CN101466461A - 用于矿物煅烧的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种矿物煅烧系统和方法。该系统包括：垂直设置的反应器段，其构造为向沿垂直方向通过反应器段的颗粒施加水平力；用于接收颗粒原料的注入器单元，该注入器单元设置在反应器段顶部，由此原料颗粒在蒸汽力、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过反应器段；与反应器段的壁热连接的反应器热交换单元，其用于经由透过反应器段壁的传热向反应器段内部的流动颗粒供热；一个或多个形成于反应器段中的入口，其用于将过热气体引入反应器段以建立气－固多相系统环境；以及一个或多个形成于蒸馏段的出口，以使气体产物在由入口至出口的过热气流作用下至少部分从反应器段中排出。

Description

用于矿物煅烧的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及一种矿物煅烧系统和方法。
背景技术
煅烧例如金属碳酸盐之类的岩石和矿石材料以产生其氧化物形式是温室气体排放的主要来源。目前使用的煅烧器通常是对其总能量效率进行优化的垂直炉。与每吨3.18GJ的热力学极限相比，典型的垂直炉在最佳实践状态下以每吨石灰消耗3.6GJ来煅烧石灰石。这些垂直炉已普遍代替更早的低效率水平旋转炉。用于特别用途的其它炉包括流化床反应器和循环流化床反应器。
二氧化碳排放
已经认识到煅烧是主要的温室气体产生源，其占来自人类活动的所有排放的2.5％。煅烧碳酸盐会固有地产生二氧化碳，而通常用以供热的燃烧过程也会产生二氧化碳。两种过程的质量平衡和能量平衡证实，每吨石灰石产生0.44吨二氧化碳，而产生3.18GJ热的LPG的燃烧产生另外0.21吨二氧化碳，这使得在理想条件下生产每吨石灰总共排放出0.65吨二氧化碳。非理想条件会产生明显更多的二氧化碳。
在目前广泛用于生产石灰和矿渣的煅烧过程中，来自固有反应和燃料燃烧的二氧化碳在煅烧器中产生，并作为污染物排放到大气中。出于下述事实，这种排放难以缓解：二氧化碳还与氮气和其它燃料气体相混合，因此需要分离这些气体的高成本步骤作为碳俘获的第一步。工业界目前处于尽可能减少二氧化碳排放的巨大压力之下，而从氮气和大多数其它气体中分离二氧化碳目前是不经济的。
采用传热的反应器
已有大量的替代性过程可用作改进的、环保的煅烧过程的基础。一种方法是通过使用传热来将所进行的燃烧和煅烧过程分离，从而避免从燃料气体中分离由煅烧反应释放的二氧化碳的需要。Saddy等(WO97/01615)描述了一种热辐射炉，其中使用外部热源通过辐射传热来加热煅烧器的内容物。在其系统中，原料作为受例如位于所述炉最下端部分的旋转阀控制并具有长停留时间的材料堆而被投料入煅烧器中。该方法具有降低煅烧器中二氧化碳浓度的额外的有益效果，因此可以部分抑制二氧化碳对反应的淬灭作用。这种淬灭是被广泛研究的问题，例如在E.Cremer，Z.Electrochem，66，第697-702页(1962)中所报道般。降低二氧化碳浓度使煅烧过程在较低温度进行。
然而，使用外部热源可能会耗费能量。在使用内部燃烧的传统炉中，向材料有效传热，而且通过将余热小心地返回至原料和燃料而将来自燃气的热损失降至最少。最佳实施状态通常为20％的热损失。燃料成本通常占炉子运行成本的大部分。如果采用燃烧器提供外部热源，则热损失相当可观，达到30％的量级，Shah等(美国专利7,025,940)公开了一种被称为无焰分布式燃烧(Flameless Distributed Combustion，FDC)，其中燃料的燃烧本质上作为均匀化学反应进行。要求是将例如天然气、乙醇、柴油或生物柴油之类的燃料与已被加热的空气相混合，因此加热器部分中的温度高于自燃温度。为实现均匀的温度，反应器中的燃烧速率必须慢于气体的混合时间，并且使用多个注入点。可以通过在燃料加热部分注入CO2和蒸汽来抑制该部分中因热裂解导致的碳的形成。据称，FDC的传热效率高达95％。均匀性确保了在热交换表面上不会形成热点。因此，在外部加热煅烧器中使用FDC可能比目前采用内部燃烧的传统炉的最佳实践更有效。与火焰温度相比，该系统温度较低，这使得NOx和CO的产生非常少。FDC还可以通过将多孔材料加入到燃烧器中来实现，由此在微米尺度上实现导致FDC能量效率的热回馈。采用多孔材料的益处在于优化了由燃烧器至反应器表面的辐射传热。
蒸汽的催化作用
在煅烧中使用过热蒸汽是由Niles(美国专利1,798,802，1931年授权)提出的，他描述了其中过热蒸汽与位于炉内的燃料反应产生一氧化碳的方法。Walker(美国专利2,068,882，1937年授权)提出使用过热蒸汽代替真空用于通过电加热进行的煅烧。Vogel(美国专利2,784,956，1957年授权)改进了该方法。这些方法的特征在于原料尺寸明显大于100微米，因此过热蒸汽的作用是作为氧化所导入燃料的反应物或者帮助在部分真空中向原料的传热。
Maclntyre和Stansel，Ind and Eng Chern 45，1548-1555(1953)，进行了石灰石和白云石的煅烧试验，并证实了在所使用的试验条件下石灰石的煅烧温度由在空气中的910℃降低至在过热蒸汽中的700℃，且白云石的煅烧温度由在空气中的690℃降低至在过热蒸汽中的550℃，因此提出了对于指定二氧化碳分压的催化作用。在他们的试验中，以一定速率将二氧化碳和蒸汽从系统中抽吸出，由此减少了逆反应的不利作用。Terry和McGurk，Trans Inst Mining and Metallurgy，103，C62-C68(1994)进行了差热分析试验，并提出过热蒸汽对石灰石的催化通过活化的碳酸氢钙中间体进行。Thompson等，Chem Eng Sd，50，1373-1382(1995)，使用动态X射线衍射(dynamic X-ray diffraction)来评价催化动力学，并证实了催化通过水分子在表面上的吸附进行，这种吸附削弱了二氧化碳的结合。他们显示了，催化效果随温度升高而增强，这种增强取决于过热蒸汽分压。
在传统炉中，原料尺寸明显大于100微米，并且通常更大(10至100mm)，因此所导入的过热蒸汽的催化作用被原料石块内较慢的传热和传质过程所掩蔽，在传统炉中，过热蒸汽用作燃烧反应物或协助传热，因此其对煅烧速率的影响很小。
Horley(AU 199477474 A1和AU 2002301717A1)描述了一种利用蒸汽催化的批量煅烧器，这样可以在投料穿过过热蒸汽而重力下落时进行磨碎颗粒投料的煅烧。该方法的产量受限，因为反应所需的化学能由蒸汽热能提供。为将Horely的方法应用于连续过程，所需的蒸汽进给率将是过量的。
煅烧器中颗粒的使用
Wicke和Wuhrer(美国专利3,991,172，1976年授权)提出无需过热蒸汽且具有秒数量级的快速加热和冷却的细磨石灰石(尺寸<100微米)的煅烧可得到高度活化的石灰(例如由冷却石灰与水的反应所测定的)，这是由于产物晶格结构中的高密度化学缺陷。如果停留时间太长，则这种反应性将会失去，这是因为材料在高温下以类似于退火的过程开始重新构造以消除化学缺陷。Kato和Nakazawa(美国专利号5,653,948，1997年授权)认识到制造尺寸为1至100微米的精细煅烧反应性石灰的益处，并描述了一种在流化床煅烧器中生产煅烧产品的方法，其将100至1500微米的原料破碎为上述尺寸。
