CN107091569A - 回转窑以及利用该回转窑生产金属氢化物的多联产系统 - Google Patents

Abstract

一种回转窑以及利用该回转窑生产金属氢化物的多联产系统，包括石灰生产子系统、煤粉生产子系统、电石生产子系统、金属镁生产子系统、余热利用和气体回收子系统、金属储氢子系统、水泥熟料生产子系统；本发明以石灰石、菱镁矿/白云石、石英砂、煤炭为原料，将石灰石煅烧为石灰；在氧化锆砖砌筑的石灰窑内，石灰与焦粉高温反应获得液态电石；将菱镁矿/白云石煅烧为氧化镁，电石与氧化镁、石英砂混合生产镁；回收处理石灰石和菱镁矿分解的高浓度二氧化碳、煤炭热解气、电石尾气获得氢气和食品级二氧化碳；氢气与镁联合生产氢化镁；处理电石渣与镁渣获得水泥熟料和炭粉。本发明的多联产系统没有固体废弃物排放，并大幅减少了碳排放。

Description

回转窑以及利用该回转窑生产金属氢化物的多联产系统

技术领域

本发明涉及回转窑领域，具体的说是一种回转窑以及利用该回转窑生产金属氢化物的多联产系统。

背景技术

氢能以其燃烧效率高、燃烧产物洁净、易于低成本储存运输以及用途多样化等突出特点，被认为是新世纪的重要二次能源。氢气大规模经济地制取、安全高效的储存运输已是亟待解决的问题。当今，工艺实际应用的氢气储存运输方法主要是高压容器、液氢储罐和金属氢化物储氢器。用金属氢化物储存运输氢气的突出优点是安全性好、单位重量的储氢密度远高于高压容器和液氢储罐。并且由于金属氢化物本身还具有其它功能：例如进行氢气的提纯、分离机回收，作为氢气压缩以及能量转换系统的介质等，因此其技术发展备受关注。尤其是以氢作为燃料的燃料电池在汽车、助动车、摩托车、通讯、电脑、摄像机、电动工具以及军事装置等应用领域的扩展使金属氢化物作为随车或移动式储氢载体具有很大的市场前景。

另一方面，回转窑是工业炉窑中应用较广泛的一种新型炉窑，具有受热均匀、热效率高、可连续生产、产品煅烧质量好等优点，广泛用于冶金、化工、建筑耐火材料、环保等工业。通常，回转窑由筒体、支撑装置、传动装置、窑头、窑尾和密封装置组成，筒体具有一定倾斜角度且可进行回转运动，物料从窑尾在筒体空心窑膛内既沿圆周方向翻滚又沿轴向（从高端向低端）移动，窑头燃料燃烧产生的烟气从窑膛中穿过煅烧或还原物料。这样，由窑尾至窑头形成了由低温到高温，再由高温到较低温度的温度分布，亦即形成了3个温度不同且首尾相连的温度带。在窑尾低温带上，物料处于预热升温阶段，称为预热带；在与之相连的高温带上物料处于复杂的物理化学变化和结构重排阶段，称为煅烧带；在靠近窑头的低温带上物料处于冷却降温阶段，称为冷却带。

回转窑加热物料过程中，被加工物料和燃烧在同一窑膛运行，燃料中的有害物质附着在被煅烧或还原物料上，同时燃烧产生的灰尘落在物料上，影响煅烧或还原产品的质量；另外，燃烧后的烟气与物料分解产生的工艺气体混合在一起，不利于石灰石煅烧副产品二氧化碳的回收和利用，因此不能直接用于进行焦化、煤气化或兰炭生产。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种回转窑以及利用该回转窑的生产金属氢化物的多联产系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种回转窑，包括窑体、支撑装置、传动装置、窑头、窑尾和密封装置，所述窑体包括钢结构、以及沿钢结构内壁砌筑或浇注的耐火材料，窑头设置燃烧器和物料出口，窑尾设置尾气出口和物料入口，所述窑体内的全部耐火材料为砌筑的高温耐火砖，或者窑体的煅烧带的、或者窑体的煅烧带和冷却带的、或者窑体的煅烧带的内圈的、或者煅烧带和冷却带的内圈的耐火材料为砌筑的高温耐火砖。

