TW202429029A - 用於煅燒進料材料之裝置及方法 - Google Patents
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Abstract
一種用於煅燒進料材料之方法可包括使固體顆粒材料穿過一燃燒器或一燃燒器附近，以穿過由該燃燒器形成之一火焰，從而有利於該材料之煅燒。材料可自一煅燒爐內之該燃燒器之火焰噴出，以穿過該煅燒爐之一本體到達一出口，用於進一步煅燒該材料，使得該材料在穿過該火焰及該煅燒爐到達一出口時具有一預選停留時間。在一些實施例中，該停留時間可以係20秒至30秒、1至3分鐘、少於5分鐘。一些實施例可有利於CaCO
3材料之煅燒，因此自一煅燒爐輸出之煅燒固體材料包含Ca(OH)
2（例如，主要係Ca(OH)
2，超過90重量百分比的Ca(OH)
2等）。
Description
本發明係關於用於煅燒進料材料之方法、用於煅燒進料材料之裝置（例如，煅燒爐、用於煅燒之燃燒器、煅燒系統等）、裝置之操作態樣，以及其製作及使用方法。
可使用煅燒爐來煅燒原材料。通常，煅燒爐經結構化係長管或圓筒，其經組態以有利於加熱碳酸鈣(CaCO
3)材料以形成氧化鈣(CaO)，氧化鈣亦可被稱為石灰或生石灰。煅燒爐之操作亦常常導致二氧化碳(CO
2)之排放。煅燒爐通常經設計以提供較長的停留時間以形成CaO。然後，在煅燒爐下游之單獨操作步驟中，水可暴露於CaO以形成熟石灰或水化石灰(Ca(OH)
2)。
我們判定需要提供改進之煅燒爐操作，其可允許煅燒之更小停留時間，亦可提供操作效率及自煅燒過程輸出之廢氣（或煙道氣）中捕獲二氧化碳之顯著改進。我們亦判定，提供煅燒裝置及方法將是有利的，該裝置及方法可操作以自包含CaCO
3之進料材料形成水化石灰(Ca(OH)
2)，使得可避免涉及石灰(CaO)水化之額外製程步驟。所形成之水化石灰可以係水化石灰之部分形成（例如，超過5%之進料材料經煅燒成水化石灰，進料材料之煅燒發生使得大於1%之進料材料經煅燒成水化石灰，而小於100%之進料材料經煅燒成水化石灰，等等），水化石灰之大量形成（例如，超過70%之進料材料經煅燒成水化石灰，超過60%之進料材料經煅燒成水化石灰，等等），或者水化石灰之實質上完全形成（例如超過90%之進料材料經煅燒成水化石灰）。
我們開發之用於煅燒進料材料之方法之實施例可包括使包括CaCO3之固體顆粒材料穿過一燃燒器或一燃燒器附近（例如，在自一燃燒器經由一噴槍發出之火焰附近等）用於穿過由燃燒器形成之一火焰，以有利於材料之煅燒。材料可自一煅燒爐內之該燃燒器之火焰噴出，以穿過該煅燒爐之一本體到達一出口，用於進一步煅燒該材料，使得該材料在穿過該火焰及該煅燒爐到達一過濾設備之一出口及/或入口時具有一預選停留時間。在一些實施例中，該停留時間可以係20秒至30秒、1至2分鐘、或少於3分鐘。實施例可有利於CaCO3材料之煅燒，因此自煅燒爐輸出之材料包含Ca(OH)2（例如主要係Ca(OH)2，超過50重量百分比(wt%)的Ca(OH)2，超過90 wt%的Ca(OH)2等）同時提供具有高二氧化碳(CO2)量及/或濃度之一輸出廢氣，以有利於CO2捕獲。在其中氧化劑主要包含氧氣之實施例中，可獲得CO2濃度之增加及/或更高量之CO2，因為在實施例（例如，經組態以使用氧-燃料系統、高氧濃度氧化劑等之實施例）中可使用實質上更少之氮氣(N2)。