流化床反应器
流化床反应器通常这样操作：通过流动相的浮力来平衡作用于颗粒上的重力。然而，该方法通常不适于煅烧30至150微米的细磨原料，因为颗粒被带入到合理气流所产生的气体中。存在这类反应器的变体，即循环流化床反应器，其中利用提升器和下降器(其中任一种可以是反应器的集成部分)使颗粒通过反应器系统气动循环。该方法用在例如石油催化裂解之类的工业过程中。然而，由于颗粒在部分流体流出之前将循环多次，因此这些反应器有较长的颗粒停留时间分布。这对于其中颗粒用作催化剂的情况是适宜的，但当产物特性对停留时间敏感例如它们将烧结时，则循环是不理想的。
快速煅烧器
存在本领域已知的使用研磨颗粒作为原料的快速煅烧器(flashcalciner)。这些系统可以具有比传统炉更短的停留时间。然而，在这些系统中，由于使用在煅烧器内部的燃烧器，颗粒通常被带入到燃烧气体中，因此对于标准炉而言，煅烧器的输出物是燃烧和煅烧气体的混合物，并排放至大气中。在快速煅烧器的另一个例子中，来自煅烧器中煅烧气体的离心力用于保持反应器中的颗粒。这些方法在可能缩短煅烧器中停留时间的同时，仍具有以上概述的许多问题，并导致与传统煅烧相同的净环境影响。
现有技术中描述了粉堆形式的颗粒煅烧。Ward和Todd-Davies(GB2043219)描述了一种煅烧器，其中通过将燃烧气体喷入这种颗粒移动堆中的喷射枪来加热粉堆。该反应器受燃烧气体喷射速率的限制，否则其会将颗粒带入到气体中并随燃烧气体而排放。因此，颗粒在这种煅烧器设计中的停留时间相对长。如上所述，排放气体含有燃烧气体和煅烧气体，因此该方法与传统煅烧一样存在负面的环境影响。
因此需要提供一种寻求克服至少一个上述问题的矿物煅烧方法和系统。
至少本发明的优选实施方式寻求满足下述需要：在限制颗粒停留时间并尽可能减少环境影响的反应器系统中快速煅烧颗粒材料。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种矿物煅烧系统，该系统包括：垂直设置的反应器段，其构造为向沿垂直方向通过反应器段的颗粒施加水平力；用于接收颗粒原料的注入器单元，该注入器单元设置在反应器段顶部，由此原料颗粒在蒸汽力(force of steam)、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过反应器段；与反应器段的壁热连接的反应器热交换单元，其经由透过反应器段的壁的传热向反应器段内部的流动颗粒供热；一个或多个形成于反应器段中的入口，其用于将过热气体引入反应器段以建立气-固多相系统环境；以及一个或多个形成于蒸馏段中的出口(exhaust opening)，以使气体产物在由入口至出口的过热气流作用下至少部分从反应器段中排出。
反应器段可以包括一个或多个反应室和一个或多个与该反应室相连的气体颗粒分离器，该气体颗粒分离器利用因材料通过反应室而形成的涡流将气体产物与颗粒分离。
该系统可进一步包括串联连接的两个或更多个反应室及分别连接的气体-颗粒分离器，由此利用与一个反应室相连的气体-颗粒分离器从所述一个反应室中收集加工过的材料，然后将所述加工过的材料投入另一个反应室，并在所述另一个反应室中进一步加工后，利用与所述另一个反应室相连的气体-颗粒分离器收集。
至少一个气体-颗粒分离器可以包括用于加热所收集的材料以提供调整反应器功能的加热器单元。
与所述一个反应室相连的至少一个气体-颗粒分离器进一步包括用于在所述加热期间抽吸所收集的材料以抑制逆反应的抽吸单元。
反应器段可以包括与一个颗粒分离器相连的多个反应室。
反应器热交换单元可以采用无焰分布式加热，并且至少一个出口与该反应器热交换单元相连，以便将部分气体产物导入用于无焰分布式加热的燃料中，以帮助抑制热裂解。
反应器段可以包括一个或多个作为反应室的直管和一个或多个气体颗粒分离器，该气体分离器对颗粒施加水平力。
反应器段可以包括一个或多个分别成形为螺旋的螺旋管作为反应室。
出口可以包括形成于螺旋管内周内部的中心柱，由此该系统显示出相对于螺旋管中颗粒的气体产物逆流。
该系统可以进一步包括与注入器相连并设置在中心柱(centralcolumn)内部的输送管，其用于将颗粒由反应器段底部输送至注入器。
颗粒可以在过热气体的作用力下通过输送管输送，由此注入器用作将过热气体导入螺旋管中的入口或入口之一。
反应器热交换单元包括多孔无焰分布式加热单元，并且反应室、气体颗粒分离器、中心柱和输送管中的一种或多种浇铸在该多孔无焰分布式加热单元之中。
颗粒在反应器段中的停留时间少于约10秒。
颗粒的粒度分布为约40微米至约250微米。
根据本发明的第二方面，提供了矿物煅烧方法，该方法包括以下步骤：原料颗粒在蒸汽力、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过垂直设置的反应器段；对沿垂直方向通过反应器段的颗粒施加水平力；经由透过反应器段的壁的传热向反应器段内的流动颗粒供热；将过热气体引入反应器段中以建立气-固多相系统环境；以及在过热气流作用下将气体产物至少部分从反应器段中排出(flush)。
该方法可以进一步包括利用因材料通过反应室而形成的涡流将气体产物与颗粒分离。
该方法可以进一步包括将来自反应器段的一个反应室的加工过的材料投入该反应器段的另一个反应室。
该方法可以进一步包括加热所收集的材料以提供调整反应器功能(trimming reactor functionality)。
该方法可以进一步包括在所述加热期间抽吸所收集的材料以抑制逆反应。
该方法可以包括采用无焰分布式加热单元来加热反应器室的壁，并将部分气体产物导入用于无焰分布式加热的燃料中，以帮助抑制热裂解。
反应器段可以包括一个或多个作为反应室的直管和一个或多个气体颗粒分离器，该气体分离器对颗粒施加水平力。
反应器段包括一个或多个分别成形为螺旋的螺旋管作为反应室。
该方法可以进一步包括将颗粒气动输送至反应室顶部。
反应器热交换单元可以包括多孔无焰分布式加热单元，并且反应室、气体颗粒分离器、中心柱和用于输送颗粒的输送管中的一种或多种浇铸在该多孔无焰分布式加热单元之中。
颗粒在反应器段中的停留时间少于约10秒。
颗粒的粒度分布为约40微米至约250微米。
附图说明
仅通过举例方式，由以下文字描述并结合附图，本发明的实施方式对于本领域技术人员而言将是更好理解和容易显而易见的，其中：
图1显示了根据一个示例性实施方式的煅烧反应器的截面示意图。
图2显示了根据一个示例性实施方式的两段式煅烧反应器的截面示意图。
图3显示了根据一个示例性实施方式的煅烧反应器的等距截取视图的CAD图。
图4显示了根据一个示例性实施方式的两段式煅烧反应器的等距截取视图的CAD图。
图5显示了描述根据一个示例性实施方式的矿物煅烧方法的流程图。
具体实施方式