本发明的进一步改进在于：所述窑尾连接一竖窑，竖窑的窑膛内设置若干竖直/横向/斜向/环形的、由导热性耐火砖和/或导热性高温材料砌筑或制作的、与窑膛彼此隔绝的预热通道；窑尾的燃烧尾气通过尾气出口从竖窑底部连通到竖窑及预热通道之间的窑膛；预热通道的顶部入口设置连接物料仓的气流输送喷枪，预热通道的下端出口连接一物料分离器，物料分离器设置气体出口和固体出口，固体出口的物料通过输送器连通到窑尾的物料入口；所述预热通道内通过以气流输送的方式运输粉状或颗粒状的物料，物料是有机物、或无机物、或有机混合物、或无机混合物、或有机物和无机物的混合物，输送气体是任意气体，物料在输送过程中煅烧、分解或还原反应。

所述高温耐火砖的耐热温度为1000-3000℃；所述窑体的耐火材料砌筑为具有间壁通道的结构，内圈的耐火材料作为内筒，外圈的耐火材料与钢结构作为外筒，内筒与外筒之间形成间壁通道，间壁通道的间隙内设置支撑内筒与外筒的耐火材料支撑；所述间壁通道内通过以气流输送的方式运输粉状或颗粒状的物料，物料是有机物、或无机物、或有机混合物、或无机混合物、或有机物和无机物的混合物，输送气体是任意气体，物料在输送过程中煅烧、分解或还原反应。

所述回转窑用于电石、黑色金属、有色金属的单独生产，或者用于电石与黑色金属、电石与有色金属的混合生产。

利用上述回转窑生产金属氢化物的多联产系统，

包括石灰生产子系统；煤粉生产子系统；电石生产子系统，设置回转窑或者回转窑及竖窑；金属镁生产子系统，设置菱镁矿/白云石支路、电石支路、石英砂支路、间壁回转镁窑、以及粗镁锭处理单元；余热利用和气体回收子系统，设置荒煤气处理单元和高浓度二氧化碳处理单元；金属储氢子系统，设置镁颗粒进料单元、反应设备、金属氢化物后处理单元。

本发明的进一步改进在于：还包括水泥熟料生产子系统，设置镁渣支路、电石渣支路、水泥熟料生产设备，镁渣支路连接金属镁生产子系统和金属储氢子系统排出的镁渣，电石渣支路连接电石生产子系统生产排出的电石渣，水泥熟料生产设备的出料口排出生产获得水泥熟料和炭粉。

本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：

本发明以石灰石、菱镁矿/白云石、石英砂、煤炭为原料，同时联产氢气、食品级二氧化碳、水泥熟料、炭粉。主要通过破碎石灰石为碎石灰石、通过热解对中低阶煤炭提质，在回转窑内生产电石；通过在氧化镁和电石的原料中加入二氧化硅，即可在常压和较低的高温下实现金属镁的连续生产；对热解气和电石尾气回收利用可得氢气和二氧化碳产品；以金属镁为储氢材料得到金属氢化物；利用废渣生产水泥熟料和炭粉。本发明的多联产系统没有固体废弃物排放，并大幅减少了碳排放；氧热法生产电石和系统显热利用节能效果显著。

附图说明

图1是本发明一种实施例的系统原理示意图；

图2是石灰生产子系统的示意图；

图3是煤粉生产子系统和电石生产子系统的示意图；

图4是金属镁生产子系统的示意图；

图5是金属储氢子系统的示意图；

图6是余热利用和气体回收子系统中荒煤气处理单元的流程图；

图7是余热利用和气体回收子系统中高浓度二氧化碳处理单元的流程图；

图8是余热利用和气体回收子系统中低浓度二氧化碳处理单元的流程图；

图9是余热利用和气体回收子系统适用冷空气和热空气处理的流程图；

图10是余热利用和气体回收子系统适用冷氢气和热氢气处理的流程图；

图11是余热利用和气体回收子系统适用惰性气体处理的流程图；

图12是余热利用和气体回收子系统适用废气处理的流程图；

图13是回转窑的另一种结构示意图。

图中各标号表示为：1、石灰石仓，11、间壁回转石灰窑，12、热风，13、冷风，14、石灰储仓，15、燃烧尾气，

2、原料煤仓、21、回转干燥器，22、热空气，23、废气，24、混合器，26、预热器，

3、回转电石窑，31、电石锅，32、电石尾气，34、液态电石，35、空冷设备，36、预热通道，361、预热前物料，362、预热后物料，37、物料分离器，371、混合气体，372、混合固体，38、竖窑，

