳化床的顶部出口与二次控温混合室的入口一连接，所述窑尾预热预分解系统的窑尾烟气出口通过除尘器与二次控温混合室的入口二连接，二次控温混合室的出口与袋收尘器的烟气入口连接。
9、在上述技术方案中，进一步优选的，所述二次控温混合室的出口管道上设有测温装置。
10、在上述技术方案中，进一步优选的，在二次控温混合室与袋收尘器之间设置选粉分离装置，二次控温混合室的出口与选粉分离装置的烟气入口连接，所述选粉分离装置的底部物料出口连接低压悬浮碳化床系统的物料入口，选粉分离装置的顶部烟气出口与袋收尘器的烟气入口连接。
11、在上述技术方案中，更进一步优选的，所述选粉分离装置为选粉机或旋风筒，用于将物料中粗粉和细粉分离。
12、在上述技术方案中，更进一步优选的，所述选粉分离装置底部物料出口的料管上依次设锁风阀和分料阀，所述选粉分离装置的底部物料出口通过分料阀还连接至高活性scm材料成品处，使出选粉分离装置的粗粉可分别进入悬浮碳化床和高活性scm材料成品处。
13、在上述技术方案中，优选的，所述袋收尘器内设有竖直放置的滤袋，袋收尘器内还设置有用于将滤袋表面粉饼定期清扫的压缩空气吹扫装置。
14、一种低碳原料制备高活性scm材料的方法，包括如下步骤：
15、s1、原料配料及熟料烧成
16、将硅质原料、钙质原料、石膏、矿化剂按照一定的比例粉磨成生料，再将生料经过窑尾预热预分解系统预热分解后送入回转窑内煅烧，所述回转窑内煅烧温度为1100-1300℃，煅烧完成的熟料送入篦冷机冷却后，获得低碳水泥熟料。
17、s2、熟料粉磨
18、将低碳水泥熟料颗粒输送至熟料粉磨系统中，同时将出窑尾预热预分解系统的窑尾烟气引至熟料粉磨系统，出窑尾预热预分解系统的窑尾烟气中含有25％～35％浓度的co2，经粉磨后制成低碳水泥熟料粉，低碳水泥熟料粉的平均粒径小于200μm。
19、s3、碳化制备高活性scm材料
20、悬浮碳化：
21、出窑尾预热预分解系统并经除尘后的净烟气经风管的烟气入口通入，出窑尾预热预分解系统并经除尘后的净烟气温度为100～150℃、co2浓度为25％～35％；净烟气向上运动，经喷腾管道喷入悬浮碳化床内；同时将温度≤60℃、平均粒径小于200μm的低碳水泥熟料粉分散喂入风管或悬浮碳化床内，使在气流曳力作用下物料悬浮于净烟气中；悬浮碳化床内压力为0～-3000pa，悬浮碳化床内截面平均风速为3～10m/s；同时将水或碳化助剂水溶液通过喷枪以雾滴形式喷入悬浮碳化床内，使烟气中水蒸气形成临界饱和状态；水蒸气在物料表面形成液膜，烟气中co2溶解到液膜中与物料发生碳化反应；
22、粗粉循环和成品收集：
23、出悬浮碳化床的烟气携带物料在引风机的抽风下进入袋收尘器，物料被收集后，一部分返回低压悬浮碳化床系统进行循环碳化，一部分引至高活性scm材料成品处；或，全部引至高活性scm材料成品处。
24、在上述技术方案中，优选的，所述硅质原料中sio2的含量≥50％，钙质原料中cao的含量≥35％，所述石膏为脱硫石膏、磷石膏、天然石膏的中的一种，所述矿化剂为萤石、氟化钙、硼砂、硼酸中的一种或任意两种的组合。
25、在上述技术方案中，优选的，所述低碳水泥熟料的矿物组成包括：α′-c2s、c4a3$、c5s2$、cs、β-c2s，其中α′-c2s和β-c2s的含量之和占低碳水泥熟料总质量的40％以上，c4a3$和c5s2$的含量之和占低碳水泥熟料总质量的20％以上，cs的含量占低碳水泥熟料总质量的20％以上，其余部分为玻璃相。
26、在上述技术方案中，优选的，所述悬浮碳化过程中，悬浮碳化床底部增设超声波振动。
27、在上述技术方案中，优选的，所述碳化助剂水溶液中，碳化助剂为木质素磺酸盐类、多环芳香族盐类、水溶性树脂磺酸盐类、醇氨有机物类中的一种或任意两种的组合。