所述示例性实施方式提供了一种连续煅烧系统和方法。描述了具有许多特征的紧凑型反应器，其用于加快反应速率，以便使数秒(对应于颗粒在系统中的停留时间)内的所需反应程度为约96至98％完成度(96-98％complete)。首先，蒸汽的催化作用作用于颗粒的煅烧反应。此外，通过使用颗粒可以依次穿过的多个反应器段，由于在每段末端分离二氧化碳，从而降低了因二氧化碳再进入煅烧材料而导致的劣化作用而且之，通过在每个反应器段的入口注入过热蒸汽将二氧化碳从反应器中排出，从而降低反应器中的二氧化碳分压，这降低了反应器出口附近的二氧化碳分压。注入这种过热蒸汽，其初始气压高到足以催化反应并推动颗粒通过反应器。
所述实施方式提供了一种系统和方法，其利用了因过热蒸汽和小颗粒尺寸的催化效果以及使用过热蒸汽来进行气相传热所造成的更快速的化学动力学。然而，同时，所述实施方式设计为使主要的传热机制为由煅烧器壁直接到颗粒，这是两个主要因素的结果。即，因作用于颗粒上的强大离心力和气体与反应器管壁之间的摩擦力而造成的颗粒与气体之间的强相互作用的传热，以及源于颗粒的辐射加热的传热。通过螺旋管的颗粒流明显慢于流过等效直管的颗粒露，这不仅产生上述第一种传热机制所需的摩擦力，还控制穿过反应器的通过时间(transittime)以允许传热有效地进行。因此螺旋管比具有相同直径和长度的直管能处理更大的生产量。
每个反应器段出口处的颗粒的有效分离通过集成的气体颗粒分离器、并通过使用在反应器内的螺旋流来完成，因此在注入分离器单元之前形成有效分离所需的涡流运动。采用与旋风分离器相同的原理来实现分离器中的气流反向。即，基于旋风中的涡流的螺旋管反应器和气体-颗粒分离器的组合在集成反应器中良好运行。分离器所需的离心力在一个实施方式中可通过使用螺旋管作为反应室而实现，在另一个实施方式中可通过初始为直管且在靠近反应室的末端处弯曲以提供离心力的管路来实现。在另一个实施方式中，可使用作为反应室的螺旋管与靠近反应室末端有助于离心力的额外结构的组合。
在一个实施方式中，通过采用无焰式加热来实现有效率的能量使用，并通过使燃烧气体与煅烧器中的颗粒逆流流动来实现所需的温度分布。在一个实施方式中，燃烧气体通过对流和传导与反应器壁进行热交换。在另一个实施方式中，通过在无焰分布式加热中采用多孔介质来加强热交换，该多孔材料通过辐射提供传热。
在一个实施方式中，可由用于燃烧系统的多孔材料来浇铸反应器系统，并且通过不可渗透形式的相同材料的薄壁来使燃烧区和反应室之间不能进行气体传递。。在该系统中，管子的几何形状可由反应器顶部的直管变为底部的螺旋管。在另一实施方式中，多个这样的反应室可以浇铸为使其各向一个气体颗粒分离器中中进料。
图1显示了单段式垂直煅烧反应器10。标为11的原料由经过干燥、破碎和预研磨的岩石和矿石制成。通过带有破碎机和研磨机(未示出)的传统旋风系统(未示出)来实现平均尺寸为约40微米至约250微米的原料粒度分布。原料11收集在原料贮料斗12中，并在搅拌器14中与过热蒸汽13混合，然后通过输送管15气动输送至位于反应器顶部的注入器16，并于此处注入反应器管17之中。因此，注入器16既用作颗粒进入反应器管17的进料器，也用作过热蒸汽13进入反应器管17的入口。应当理解的是，在不同的实施方式中可以沿管17提供其它入口用于将过热蒸汽注入反应器管17。反应器管17成形为螺旋18，优选螺旋18成形为下述结构：该结构形成防漏中心柱20。螺旋18在沿垂直方向通过反应器10的颗粒上施加水平力。反应在反应器管17中进行至所需程度。过热蒸汽、产物颗粒和反应气体从管17的开口端32流出，并通入气体-颗粒分离器19。反应器管17和气体-颗粒分离器形成该示例性实施方式中的反应器段。气体运动被反转，并通过因在螺旋18中引起的离心力而在分离器19中形成的涡流来将气体排入中心柱20。应当理解的是，在不同的实施方式中可沿管17提供其它出口。在气体从反应器21顶部排出之前，中心柱20中的出口气体加热将被输送至注入器16的蒸汽13和原料1。可以通过在冷凝器29中冷凝蒸汽并压缩气体用于其它用途来对出口气体进行处理。产物颗粒22收集在贮料斗23中，并且使用热交换器30例如以用于产生蒸汽的水来快速冷却。反应器管17通过热源24来外部加热，并且反应器具有热绝缘体25以将热损失降至最低。
用于加热反应器管17的热源可以是电能、使用燃烧器的燃料燃烧、使用无焰分布式加热的燃料燃烧或由其它能源产生的热交换流体。在燃烧的情况下，来自燃烧气体的废热可以利用热交换器(未示出)来形成热再生系统的一部分。优选沿反应器管17的温度分布被控制为使沿管17的热负荷均匀。该热负荷不仅取决于温度，也取决于由反应性表面积、催化反应的蒸汽分压、以及反应产物气体在其与颗粒的逆反应中的分压、颗粒的速度以及热交换效率变化而演化的化学动力学。
系统100的参数，例如流向热交换器的热流、每个注入器处的原料注入速率和过热蒸汽注入速率、以及煅烧气体压力等均可通过参数的控制来设定，从而实现在贮料斗23底部流出的煅烧原料的所需转化。
过热蒸汽具有多重作用：
■形成气-固多相系统的初始环境。
■催化反应以使反应过程在原料颗粒于系统中的停留时间内完成。
■将二氧化碳从系统中排出以尽可能减少反应的淬灭。
■使得能够通过冷凝生成纯二氧化碳并从出口气体中去除。
■移走表面上的颗粒以避免形成颗粒团。
■提供注入无焰分布式加热器的气体源以控制在所需温度的反应速度。
原料11的进料速度这样选择：使得在任何时候煅烧反应器10中的固体材料的体积分数占体积的小部分，约10-3至10-4。因此反应器10在稀多相环境(dilute multiphase conditions)下运行，颗粒在蒸汽力和重力作用下作为集合颗粒流向下移动，并进一步被通过反应产生的气体加速。通过将反应器管17成形为螺旋18而制成的反应器对颗粒施加较大的离心力，从而产生较大摩擦，因此颗粒速度比等价直管中的颗粒速度要慢20％至40％。对于典型的注入速率，颗粒相流动是层流，而气相流动是湍流。较高的气体-颗粒摩擦产生沿反应器向下的压力，而这降低了沿管17的蒸汽和反应气体的分压，二者均影响反应速率。此外，高摩擦力同样增加气体和颗粒之间的热驰豫率，从而使反应受到由管17表面直接至颗粒及到气体的传热的驱动。对于辐射加热，尽管颗粒密度更高，但颗粒在螺旋18中的变缓提高了传热速率。气体-颗粒的强相互作用使得在螺旋18中不会出现颗粒的沉积，或者至少是显著减少。
颗粒在反应器10中的停留时间取决于重力导致的颗粒流、离心力、以及气体速率和压力。典型的条件为停留时间是数秒的量级。其快到足以限制颗粒的烧结。这种短停留时间是反应器系统10的特性，且停留时间的分布较小。
颗粒的集流运动有多个特征-在此称之为“颗粒流(granular flow)”以区分于未经历颗粒-颗粒相互作用的颗粒(即单独的颗粒，这在颗粒质量负载(以kgs-1表示)非常低的情况出现)的流动。这些特征包括煅烧器的颗粒质量负荷应当优选为足够高以使颗粒-颗粒碰撞比颗粒-壁碰撞的可能性更大。这由克努森数(Knudsen number)Kn来表征。对于提出的示例性实施方式设计，Kn为～0.1，其处于连续流和瞬变流的交界处。为进行良好的近似(approximation)，颗粒流将作为具有由颗粒-颗粒相互作用确定的流动模式的连续介质。
另一特征是，由颗粒所确定的流动模式通过雷诺数Re来确定(假设为连续流)，在提出的示例性实施方式设计中，颗粒流的Re为～200，这对应于层流。即，流动模式优选为不是湍流，或者不处于湍流过渡区。另一方面，气流的雷诺数为3×105的量级，其是湍流。层流是“颗粒流”的特征。
