CN115803301A - 在再生式并流立式高炉中煅烧矿物岩石的方法和使用的炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在再生式并流立式高炉中煅烧矿物岩石的方法，包括将从处于预热模式(2)的炉身排出的部分气态流出物收集到循环回路(18)中，通过将来自气态流出物的所述收集部分与来自分子氧源(20)的高浓度分子氧混合形成氧化混合物，并将所述氧化混合物引入处于烧制模式(1)的炉身顶部，以确保燃料在氧气存在下燃烧，从炉排出的所述气态流出物中含有高浓度的CO2。

Description

在再生式并流立式高炉中煅烧矿物岩石的方法和使用的炉
本发明涉及一种在再生式并流立式高炉中煅烧碳酸盐矿物岩石的方法和使用的炉。
再生式并流立式高炉或并流再生式窑(PFRK)的能源效率可达85％至90％；这一效率不仅在石灰行业，甚至在整个能源密集型的水泥、钢铁和玻璃行业中也是最高的。在欧洲，60％的石灰都是由这种类型的炉生产而来。考虑到能源和生态转型的路线图，这一比例将在欧洲和全球范围内增加。
“PFRK”炉是立式双炉身高炉，其中燃料交替注入两个炉身，持续大约10至15分钟，循环之间有大约1至2分钟的停止时间，以将空气和燃料回路换向。这就是“换向”期。两个炉身通过连接通道相互连接。当其中一个炉身燃烧时(烧制模式)，燃烧热烟气通过连接通道(气体传输通道)并将其部分热量提供给待煅烧的矿物岩石，以便在再生或预热模式下于另一个炉身中对其进行预加热。所述PFRK炉的炉身为圆柱形或矩形。某些情况下存在三个炉身，其中两个处于预热模式，一个处于烧制模式。以下概述的问题和解决方案适用于所有几何形状的PFRK炉。
这些已知的炉中使用的方法在生产模式下包括：
-在炉身顶部装载碳酸盐矿物岩石，
-预热所述岩石，
-烧制所述岩石，将其脱碳为煅烧材料，
-使用冷却空气对煅烧材料进行冷却，和
-在炉身底部卸载煅烧材料，
-每个炉身以烧制模式和预热模式交替运行，一个炉身在预定时间段处于烧制模式，而至少另一个炉身处于预热模式，且反之亦然，
-烧制模式包括：
所述处于烧制模式的炉身顶部的碳酸盐矿物岩石装载，
在存在下降到该炉身中的所述预热的碳酸盐矿物岩石的情况下，在氧气存在下燃烧燃料，以获得该岩石的所述烧制，并将所述岩石脱碳为煅烧材料，燃烧烟气以气体流的形式释放，在处于烧制模式的炉身中并流下降，和
包含这些利用所述气体传输通道从处于烧制模式的炉身移动到所述至少一个处于预热模式的炉身的燃烧烟气的所述气体流。
-预热模式包括：
通过与包含来自气体传输通道的燃烧烟气的气体流进行热交换，对装载的碳酸盐矿物岩石进行所述预热，燃烧烟气在所述至少一个处于预热模式的炉身中逆流上升至所述装载的碳酸盐矿物岩石，和
所述至少一个处于预热模式的炉身顶部排放基于包含来自炉的燃烧烟气的气体流的气态流出物。
就本发明而言，碳酸盐矿物岩石特别是指石灰石岩石、白云石岩石和/或菱镁矿，它们分别煅烧成生石灰、煅烧白云石和/或氧化镁。石灰石煅烧成生石灰的方程式如下：
CaCO3(固体)+热←→CaO(固体)+CO2(气体)
这是一个可逆的吸热反应，生石灰在低于900℃的第一时间与CO2重新结合，根据温度和CO2的环境浓度，具有平衡和或多或少的快速动力学。
因此，在这一过程中，原始的石灰石或白云石岩石在其煅烧成生石灰或白云石期间释放大量的CO2。此外，必须达到高温才能进行这种煅烧，因此必须燃烧燃料，这反过来又会导致释放大量的CO2。总的来说，煅烧方法具有积极推动温室效应的缺点。
这种常见的煅烧方法也存在燃料与空气一起燃烧以及煅烧产物受空气冷却的缺点。这导致炉顶排放的气态流出物中含有高浓度的双原子氮和相对较低浓度的CO2(干气的体积浓度约为20％至27％)，由于使用的空气中含有大量的双原子氮，捕获CO2的成本很高。