實施例可利用一或多個過濾器機構在廢氣穿過一碳捕獲系統之前過濾具有煅燒材料（例如主要係Ca(OH)2或CaO等之材料）之固體顆粒。其他實施例可能不需要利用一過濾器機構。例如，一些實施例可併入一電弧爐佈置或水泥製造設施中，使得煅燒材料可不經過濾輸出至用於水泥製造之旋轉窯中，或者可在不需要過濾之情況下進料至爐渣用於爐渣處理。
實施例可經組態用於與乾進料材料或濕進料材料一起使用。在可利用濕進料材料之實施例中，在進料材料被進料至一煅燒爐及/或注入至在一煅燒爐中形成之一火焰中之前，進料材料可穿過至少一個乾燥器以乾燥該進料材料。
實施例可利用一燃燒器在煅燒爐內形成一火焰，該燃燒器可以係穿過火焰進料之材料提供高煅燒溫度。例如，燃燒器可利用氧含量在21體積百分比(vol%)至100 vol%的氧氣之間的氧化劑在煅燒爐內形成火焰。例如，燃燒器中所利用之氧化劑之氧氣含量可在21 vol%至100 vol%、30 vol%至70 vol%、35 vol%至60 vol%之範圍、或氧氣含量之其他合適範圍內（例如在95 vol%的氧至100 vol%的氧氣之間、在90 vol%的氧氣與100 vol%的氧氣之間、在95 vol%的氧氣與99.99 vol%的氧氣之間，等等）。氧化劑可以係任何合適之氧化劑。例如，氧化劑可包括例如空氣、富氧空氣、及/或氧氣流。
燃燒器可利用燃料進行燃燒以形成火焰。燃料可包括天然氣、柴油、粉煤、氫氣、或其他合適之燃料來源。
過濾器機構（在利用時）可包括一或多個旋風分離器及/或一或多個堆袋室過濾器。該過濾機構亦可以或替代地包括其他過濾器機構，其適於在廢氣經歷碳捕獲之前，自煅燒爐輸出之熱廢氣中除去自煅燒爐輸出之固體顆粒煅燒材料。
我們已經判定，我們的裝置及方法之實施例可允許發生低停留時間之煅燒。此可允許煅燒系統之定型顯著減小，因為煅燒爐及相關裝備之尺寸及長度可由於顯著之停留時間而顯著減小。此種特徵可提供顯著之資本成本降低以及操作成本及維護成本之降低。
此外，我們已經判定，實施例可經調適以對主要包含Ca(OH)2之固體顆粒提供更高效率之煅燒，其可煅燒包含CaCO3（例如，石灰石材料等）之進料材料。此種類型之煅燒操作可藉由在一分離操作步驟中將CaO暴露於水中來避免必須使石灰(CaO)水合以形成此種材料。此種類型之操作可提供相當大之操作靈活性及進一步改進之操作效能，從而顯著提高操作效率。
我們已經判定，實施例亦可在自一煅燒爐輸出之廢氣中提供更高濃度之CO2或更高相對流速之CO2，此可以係CO2之捕獲（例如作為來自操作等之一產物氣體）提供改進之碳捕獲。該改進可包括改進的捕獲之更高濃度之CO2（例如，更高的CO2捕獲速率）及/或自具有煅燒材料之煅燒爐輸出之氣體中更高濃度之CO2。此可提供操作效率之進一步改進，例如對於經調適以提供CO2作為來自材料煅燒操作之產物之實施例等。
在一第一態樣中，提供了一種用於煅燒進料材料之方法。該方法可包括將固體顆粒材料進料至在一煅燒爐中形成之一火焰，使得當固體顆粒材料移動穿過該煅燒爐到達該煅燒爐之一出口時，該固體顆粒材料穿過該火焰。
在一第二態樣中，該固體顆粒材料可具有在5分鐘與5秒之間、在3分鐘與5秒之間、在10秒與30秒之間、或在5秒與1分鐘之間的一煅燒停留時間。