另一特征为颗粒质量负荷(granule mass loading)应当优选超过气体质量负荷(gas mass loading)(考虑反应产生的气体)。这意味着颗粒流将不受气流支配-因此颗粒将不会以单独颗粒被气流携带并在反应完成前从反应器中排出。如果气体质量负荷太小，则管中的颗粒流往往会“盐析”而出并聚集在管底部。沉积(saltation)是集流颗粒运动的结果。示例性实施方式中的螺旋系统建立了其中颗粒以沉积速度通过螺旋的模式，该沉积速度是本设计中气体速度的约～20％。力的平衡优选为无论速度是否不匹配(不发生聚集)，均使颗粒保持悬浮在螺旋中。单个颗粒(即非集中运动)将以大致气体速度穿过螺旋，并且将不会有充分的停留时间以进行煅烧。
过热蒸汽压力保持为稍微正量(slight positive gauge)，因此系统中的空气夹带和过热蒸汽损失均降至最低。通常，注入器16处的蒸汽注入压力为1至2巴，出口21处的压力为0.2至0.5巴(气体-颗粒摩擦的结果)。出口21通过热交换器、冷凝器或机械泵29或其组合的作用来进行抽吸，由此出口气体压力升高至>1巴，从而完全排除了在出口处进入系统的入流或空气。或者，可提高注入时的蒸汽压力以使出口处的压力超过1巴。搅拌器14中的过热蒸汽压高于注入器16，以提供通过气动输送机15来将原料升高穿过反应器10所需的压力。
反应器10中的气压以多种方式影响效率。首先，对于注入器16处(在这里气体是蒸汽)的压力来说有利的是，该压力相对高以使蒸汽的催化作用得到优化并使该压力足以帮助维持螺旋18中的颗粒和气体流。其次，为进一步减小逆反应的劣化效果，靠近出口21的气压应当优选相对低以尽可能减少逆反应的作用。由颗粒的离心力引起的气体-颗粒摩擦导致反应器10中的压降，由此尽可能增大这种有益压力的分布。
气体-颗粒分离器19优选不仅具有较高的颗粒收集效率，还收集煅烧爆裂产生的更小颗粒。通常，该系统对于大于约5微米的所有颗粒具有约100％的效率。
过热蒸汽的流速设定为使煅烧程度最大。在图1中，蒸汽与颗粒移动方向相同，因此蒸汽在反应器10顶部处对反应速率有最大作用，随着蒸汽被反应气体稀释以及压力由于沿管17的摩擦而下降，该作用效果沿反应器10下降。
在逆反应的作用可以使反应器将材料煅烧至例如50％完成度的情况下，在不同的示例性实施方式中可使用多段反应器系统。参考图2，在两段式反应器系统200中，颗粒在第一反应室204的第一分离器202中与蒸汽和反应气体分离，然后将该颗粒注入到第二段反应室206中，由注入器208注入新鲜的过热蒸汽，此时反应在第二反应室206中进行至例如90％完成度。明确的是，煅烧反应速度将随着转化提高而降低，这是因为颗粒内部的反应区域的表面积减少。在该反应器设计中，通过升高靠近颗粒出口的温度而对此进行补偿。在一些情况下，通过下述方式可以实现月98％的最终反应程度：采用热源212来加热第一贮料斗210中的颗粒以用作调整反应器，并用机械泵214抽吸第一贮料斗210以抑制逆反应。在此调整器(trimmer)中的停留时间应当尽可能短以减少烧结作用。这同样强调优选能控制沿反应器的温度分布的重要性。然后将产物颗粒收集在最终贮料斗216中，并使用热交换器218快速冷却。
回到图1，通过热交换器27来预加热贮料斗12中的原料11和注入一些过热蒸汽28能够去除原料11中残留的空气。因此出口气体21主要包括反应气体(通常为二氧化碳)和过热蒸汽。冷凝器29从气体中去除过热蒸汽，净化该气体以去除携带的灰尘和从原料11中释放出的有害含硫气体，并抽吸出口气体21。另外可选地，在冷凝器之前去除灰尘并装袋。残留气体基本上是纯二氧化碳，其可被压缩并保存以用于包括例如螯合在内的碳俘获工艺的用途。
在所述实施方式中实施的这种工艺避免了通常与从含有氮气、未燃烧的氧气和过热蒸汽的传统燃烧型煅烧器中分离二氧化碳的工艺有关的高成本。这种碳俘获特征使该煅烧方法具有与传统煅烧过程相比优选的区别特征之一。例如压缩和螯合等后续步骤的成本与大多数碳俘获方法相近。
在这种传输中颗粒的温度优选保持足够低以确保蒸汽催化的煅烧反应和蒸汽热导致的烧结降至最小，且蒸汽的吸收最大化，同时蒸汽温度保持足够高以使蒸汽不会冷凝。
通过加热反应器管17的外壁而将煅烧器壁温度保持在所需的煅烧温度。当使用多个反应室时，每个室的温度可以不同，并且每个室可以在温度梯度下运行。有多种方法实现外部加热，而外部加热系统的设计在本领域中是已知的。螺旋18提供了较大的外表面积，而温度控制向系统提供了均匀的热负荷。优选热负荷小于50kWm-2。当使用分布式无焰加热时，通过下述方式实现对热裂解的抑制：经由与出口21相连的连接管31来将一部分煅烧器出口气体引入外部加热系统24的燃料中，以控制生热速率。
例如，通常希望的是靠近煅烧反应器10底部的温度高于顶部的温度。在注入器16附近，CO2分压较小，而反应速度壁底部快，因此为实现恒定的热负荷，顶部温度可低于底部。这可通过在底部附近注入燃料来实现，由此在外部加热系统24中的气流与管17中的气体和固体流逆向流动。在另一示例系统中，通过下述方式来用电发热：在管17上部和下部之间施加电压，并提供电流以通过管17的电阻来对其进行加热。在另一示例系统中，通过围绕管17外表面排列的燃烧器来产生热以产生沿反应器管17的所需温度分布。在另一示例系统中，通过热交换器，由例如压缩二氧化碳之类的热交换流体来供热。在另一示例中，使用氧气代替空气。可以使用这些系统的组合。
反应器管17被描述为具有圆形横截面的管。然而，也可以使用其它形状。例如，对相同横截面而言，具有方形或矩形横截面的管具有更大的表面积，并且更容易将螺旋盘绕连接在一起形成防漏中心柱20。如果通过将结构弯曲来形成螺旋18，则所弯曲的形状的横截面通常会变形。这样的结构具有更高的传热系数，这不仅仅是因为更大的面积，还特别是因为气体具有更多的湍流，由此得到更高的传热。优选高弯曲半径与管直径之比，但该设计将可以适应允许进行标准管的热或冷弯曲的比率，另外一种方式，当在加热系统24的实现中使用多孔材料时，管或多根管可浇铸到多孔材料中。相似地，气体-颗粒反应器、中心柱和输送器15中的一个或多个可浇铸到多孔材料中。
反应器10的质量相对小，因此与现有煅烧器相比其热响应时间较快。质量主要由管17的长度和厚度决定。尽管管17的厚度优选尽可能小，但优选的是其厚度足以承受因其与颗粒的相互作用而导致的磨损。因此，加工条件几乎可以即时调整以适应原料11中的变化，例如表面积和多孔性的变化，或者煅烧产物规格的变化。短停留时间允许对产物进行测量以反馈至加工参数，从而响应原料11和其它参数的变化而保持具体产物的规格。这可通过放松岩石规格来自身证明，并增加对煅烧可接受的岩石中变化的承受能力。为有助于这种控制，例如x射线分析系统之类的测量系统可用于实时测量煅烧产物的性质，而生成的CO2可用于监测总体煅烧操作。这种快速响应特征例证了所述实施方式在矿物加工中处理实际问题的灵活性。
管17的材料的另一优选属性是其优选具有尽可能高的热辐射系数，因为主要传热方式之一是辐射加热。为使辐射加热占主导，也优选高的颗粒热辐射系数。大多数碳酸盐矿物具有较高的热辐射系数。