为了捕获这种CO2，可以考虑使用称为“胺”的化学溶剂的减排方法，这是在集尘过滤器之后应用于生产线末端的炉烟的最广泛的技术。然而，PFRK炉的循环特征，即每10到15分钟停炉1到2分钟，与该技术不相容，而且该技术成本很高，涉及到的溶剂在环境立法方面也不具有可持续性。
为了能够捕获PFRK炉中排放的CO2，在使用的方法中已经提出了用再循环的燃烧烟气取代所述方法中的所有空气、携带固体燃料的燃烧空气和冷却空气，并将纯氧引入处于烧制模式的炉身中(见CN105000811)。对于本领域的技术人员来说，显然该过程是不可行的，因为生石灰在冷却过程中会重新碳化。如上所述，CO2不能再循环来冷却生石灰，因为生石灰会立即与CO2重新结合，重新生成CaCO3。另一方面，在炉顶使用纯氧会带来严重的材料兼容性问题，而且这种输入将无法提供足够的质量流量来有效回收再生区积累的热量。该方法的缺点和可行性问题已经在专利申请US2020/0048146中进行了讨论。
还应注意的是，与转炉等相比，PFRK炉中的冷却空气对处于烧制模式的炉身中的燃烧和煅烧过程没有直接影响。它对产品的质量没有预期的影响。
生产模式是指炉处于正常工作状态，在此期间持续生产煅烧材料。因此，该模式不适用于炉的启动和关闭阶段，也不适用于发生故障时的维护。
本发明旨在至少部分地解决从PFRK炉向大气中排放大量CO2的问题，而不改变其循环操作且几乎不改变其结构。本发明还旨在使捕获炉排放的气态流出物中存在的CO2成为可能。
为了解决该问题，本发明提供了一种如开头所述的再生式并流立式高炉中煅烧矿物岩石的方法，该方法进一步包括：
-收集一部分从炉排出的气态流出物，
-通过将收集到的这部分从炉排出的气态流出物与高浓度分子氧混合形成氧化混合物，和
-将该氧化混合物引入处于烧制模式的炉身顶部，以确保所述燃料在氧气存在下燃烧，
从炉排出的气态流出物中含有高浓度的CO2。
燃料在高浓度分子氧中燃烧会导致火焰温度对于通常的炉设备而言过高。本发明还提供了收集一部分富含CO2的气态流出物并将其与分子氧混合。因此获得了在适当火焰温度下的O2+N2的混合物，而不是通常由O2+N2的空气混合物形成的氧化剂。
燃料在分子氧中燃烧导致含有燃烧烟气的气体流和碳酸盐岩的煅烧。这主要产生了带有一些杂质的CO2，这些杂质以痕量形式存在于燃料和待煅烧的材料中，以及一些未被燃料燃烧耗尽的氧气。这些燃烧烟气自然也包含提供给氧化混合物的CO2。与传统方法相比，这显然导致了从炉顶排放的气态流出物中的CO2含量显著增加。根据本发明，富含CO2的气态流出物是指其CO2含量按干气体积计至少为35％，有利地至少为45％，优选地至少为60％，特别是至少为80％，特别有利地至少为90％。然后可以在有利条件下使用或封存这种CO2，从而极大地减少了炉对温室效应的推动。
使用这种方法不一定需要对炉本身进行任何特殊设计。对炉所做的唯一改变可能只是在炉的外部，包括改变离开炉的流出回路，并提供至少一种高浓度分子氧源。
根据本发明，高浓度分子氧(以下简称氧气)，是指氧气含量超过50％(按体积计)的气体。其优选地等于或大于90％，特别是93％，有利地98％至100％(按体积计)。例如，高浓度分子氧源可以是将空气分离成分子氧和分子氮并与炉并行工作的空气分离装置，或安装在炉旁边的分子氧罐。有利地，燃料燃烧是在相对于化学计量燃烧要求的过量氧气存在下进行的，优选地约5％至50％，特别是10％至30％，有利地15％至25％(按体积计)。
根据本发明，燃料是指任何固体、液体或气体燃料，例如天然气、氢气、沼气、燃油、油、煤或焦粉、固体生物质(如锯屑)、固体回收燃料(如塑料、纸、纸板等)。有利地，在固体燃料的情况下，使用从炉排出的气态流出物的所述收集部分的一部分作为载气，以颗粒或粉末形式将其引入处于烧制模式的炉身中。来自任何其他来源的CO2也可作为载气提供。
