CN105764870B - 制造硅酸盐水泥的方法及装置 - Google Patents

Abstract

干法工艺中描述了一种生产硅酸盐水泥熟料的方法，所述方法用于捕集来自碳酸盐物质煅烧反应排放的二氧化碳，所述碳酸盐物质主要是石灰石。所述方法采用间接加热、逆流反应器来预热和煅烧水泥生料来生产一种分离的水泥生料和二氧化碳气流，用二级燃料气流与预热空气的燃烧提供所述方法的外部加热。将所述的水泥生料投入传统的回转窑中，所述的回转窑中，预热空气与一级燃料燃烧生成的热烟气用于熔融、反应和烧结粉末以形成水泥熟料粉末。通过空气预热器冷却所述的熟料和二氧化碳气流。

Description

制造硅酸盐水泥的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于制造硅酸盐水泥或石灰的方法和装置，所述方法和装置应用于促进碳捕集。

背景技术

硅酸盐水泥生产行业每年生产34亿吨水泥粉，是人造二氧化碳排放量的第二大来源，生产每吨水泥将近排放0.8吨的二氧化碳。在排放的二氧化碳中，约60％来自煅烧工艺中生产水泥熟料时，将石灰石碳酸钙加工成石灰氧化钙过程中排放的二氧化碳，40％来自生产水泥过程中化石燃料的燃烧。减少全球变暖要求减少二氧化碳排放量，硅酸盐水泥行业正承受着减少二氧化碳排放量的压力。

对生产工艺效率的持续改进是一种减少二氧化碳排放的方法，但通过此方法大幅降低二氧化碳的排放是不可能的。已发展的其他方法包括燃烧后捕集的应用，此方法中二氧化碳来自于硅酸盐煅烧和燃料燃烧过程中的废气流。已有工艺，如氨溶出，投资太过昂贵，以及近期的焦点在于用所谓钙循环工艺中的石灰氧化钙作为二氧化碳的高温吸附剂。钙循环工艺正处于试点阶段。此工艺的优点书所消耗的氧化钙在硅酸盐水泥中被消耗，缺点是捕集工艺在常压下进行，装置尺寸及花费都十分巨大，接近整个硅酸盐水泥装置本身的尺寸和花费。一个重要的担心是钙循环过程中额外的能源消耗所造成的资金增加。这是一个成本，也增加了工厂的规模。

另一种方法是富氧燃烧，用纯氧代替空气进行燃烧，在这种情况下，排出的气体是二氧化碳和水蒸汽，这使得二氧化碳可在冷凝蒸汽时被捕集。深冷分离装置的成本非常大，并且在考虑通过回转窑及其他工艺装置时截然不同的废气流道，硅酸盐水泥装置不得不被大幅重新设计。

硅酸盐水泥厂通常使用煤和废料作为燃料，而不是天然气，因此一般不采用基于燃烧前捕集的方法，此方法用来从天然气中生产氢气流。

除了使用高品质的石灰石以及生产过程中不需要砂和黏土外，石灰的生产工艺与硅酸盐水泥的工艺相同。

这就需要一个工艺来显著减少硅酸盐水泥和石灰生产过程中二氧化碳的排放量，此工艺不必大幅增加前述的工艺装置。在前述的所有氧化碳减排方法中，二氧化碳必须被压缩封存。

硅酸盐水泥生产目前使用“干法工艺”，在此工艺中在石灰和砂颗粒在回转窑中熔融，以前使用的“湿法工艺”中石灰石，砂子和其他添加剂被制成丸状。与湿法工艺相比，干法工艺能量需求较低。本发明是针对干法工艺的。

在干法工艺中，石灰石是以粉碎和研磨成小于100微米颗粒大小的岩石的形式接收的，并均匀地与也被研磨成小于100微米颗粒大小的砂子混合。其他的研磨材料，如粘土和氧化铁可添加于特定的水泥配方。一般情况下，不同的颗粒流在料斗中被混合，此料斗被设计成高效混合以获得均匀的混合物。干法水泥工艺依靠有效的混合来促进回转窑中的熔融和反应。

在传统干法工艺中，混合后的粉末采用回转窑排放的烟气进行预热，此预热通过一堆串联的旋风分离器组成的预加热旋风分离器堆实现。在每一阶段，冷颗粒与热烟气混合被加热，平衡的气体和颗粒在旋风分离器中被分离。这一工艺按顺序多次重复，此过程中颗粒的温度升高，气体的温度降低。现代工厂中可能有多达六个阶段，以实现高的热回收效率，从而降低能源需求。这一阶段的混合和分离的方法类似于逆流换热器，在此换热器中固体温度升高和气体温度降低。在这些预热阶段，随着温度的升高，石灰石的煅烧反应将进行到如下程度：二氧化碳分压不高于煅烧反应的平衡压力。约30％的反应可在预加热旋风分离器堆中实现。