在一第三態樣中，將該固體顆粒材料進料至該火焰可包括將該固體顆粒材料傳送至一燃燒器中，用於經由該燃燒器進料至該煅燒爐中；且/或將該固體顆粒材料傳送至鄰近該火焰之該煅燒爐中，使得該固體顆粒材料穿過該火焰。在一些實施例中，所有固體顆粒材料可進料至一燃燒器中，用於經由燃燒器進料至煅燒爐中，因此顆粒材料經由燃燒器被進料至火焰中。其他實施例可經組態使得所有固體具體材料可被進料至鄰近火焰之煅燒爐中，使得固體顆粒材料穿過火焰（例如，經由至少一個噴槍進料件等）。在其他實施例中，一些固體顆粒材料可被進料至一燃燒器中，用於經由燃燒器進料至煅燒爐中，因此顆粒材料經由燃燒器被進料至火焰中，並且其他固體顆粒材料可被進料至鄰近火焰之煅燒爐中，使得固體顆粒材料穿過火焰（例如，經由至少一個噴槍進料件等）。
在一第四態樣中，該方法亦可包括將一燃料及至少一個氧化劑流進料至該燃燒器，用於在該煅燒爐中形成該火焰。
在一第五態樣中，經由至少一個燃燒器在煅燒爐中形成之火焰可經組態以以有利於固體顆粒材料在815℃與2,205℃之間、在815℃與1,370℃之間、在815℃與1,650℃之間、在925℃與1,650℃之間、或在925℃與1,370℃之間的一預選煅燒溫度範圍下煅燒。
在一第六態樣中，煅燒材料可包含70重量百分比(wt%)的Ca(OH)
2至100 wt%的Ca(OH)
2、80 wt%的Ca(OH)
2至100 wt%的Ca(OH)
2、或90 wt%的Ca(OH)
2至100 wt%的Ca(OH)
2，或者可包括CaO及Ca(OH)
2的煅燒爐輸出濃度。在其他實施例中，煅燒材料可包含超過50 wt%的Mg(OH)
2、超過75 wt%的Mg(OH)
2、超過90 wt%的Mg(OH)
2、或超過95 wt%的Mg(OH)
2，或者在90 wt%的Mg(OH)
2與100 wt%的Mg(OH)
2之間（例如，95 wt%的Mg(OH)
2至98 wt%的Mg(OH)
2）。在其他實施例中，煅燒材料可包括煅燒材料之煅燒爐輸出濃度，其包括MgO及Mg(OH)
2之濃度。例如，在一些實施例中，煅燒材料可包括煅燒材料之煅燒爐輸出濃度，其包括超過20 wt%的Mg(OH)
2及超過50 wt%的Ca(OH)
2，在5 wt%的Mg(OH)
2與30 wt%的Mg(OH)
2之間以及在70 wt%的Ca(OH)
2與95 wt%的Ca(OH)
2之間的濃度，或者可以係具有Mg(OH)
2及Ca(OH)
2的煅燒爐輸出濃度或者MgO、CaO、Mg(OH)
2及Ca(OH)
2的煅燒爐輸出濃度之另一種合適之組成物。
在一第七態樣中，進料材料可包含至少70重量百分比的碳酸鹽材料及不大於30重量百分比的雜質。其他實施例可利用其他類型之進料組成物。
在一第八態樣中，該進料材料可具有50微米至2,000微米之平均粒度及/或不大於5,000微米之最大粒度。在一些實施例中，進料材料亦可以（或替代地）具有不大於5微米之一顆粒最小尺寸。
在一第九態樣中，該方法亦可包括對自煅燒爐之出口輸出之一流進行過濾，以自由火焰之形成所形成之燃燒氣體中分離固體顆粒材料。固體顆粒材料可自燃燒氣體中分離出來，成為煅燒材料。
在一第十態樣中，該方法可包括在將固體顆粒材料進料至煅燒爐內之火焰之前，使固體顆粒材料穿過至少一個乾燥器，並且在將燃燒氣體傳送至一碳捕獲系統以自燃燒氣體捕獲二氧化碳之前，將燃燒氣體傳送至乾燥器以對乾燥器內之固體顆粒材料進行乾燥。
在一第十一態樣中，該方法可包括對自煅燒爐之出口輸出之一流進行過濾，以自由火焰之形成所形成之燃燒氣體中分離固體顆粒材料。自燃燒氣體分離之固體顆粒材料可以係煅燒材料。此外，該方法可包括在該過濾之前冷卻自該煅燒爐之該出口輸出之該流。在一些實施例中，在該過濾之前用於該冷卻自該煅燒爐之該出口輸出之該流之冷卻介質可包含二氧化碳。