4、菱镁矿/白云石，41、煅烧设备，42、石英砂，43、惰性气体，44、间壁转筒冷却器，45、间壁转筒干燥器，46、间壁回转镁窑，47、板式冷却器，481、冷空气入口，482、热空气出口，491、惰性气体进口，492、惰性气体出口，493、镁渣，

5、粗镁锭，51、粗镁精炼设备，52、拉丝造粒设备，53、反应炉，531、阀门，532、水冷盘管，533、电伴热，54、减压缓冲罐，55、氢激冷回转窑，551、冷氢气，552、热氢气，56、间壁回转冷却装置，561、冷却水进口，562、冷却水出口，57、热空气出口，58、氢化镁，59、分配器，

6、粉碎设备，7、中间储仓，8、输送器，9、燃烧器，91、燃料，92、富氧空气或氧气。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

一种利用带氧化锆砖的生产金属氢化物的多联产系统，如图1-12所示，包括石灰生产子系统、煤粉生产子系统和电石生产子系统、金属镁生产子系统、余热利用和气体回收子系统、金属储氢子系统、水泥熟料生产子系统。

如图1所示，整个系统需要的原料为石灰石、无烟煤、菱镁矿/白云石、石英砂，其中石灰生产子系统以石灰石为原料，通过煅烧破碎获得石灰；煤粉生产子系统则破碎煤炭，之后混合煤炭与石灰并热解，获得石灰粉和焦粉；之后在电石生产子系统中以回转窑为主要设备进行液态电石生产；液态电石、菱镁矿/白云石、石英砂作为原料，由金属镁生产子系统加工为粗镁锭；在余热利用和气体回收子系统中，含氢热解气、电石尾气则经过处理得到氢，电石生产子系统、金属镁生产子系统中生产的高浓度二氧化碳则处理为食品级二氧化碳；最后在金属储氢子系统中，利用余热利用和气体回收子系统中的氢与金属镁生产子系统加工的粗镁锭为原料，制备氢化镁产品。

如图2所示，石灰生产子系统，设置石灰石进料单元、间壁回转石灰窑11、石灰后处理单元。石灰石进料单元包括依次连接的石灰石仓1、破碎设备6、中间储仓7、输送器8，将石灰石破碎为碎石灰石。石灰石单元的后端连接间壁回转石灰窑11的物料入口，间壁回转石灰窑11的窑体包括同轴套设的内筒和外筒，内筒与外筒之间形成间壁通道，生产时在间壁通道内通入物料，内筒作为燃料燃烧的窑膛。碎石灰石在间壁回转石灰窑11内燃烧生产石灰，并同时收集到高浓度的二氧化碳。

如图3所示前半段的煤粉生产子系统，设置进煤炭单元。所述煤炭进料单元包括依次连接的原料煤仓2、粉碎设备6、中间储仓7、输送器8、回转干燥器9，将煤炭破碎、干燥为符合设计要求的煤粉。干燥的煤粉与石灰粉在混合器24内充分混合，混合后的物料经过一预热器26进入电石生产子系统。

如图3所示后半段的电石生产子系统，包括回转窑3、电石锅34。回转窑3包括窑体、支撑装置、传动装置、窑头、窑尾和密封装置。所述窑体包括钢结构、以及沿钢结构内壁砌筑的耐火材料；窑头设置燃烧器和物料出口，窑尾设置尾气出口和物料入口。窑体内的煅烧带和冷却带为砌筑的氧化锆砖，生产时，煅烧带和冷却带的温度保持在2000℃以上，预热带的耐火材料为普通耐高温的碳化硅砖，优选位于外层的碳化硅砖与钢结构之间涂覆耐高温涂层。煤粉和石灰粉被送入回转窑的物料入口，煅烧生产液态电石由回转窑3的物料出口流入电石锅31内。

如图4所示的金属镁生产子系统，包括菱镁矿/白云石支路、电石支路、石英砂支路、间壁回转镁窑46、以及粗镁锭处理单元。菱镁矿/白云石支路设置依次连接的煅烧设备41、粉碎设备6、中间储仓7，将菱镁矿/白云石4煅烧破碎为氧化镁粉，煅烧过程中产生高浓度的二氧化碳。电石支路设置依次连接的空冷设备35、粉碎设备6、中间储仓7、输送器8、间壁转筒冷却器44，将液态电石34冷却、粉碎为电石粉。石英砂支路设置依次连接的粉碎设备6、中间储仓7、输送器8、间壁转筒干燥器45，将石英砂破碎干燥为石英粉。