颗粒在每一阶段的高速旋转造成每级旋风分离器的高积聚压降。这些积聚压降呈现出显著的能量损失，将烟气通过鼓风机强制送入预热旋风分离器堆及排出尾气造成了此能量损失。

在传统的方法中，从预热旋风分离器堆来的粉末被注入闪速焙烧炉，在此炉中粉末、前述熟料炉来的热烟气及煤混合。热烟气中含有过量空气，此过量空气与煤燃烧推动煅烧反应，以达到95％的煅烧反应及900℃的排气温度。排气温度保持在低于砂即将玻璃化和硅酸钙开始形成时的温度。固体再次从烟气中分离，此增加了压降损失。预加热的均匀混合的石灰和砂粉末准备在回转窑加工。

要认识到，传统方法采用的是于每一阶段在预热器堆及闪速焙烧炉中进行粉-气混合。这提供了非常有效的传热，但其有不可取的特点，即需要多阶段的粉末气体混合和分离来实现整体系统的热效率。

粉-气混合的缺点是，排放的废气可能含有大量水泥粉尘，该粉尘需要被分离及重新注入工艺流程中以满足排放标准。过滤器单元的成本与气体的流量是成比例的关系，以及过滤器单元的耗损量与所夹带的粉末息息相关。这些都是传统工艺的缺点。

石灰的生产一般是在窑炉中实现，这不适于本公开说明中的二氧化碳捕集。但石灰石粉或石灰炉粉尘在闪速焙烧炉中煅烧，此与上述的硅酸盐水泥相同。在这种情况下，预加热器堆和闪速焙烧炉增加了旋流器，此旋流器用来预热用于燃烧的空气。对于本领域的技术人员来说，本发明详述的硅酸盐水泥工艺中二氧化碳的捕集产生的效益也适用于石灰生产工艺。

在硅酸盐水泥的工况下，经过预加热煅烧的热颗粒被注入到熟料窑，熟料窑是一种回转窑，其由煤燃烧产生的烟气引燃，并与预热空气燃烧加热到约1450摄氏度。在此温度下，砂与石灰熔融，并开始结块成颗粒，这与石英玻璃的制造方法差不多。在颗粒状态下，反应继续进行形成硅酸钙，硅酸钙是硅酸盐水泥和颗粒烧结物的组成成分。熔融、反应和烧结使得硅酸钙以约10-30毫米直径的熟料颗粒排出。熟料颗粒由强制空气预加热器冷却，然后研磨成水泥粉。预热后的空气被用于前述的燃烧工艺。预热空气量应充足使得燃料在回转窑和闪速焙烧炉中完全燃烧。大量的气体与送入的颗粒及颗粒聚集物进行逆流流动，气流易于夹带较轻颗粒的特性要求对回转窑进行精心设计。

回转窑烟气中还含有挥发性杂质，在预热旋风分离器堆中进行混合具有一个优点，这些杂质，主要是硫的氧化物，与生料进料反应被氧化为石膏，并融入水泥中。

从预热旋风分离器堆排放的烟气流是一级和二级燃烧工艺的结果，此烟气包括煅烧工艺中产生的二氧化碳。这一烟气易含极大量的一氧化碳，此一氧化碳先于燃料燃烧中二氧化碳生成。一氧化碳是有毒的，它的排放量是被控制的。过量的空气会降低硅酸盐水泥工艺的能量效率，此过量空气必须被注入到燃烧工艺并加热。石灰石煅烧工艺中存在二氧化碳是此工艺的一个缺点的。

发明内容

本发明的旨在改进硅酸盐水泥生产方法和设备，这一改进可以克服上述传统工艺的一些或全部的不足之处，包含但不限于：

a.促进二氧化碳的捕集

b.限制压力降，允许使用较低的强制空气压力，减少功耗；

c.优化输入的空气流量以实现回转窑中的高效处理，而不是限制空气流量来确保烟气具有足够的富氧来驱动闪速焙烧炉中的燃料燃烧；

d.减少夹带颗粒的烟气体积流量，以减少滤器的尺寸和降低烟气排放的成本；

e.向燃烧气流提供额外的预加热空气，以减少一氧化碳的排放量。

本发明的第一方面包括：一种用于至少将粉碎石灰石及粉碎的砂子生产成水泥熟料的工艺，此工艺包含以下步骤：将石灰石和砂形成混合粉末的混合过程；混合粉末在煅烧反应器中煅烧过程，此过程中煅烧反应器适于接收来自生产混合粉末过程中一级燃料燃烧产生的间接热量，此过程中一段煅烧反应器预加热混合粉末，二段煅烧反应器使混合粉末发生反应，此反应在石灰石煅烧过程中产生一级二氧化碳气流，在一级燃料输入燃烧过程中产生二级二氧化碳气流；煅烧后的混合粉末进入回转窑的引入过程，在回转窑中采用直接加热的方式生产硅酸盐水泥熟料，此回转窑采用已与空气混合的二级燃料作为燃料，前述空气由排出回转窑的热硅酸盐熟料进行预加热。