反应器10可保持为待机状态，其中原料10被关闭，而过热蒸汽13流减少。通过热交换器(未示出)可以将贮料斗12中的固定原料11保持在足够高的温度，从而允许从该待机模式中快速重启。待机能力允许以最短的停工时间来清洗和检修反应器10。当如下所述例如在多喉煅烧器模块中使用多个反应器时，该能力允许任意组合的反应器运行，而其它反应器待机或关闭。
在所述实施方式中，每个反应器段中的过热蒸汽流速和过热蒸汽温度以及过热蒸汽压力可用于调整反应器的性能以提供所需的转化度。
对于能量管理，所述反应器是回热式设计，其中反应器10顶部的气体中所含的热和从贮料斗23处的煅烧原料中提取的热用于加热原料11、干燥岩石和加热锅炉用水等。这些系统中的热管理在本领域中被理解为实现最高效率。用出口气体来加热原料11已在现有煅烧器中实现，而所需的冷凝器和压缩机的运行条件、干燥方法、矿石破碎并研磨为原料、以及最高效率的过热设备操作是可理解的工业过程，当实施时，这些工业过程使所述反应器以可与传统煅烧器相比或比其更优的热效率运行。对于可比较的研磨煅烧材料产物，与现有煅烧器相比具有更高边际能量消耗的唯一步骤是原料破碎，这是因为由于煅烧后的质量减少导致每吨产品的能量消耗更高，约0.2GJ吨-1。推动颗粒通过螺旋18到达注入器16的蒸汽以及热交换器所消耗的能量相对小。
所述反应器设计的灵活性使得运行可匹配为适于能量源的可用性。例如，用于热交换流体和过热蒸汽的能量可由其它来源提供，包括但不限于来自使用涡轮机用蒸汽的电厂、来自产生各种温度的高压蒸汽(一些超过600℃，这取决于太阳能收集装置)的太阳能集中器、以及地热。根据实用性、价格和环境影响，可以使用这些来源以及电力、煤和气的燃烧等。对工业过程有越来越多的要求以适应该工厂所运作的当地的条件，包括靠近能源，且所述设计满足这样的要求。
煅烧反应器10的高度可以例如为9至40米，从而为颗粒在原料和过热蒸汽注入速率、它们的温度等条件下反应至所需程度(例如98％)来提供足够的停留时间。该反应器的总长度可分为反应器段和相关的气体颗粒分离器(如果需要并如上所述)。煅烧产物具有高反应性，因为停留时间足够短且煅烧温度足够低以使在大多数煅烧器中发生的退火过程没有时间进行。即，产品为高反应性的。煅烧反应器10由绝热体25包裹，在所述实施方式中，其包括外部加热系统24和固体绝热体26的外层之间的空气间隙。固体绝热体26的厚度和绝热效率这样选择：使耗散至空气中的热减至最少。同样也采用辐射挡板(radiationbaffle)。煅烧反应器10或其部分也可采用由与该煅烧反应器10相连的振动或旋转单元35所提供的已知机制来振动或旋转以去除表面上的颗粒堆积。
反应器10的效率优选依赖于以下一点或几点等：
(a)采用蒸汽催化反应，因此反应能够在一次通过中完成；
(b)采用蒸汽将颗粒注入反应器10中并将颗粒移动通过反应器(后者还受助于反应气体)；
(c)采用直径使气体速度为20至50ms-1的反应器管17(选自各种形状)；
(d)采用反应器管17的螺旋18来限制气体对通过反应器10的颗粒的加速，从而提供具有所需停留时间、颗粒与气体间的快速热交换、以及对颗粒的高传热表面积的紧凑型反应器系统；
(e)采用螺旋18以提供离心运动，从而有助于在气体-颗粒分离器19中将颗粒与气体分离；
(f)采用螺旋18以引起通过反应器10的压降，由此使注入器16处的蒸汽注入压力较高以促进蒸汽的催化作用，而出口21处的气体压力较低以限制二氧化碳的分压并抑制逆反应的作用。
(g)在使用串联反应器段的反应过程中的多个阶段从颗粒中分离气体以降低逆反应的作用，以使煅烧器温度降低。
(h)气体和颗粒在反应器10中同向流动以支持稳定的反应系统。
(i)外部加热系统24中的燃烧气体相对于管17中的气体和颗粒流逆向流动从而在煅烧反应器10中实现所需温度分布。
(j)将部分煅烧器气体输出物(calciner gas output)注入到外部加热系统24中以限制燃烧过程中的碳的形成。
(k)采用氧气代替空气作为燃烧气体，或者在外部加热系统中采用陶瓷来分隔氮气和氧气。
可通过石灰石煅烧的例子来理解煅烧反应器10的运行，石灰石煅烧的重要热力学和动力学数据都是已知的。Khinast等，Chem Eng Sci，51，623-634(1996)研究了直径d<100微米的颗粒在780℃进行的不使用过热蒸汽的煅烧反应，他们发现对于表面积为S(x)的不可逆反应速率取决于CO2分压p(总压为1atm)，通过以下等式建模：
kA(x)＝2.02×10-7S(x)exp(-11.92p/p0)s-1
其中，p0是由已知平衡常数Kp＝(1-x)/xp/p0来确定的平衡二氧化碳压力，其中x是原料转化程度。颗粒表面积S(x)在反应期间发生变化，Khinast等证实了他们的结果可以通过随机孔分布来建模，其根据下式变化：
S(x)＝S0(1-x)1.7(1-37ln(1-x))0.59m2kmol-1
其中，S0是单位为m2/kmol的BET表面积。对于石灰石，S0为～2.105m2kmol-1。在不使用过热蒸汽催化下，780℃时的反应时间为50秒，且p＝0(即，淬灭在低二氧化碳浓度下被抑制)，然而在传统炉中停留时间为数小时。
正向反应随p的指数降低(exponential reduction)证实了正向速率因二氧化碳而快速淬灭。这正代表了对在碳酸盐煅烧中常见的挑战(尤其是当碳酸盐材料被来自燃烧气体的二氧化碳所包围时)的巨大作用。这要求煅烧在高温下进行以使p0>p。
煅烧的化学过程通常遵循由以下给出的阿伦尼乌斯形式(Arrheniusform)：
kA(x，T)＝k0(x)exp(-EA/RT)s-1
其中，EA是活化能，R是气体常数。活化能EA由Wang和Thompson，Chem Eng Sci，50，1373-1382(1995)确定为197kJ mol-1，由Beruto和Searcy，J.Chem.Soc.Faraday Trans 70，2145-2153(1974)确定为205kJmol-1。将这些与168kJ mol-1的反应焓进行比较。
过热蒸汽作为催化剂的存在提供了反应的另一途径，Wang和Thompson使用非常小的颗粒(～1μ)，因此质量运输过程的影响减至最小。他们考虑了过热蒸汽分压<0.2atm，二氧化碳分压<0.0008atm，并在440℃至560℃的范围内研究该过程。他们通过试验表明，过热蒸汽的催化作用源于吸附在表面上的水分子，这是第一步，其诱发了因所吸附的水分子而造成的二氧化碳与钙的键合的弱化，这是第二步。水的吸附遵循结合能ΔHads为1.5kJ mol-1时的平衡常数Kads。他们观察到随着过热蒸汽分压的升高，反应速率明显增加，并且他们采用朗格谬尔-欣谢尔伍德(Langmuir-Hinshelwood)表面催化模型对此现象进行模拟，其中
k催化＝kA+(kB-kA)Kads px/(1+Kads px)