根据本发明的实施方案，冷却煅烧材料包括，在每个炉身的底部供应冷却空气，该冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，加热的冷却空气在移动通过气体传输通道之前与处于烧制模式的炉身中含有燃烧烟气的气体流混合，并且在移动之后，与所述至少一个处于预热模式的炉身中的气体流混合，从炉排出的富含CO2的气态流出物含有燃烧烟气和冷却空气。在这种情况下，只有传统方法中的燃烧空气被基于从炉排出的富含CO2的气态流出物和氧气的氧化混合物所取代。这样的方法使得在本发明的炉中，从传统PFRK炉排出的气态流出物的CO2含量可以从按干气体积计20至27％增加到按干气体积计至少35％，有利地至少45％，甚至高达65％。例如，使用该方法的PFRK炉可以有效地取代目前在纯碱厂中使用的焦炉，以提供按体积计含有40％CO2的烟气。此外，所述PFRK是“可持续的”节能炉，最重要的是，它消除了与焦炉相关的所有环境问题，包括污染物(CO、NH3、H2S等)的大量排放。
根据本发明的特定实施方案，冷却空气以等于或小于将煅烧材料冷却至100℃的参考温度所需的热力学最小值的总体积供应至炉。有利地，供应至炉的冷却空气的总体积可为所述热力学最小值的约40％至60％，优选地等于50％。在这种情况下，卸载产品的温度将高于正常操作。因此，有必要使卸载设备适应能耐受该温度的材料。
还可以有利地规定，所述冷却煅烧材料包括，在唯一处于烧制模式的炉身的底部供应冷却空气，该冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，加热的冷却空气在移动通过气体传输通道之前与含有燃烧烟气的气体流混合，从炉排出的富含CO2的气态流出物含有燃烧烟气和冷却空气。在这种情况下，供应至炉的冷却空气的总体积也可以低于将煅烧材料冷却至100℃的参考温度所需的热力学最小值。因此有利地，供应至炉的冷却空气的总体积可为所述热力学最小值的约40％至60％，优选地等于50％。
根据本发明的特别有利的实施方案，所述冷却煅烧材料包括，在每个炉身的底部或在唯一处于烧制模式的炉身的底部供应冷却空气，该冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，所述方法进一步包括从炉中去除加热的冷却空气，从炉排出的气态流出物中的CO2含量按干气体积计至少为90％，优选地至少为95％。在这种情况下，从炉排出的气态流出物几乎完全由燃烧烟气形成。在专门的行业中使用这种气体或将其封存起来成为可能。
根据本发明的特定实施方案，所述方法进一步包括在与高浓度分子氧混合之前或之后，从炉中去除的加热的冷却空气与从炉排出的气态流出物的所述收集部分之间进行热交换。这使得氧化混合物中的热回收可以引入处于烧制模式的炉身中。
本发明的所述方法的其他细节和特征在所附权利要求中提及。
本发明还涉及一种PFRK型再生式并流立式高炉。
这种炉包括：
-至少两个通过气体传输通道相互连接的炉身，
每个所述炉身在打开或关闭位置包括：
-至少一个燃料供应装置，
-至少一个用于燃料燃烧的含氧氧化剂供应开口，
-位于炉身顶部用于装载碳酸盐矿物岩石的入口，
-位于炉身底部用于卸载所生产的煅烧材料的出口，
-位于炉身顶部的与烟囱相连的气体排放管，和
-用于冷却所产生的煅烧材料的冷却空气供应装置，
所述炉包括用于炉身换向操作的系统，该系统布置成使每个炉身在生产模式下交替地以烧制模式和预热模式运行，一个炉身在预定时间段处于烧制模式，而至少另一个炉身处于预热模式，且反之亦然，该换向系统因此控制所述打开和关闭位置。
本发明的所述炉进一步包括：
-再循环回路，其布置在上述炉身的气体排放管和炉身的所述氧化剂供应开口之间，并且其中所述换向系统控制来自处于预热模式的炉身的至少一部分气态流出物的收集，和
-与再循环回路相连的高浓度分子氧源，以向其供应高浓度分子氧，从而形成氧化混合物，处于烧制模式的炉身的所述氧化剂供应开口通过所述换向系统在打开位置供应，以确保燃料燃烧。