28、在上述技术方案中，优选的，出悬浮碳化床的烟气携带物料先进入二次控温混合室与部分出窑尾预热预分解系统并经除尘后的净烟气混合，之后再进入选粉分离装置；出二次控温混合室的烟气温度控制在70～100℃。
29、在上述技术方案中，进一步优选的，出二次控温混合室的烟气携带物料先进入选粉分离装置，物料中的粗粉被收集后从选粉分离装置底部排出，部分返回低压悬浮碳化床系统进行循环碳化，部分引至高活性scm材料成品处；细粉则随烟气从选粉分离装置顶部排出进入袋收尘器，烟气穿过滤袋，过滤风速为0.5～1.5m/min，使细粉在滤袋表面形成粉饼，烟气中co2穿过粉饼的过程中继续与物料发生碳化反应，并定期吹扫压缩空气将粉饼清扫，从袋收尘器收集的粉料为碳化微粉材料，引至高活性scm材料成品处。
30、本发明具有的优点和积极效果是：
31、(1)本发明设置低压悬浮碳化床系统，实现了悬浮碳化床内气固流态化混合提升了碳化反应速率，且悬浮碳化床内低压工况环境为连续生产创造了条件；并通过将碳化助剂水溶液喷入悬浮碳化床后以雾滴分散附着于颗粒表面形成液膜，液膜作为碳化反应气固传质桥架，可加快碳化速度；同时，悬浮碳化床内喷入水或带晶型控制剂的碳化助剂水溶液，促进了水或晶型控制剂对颗粒表面的全覆盖，降低了方解石的生成，增加不定形碳酸钙，提升了scm材料的活性。
32、(2)本发明通过引入水泥烧成系统出窑尾预热预分解系统并经除尘后的窑尾烟气二次控温解决了碳化过程喷水或碳化助剂水溶液造成出悬浮碳化床内烟气露点下降结露的问题，提升了悬浮碳化床内喷水量，有利于进一步碳化；且引入水泥烧成系统出窑尾预热预分解系统并经除尘后的窑尾烟气二次控温的同时增加了co2浓度，有利于后续管道和袋收尘器内沿程碳化；并通过袋收尘器收尘时使细粉附着于滤袋表面，co2气体穿透滤袋过程中可对细粉继续碳化。
33、(3)本发明的水泥烧成系统排出的窑尾烟气，一部分直接进入熟料粉磨系统，另一部分窑尾烟气经除尘后分为两股，一股喷入低压悬浮碳化床系统，另一股进入二次控温混合室，可对窑尾烟气中的co2充分捕集，降低烧成系统碳排放。
34、(4)本发明的悬浮碳化床底部设超声波发生器，通过高频声振减少颗粒团聚，有利于后续的一系列操作。
35、(5)本发明通过选粉分离工序将粗粉返回低压悬浮碳化床系统，避免了粗粉比表面积小、碳化程度低的问题，实现了循环碳化，循环碳化提升了碳化率。
1.一种低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：包括水泥烧成系统、熟料粉磨系统、低压悬浮碳化床系统、袋收尘器和引风机；
2.根据权利要求1所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述悬浮碳化床包括从下至上依次连接的喷腾管道、碳化床椎体和碳化床柱体；所述喷腾管道为竖直管道，喷腾管道内部设置有用于使烟气分布均匀的导流装置。
3.根据权利要求2所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述碳化床椎体处设置有超声波发生器。
4.根据权利要求1所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述悬浮碳化床与袋收尘器之间设置有二次控温混合室，二次控温混合室用于提升出悬浮碳化床烟气的温度、降低烟气的湿度；所述二次控温混合室具有入口一、入口二和出口，所述悬浮碳化床的顶部出口与二次控温混合室的入口一连接，所述窑尾预热预分解系统的窑尾烟气出口通过除尘器与二次控温混合室的入口二连接，二次控温混合室的出口与袋收尘器的烟气入口连接。