优选的，一级气流可被冷却、压缩并储存。该工艺还包括进一步的步骤，所述一级燃料是与空气的混合气，所述空气已通过冷却一级气流的热交换过程进行预加热。更优选的是，该热交换发生在煅烧反应的固体预热器中，使得引入的混合粉末和空气被一级和二级热气流预加热，从而使得固体颗粒不与这些气体发生混合。

优选的，一级气流包括从回转窑中排出的废气流的滑流，所述滑流含有足够的过量空气来使所述燃料进行完全燃烧。优选的，砂可包括各种特定添加剂，包括置催化剂和抑制剂。

本发明的第二方面公开了一种硅酸盐水泥的生产方法，所述方法中，来于碳酸盐煅烧的二氧化碳可用纯气流捕集，此通过改变传统硅酸盐水泥厂的工艺流程实现。本发明不捕集燃料燃烧产生的二氧化碳，因此仅限于减少60％的二氧化碳排放。这是一个非常显著的减少。本发明可用于烟气流的任何碳捕集工艺。若使用的燃料是生物燃料废料，那么可实现零排放。

本发明的第三方面包括一种石灰石粉生产石灰的方法，所述方法包括煅烧反应器中石灰石粉的煅烧步骤，此步骤中煅烧反应器适于接收来自生产预加热的混合粉末过程中燃料燃烧产生的间接热量，在煅烧反应器中产生由石灰石煅烧生成的一级二氧化碳气流，一级燃料燃烧过程中生成的已分离的二级二氧化碳气流；在热交换器冷却煅烧粉末，以使预热后的空气用于燃烧。

优选的，粉末预热先于粉末煅烧。优选的，一级气流被冷却、压缩及储存。更优选地，一级燃料是与空气的混合气，所述空气已通过冷却一级气流的热交换进行预加热。

本发明的第四方面包括一种硅酸盐水泥的生产方法，所述方法中，夹带水泥颗粒的烟气量与传统工艺相比大幅减少，所述传统工艺中一级、二级燃烧室中产生的烟气与输入的粉末流混合。一级燃烧室通常至少消耗约60％的燃料，二级燃烧室至少消耗约30％的燃料。在本发明中，粉末仅与二级烟气流混合，所述水泥粉末采用常规旋风分离器分离，以使烟气过滤器装置的尺寸明显减小。

本发明的第五方面包括一种硅酸盐水泥的生产方法，所述方法中，烟气中一氧化碳的产生量与传统工艺相比大幅减少。在本发明中，用预热空气替代气流的热二氧化碳，以完成一级燃烧工艺，从而大大减少了一氧化碳的产生。

本发明的第六方面公开了一种混合粉末的滑流应用，所述混合粉末被注入回转窑产生的烟气。所述粉末流被热烟气预热至某一温度，所述温度下挥发性化合物，主要是硫氧化物，与粉末反应形成不挥发性化合物，如硫酸钙，当粉末流在回转窑中煅烧，与主蒸汽煅烧粉末流混合，生产水泥时，所述无挥发性化合物会融入在水泥中。

在优选的实施方式中，生料原料破碎、研磨以及熟料研磨工艺可能与已有工艺没有本质的区别。回转窑和熟料冷却器与已有文献所提的大体相同。粉末混合、预加热和闪速焙烧工艺从直接加热改为间接加热，以实现碳捕集。

本发明的其他方面还包括了一种采用间接加热的预热旋风分离器堆及闪速焙烧炉的改造，所述间接加热中，烟气及工艺流股不刻意混合。在此背景下，值得关注的是，从煅烧过程中产生的二氧化碳、煤燃烧产生的烟气与熟料窑的输入气流进行混合，以实现间接煅烧及热交换，此过程中煅烧产生的二氧化碳与烟气不进行混合。

某一形式上，本发明公开了一种制造硅酸盐水泥的方法和装置，所述工艺及装置中，为了到达不排放二氧化碳的目的，碳酸盐，主要是石灰石，煅烧产生的二氧化碳作为一个单独的二氧化碳流股，被压缩、液化来封存或作他用。

本发明提供一种工艺，所述工艺中，研磨的碳酸盐矿物，主要是石灰石，在间接加热逆流闪速煅烧反应器中进行预加热及煅烧，以使得反应器输出基本上纯的二氧化碳气流和热石灰固体流。反应所需的热量由反应器的间壁传热提供，此热量来源于一个独立腔室中燃料及预热空气的燃烧。

本发明的其他方面涉及采用烟气流预加热预混砂和其它添加剂的工艺，所述工艺优选固-气换热器中的间接换热及烟气流与注入回转窑的热石灰的均匀混合。回转窑熔融及烧结生产熟料、采用空气预加热器冷却熟料及研磨冷却熟料这些后续工艺本质上与传统硅酸盐水泥生产工艺是一样的。

用于燃烧室间接加热的空气的预加热过程优选通过冷却二氧化碳气体流来实现，也可通过来自此煅烧炉的烟气的任何额外的预热。这意味着回转窑所需的空气并不取决于此燃烧过程中烟气排放所需含的过量空气。