在一第十二態樣總，該方法之第一態樣可以與第二態樣至第十一態樣中之任一者及/或所有這組合，以形成又一態樣。例如，第一態樣可以與第二態樣、第三態樣、第四態樣、第五態樣、第六態樣、第七態樣、第八態樣、第九態樣、第十態樣、及/或第十一態樣組合，以形成該方法之其他實施例。
在一第十三態樣種，提供一種用於煅燒進料材料之裝置。該裝置之實施例可經組態以實施用於煅燒進料材料之方法之實施例。該裝置可包括一煅燒爐及至少一個燃燒器，該至少一個燃燒器鄰近該煅燒爐之一入口部分定位，使得進料至煅燒爐中之固體進料材料可經由燃燒器穿過在煅燒爐中形成之至少一個火焰，用於固體進料材料之煅燒。煅燒爐及該至少一個燃燒器可經佈置及定位使得固體進料材料可穿過該至少一個火焰到達煅燒爐之一出口，用於固體進料材料之煅燒。
在一第十四態樣種，該裝置亦可包括至少一個過濾器設備，其能夠連接至該煅燒爐之該出口以接收來自該煅燒爐之該出口之該固體進料材料及燃燒氣體，從而自該燃燒氣體過濾該固體進料材料之固體顆粒。
在一第十五態樣中，該裝置可經組態使得該至少一個燃燒器及該煅燒爐經佈置及組態使得該固體進料材料具有在5分鐘與5秒之間、在3分鐘與5秒之間、在10秒與30秒之間、或在5秒與1分鐘之間的一煅燒停留時間。
在一第十六態樣中，該裝置可經組態及佈置，使得該至少一個燃燒器能夠連接至一燃料來源、氧化劑之至少一個來源、及該固體進料材料之至少一個來源，使得該固體進料材料之至少一部分能夠進料至該燃燒器以進料至該火焰中。
在一第十七態樣中，該裝置可經組態使得該煅燒爐能夠連接至該固體進料材料之該至少一個來源，使得該固體進料材料之至少一部分能夠進料至該煅燒爐中，從而傳送至該火焰中以在煅燒之一第一階段中在該火焰中進行部分煅燒，然後離開該火焰並朝向該煅燒爐之該出口傳送以在煅燒之一第二階段中進一步煅燒。
在一第十八態樣中，該至少一個燃燒器及該煅燒爐可經佈置及組態使得該火焰有利於該固體進料材料在815℃與2,205℃之間、在815℃與1,370℃之間、在815℃與1,650℃之間、在925℃與1,650℃之間、或在925℃與1,370℃之間的一預選煅燒溫度範圍下煅燒。
在一第十九態樣中，該裝置可包括一碳捕獲系統，其定位於該煅燒爐之該出口下游，以自該煅燒爐之該出口輸出之該燃燒氣體捕獲二氧化碳。
在一第二十態樣種，該方法之第一態樣可包括利用本文討論之裝置之態樣中之任一者以及上文討論之方法之第二態樣至第十二態樣中之任何其他態樣。
在一第二十一態樣種，第十三態樣之裝置可包括第十四態樣至第十九態樣之任何組合，以形成另一態樣。例如，第十三態樣可與第十四態樣、第十五態樣、第十六態樣、第十七態樣、第十八態樣、及第十九態樣所有者組合。作為又一實例，第十三態樣可與第十四態樣、第十五態樣、第十六態樣、第十七態樣、第十八態樣、及第十九態樣中之二或更多者組合。
在一第二十二態樣中，提供了一種煅燒系統。該煅燒系統可以係該裝置之一實施例。例如，該系統可包括具有與一腔室連通之一出口之一煅燒爐、連接至該煅燒爐以在該腔室內形成至少一個火焰用於在815℃與2,205℃之間之一預選煅燒溫度範圍下煅燒之至少一個燃燒器、及連接至該煅燒爐之出口以接收來自該煅燒爐之燃燒氣體內夾帶之煅燒材料，從而自該燃燒氣體中分離該煅燒材料之至少一個過濾器設備。該系統亦可包括一碳捕獲系統，其連接至該至少一個過濾器設備以接收該燃燒氣體，用於自該燃燒氣體中去除水分並自該燃燒氣體捕獲二氧化碳。固體顆粒進料材料之一來源可連接至該至少一個燃燒器及/或該煅燒爐，以將固體顆粒進料材料進料至該至少一個火焰中，用於固體顆粒進料材料之煅燒之一第一階段。該煅燒爐亦可經尺寸設計及組態使得該固體顆粒進料材料自該火焰傳送至該煅燒爐之該腔室內之該出口，用於該進料材料之煅燒之一第二階段，使得該固體顆粒進料材料用於煅燒以形成該煅燒材料之一預選停留時間大於5秒且小於或等於5分鐘。