如上所述，PFRK炉具有循环操作，每个炉身在预定时间段以烧制模式运行，然后在1至2分钟的换向时间后，以预热模式运行，如此循环。在换向期间，所述换向系统以同步方式控制从一种模式转到另一种模式所需的所有变化，例如，当炉身处于烧制模式时，打开燃料供应装置的喷嘴，当其转到预热模式时，关闭这些喷嘴。因此，所述换向系统不仅控制众多的阀门和闸门，而且还控制装卸设备或各种吸气、泵送或注入元件的运行。
可以看出，本发明的炉仅在炉的外部结构上有一些改变。因此，现有的炉可以容易地布置以实施本发明的煅烧方法。
根据本发明的实施方案，炉身具有圆形截面，所述气体传输通道是连接烟道，其连接布置在每个炉身周围的外围通道以便气体传输，并且在连接烟道下方，炉身设置有与抽空元件连接的集流环，以便将加热的冷却空气从炉内排出。有利地，圆形炉身在炉身底部进一步包括与抽空元件连接的中央收集器元件，以便将加热的冷却空气从连接烟道下方的炉内排出。
根据本发明的炉的另一实施方案，炉身具有矩形截面，炉身的第一侧面面对另一个相邻炉身的第一侧面，并且每个炉身包括那些与彼此面对的第二侧面相对的第二侧面，所述气体传输通道是连接烟道，其通过它们的第一侧面将一个炉身直接连接到另一个炉身，并且在连接烟道下方，炉身的所述第一侧面和所述第二侧面分别设置有与抽空元件连接的收集通道，以便将加热的冷却空气从炉内排出。
根据本发明的实施方案，所述炉包括作为再循环回路的分子氧源的空气分离装置，用于将空气分离成分子氧和分子氮。还可以提供氧气罐。有利地，供应有从炉内排出的加热的冷却空气的热交换器安装在再循环回路上，以便在上述氧化混合物供应至处于烧制模式的炉身之前对其进行加热。
本发明的所述炉的其他细节和特征在所附权利要求中提及。
本发明的其他特征也将从以下非限制性的附图说明中变得明显。
图1示意性地显示了传统PFRK炉。
图2a和2b显示了在具有圆形截面的传统PFRK炉和具有矩形截面的传统PFRK炉中气体流的氧气质量百分比浓度的数字模型。
图3和图4示意性地显示了本发明的具有圆形截面的炉的几个实施例。
图5是本发明的具有矩形截面的炉的实施例的局部显示。
在图中，相同或相似的部分使用相同的标号。通常，左侧所示的炉身处于烧制模式，右侧所示的炉身处于预热模式。标准部件，如装载或卸载设备，未显示或非常示意性地显示，以避免附图过多。
从图1中可以看出，所示的PFRK炉是立式双炉身高炉1、2，其中燃料交替注入炉身1和炉身2，持续大约12分钟，循环之间有1至2分钟的停止时间，以将回路换向。这就是“换向”期。两个炉身都具有圆形截面，并设置有外围通道13，这些通道通过连接烟道3相互连接。炉身垂直分为三个区域：预热区A(碳酸盐岩在煅烧前预热)、燃烧区B(烧制碳酸盐岩)和冷却区C(冷却煅烧材料)。
当炉身处于烧制模式时，此处为炉身1，喷嘴4形式的燃料供应装置将燃料9注入到炉身中，其在所示的实施例中为天然气。经由处于打开位置的入口5装载在炉身顶部的碳酸盐岩在炉身中逐渐下降。通过供应开口6在炉身顶部引入燃烧空气，这使燃料在喷嘴4的出口处燃烧，并使碳酸盐岩脱碳成为煅烧材料10。由燃烧和脱碳形成的气体流11并流下降到煅烧材料，并利用外围通道13移动到连接烟道3中。冷却空气通过炉身底部的供应管7引入，与煅烧材料逆流以冷却它。加热的冷却空气12与包含燃烧烟气11的气体流混合，以便移动到连接烟道3中。经由出口8将煅烧材料卸载到卸载设备24中。
当炉身处于预热模式时，此处为炉身2，燃料供应装置关闭并且喷嘴4因此关闭。这同样适用于碳酸盐岩的入口5和供应燃烧空气的开口6。然而，用于冷却空气的供应管7和用于煅烧材料的出口8保持在打开位置。在与下降的煅烧材料10进行热交换后，加热的冷却空气与气体流11混合，气体流11从连接烟道3经由外围通道13进入炉身。该气体流11前进直到其到达炉身顶部，在那里它通过排放管14从炉内排出并转移至烟囱15。在处于烧制模式1的炉中，该排放管14关闭。
所述炉还包括示意性显示的换向系统16。它以同步方式直接或远程控制炉身换向期间内炉身的运行。它以这样的方式控制炉所有元件的开关，即在生产模式下，每个炉身在烧制模式和预热模式下交替运行。
某些情况下存在三个炉身，其中两个处于预热模式，一个处于燃烧模式。