其中px是过热蒸汽的分压。在低过热蒸汽分压下，未催化反应速率kA占主导，然而，在Kadspx>>1的足够高的过热蒸汽压力下，催化反应速率kB占主导。Wang和Thompson测量了速率常数kB的活化能EB为247kJ mol-1，并且显示催化作用在较高温度下变得相对更加显著(即，kB/kA随温度而增加)，但效果在恒定过热蒸汽分压下部分降低，因为随着温度升高，水与颗粒的结合减弱。他们将其结果外推至更高温度，并表明比率kB/kA由670℃时的2.0升高至860℃时的14。催化途径与未催化途径相比其活化能更高，但活化熵更小，这意味着更简单的反应途径。假设函数S(α)同时适用于kB和kA，Wang和Thompson的结果能推广至更大的颗粒。即，在两种过程中孔的变化是相同的。
本发明人认识到，根据以上描述的在相关工作中的研究实验发现，当在过热蒸汽的存在下在适于煅烧的温度煅烧颗粒时，反应速率可缩短至数秒。本发明人根据该发现开发出所述实施方式。此外，本发明人观察到采用快速煅烧制得的颗粒表面积超过以上模型(即，通过对S(α)表达式积分)推导出的颗粒表面积。因此，模型速率是预测速率的下限。
对于基本上是纯的石灰石，如图1所示的煅烧反应器10的所述实施方式的优选运行条件列在表1中。
表1
Figure A200780020180D00241
所述煅烧反应器性质的原理可通过将该煅烧反应器作为均匀反应器而充分地描述，其中如上所述的热和质量交换给出了作为湍流及向原料颗粒快速传热的结果的平均煅烧温度Tc。应当注意，更精确的近似应当考虑对煅烧器进行分段处理，例如，在反应器10顶部需要提供比底部更高的热速率，并且在每个点T0(z)设定煅烧温度。然而，在描述原理时，应当理解以下给出的表达式是足够的，条件是要理解Tc(z)是标称平均值。
在该近似中，以下量是整个煅烧器的平均值。图1的煅烧器的质量和能量平衡由热流dQ/dt给出
dQ/dt＝UA(Te-Tc)-γAαΔHcalc(Tc)+γACp，反应物(Tin-Tc)+γsteamCp蒸汽(Ts-Tc)。
在该表达式中，U是由其(平均)温度为Te的外部热交换器通过煅烧器表面积A到(平均)煅烧温度为Tc的原料颗粒的传热系数。反应物和过热蒸汽的温度可设定为等于Te。U由以下表达式给出：
U＝l/(l/he+δr/k+l/hc)，
其中，hs是由线圈中的外部热流体至煅烧器外壁的传热系数，δr是壁厚，k是壁材料的导热率，hc是由内壁至颗粒的传热系数。系数hc对于该过程尤其重要，并讨论如下。
在热流体等式中，第二项包括在温度Tc时反应所消耗的热，其中γA是单位为kg/s的原料速率，且α*是以下给出的反应的进行程度：
α*＝1-exp(-<k反应(Tc)>*τres)
其中<k反应(Tc)>是标称平均反应速率，τres是反应物在煅烧器中的停留时间，ΔHcalc是单位为J kg-1的反应焓。第三项是反应物的热变化，其以温度Tin进入煅烧器并混合至反应温度T0。第四项是过热蒸汽的热变化，其在Ts温度下以γsteam的速率注入，以温度Tc排出。
稳态时的平均煅烧温度Tc是dQ/dt＝0时的温度。
尽管该近似模型可用于教导所述煅烧器10的原理，但其并未考虑所述实施方式的一些重要性质。首先，反应器10中的温度Tc(z)响应透过煅烧器壁的受限传热速率而沿垂直轴显著变化。其次，通过调节来自出口30的气流而将反应器10中的气体压力保持在标称过热蒸汽压ps，在反应中产生的二氧化碳提高了通过反应器10的混合气体的流速以保持该总压，但分压沿反应器10而变化。因此，在注入器16处，气体主要是压力为pin的过热蒸汽，而在出口21处，气体是压力为ps的过热蒸汽和释放出的二氧化碳的混合物。这影响了反应的淬灭，因此影响了产率。
如果忽略来自原料与过热蒸汽的温差的较小贡献部分，则煅烧器的操作条件如下给出：
UA(Te-Tc)＝γα*ΔHcalc(Tc)
对于完整的反应，
<k反应(Tc)>*τres>>1，因此α≈1。
该近似基本上设定了热交换流体和原料颗粒之间的热交换设计的参数。
根据图1所示形式的两段来考虑表1的煅烧器的传热。将长24m且直径为0.30m的长管子成形为中心距为0.76m的10转螺旋。当用于以1.45kg s-1的原料速率来煅烧石灰石时，反应需要2.6MW的热，这是通过暴露于热源的25m2外表面积提供的。这对应于约100kW m-2的传热系数。
在所述实施方式中，根据列在以上表1中的参数，以每吨石灰石0.44吨二氧化碳的速率产生基本上纯的二氧化碳。在通过LPG在空气中的燃烧来加热的传统煅烧器中，每吨石灰石将产生0.65吨二氧化碳。其与来自燃烧所需空气中的0.5吨氮气相混合，得到最多仅45％二氧化碳的分压。在传统煅烧器中，这将释放至环境中并助长全球变暖。在减少二氧化碳排放中，这些气体的“燃烧后”分离吸引了显著的兴趣，但采用当前技术的成本高到其无法实行。
相反，在所述实施方式中，二氧化碳基本以纯的形式产生，并不需要这种分离步骤。即使采用燃烧来向煅烧反应供热，每吨加工过的石灰石释放出0.22吨二氧化碳。其余0.44吨的压缩和地质隔离(geosequestration)也将来自煅烧的二氧化碳减少了68％。
应当理解，参考图1，在该实施方式中描述的煅烧反应器10的重量远小于具有相同生产量的传统炉的体积和重量，这是因为1至10秒的停留时间比传统煅烧器的停留时间短数个数量级，因此，与数百吨量级相比，在煅烧器中处理的材料重量为公斤量级。煅烧反应器10的性能因数(figure of merit)为约1600吨/小时/装料吨数(tonne/hr/tonne ofcharge)，而传统炉为约0.2吨/小时/投料吨数。
所述煅烧器10的热效率主要取决于与由产物和出口气体到原料和热交换流体中的余热利用有关的效率、以及煅烧反应器表面的热损失。这种余热利用很大程度上独立于煅烧过程，并且可应用最佳的实践方式，然而表面损失与煅烧器的相对表面积成比例。调节表面热损失的成本与煅烧器表面积成比例。在保持热效率的成本方面，所述实施方式的煅烧反应器10也具有优势。在传统煅烧器中，绝热材料设置在炉内部，其非常昂贵并易受严重磨损，因而需要频繁地更换炉衬里，通常是在衬里灾难性地损坏之后。相比，所述实施方式中的表面磨损可以忽略，管17的内表面可以是不锈钢，热绝缘体26设置在反应器10外部，而不会受到磨损或受到化学攻击，绝热体的更多细节将在以下讨论。
在所述实施方式中，矿石在煅烧前破碎，然而对于来自传统煅烧器的等同产物，所加工的材料在煅烧后破碎，矿石的质量已由于煅烧反应而显著减少。在矿石和煅烧产物的硬度相近的情况下，正如普遍的情况，由于研磨所耗的能量主要与质量成比例，从而存在能量的净消耗。破碎和研磨在本领域内是已知的，将每吨例如石灰石之类材料研磨至本发明中所使用的粒度(mesh size)所消耗的能量为约0.3-0.4GJ/吨。对于石灰石，质量变化为45％，因此能量亏损为每吨矿石0.15-0.2GJ。然而，破碎材料所需的能量取决于原料和煅烧材料燃烧程度，因此这些都仅仅是估算的。对于石灰，该亏损(pentaly)已估算为3.18GJ/吨的不可约反应热。对于本领域技术人员显而易见的是，该亏损是微不足道的，可由上述收益进行弥补。
以上分析是基于通过比较所述实施方式和传统煅烧器而得出的性能因数。如果此处所描述的过程获得与传统煅烧器相当的生产量，则这样的比较是有意义的。传统煅烧器具有约30吨/hr的生产量，更典型地则为约20吨/hr。
本领域技术人员应当理解的是，本文所述类型的实施方式可以基于以下工艺的理论分析与试验或操作处理结果的结合通过恰当的设计参数选择来放大到符合或超过传统煅烧器的生产量。