另一形式上，在间接加热逆流反应器中，石灰石、砂和其它添加剂在预热和煅烧前进行混合。由于此反应器必须预加热砂和其他添加剂，因此需要一个较大的反应器。这并不是一个优选的实施方案，因为在此反应器中，砂和石灰开始反应时具有如下可能性：可能导致在反应器的壁上生成玻璃状的绝缘层材料。

二氧化碳气流的冷却优选通过空气流的预加热来实现，所述空气流用于间接加热煅烧窑中燃烧器。这一空气流增加了来自熟料冷却器的预热空气，以使得富氧增加，燃烧产生最小量的一氧化碳。用预加热的空气替代热二氧化碳气流意味着全厂的热损失最小化，此工艺的热效率与传统工艺是类似的。

采用烟气间接加热实现的固体的预加热过程的特点是，烟气压降是由典型的气体摩擦决定的，与传统工艺相比此压降大幅降低，因为此烟气不包含在促进粉末于多个旋风分离器中的加速运动所产生的压力降。对于一级和二级燃烧工艺来说，这减少了将烟气排出工厂的能量需求。

从煅烧炉烟气中将回转窑烟气分离出来的特点是，煅烧炉上及粉末预热器耐火材料上夹带的水泥颗粒所造成的磨损大幅减少或消除。粉末进入预热器，煅烧炉流股低速流过预热器的管层，此流速通常小于5米每秒，这使得反应器钢体磨损很小。

在石灰石生产石灰的过程中，原料基本上是纯石灰石粉。除了石灰石原料品质要求不需封存易挥发物质造成产品质量降低外，本发明所述的硅酸盐水泥的效益适用于石灰。基于大多数石灰石的用途，高程度的煅烧是必需的，在此类用途中，小型反应器，如流化床，将被用于使煅烧程度减少，从本发明中所实现的约93-96％到99％或更高。在此工艺中二氧化碳的损失量很少，因此可以使用常规的流化床反应器。在常规换热器中，石灰产品可通过预热用于燃烧的空气被冷却。

本领域的技术人员可知有若干可供选择的余热回收工艺，所述余热来自热烟气和固体产品流，所述余热利用工艺可应用于优化前述的间接逆流煅烧工艺，此工艺不考虑从产品中单独分离出相对较为纯净的二氧化碳排放气，此二氧化碳排放气来自前述的闪速焙烧炉，与常规闪速焙烧炉相比，前述的闪速焙烧炉将粉末、燃料及回转窑烟气(硅酸盐水泥工况)置于一个独立反应器中混合，以使来自碳酸盐焙烧的二氧化碳与烟气混合，此烟气主要由氮气、蒸汽和富氧组成。

本发明的进一步从说明书、附图及权利要求书形式中阐明。

附图说明

以下书面描述，通过示例的方式，结合附图，本发明将被更好地理解，对于普通的本领域的技术人员也显而易见的。附图如下：

图1是本发明的关于硅酸盐水泥熟料生产工艺及依据第一优选实施例的相对纯净的二氧化碳流的示意图；

图2是本发明中第一优选实施例关于闪速焙烧炉反应器的横截面示意图；

图3是石灰生产方法及相对纯净的二氧化碳流的示意图；

图4是石灰石加工成石灰的生产方法的示意图；

图5是闪速焙烧炉实例的横截面示意图。

具体实施方式

本发明中硅酸盐水泥的生产如图1工艺流程图所述。

在本实施例中，原料石灰石101在粉碎和研磨装置102中被破碎和研磨成颗粒大小小于100微米的粉末103。本图中102可与传统的硅酸盐水泥工艺相同。

石灰石粉末流103送至逆流间接预热器和闪速焙烧炉104中处理产生热石灰流105和单独的热二氧化碳流106。这一热二氧化碳气流在气-气换热器107被冷却成冷二氧化碳流108，如果需要的话，二氧化碳流可进一步冷却和、压缩，液化。为了减少硅酸盐水泥工艺的碳排放量，气体流108不排放。

用来冷却二氧化碳的空气流109用风扇110加压，空气流111在气-气换热器中被加热成预热空气流112，预热空气流112与燃料113在外部燃烧器和传热设备114中燃烧，为预热及煅烧反应器104提供能量。预热烟气115含有显著的热能。

Sceats所述的预热煅烧反应器是一种合适的型式，例如公布的专利申请号为WO2012/145802的PCT专利(本文的参考文献)采用蒸汽夹带碳酸盐颗粒送入反应器。闪速焙烧炉反应器的示意图如图2所示。

在实施例中，注汽量最小化以确保生成和预加热蒸汽所需的能源需求最小化，这使得粉末在反应器中开始依靠重力流向下移动，随着二氧化碳逐渐形成，气固耦合变得越来越重要。

低蒸汽量的使用，例如小于5％的蒸汽/石灰石质量比，由于减少了蒸汽的催化作用，需要加长煅烧炉，并增加对生石灰煅烧尾气温度的要求，即约大于900摄氏度，这使得二氧化碳分压，接近常压，小于二氧化碳的平衡压力。这就要求反应器耐受高壁温，本设计可以满足，案例优选采用由高镍铬钢或接近反应器底部排放温度的高辐射耐火材料。在本实施例中，石灰石粉在低温下注入，此温度接近常温，反应器的上部用来预热固体。在这一区域，反应器壁可以由不锈钢制造，这一设计对于固-气换热器来说可能更为典型。