本文討論之方法之實施例可經由該系統之一實施例來實作。該系統亦可利用其他元件（例如，自動化過程控制元件、感測器、導管、壓縮機、熱交換器等）。
用於煅燒進料材料之方法、用於煅燒進料材料之裝置（例如，煅燒爐、用於煅燒之燃燒器、煅燒系統等）、該裝置之操作態樣以及其製作及使用方法之其他細節、目的、及優點將隨著對其特定實例性實施例之以下描述之進行而變得顯而易見。
參考圖1至圖5，用於煅燒進料材料之一裝置1可包括連接至一煅燒爐11之一入口端或入口部分之至少一個燃燒器3。煅燒爐11可以係一管、管道、或其他類型之煅燒爐結構（例如，橫截面形狀係矩形、橫截面形狀係六邊形、形狀係立方體、形狀係矩形、形狀係圓柱形等）。在一些實施例中，煅燒爐11之入口可高於煅燒爐之出口，使得煅燒爐11係一傾斜煅燒爐或者處於一傾斜定向，使得重力可有助於促進氣體（例如，來自燃料燃燒之煙道氣等）內夾帶之顆粒材料流11F，該流自其入口區穿過煅燒爐之本體到達其出口。在一些實施例中，煅燒爐11可以係耐火材料襯裡的。
可存在單一燃燒器3或多個燃燒器3，用於在煅燒爐11之腔室中形成至少一個火焰3F。各燃燒器3可自一燃料來源5接收燃料，用於形成火焰3F。一燃料進料導管6可將該燃料來源連接至燃燒器3，以將燃料進料至燃燒器3。燃料3可以係能夠燃燒之燃料，諸如天然氣、氫氣、氨、柴油、或粉煤。一氧化劑來源7可連接至燃燒器3，以便亦將氧化劑之至少一個流進給至燃燒器3。氧化劑可以係空氣、富氧空氣、氧氣、或其他類型之氧化劑流。氧化劑流可包括濃度在21體積百分比(vol%)的氧氣至100 vol%的氧氣之間的氧氣。在一些實施例中，氧化劑內之氧氣濃度可大於或等於85 vol%（例如，至少90 vol%的氧氣，在90 vol%的氧氣與100體積%的氧氣之間、在95 vol%的氧氣與100 vol%的氧氣之間、在95 vol%的氧氣與99.99 vol%的氧氣之間、在85 vol%的氧氣與99.99 vol%的氧氣之間等等）。
在一些實施例中，可存在一第一氧化劑來源7及一第二氧化劑來源7a（以虛線示出）,以向燃燒器3進料不同的氧化劑流。在可利用多個氧化劑流作為燃燒器3之氧化劑進料之實施例中，在第一氧化劑來源與燃燒器之間可存在一第一氧化劑進料導管，並且在燃燒器3與第二氧化劑來源之間可存在一第二氧化劑進料導管。用於各氧化劑流之氧化劑可以係空氣、富氧空氣、氧氣、或其他類型之氧化劑流。在一些實施例中，不同的氧化劑流可以係不同類型之氧化劑（例如，空氣流及富氧空氣流可以係進料至燃燒器3之第一氧化劑流及第二氧化劑流，氧氣流及富氧空氣流可以係進料至燃燒器之第一氧化劑流及第二氧化劑流，等等）。自各氧化劑來源進料至燃燒器3之氧化劑流可包括濃度在21體積百分比(vol%)的氧氣至100 vol%的氧氣之間的氧氣。
在其他實施例中，可僅存在單一氧化劑流經由定位於一氧化劑來源7與燃燒器3之間的一氧化劑進料導管4（其亦可被視為一第一氧化劑進料導管）被進料至燃燒器3。在此種實施例中，氧化劑可以係經由至少一個壓縮機或其他氧化劑來源進料至燃燒器之空氣、富氧空氣、或氧氣。