图1显示了设计用于每天生产430吨石灰的炉。以下提到的所有气体流量均以Nm3/t的石灰产量表示。
为了与作为燃料注入到炉身1中的气体发生反应，使用1120Nm3/t的助燃空气以获得相对于化学计量要求按重量计19％的过量空气，并且为了在燃烧时形成100Nm3/t的CO2。由于其为空气，进入气体中氧气的质量浓度为23％。达到的温度远高于900℃，导致石灰岩脱碳，释放出380Nm3/t的CO2。为了将产生的石灰冷却到大约100℃的温度，通过两个炉身的底部引入290Nm3/t的冷却空气，总计580Nm3/t。在烟囱处，获得2250Nm3/t的气态流出物，其中含有480Nm3/t的CO2，即该气态流出物的CO2含量为干气的23％。CO2在如此低的含量下难以使用或封存，因此气态流出物完全释放到大气中。
图2a显示了具有圆形截面的PFRK炉的数字模型，显示了气体根据其氧气含量的路线。它仅显示了燃烧区B(从喷嘴末端开始)和冷却区C，因此未显示炉身的顶部。
a区：在处于烧制模式的炉身中，冷却空气(在底部)和燃烧空气(在顶部，刚好在喷嘴末端上方)，O2含量为23％(按重量计)。
b区：喷嘴射出的燃烧烟气，其中几乎没有氧气残留，这些烟气中间仍有一些未反应的O2。
c区：烟气逐渐与冷却空气混合，深入渗透到冷却区C。它们将气态混合物从外围推入外围通道13，然后推入连接烟道3。
d区：在处于预热模式的炉身中，冷却空气。
e区：来自外围通道13的气体流与冷却空气的混合物。越靠近炉身中心，残留的O2含量增加得越多。
图2b示出了PFRK炉的数字模型，其炉身具有矩形截面。此处，气体流量的分布不再像圆形炉身那样对称。
图3是根据本发明的炉的视图。在这种情况下，炉的结构没有变化。排放管14的外部设置有分离部件17，其能够收集从炉排出的一部分气态流出物并将其引入再循环回路18。在该回路中，气态流出物的收集部分在处理装置19中得到有利的处理，例如可以被过滤和/或干燥。空气分离装置20将管21供给的空气分离成经由管22排出的N2和经由供应管23供给至再循环回路18的O2。该回路18然后将由气态流出物的再循环部分和浓缩O2形成的氧化混合物带到供应开口6处的每个炉身的顶部。
图3中炉的操作类似于PFRK炉。分离部件17与处理装置19和空气分离装置20一样是连续工作的。正如已经看到的那样，换向系统16关闭处于烧制模式的炉身顶部的排放管14。然而，它打开该炉身顶部的供应开口6以便引入氧化混合物，而处于预热模式的炉身顶部的供应开口6则是关闭的。
使用与上述传统炉中相同量的碳酸盐岩以及相同流量的燃料和冷却空气。通过再循环回路18收集从炉排出的富含CO2的830Nm3/t的气态流出物。该再循环流出物与160Nm3/t的O2混合，以在由此形成的氧化混合物中保持23％的O2质量浓度不变，并在燃烧过程中获得相对于化学计量要求按重量计相同的19％的过量氧气。因此，燃烧空气中的氮气N2被与其质量相当的CO2所取代。由于它比氮气重(相对于1.25g/Nm3的比重为1.977)，炉内烟气的总体积减少，导致压降相对于传统炉减少13％。在烟囱处，释放出1240Nm3/t的气态流出物，按干气体积计目前含有43％的CO2。如上所述，在此含量下，工业用途变得可能，例如在纯碱厂中。
作为本发明的这种炉的变体，为了进一步减少该方法中的空气输入，可以减少冷却空气的流量。例如，此输入可以减少至50％，即290Nm3/t的冷却空气。该减少的体积可以通过唯一处于烧制模式的炉身的供应管7引入或通过利用两个炉身的供应管7引入。该测量方法减少了50％的烟气稀释。这导致经由出口8排出的煅烧材料的冷却较少。因此，有必要提供能耐受超过100℃高温的卸载设备，例如耐火钢卸料台和钢制拖链。由于生石灰离开时温度较高，冷却空气的热回收较少，这通过燃料输入流量的小幅增加得到补偿，从而导致在燃烧时形成120Nm3/t的CO2。反过来，这种增加需要将再循环回路中从炉排出的1730Nm3/t的气态流出物的收集量更改为865Nm3/t，并将该收集到的流出物与200Nm3/t的O2混合，以在由此形成的氧化混合物中保持23％的O2质量浓度不变，并在燃烧过程中获得相对于化学计量要求按重量计相同的19％的过量氧气。因此，在烟囱处，仅获得865Nm3/t的气态流出物，其中CO2含量按干气体积计高达63％。