本领域的技术人员可知从反应器壁到粉末的传热机理在反应器中将经过传导，对流和辐射传热，为了增大传热，减少反应器的长度，在反应器内采用一些挡板设计。例如中间料斗和旋转阀可用于拦截固体，混合器可用于增加湍流和破坏重力加速度。来自外部燃烧室和换热单元的热燃烧气体注入预热器煅烧炉以提供所需的炉壁温度分布，并提供必要的反应器升温。较好的温度分布是使反应器的排气温度的最大化。加热气体的逆流是指，排气烟道蒸汽115在一个尽可能低的温度下，在反应器中将热传递给粉末。该反应器可由数段组成以获得传热状态之间的过渡，并可能包括多个下行管和立管段。

砂和其他添加剂116在破碎粉磨装置117中混合及研磨成砂粉118，此砂粉的与颗粒尺寸也小于100微米。这一装置可与传统的硅酸盐水泥工艺相同。

与传统工艺相比，在本实施例中，粉末流103和118在常温下是不均匀的。然而，两股物流通过单独处理和预加热后，其在高温下能达到均匀化。进一步了解可知这一实施例的首选方法是将石灰石和砂流股分离以减少预热煅烧炉104的热负荷，这反映了间接加热存在效率损失的事实。间接加热的主要好处是纯二氧化碳流以热气体流106的形式提取，通过合适工艺流程进行热回收和利用，来减少二氧化碳的排放量

在固-气换热器中，砂粉118被预热，此固-气换热器包括固体预加热装置119来产生预热砂流120。该换热器气侧热量来自于从预热煅烧炉104来的热烟气及从回转窑130来的热烟气121，热烟气121实质是在旋风分离器124的热精段123中精制而来，热烟气流115与旋风分离器124出口的热烟气流125一起注入热交换器单元126。这一换热器的设计需要考虑相比于热烟气115，热烟气125的较高温度，例如在热交换器单元126的预加热段中使用较少的热烟气115。热回收后的烟气127的温度应尽可能低以获得前述的硅酸盐水泥生产工艺的能源效率。这一气体流通常包含输入装置的燃料燃烧产生的二氧化碳。

预热石灰粉105，预热砂粉120及热精制料123在粉末混合器128中均匀混合来生成热粉末流129。在回转窑130中，石灰及砂颗粒熔融、反应及烧结生成水泥熟料颗粒133。与传统的硅酸盐水泥制造工艺相比，由于通过反应器的粒子流的单调递增的温度曲线使烧结最少化，此工艺中从预热煅烧炉104中生产的预热石灰粉末拥有较大的表面积。与传统闪速焙烧炉生产的颗粒相比，所述颗粒具有较高的活性，在焙烧炉中固-固反应将更易发生。

回转窑由热空气流132与燃料131燃烧引燃。热烟气在约1450摄氏度引起石灰、砂及添加剂发生熔融、反应及烧结，生成用于硅酸盐水泥的硅酸钙。熔融反应使原料生长成颗粒，这一颗粒流作为热水泥熟料颗粒133从回转窑130输出。在熟料冷却器中，热熟料颗粒133被冷却成熟料流136，强制空气流135被预热成热空气流132。与传统工艺一样，在研磨装置139中，冷却后的熟料流136被研磨成水泥粉末140。风扇137对入口空气流138进行加压。

上述实施例具有一个更大的优势：本领域的技术人员可知与传统工艺相比，此工艺中从入口空气流132至尾气排放127产生的气体压力降较小，传统工艺中空气必须驱动固体流高达六级的固-气混合及旋风分离。

在实施例中未提及的，空气流112可包含烟气121的滑流。

在实施例另一未提及的，在预热前，石灰石粉103及砂粉流118可通过回转窑烟气121达到均匀混合，然后注入预热器及煅烧炉104。

根据本发明的图3可知，破碎粉磨装置300接收已混合的粉末201作为生料原料，粉末颗粒大小约小于100微米，粉末来自由石灰石、砂及黏土组成的进料200。生料粉末201的水分由装置的废热来控制。在本实施例中，水分用从洗涤装置306来的烟气余热去除。

煅烧炉塔由预热工段302，煅烧工段303，气-固工段304，煅烧燃烧器305及除尘装置306组成。在煅烧炉塔中，生料201中的石灰石首先被预热，然后被加工成石灰，在这一过程中，生料201的任何化合物中的二氧化碳、多余水分及结合水被释放及分离，最终以蒸汽的形式释放。煅烧炉的工艺出料是热煅烧粉末205及冷却的二氧化碳蒸汽流212。前述的煅烧炉塔中的302、303、304工段是一个整体结构和分段的描述是根据其用途划分的。