所述菱镁矿/白云石支路的中间储仓7、电石支路的间壁转筒冷却器44、石英砂支路的间壁转筒干燥器45各通过一输送器连接到混合器24，混合器24通过输送器8连接到间壁回转镁窑46的物料入口，间壁回转镁窑46的物料出口收集到镁蒸气，镁蒸气连接到粗镁锭处理单元生产获得粗镁锭5。粗镁锭处理单元为水冷板式冷却器47；将水冷换为电热或700℃以上的电石尾气可熔化粗镁锭5脱离水冷壁。

如图6-图12所示的余热利用和气体回收子系统主要涉及荒煤气处理单元、高浓度二氧化碳处理单元、低浓度二氧化碳处理单元、热空气之间变换的处理单元、氢气循环处理单元、惰性气体处理单元。

如图5所示的金属储氢子系统，设置镁颗粒进料单元、反应炉53、金属氢化物后处理单元。镁颗粒进料单元包括依次连接的粗镁精炼设备51、拉丝造粒设备52、输送器8、分配器59，粗镁精炼设备51中利用惰性气体作为保护气，以金属镁生产子系统生产得到的粗镁锭5为原料，使粗镁锭5受热熔化分层实现粗镁的精制，得到液态镁及镁渣。之后，通过拉丝造粒设备52得到镁颗粒，镁颗粒通过分配器59被输送到至少两台交替工作的反应炉53。

两台反应炉53的下端都设置进氢口，用于引入在余热利用和气体回收子系统生产得到的氢，两台反应炉53的下端还设置出料口，用于排出镁颗粒吸收氢之后变换而成的氢化镁；固体进料口、进氢口和出料口的管路上都设置工作阀门531。反应炉53还设置泄氢阀和安全阀。两台反应炉53的侧壁设置放热和吸热装置，其中放热装置为电伴热553，吸热装置为水冷盘管532。

反应炉53排出的氢化镁58进入后续的金属氢化物后处理单元，包括依次连接的减压缓冲罐54、输送器8、氢激冷回转窑55、输送器8、间壁回转冷却装置56。氢激冷回转窑55的内通入用于冷却氢化镁58的氢气。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述普通耐火砖的部分砌筑为间接通道结构，主要是由耐火砖砌筑为内筒、外筒、以及中间支撑的结构，其中内圈的耐火砖形成内筒，外圈的耐火砖与钢结构形成外筒，内筒与外筒之间还砌筑耐火材料以便形成支撑。本发明中的内圈、外圈可以指一层耐火砖，也可以指多层耐火砖，以保证整体结构的稳定性。在钢结构上设置连通间壁通道的物料进入和物料出口，由二氧化碳气流输送粉状或颗粒状的物料进入间壁通道，物料为有机物和/或无机物，物料在间壁通道内的输送过程中发生煅烧、分解或还原反应。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：如图13所示，将石灰生产子系统与电石生产子系统复合，利用回转窑3与竖窑38的配合进行石灰和电石生产。所述回转窑3的全部耐火材料都采用氧化锆砖砌筑，回转窑3的长度为6米。回转窑3的窑尾设置一竖窑38，竖窑38内的窑膛里设置竖直的预热通道36，预热通道36与窑膛彼此隔绝，窑尾的燃烧尾气通过尾气出口引出，之后从竖窑底部连通到竖窑及预热通道之间的窑膛。本实施例设置两道具有方孔内孔的预热通道36，预热通道36包括位于内侧的耐磨性的碳化硅层、位于外侧的导热性好的炭砖层，砌筑的预热通道36的下端出口连接一物料分离器37，物料分离器37设置气体出口和固体出口，气体出口的混合气体371进入余热和气体回收利用系统，固体出口的混合固体372物料通过输送器连通到窑尾的物料入口。