现有煅烧器是大且重的系统，并不适用于如上所述的参考本发明示例性实施方式的图2的模块式方法。现有煅烧器要求煅烧器周期性的更换衬里，这是昂贵且耗时的过程。相反，模块式方法能够通过待机/开-关能力进行一个模块接一个模块的、以及一个反应器到一个反应器的定期维护和检测而尽可能减少整个生产的影响。并且，如此示例性实施方式的煅烧器模块可迁移到例如新的采矿点以满足即时的需求和时机。
图1中描述的煅烧反应器10更普遍地适用于煅烧石灰石之外的矿物。广义描述为，煅烧通过热来激活的化学过程，其包括在有或没有过热蒸汽的情况下脱水和脱二氧化碳。原料通常是碳酸盐，但氢氧化物也可煅烧为氧化物，水化材料可脱水。在许多化学反应中(除脱水之外)，过热蒸汽非常可能有助于大多数过程，因为水分子对于几乎所有的金属离子均是已确认的不稳定配体，因此涉及水的化学中间体可因过热蒸汽的存在而产生。即使没有催化时，采用所述实施方式的工艺也是有优势的，在所述实施方式中过热蒸汽或其它注入气体的作用主要是促进向颗粒的传热。即，通常为，原料的精细研磨将消除分解的传热和传质过程的影响，并提高化学反应步骤。所述煅烧反应器10的运行条件可便捷地适用于任何煅烧过程，其中煅烧能够在原料通过系统的停留时间之内完成。
按照以下主要涉及煅烧温度的加工条件，所述实施方式可应用于菱镁矿、白云石和石灰石。
当对于约1.4kg s-1的原料注入速率，将煅烧温度设定为约850℃至950℃，且气体压力保持在约0.2至3atm，过热蒸汽注入速率为约0.5至0.05kg s-1时，石灰石/方解石(CaCO3)煅烧为石灰(CaO)，白云石(CaCO3·MgCO3)煅烧为完全煅烧产物CaO·MgO，而菱镁矿(MgCO3)煅烧为氧化酶(MgO)。温度要求通过二氧化碳对煅烧速率的淬灭来确定。
当对于约1.4kg s-1的原料注入速率，反应器的外部温度保持在约500至600℃，气体压力保持在约0.2至3atm，且过热蒸汽注入速率为约0.5至0.05kg s-1时，煅烧菱镁矿和白云石。
当煅烧温度设定为约450℃至550℃，石灰石不能煅烧，而菱镁矿煅烧为氧化镁。
至于煅烧水合材料，对于约1kgs-1的原料速率，反应器的外部温度保持在约200至400℃，而气体压力保持在约0.2至3atm，过热蒸汽注入速率为约0.5至0.05kgs-1。
温度范围源于矿石中包埋的杂质如硅石，其通常使优选的煅烧温度高于纯矿石的煅烧温度。
正如同石灰石的加工，菱镁矿加工的煅烧温度比传统煅烧所采用的温度低大约50℃。过热蒸汽的催化作用对于煅烧材料而言是更普遍的性质。
应当理解矿物的成分不仅随采矿位置区域，而且随不同的地理区域而变化。为确证在过热蒸汽催化下的短暂停留时间(即1至10秒的量级)是足够的，构建了分批加工用测试煅烧器。将0.2至2kg颗粒分批称重，然后将每批在过热蒸汽催化条件下以约3秒钟的停留时间在一次通过中煅烧。将经分析含有97％MgCO3的来自中国的菱镁矿矿石源研磨为125微米的平均尺寸，使用网目尺寸为230微米的筛子从所述分布中去除尺寸过大的颗粒，并制备700克装料(charge)。由该装料ke得到354克二氧化碳。在485℃用一个大气压的过热蒸汽进行测试运行，且平均反应室壁温度为484℃。由所测量的重量损失来计算转化度。由化学分析测定二氧化碳损失。在这些测试中获得97％的菱镁矿至氧化镁的转化度。
如产物水化速率所证实的，与通过传统方法制造的材料相比，通过在所述反应器10中的过热蒸汽煅烧来制造的材料的反应性非常高。这是因为与结构烧结以降低其自由表面能相比，材料更快地损失了其重量。因此，在输送通过反应器10的数秒钟内。原料11的质量极大地消耗，在任何颗粒区域均可积聚压力，否则将倾向于密封，这可由所导致的材料的爆裂证实。因此，材料具有非常高的表面积，因此具有高反应性。在一些情况下，由于材料中形成反应中心的化学缺陷的存在，反应性进一步提高。即，快速煅烧与传统煅烧相比生产出具有更多缺陷中心和高表面积的材料。如果需要较低反应性的材料，已知可在高温二氧化碳和过热蒸汽的氛围下快速烧结材料。在非常苛刻的反应中，例如可再生吸附，已知通过制造具有高介孔表面积的材料能形成超吸附剂。与微孔相比，介孔更不易发生孔隙堵塞，因此快速吸附的效率提高。例如，煅烧石灰石具有30％的再碳酸化率，与此相比，介孔材料为约90％。由所述反应器10制造的材料通常是介孔的，并作用超吸附剂。
图3显示了根据示例性实施方式的煅烧反应器300的等距截取视图的CAD图。
图4显示了根据示例性实施方式的两段式煅烧反应器400的等距截取视图的CAD图。
图5显示了描述根据示例性实施方式的矿物煅烧方法的流程图500。在步骤502中，原料颗粒在蒸汽力、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过垂直设置的反应器段。在步骤504中，向沿垂直方向通过反应器段的颗粒上施加水平力。在步骤506中，经由透过反应器段的壁的传热向反应器段内的流动颗粒供热。在步骤508中，过热蒸汽导入反应器段中形成气-固多相系统。在步骤510中，气体产品在过热蒸汽流的作用下至少部分从反应器段中排出。
用于煅烧的工艺/方法和装置具有许多优点，包括：
■通过由煅烧步骤产生基本上纯的二氧化碳，与传统煅烧器相比实质上减少了由煅烧碳酸盐而排放的二氧化碳，获得了成本上有效的方法，从而将碳俘获提高了使用传统燃烧用燃料如LPG所产生的总排放的至少约68％。这种基本上纯的二氧化碳可压缩并使用在其它工业过程中，或者通过螯合而永久俘获，而无需传统煅烧器中俘获碳所需的昂贵的气体分离处理步骤。此外，所述煅烧过程可采用除燃烧之外的各种来源，包括使用由太阳能集中器或电厂产生的蒸汽。原则上，通过组合使用用于加热的代替能源和煅烧产生的纯净二氧化碳的螯合，该过程可以以二氧化碳零排放而运行。
■与在1000℃操作的传统煅烧器中的数小时停留时间相比，将原料在煅烧器中的停留时间缩短至数秒量级，这是通过下述方式实现的：通过其中由于颗粒流而使得平均原料颗粒通过反应器的传输时间为数秒的反应器，并且使用过热蒸汽作为催化剂和提高了反应速率的精细研磨原料，因此煅烧反应在该传输时间内进行至所需程度。这减小了煅烧器的尺寸，降低了成本。
■通过采用外部加热源而将发热过程与煅烧相分离，并采用因直接辐射加热颗粒而实现的向原料颗粒的有效传热，以及在煅烧器表面气体湍流的间接加热和因颗粒流与气体的摩擦而成的气体向颗粒的有效传热，降低了煅烧碳酸盐时的二氧化碳淬灭反应的劣化作用，所述劣化作用限制了在炉中通过燃烧加热的传统炉。
■通过利用快速反应速率和通过过热蒸汽和分离器从煅烧路中排放而出二氧化碳，使得煅烧温度较传统煅烧器所要求的下降，如在约925℃煅烧石灰石所示，与此相比大多数煅烧器则为960至1100℃。
■将煅烧器的响应时间缩短到数秒至数分钟量级，因此加工条件几乎能即时调整以适应各种原料或者煅烧产物规格；并能实现待机模式，由该待机模式可以几乎立即开始加工，并且能快速启动和关闭系统，而最小程度地延迟和损失原料。所述损失为数公斤量级，与此相比，传统煅烧器中的时间尺度为数小时，且产物损失为数十吨。