煅烧工段303及预热工段的详细描述于图3中体现。除尘器306用来提取至少某些易挥发的化合物，上述易挥发化合物来自回转窑装置308的烟气241及冷烟气242，以使得烟气可排放至大气或被捕集。回转窑308采用已加热的生料202的滑流，热固体与初级预热原料203混合用来煅烧。洗涤烟气242用来去除粉碎机研磨装置300中水分。

二氧化碳处理装置307接收冷却的二氧化碳及蒸汽流212，并将此流处理来提取水，压缩二氧化碳213以用于封存。这一装置包括冷却器、压缩机，在脱水后，约136巴的压力下，压缩二氧化碳流。

回转窑装置由生产熟料206的回转窑308，熟料冷却器309及回转窑燃烧器311组成。在此装置中，熟料粉末205被转换成约30mm大小球状的熟料206。在水泥粉碎装置310中，冷却的熟料流207被压碎生成水泥粉末208。工艺物流如下详述。

在硅酸盐水泥生产过程中，破碎粉磨装置300，回转窑装置308及水泥粉碎装置310为标准设备。因此本发明涉及的破碎粉磨装置300，回转窑装置308及水泥破碎装置310没有变化。

在图2及图5所描述的是单管反应器的工艺。一个大型的水泥工厂通常会采用所称的单管反应器来生产硅酸盐水泥。在本实施例中，单管反应器能处理240吨/天的生料，因此，生产约5000吨/天水泥的水泥厂在最高效率下运转将需要至少包含32个反应管的反应器装置，此装置有四个模块，每个模块包括八个反应管。

上述的详细工艺步骤如图3所示。由石灰石、砂及黏土的混合物组成的生料200注入破碎粉磨装置400，被压碎及研磨成原料粉末201，即混合粉末201。

混合粉末201在预热工段302进行处理，生料202的二级出料在除尘工段306进行处理。装置的预热工段302预热生料粉末201。预热器302有如下功能：预热生料202预热生料流204，预热空气流235至预热空气流236，预热空气流236后续将被用于煅烧燃烧器。预热上述流股所需的能量来自煅烧炉303产生的热气排放245及热二氧化碳流211，热气排放245及热二氧化碳流211直接通过预热工段302，生成冷二氧化碳流222及冷烟气流246。由于上述的煅烧炉未将热气流与生料流混合，因此烟气流246不需要袋式除尘器来去除从生料201来的粉尘。控制注入预加热器的空气量在尽可能低的温度下来输送冷烟气及二氧化碳，以获得工艺的最大能量效率。加热生料203的最佳操作温度范围为650～850摄氏度，最好是在约730摄氏度，此温度低于煅烧反应发生的温度。在预热阶段，生料的残留水分形成超过热蒸汽203，流股203为夹带的固-汽混合物。

预热器的设计优选管-板错流设计。同时在煅烧炉中，流体方向如下：固体粉流依靠重力垂直向下流动，热二氧化碳流211垂直向上流动。这两股物流分别在典型的直径为10～20厘米并联的管中流动，这使得管中粉末堆积最少化。我们也注意到其他直径或横截面，如椭圆形或接近圆形的横截面，也可用来减少管内的粉末堆积。在二氧化碳流211的入口处，可设置内嵌微气旋管来过滤流股中的粉尘，然后将这些固体颗粒重新输送至煅烧炉103。这保证了二氧化碳排放气212含有最小量的粉尘颗粒。冷空气流235及热气体排放流245在预加热器双板间的管道中进行错流，双板间的管道采用上述的内嵌形式。流股管道交替使用，使得系统可以实现热管和冷管。板间错流管一般采用两股物流进行传热，但在本实施例中采用四股物流进行传热。当中一股是蒸汽中夹带的粉末，此物流的传热是明显低于其他物流。

尽管涉及多股物流的传热及其复杂性，在预热器302的下端部输入热物流，上端部输入冷物流以获得整个系统的逆流传热。上述的逆流系统能增加装置的热效率。本领域的技术人员可知，在某一流量下，可通过选择管长、管径、管间距、管高及宽度来达到预期的传热，这不限于本实施例。采用已有的气体及固体的传热速率关联系数，所述气体及固体流往预热器。在既定温度及温度梯度下，根据材料的结构强度要求选择金属管及板的厚度。在另一实施例中，采用两个预热器将两个工艺分开处理。预加热器是用耐火材料包裹，以减少换热器壁的热量损失。

煅烧工段是本发明的实质创新点。煅烧炉是间接加热逆流式反应器。本发明已公开一种合适的预热器及煅烧炉。将二氧化碳气体从热气体中分离出来是一个间接加热过程，所述二氧化碳气体是在煅烧反应将石灰石加工成石灰过程中产生的，所述热气体给煅烧反应提供能量。

参见图5，煅烧反应器303/304包含内管501，此内管用来将热二氧化碳气体从相连的气-固分离器导流至底部的旋风分离器507，此内管通过分解炉的固体加热管排503来构成预加热器。所述内管采用一定的入口形状和排列来获得煅烧炉内二氧化碳气体的涡流，所述涡流发生于内管501的外壁与外管502内壁之间，这样二氧化碳流夹带的粉末粘附到所谓的管壁，固体流沿管壁直接下引进旋风分离器507。粉末引入由内管501与外管502所界定的环形区域。例如，外管502可通过金属、金属合金或陶瓷，或其组合进行制造。