事实上，通过将冷却空气量调整为将煅烧材料冷却至100℃的参考温度所需的热力学最小值的100％至50％之间，可以在烟囱处建立按体积计40％至65％的自定义CO2浓度。在生石灰与为此目的安装的高温卸载和运输系统的温度相容限度内，通过将冷却空气的输入量减少到50％以下可以获得更高浓度的CO2。
图4是根据本发明的有利的炉的视图。可以看出，该实施例包括根据图3的实施例的特征，但除此之外，它还包括对炉外部结构的小改造。
在这种情况下，通过安装去除系统，加热的冷却空气通过与煅烧材料接触而被抽取。炉身1和炉身2均在连接烟道3和外围通道13下方设有集流环25，其与抽空元件26连接，以便使加热的冷却空气从炉内排出。以这种方式，可以根据需要通过抽取小部分燃烧烟气来抽取部分或全部燃烧空气。事实上，如图2a所示，由于下降的气体深入渗透到冷却区C中，冷却空气被推向布置有集流环的炉的外壁。炉身可以进一步任选地在底部包括与抽空元件26连接的中央收集器元件27，以便在连接烟道3下方集中去除加热的冷却空气。
在矩形炉的情况下，也可以在没有集流环的情况下利用侧面回收区来抽取冷却空气。从图5中可以看出，每个炉身包括4个侧面。一个炉身的侧面28面对相邻炉身的侧面29，并且每个炉身包括第二侧面30和31，分别与那些彼此面对的侧面相对。气体传输通道是连接烟道3，其通过其侧面28和29将一个炉身直接连接到另一个炉身。在连接烟道下方，侧面28至31分别设有与抽空元件26连接的收集通道32至35，以便将加热的冷却空气从炉内排出。
由于气体流在矩形高炉中的分布不对称(见图2b)，冷却空气只被热烟气推向一侧。此外，在所示的炉中，炉身1处于烧制模式，炉身2处于预热模式，换向系统16仅打开收集通道32和34。在接下来的循环中，将仅打开收集通道33和35。
在图4所示的炉中，使用与上述传统炉中相同量的碳酸盐岩以及相同流量的冷却空气。加热的冷却空气通过抽空元件26从炉内排出。在炉身1中，执行燃料引入，以便在燃烧时获得105Nm3/t的CO2形成。在炉身2的顶部，排出1330Nm3/t的气态流出物。通过再循环回路18收集730Nm3/t排出的富含CO2的气态流出物。该再循环流出物与220Nm3/t的O2混合，以在由此形成的氧化混合物中保持23％的O2质量浓度不变，并在燃烧过程中获得相对于化学计量要求按重量计相同的19％的过量氧气。因此，在烟囱处，仅获得600Nm3/t的气态流出物，其中CO2含量按干气体积计为96％。
在图4所示的炉中，为了从抽空元件26去除的热空气中回收一部分能量，可以在与高浓度分子氧混合之前或之后，使用热交换器36与再循环气体流出物的一部分进行热交换。
此外，在连接烟道3和外围通道13中，也可以使用喷射管37喷射从炉排出的气态流出物的所述收集部分的一部分。任选地，可以事先使用热交换器，例如热交换器36，在从炉中去除的加热的冷却空气与上述待喷射的部分之间进行热交换。在缺少热交换器的情况下，可以在喷射管37上设置未示出的热交换器。
根据另一变体，可以通过在烟道和/或外围环的选定位置处喷射水来降低连接烟道中的温度。这种添加的水对干气中CO2的浓度没有稀释作用。
矩形高炉自然也可以设有这种使用热交换器以及在连接烟道中喷射CO2或水的装置从从炉排出的加热的冷却空气中回收热量的配置。
很明显，可以设计类似于图4所示的炉，其中冷却空气仅从两个炉身之一的底部注入。
下述表1包括传统炉和根据本发明的不同炉的变体中的流量，表2包括炉入口处各种气体元素的量。
在示例栏中，1表示传统PFRK炉，2和3是根据图3的具有可变冷却空气流量的炉，4和5是根据图4的带有和不带有热交换器的炉。
表1