5.根据权利要求4所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述二次控温混合室的出口管道上设有测温装置。
6.根据权利要求4所述的低碳原料制备高活性碳化材料的系统，其特征在于：在二次控温混合室与袋收尘器之间设置选粉分离装置，二次控温混合室的出口与选粉分离装置的烟气入口连接，所述选粉分离装置的底部物料出口连接低压悬浮碳化床系统的物料入口，选粉分离装置的顶部烟气出口与袋收尘器的烟气入口连接。
7.根据权利要求6所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述选粉分离装置为选粉机或旋风筒，用于将物料中粗粉和细粉分离。
8.根据权利要求6所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述选粉分离装置底部物料出口的料管上依次设锁风阀和分料阀，所述选粉分离装置的底部物料出口通过分料阀还连接至高活性scm材料成品处，使出选粉分离装置的粗粉可分别进入悬浮碳化床和高活性scm材料成品处。
9.根据权利要求1所述的低碳原料制备高活性scm材料的系统，其特征在于：所述袋收尘器内设有竖直放置的滤袋，袋收尘器内还设置有用于将滤袋表面粉饼定期清扫的压缩空气吹扫装置。
10.一种采用权利要求1至9任一项所述系统进行低碳原料制备高活性scm材料的方法，包括如下步骤：
11.根据权利要求10所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：所述硅质原料中sio2的含量≥50％，钙质原料中cao的含量≥35％，所述石膏为脱硫石膏、磷石膏、天然石膏的中的一种，所述矿化剂为萤石、氟化钙、硼砂、硼酸中的一种或任意两种的组合。
12.根据权利要求10所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：所述低碳水泥熟料的矿物组成包括：α′-c2s、c4a3$、c5s2$、cs、β-c2s，其中α′-c2s和β-c2s的含量之和占低碳水泥熟料总质量的40％以上，c4a3$和c5s2$的含量之和占低碳水泥熟料总质量的20％以上，cs的含量占低碳水泥熟料总质量的20％以上，其余部分为玻璃相。
13.根据权利要求10所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：所述悬浮碳化过程中，悬浮碳化床底部增设超声波振动。
14.根据权利要求10所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：所述碳化助剂水溶液中，碳化助剂为木质素磺酸盐类、多环芳香族盐类、水溶性树脂磺酸盐类、醇氨有机物类中的一种或任意两种的组合。
15.根据权利要求10所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：出悬浮碳化床的烟气携带物料先进入二次控温混合室与部分出窑尾预热预分解系统并经除尘后的净烟气混合，之后再进入袋收尘器；出二次控温混合室的烟气温度控制在≥90℃。
16.根据权利要求15所述的低碳原料制备高活性scm材料的方法，其特征在于：出二次控温混合室的烟气携带物料先进入选粉分离装置，物料中的粗粉被收集后从选粉分离装置底部排出，部分返回低压悬浮碳化床系统进行循环碳化，部分引至高活性scm材料成品处；细粉则随烟气从选粉分离装置顶部排出进入袋收尘器，烟气穿过滤袋，过滤风速为0.5～1.5m/min，使细粉在滤袋表面形成粉饼，烟气中co2穿过粉饼的过程中继续与物料发生碳化反应，并定期吹扫压缩空气将粉饼清扫，从袋收尘器收集的粉料为碳化微粉材料，引至高活性scm材料成品处。