包含蒸汽的粉末流形成夹带流通过固体加热管503从预热器302、402进入煅烧反应器303、403。反应器303、403入口处的管道形状被设计及布置成来传递物流在反应器303、403内的螺旋运动。螺旋发生器以导向装置的形式进一步加强此螺旋运动，此发生器位于煅烧流环形区域的底部。煅烧反应发生在此环形区域，热量由内管501外壁及外管502内壁提供。热气体509在耐火材料505和反应器外管502的外壁之间形成一个环形区域流动。热气体通过位于底端的多个高温喷射口506引入炉从燃烧室，每两个喷射口温度补偿为80摄氏度。喷射口506的设置可使反应器较低位置管层的约30％～50％的热量被利用。这部分热量可被用来推动石灰石的煅烧反应及提高温度至800～1000摄氏度之间，优选的是尾气排放口509的排放温度范围为900～920摄氏度。在特定温度下，煅烧工段的排放物包括煅烧料、二氧化碳及蒸汽。反应器环形区域产生的二氧化碳用来驱动排放口509出的螺旋运动。热气体直接用于外管502大体均匀的热量，以避免热点。

本领域的技术人员可知外管502需要考虑热应力。因此，外管502需要高热容，譬如，可以从镍-铬合金，或高辐射耐火材料或任何其他材料来制造外管，所述材料必须适合于反应器500的排气口509附近的高温环境。在某些实施例中，外管502至少含有一个如下特点：高耐蚀性，低热膨胀性，抗扩展性及在易挥发环境中其他所需特性。反应物的加热从一个或两个辐射和/或相关热流中发生。气粉分离器是一旋风系统507，在此系统中煅烧料通过离心力和重力从分离器507的器壁分离。这使得气体在内管501的上升过程中产生逆流漩涡。在本实施例中，内管上升气体为二氧化碳流508,，此物流流入二氧化碳冷却管510。在旋风分离器507底部的煅烧粉末511被收集并通过旋转阀或螺杆排出。在至少一个实施例中，热气体509可以回收利用来提高效率。

回到图3，注入煅烧炉的粉末流即预热流股203和209。与常规装置不同，在单独的煅烧反应器管子中可加工流股203/209。这些流股的温度约为800摄氏度或更低，特别是730摄氏度或更低，以使初级热生料流203含有从多余水分生成的蒸汽。石灰石粉在反应器中煅烧生成石灰204及二氧化碳211，流股204的排放温度范围约为900-930摄氏度。燃烧器来的热气体244的温度范围约为1500-1700摄氏度，沿反应器分布，以使得壁面温度分布(外管壁502)在吸收反应产生的热量后处于金属或陶瓷的操作范围。热气体245的排气温度范围最好是在约950℃-1000°摄氏度。

参见图3，从气粒分离器304来的热二氧化碳流210从底部进入煅烧炉反应器303，并通过前述的中心管在反应器303中上升流动。二氧化碳流210损失部分热量至至少固体颗粒流203及209的一股物流，并从反应器上部排放二氧化碳气体流211此流股进入预热工段102的管排进行冷却。这需要一种工艺，在此工艺中煅烧炉燃烧过程二氧化碳气流210与热气流245不混合，因此就不需要碳捕集工艺。煅烧粉末及气体流204被分离成二氧化碳气体流210，热煅烧粉末流股205从气粒分离器304排至回转窑308。

回转窑装置308工艺与传统水泥厂相似。煅烧粉末注入回转窑308被加热至1300～1600摄氏度，粉末一般会被加热到接近1450摄氏度。二氧化硅的玻璃化是指是随着反应进行，颗粒聚集形成、球形颗粒形成并结块。加热的能量，形成熟料306所需要的加热能量来自回转窑燃烧器311，此燃烧器产生一股热气体240。熟料反应使放热的，额外的能量仅用来是温度升至将近1450摄氏度。回转窑308的排放气241的温度将近1000摄氏度。回转窑308排放的熟料206温度将近1400摄氏度，并在熟料冷却器309中采用空气流230进行冷却来生成冷熟料流207。此冷熟料流在水泥研磨装置中研磨成水泥粉末208。或者，此冷熟料流207在被研磨成水泥粉末208前进行储存。