生产时，白煤炭在左侧路线的煤粉生产子系统内制得白煤粉，石灰石在另一路系统中，经石灰石仓1、破碎设备6、中间储仓7制得石灰石粉，石灰石粉与白煤粉在混合器24内充分混合，之后被二氧化碳气流从顶部喷入预热通道，石灰石粉和白煤粉在竖窑内受到由回转窑进入的燃烧尾气的预热，分解为焦粉和石灰粉、以及主要成分为一氧化碳、氢气和甲烷的热解气，物料分离器分离气体和固体，之后焦粉和石灰粉的固体通入回转窑的物料入口进行电石生产。

如上在正常电石生产中的回转窑的原料内加入设定比例的铁矿石粉，石灰粉、焦粉与铁矿石粉在回转窑内煅烧，在电石生产的同时，煤粉或还原性气氛将铁矿石粉还原为纯铁，形成的铁水与液态电石共同排入电石锅内，冷却后分离得到电石和生铁。本回转窑可用于电石、黑色金属、有色金属的单独生产，或者用于电石与黑色金属、电石与有色金属的混合生产。

Claims (6)

1.一种回转窑，包括窑体、支撑装置、传动装置、窑头、窑尾和密封装置，所述窑体包括钢结构、以及沿钢结构内壁砌筑或浇注的耐火材料，窑头设置燃烧器和物料出口，窑尾设置尾气出口和物料入口，其特征在于：所述窑体内的全部耐火材料为砌筑的高温耐火砖，或者窑体的煅烧带的、或者窑体的煅烧带和冷却带的、或者窑体的煅烧带的内圈的、或者煅烧带和冷却带的内圈的耐火材料为砌筑的高温耐火砖。

2.根据权利要求1所述的一种回转窑，其特征在于：所述窑尾连接一竖窑（38），竖窑（38）的窑膛内设置若干竖直/横向/斜向/环形的、由导热性耐火砖和/或导热性高温材料砌筑或制作的、与窑膛彼此隔绝的预热通道（36）；窑尾的燃烧尾气通过尾气出口从竖窑底部连通到竖窑及预热通道之间的窑膛；预热通道（36）的顶部入口设置连接物料仓的气流输送喷枪，预热通道（36）的下端出口连接一物料分离器（37），物料分离器（37）设置气体出口和固体出口，固体出口的物料通过输送器连通到窑尾的物料入口；所述预热通道内通过以气流输送的方式运输粉状或颗粒状的物料，物料是有机物、或无机物、或有机混合物、或无机混合物、或有机物和无机物的混合物，输送气体是任意气体，物料在输送过程中煅烧、分解或还原反应。

3.根据权利要求2所述的一种回转窑，其特征在于：所述高温耐火砖的耐热温度为1000-3000℃；所述窑体的耐火材料砌筑为具有间壁通道的结构，内圈的耐火材料作为内筒，外圈的耐火材料与钢结构作为外筒，内筒与外筒之间形成间壁通道，间壁通道的间隙内设置支撑内筒与外筒的耐火材料支撑；所述间壁通道内通过以气流输送的方式运输粉状或颗粒状的物料，物料是有机物、或无机物、或有机混合物、或无机混合物、或有机物和无机物的混合物，输送气体是任意气体，物料在输送过程中煅烧、分解或还原反应。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种回转窑，其特征在于：所述回转窑用于电石、黑色金属、有色金属的单独生产，或者用于电石与黑色金属、电石与有色金属的混合生产。

5.利用权利要求2-4任一项所述的回转窑生产金属氢化物的多联产系统，其特征在于：

包括石灰生产子系统；煤粉生产子系统；电石生产子系统，设置回转窑（3）或者回转窑（3）及竖窑（38）；金属镁生产子系统，设置菱镁矿/白云石支路、电石支路、石英砂支路、间壁回转镁窑（46）、以及粗镁锭处理单元；余热利用和气体回收子系统，设置荒煤气处理单元和高浓度二氧化碳处理单元；金属储氢子系统，设置镁颗粒进料单元、反应设备、金属氢化物后处理单元。

6.根据权利要求5所述的一种利用回转窑生产金属氢化物的多联产系统，其特征在于：还包括水泥熟料生产子系统，设置镁渣支路、电石渣支路、水泥熟料生产设备，镁渣支路连接金属镁生产子系统和金属储氢子系统排出的镁渣（493），电石渣支路连接电石生产子系统生产排出的电石渣，水泥熟料生产设备的出料口排出生产获得水泥熟料和炭粉。