Figure BDA0004026541730000101
*DP＝压力损失
表2
Figure BDA0004026541730000111
应当理解的是，本发明决不局限于上述实施例，并且可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下做出改变。
例如，可以有利地提供用隔热喷嘴取代由空气冷却的燃料注入喷嘴。

Claims (18)

1.一种在再生式并流立式高炉中煅烧矿物岩石的方法，其中至少两个炉身通过气体传输通道相互连接，所述方法在生产模式下包括：
-在炉身顶部装载碳酸盐矿物岩石，
-预热所述岩石，
-烧制所述岩石，将其脱碳为煅烧材料，
-通过冷却空气对所述煅烧材料进行冷却，和
-在炉身底部卸载所述煅烧材料，
-每个炉身以烧制模式和预热模式交替运行，一个炉身在预定时间段处于烧制模式，而至少另一个炉身处于预热模式，且反之亦然，
-所述烧制模式包括：
所述处于烧制模式的炉身顶部的碳酸盐矿物岩石装载，
在存在下降到所述炉身中的所述预热的碳酸盐矿物岩石的情况下，在氧气存在下燃烧燃料，以获得所述岩石的所述烧制，并将所述岩石脱碳为煅烧材料，燃烧烟气以气体流的形式释放，在所述处于烧制模式的炉身中并流下降，和
包含这些利用所述气体传输通道从处于烧制模式的炉身移动到所述至少一个处于预热模式的炉身的燃烧烟气的所述气体流；
-所述预热模式包括：
通过与包含来自气体传输通道的燃烧烟气的气体流进行热交换，对装载的碳酸盐矿物岩石进行所述预热，燃烧烟气在所述至少一个处于预热模式的炉身中逆流上升至所述装载的碳酸盐矿物岩石，和
所述至少一个处于预热模式的炉身顶部排放基于包含来自炉的燃烧烟气的气体流的气态流出物，
其中所述方法进一步包括：
-收集一部分从炉排出的气态流出物，
-通过将从炉排出的气态流出物的所述收集部分与高浓度分子氧混合形成氧化混合物，和
-将所述氧化混合物引入处于烧制模式的炉身顶部，以确保所述燃料在氧气存在下燃烧，
从炉排出的所述气态流出物中含有高浓度的CO2。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却煅烧材料包括，在每个炉身的底部供应冷却空气，所述冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，加热的冷却空气在移动通过气体传输通道之前与处于烧制模式的炉身中含有燃烧烟气的气体流混合，并且在移动之后，与所述至少一个处于预热模式的炉身中的气体流混合，从炉排出的富含CO2的气态流出物含有燃烧烟气和冷却空气。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却煅烧材料包括，在唯一处于烧制模式的炉身的底部供应冷却空气，所述冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，加热的冷却空气在移动通过气体传输通道之前与含有燃烧烟气的气体流混合，从炉排出的富含CO2的气态流出物含有燃烧烟气和冷却空气。
4.如权利要求2和3中任一项所述的方法，其中所述冷却空气以等于或小于将所述煅烧材料冷却至100℃的参考温度所需的热力学最小值的总体积供应至所述炉。
5.如权利要求4所述的方法，其中供应至所述炉的所述冷却空气的总体积为所述热力学最小值的约40％至60％，优选地等于50％。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却煅烧材料包括，在每个炉身的底部或在唯一处于烧制模式的炉身的底部供应冷却空气，所述冷却空气逆流通过下降的煅烧材料，并在与其接触时被加热，所述方法进一步包括从炉中去除加热的冷却空气，从炉排出的气态流出物中的CO2含量按干气体积计至少为90％。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括在与高浓度分子氧混合之前或之后，从炉中去除的加热的冷却空气与从炉排出的气态流出物的所述收集部分之间进行热交换。