前述的工艺可用来提高能量效率。可通过很多防暑来调整工艺流程来达到所述效率，下述的为优选方案。用空气流230来冷却熟料306，被加热的空气被分流成可利用的二级空气流231，一级空气流233用于回转窑燃烧器311的燃料222燃烧。一级空气流233是一个冷空气流，其将燃料222，通常是固体，输送至燃烧器311。对于低排放水泥厂来说，在前述工艺部分燃料222主要是生物燃料或废料以使二氧化碳的排放达到最小化或消除，三级空气流232用于煅烧燃烧器305/405。此三级空气流与来自预热器的预热空气流236混合，然后在煅烧燃烧器305/405种与一级空气流234一起与燃料220燃烧，产生加热气流244。这一循环利用与传统工厂相同。在至少一个实施例中，60％到70％的燃料在分解炉内的燃烧室305/405中燃烧，剩余的燃料在煅烧燃烧器311中燃烧。与传统工艺的本质区别是，在燃烧尾气排放中用空气流236在替代二氧化碳，以使回转窑燃烧器311在附加过量空气的情况下运行来减少一氧化碳的排放，这对全厂效率的影响可以忽略不计。

从回转窑308排放的热气流240包含大量的易挥发不纯物，这些不纯物可在便面发生反应和凝结，造成设备堵塞。在本实施例中，热气流在悬浮旋风除尘器306中采用固体202的滑流进行处理。241及202物流的质量流量是指除尘器306中混合物的排放温度在约为500摄氏度的质量流量。在这一温度下，一部分气体中不纯物与生料反应生成固体化合物。这一固体化合物在热生料209中被融合，被注入煅烧反应器303/403。精制尾气242输送破碎粉磨装置300，用于去除生料中的水分，特别是在研磨器中。破碎粉磨装置300也可对烟气242在排放大气前进行过滤，生成过滤流243。由于水泥来的大部分粉尘颗粒在排放前已被去除，过滤流243可安全排放至大气。

在进一步实施例中，本领域的技术人员可知，与传统工艺相比，从入口空气122至排放烟气120的气体压降较低，在传统工艺中空气必须驱动固体流高达六级的固-气混合及旋风分离。这意味着注入空气(未提及)和/或把烟道气排出的所用风扇的能源消耗大幅降低。

图4为石灰生产工艺流程的实施例。为了方便起见，此工艺采用了与硅酸盐水泥实施例相同编号。这种情况下，生料原料200是纯石灰石，冷产品208是石灰。固体冷却器408取代了回转窑及破碎粉磨装。在本实施例中，由于在此工艺中高品质的石灰石及可忽略不计的易挥发物质，除尘器被移除。此工艺中碳捕集于图3所述相同，冷二氧化碳流402作为二氧化碳工艺装置407的进料。工艺装置407将二氧化碳流213从水214中分离出来，并压缩。破碎粉磨装置400也可对烟气242在排放大气前进行过滤，生成过滤流243。由于水泥来的大部分粉尘颗粒在排放前已被去除，过滤流243可安全排放至大气。

在石灰205的工况下，石灰205被空气230在固体冷却器408冷却，生成用于煅烧燃烧器405的预热空气流232。固体冷却器408可适用于使用冷却管510和板式错流系统，此系统如前述的预加热器402。因此，热石灰可输送至管排，气体如空气可输送至冷却器底部并通过管排错流上升，以使空气在每一水平管中加热然后送至下一更高的管道等。这是一个高效的逆流系统，可以生成冷粉末流和热空气流。采用间接加热减少暴露在空气中的石灰，并且产品可以袋装在合适的容本说明中，词“包含”可被理解为其“开放”含义，即“包括”也可，也不限于为其“封闭”含义，即“组成”也可。对应的词所对应的含义归因于其出现的时态，“一般时”，“过去时”和“现在时”。

本发明已描述了具体实施方式，对于本领域的技术人员来说本发明在不背离其本质特征可由其他特定的形式体现。本发明实施例和实例已全面描述，但不限于此。本发明的保护范围为权利要求而不是前述内容，而在某种意义和范围上与权利要求等同的所有改变都被包含在其中。进一步理解可知，本发明所涉及的任何对先前文献的引用，除非出现相反的迹象，都不被承认，这些先前文献被本领域的技术人员所熟知。

Claims (5)

1.一种用于生产硅酸盐水泥熟料的方法，所述方法至少包括碎石灰石、碎砂和粘土生产，包括以下步骤：

a.混合石灰石，砂及黏土组成混合粉末；

b.在煅烧反应器中煅烧混合粉末，此过程中一段煅烧反应器预加热混合粉末，二段煅烧反应器使混合粉末发生反应，此反应在石灰石煅烧过程中产生一级二氧化碳气流，在一级燃料输入燃烧过程中产生二级二氧化碳气流；其中，一段煅烧反应器和二段煅烧反应器均采用间接加热，间接加热所需的热量由反应器的间壁传热提供，此热量来源于一个独立腔室中燃料及预热空气的燃烧；

c.将混合粉末引至回转窑采用直接加热方式来生产硅酸盐水泥熟料，其中以与空气混合的二级燃料的燃烧作为燃料，所述空气已被回转窑送出的硅酸盐水泥熟料预热。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级二氧化碳气流被冷却，压缩及储存。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级燃料为与空气混合的气体，其中空气通过冷却一级二氧化碳气流热交换的方式而已经被预热。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级气流包括从回转窑中排出的废气流的滑流，所述一级气流具有足够的过量空气以使燃料完全燃烧。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中砂的定义包括砂和特定的添加剂。