■与其中由于较长停留时间而通过产物退火使产物反应性降低的传统煅烧器相比，使用其中停留时间短于引起产品退火的时间的煅烧器设计来生产高度反应性煅烧产物。例如，所述方法能一步从石灰石生产石灰超吸附剂，从氧化镁生成菱镁矿超吸附剂。
■反应器中的原料体积分数较小，因此传统煅烧器中负荷的磨损机制并不适用，在此条件下运行从而表现出较小的煅烧器壁的磨损。
本领域技术人员将能理解，可以作出如具体实施方式中所示的本发明的各种变化和/或修改，而不背离广泛描述的本发明的精神或范围。因此，各实施方式在所有方面视为描述性而非限制性的。

Claims (27)

1.一种矿物煅烧系统，所述系统包括：
垂直设置的反应器段，其构造为向沿垂直方向通过反应器段的颗粒施加水平力；
用于接收颗粒原料的注入器单元，所述注入器单元设置在所述反应器段的顶部，由此原料颗粒在蒸汽力、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过所述反应器段；
与所述反应器段的壁热连接的反应器热交换单元，其用于经由透过所述反应器段的壁的传热向反应器段内部的流动颗粒供热；
一个或多个形成于所述反应器段中的入口，其用于将过热气体引入所述反应器段以建立气-固多相系统环境；以及
一个或多个形成于蒸馏段的出口，以使气体产物在由入口至出口的过热气流作用下至少部分从所述反应器段中排出。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述反应器段包括一个或多个反应室和一个或多个与所述反应室相连接的气体颗粒分离器，所述气体颗粒分离器利用因材料通过所述反应室而形成的涡流将所述气体产物与所述颗粒分离。
3.如权利要求2所述的系统，其进一步包括串联连接的两个或更多个反应室及分别连接的气体-颗粒分离器，由此利用与一个反应室相连的气体-颗粒分离器从所述一个反应室中收集加工过的材料，然后将所述加工过的材料投入另一个反应室，并在所述另一个反应室中进一步加工后，利用与所述另一个反应室相连的气体-颗粒分离器收集。
4.如权利要求3所述的系统，其中至少一个所述气体-颗粒分离器包括加热器单元，所述加热器单元用于加热所收集的材料以提供调整反应器功能。
5.如权利要求4所述的系统，其中与所述一个反应室相连的至少一个所述气体-颗粒分离器进一步包括抽吸单元，所述抽吸单元用于在所述加热期间抽吸所收集的材料以抑制逆反应。
6.如权利要求1或2中任一项所述的系统，其中所述反应器段包括与一个颗粒分离器相连的多个反应室。
7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述反应器热交换单元采用无焰分布式加热，且至少一个所述出口与所述反应器热交换单元相连，以便将部分所述气体产物导入用于所述无焰分布式加热的燃料中，以帮助抑制热裂解。
8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述反应器段包括一个或多个作为反应室的直管和一个或多个气体颗粒分离器，所述气体分离器对颗粒施加水平力。
9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述反应器段包括一个或多个分别成形为螺旋的螺旋管作为反应室。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述出口包括形成于所述螺旋管内周内部的中心柱，由此所述系统显示出相对于所述螺旋管中颗粒的气体产物逆流。
11.如权利要求10所述的系统，其进一步包括与所述注入器相连并设置在所述中心柱内部的输送管，所述输送管用于将所述颗粒由所述反应器段底部输送至所述注入器。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述颗粒在过热气体的作用力下通过所述输送管输送，由此所述注入器用作用于将所述过热气体导入所述螺旋管的入口或入口之一。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中所述反应器热交换单元包括多孔无焰分布式加热单元，并且所述反应室、气体颗粒分离器、中心柱和输送管中的一种或多种浇铸在所述多孔无焰分布式加热单元之中。
14.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述颗粒在所述反应器段中的停留时间少于约10秒。
15.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述颗粒的粒度分布为约40微米至约250微米。
16.一种矿物煅烧方法，所述方法包括以下步骤：
原料颗粒在蒸汽力、重力和离心力中的至少一种力的作用下作为颗粒流移动通过垂直设置的反应器段；
对沿垂直方向通过所述反应器段的颗粒施加水平力；
经由透过所述反应器段的壁的传热向所述反应器段内的流动颗粒供热；
将过热气体引入所述反应器段中以建立气-固多相系统环境；和
在过热气流作用下将气体产物至少部分从所述反应器段中排出。
17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括利用因材料通过所述反应器而形成的涡流将所述颗粒与气体产物分离。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括将来自所述反应器段的一个反应室的加工过的材料投入所述反应器段的另一个反应室。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括加热所收集的材料以提供调整反应器功能。
20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括在所述加热期间抽吸所收集的材料以抑制逆反应。
21.如权利要求16至20中任一项所述的方法，其包括采用无焰分布式加热单元来加热所述反应器室的壁，以及将部分气体产物导入用于所述加热单元的燃料中以帮助抑制热裂解。
22.如权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述反应器段包括一个或多个作为反应室的直管和一个或多个气体颗粒分离器，所述气体分离器对所述颗粒施加水平力。
23.如权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述反应器段包括一个或多个分别成形为螺旋的螺旋管作为反应室。
24.如权利要求16至23中任一项所述的方法，其进一步包括将所述颗粒气动输送至所述反应室顶部。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述反应器热交换单元包括多孔无焰分布式加热单元，并且所述反应室、气体颗粒分离器和用于输送所述颗粒的输送管中的一个或多个浇铸在所述多孔无焰分布式加热单元之中。
26.如权利要求16至25中任一项所述的方法，其中所述颗粒在反应器段中的停留时间少于约10秒。
27.如权利要求16至26中所述的方法，其中所述颗粒的粒度分步为约40微米至约250微米。
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