8.如权利要求6和7中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括，在所述气体传输通道中，注入从炉排出的气态流出物的所述收集部分的一部分，并且任选地在所述注入前，在从炉中去除的加热的冷却空气与上述待注入的部分之间进行热交换。
9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述气体传输通道中注入水。
10.如权利要求1～9中任一项所述的方法，其中所述燃料燃烧包括将气体、液体或固体燃料引入处于烧制模式的炉身中，并且在固体燃料的情况下，所述引入是利用从炉排出的气态流出物的所述收集部分的一部分，或利用另一来源的CO2作为载气进行的。
11.如权利要求1～10中任一项所述的方法，其中所述燃料燃烧是在相对于化学计量要求的过量氧气存在下进行的。
12.用于实施如权利要求1～10中任一项所述的方法的再生式并流立式高炉，其包括：
-至少两个通过气体传输通道相互连接的炉身(1，2)，
-每个所述炉身在打开或关闭位置包括：
-至少一个燃料供应装置(4)，
-至少一个含氧氧化剂供应开口(6)，
-位于炉身顶部用于装载碳酸盐矿物岩石的入口(5)，
-位于炉身底部用于卸载所生产的所述煅烧材料的出口(8)，
-位于炉身顶部的与烟囱(15)相连的气体排放管(14)，和
-用于冷却所产生的所述煅烧材料的冷却空气供应装置(7)，
所述炉包括用于炉身换向操作的系统(16)，所述系统布置成使每个炉身在生产模式下交替地以烧制模式和预热模式运行，一个炉身在预定时间段处于烧制模式，而至少另一个炉身处于预热模式，且反之亦然，所述换向系统(16)因此控制所述打开和关闭位置，
其中所述方法进一步包括：
-布置在上述炉身的气体排放管(14)和炉身的所述氧化剂供应开口(6)之间的再循环回路(18)，
-能够通过所述管(14)收集从炉排出的一部分气态流出物并将其引入所述再循环回路(18)的分离部件(17)，和
-与所述再循环回路(18)相连的高浓度分子氧源(20)，以向其供应高浓度分子氧，从而形成氧化混合物，处于烧制模式的炉身的所述氧化剂供应开口(6)通过所述换向系统(16)在所述打开位置供应，以确保燃料燃烧。
13.如权利要求12所述的炉，其中炉身具有圆形截面，所述气体传输通道是连接烟道(3)，其连接布置在每个炉身周围的外围通道(13)以便气体传输，并且在所述连接烟道(3)下方，炉身设置有与抽空元件(26)连接的集流环(25)，以便将加热的冷却空气从炉内排出。
14.如权利要求13所述的炉，其中所述圆形炉身在底部进一步包括与抽空元件(26)连接的中央收集器元件(27)，以便将加热的冷却空气从所述连接烟道(3)下方的炉内排出。
15.如权利要求12所述的炉，其中所述炉身具有矩形截面，炉身(1)的第一侧面(28)面对另一个相邻炉身(2)的第一侧面(29)，并且每个炉身包括那些与彼此面对的(28，29)相对的第二侧面(30，31)，所述气体传输通道是连接烟道(3)，其通过它们的第一侧面(28，29)将一个炉身直接连接到另一个炉身，并且在连接烟道下方，所述炉身的所述第一侧面和所述第二侧面分别设置有与抽空元件(26)连接的收集通道(32～35)，以便将加热的冷却空气从炉内排出。
16.如权利要求12～15中任一项所述的炉，其中所述炉包括作为再循环回路的分子氧源的装置(20)，用于将空气分离成分子氧和分子氮。
17.如权利要求12～16中任一项所述的炉，其中供应有从所述炉内排出的加热的冷却空气的热交换器(36)安装在所述再循环回路(18)上。
18.如权利要求12～17中任一项所述的炉，其中所述炉包括能耐受超过100℃高温的用于卸载煅烧材料的设备(24)。
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