固體顆粒進料材料可經由一進料材料進料導管8被進料至煅燒爐11及/或燃燒器3，該進料材料進料導管可定位於進料材料9之來源與燃燒器3及/或煅燒爐11之間。在一些實施例中，進料材料進料導管8可將固體顆粒材料進料至一氧化劑流，用於在燃燒器3上游之一混合位置4a處混合。例如，可存在定位於混合位置4a處之一在線混合器或其他類型之混合設備，以有利於利用穿過氧化劑進料導管4之氧化劑流夾帶進料材料之固體顆粒與。氧化劑內夾帶之進料材料固體顆粒之混合物可自混合位置4a傳送至燃燒器3，以便自燃燒器3發射至由燃燒器3形成之一火焰3F中。
此外，或者作為替代方案，進料材料可自進料材料來源9經由一單獨的進料材料進料導管10被進料至燃燒器3。在此種實施例中，進料材料可在被進料至燃燒器3之前夾帶於載體氣體（例如，氧化劑或其他合適之載體氣體，諸如二氧化碳氣體或煙道氣）中，或者可被進料材料至煅燒爐11或燃燒器3中，而不夾帶於一流體或氣體中。在一些實施例中，顆粒進料材料亦可以，或者替代地，被進料至鄰近燃燒器3及由燃燒器3產生之火焰3F之煅燒爐11中，使得顆粒材料被進料至火焰3F中，從而在其中煅燒達煅燒之一第一階段F1，然後離開火焰3F並沿著顆粒材料流11F之一流動路徑朝向煅燒爐11之出口傳送，以在煅燒之第二階段F2期間在煅燒爐3內進一步煅燒，然後自煅燒爐11之出口輸出。例如，至少一些顆粒進料材料可經由一噴槍進料材料導管10L被進料至鄰近一燃燒器之一噴槍，從而被進料至鄰近燃燒器3及火焰3F之煅燒爐11中。
應理解，顆粒進料材料可完全穿過燃燒器3、部分穿過燃燒器3並且亦部分鄰近燃燒器3進料，或者完全進料材料至鄰近燃燒器3及火焰3F之煅燒爐11中（例如，經由噴槍進料導管10L等）。在此種實施例中，顆粒進料材料可被夾帶於載體氣體內，該載體氣體可物或包括空氣、富氧空氣、二氧化碳、煙道氣等，以便於將固體顆粒進料材料進料至燃燒器3及/或煅燒爐11中。
被進料至煅燒爐11中（直接及/或經由燃燒器3）之進料材料可以在煅燒爐內停留一預選停留時間。該停留時間可包括在煅燒之一第一階段F1期間，藉由暴露於火焰3F並在其中煅燒，以及在煅燒之一第二階段F2中經歷進一步煅燒來煅燒材料之時間，當材料在煅燒爐之一預選煅燒溫度下或在煅燒爐11之一預選煅燒溫度範圍內離開火焰3F並到達煅燒爐11之出口時，可發生進一步煅燒。在一些實施例中，顆粒材料在煅燒爐11內之停留時間可以係小於30秒、在20秒與30秒之間、小於1分鐘、小於2分鐘、小於3分鐘、或在10秒與3分鐘之間的一預選停留時間。其他實施例可經組態以利用另一合適之停留時間（例如，小於5分鐘且大於3秒、在10秒與5分鐘之間、小於7分鐘且大於1秒，等等）。可選擇該預選停留時間，以提供進料材料煅燒之一預選轉化率。例如，該預選轉化率可以係碳酸鹽材料之95%至100%之轉化、碳酸鹽材料之90%至100%之轉化、或者係碳酸鹽材料之至少95%之一轉化率。亦可選擇其他合適之轉化率作為預選停留時間所基於之預選轉化率。
煅燒爐11之預選煅燒溫度範圍可以係超過815℃且處於或低於2,205℃，超過1,090℃或在1,370℃至1,650℃之範圍內，或係至多2,205℃之一溫度。在一些實施例中，預選溫度範圍可包括火焰3F在1,370℃至1,650℃範圍、925℃至1650℃範圍、或925℃至2,205℃範圍內之一火焰溫度以及火焰下游之煅燒爐11小於1,650℃且大於815℃、或小於2,205℃且大於815℃之溫度。在一些實施例中，煅燒爐11之預選溫度範圍可包括可在1,370℃至1,650℃範圍、1,090℃至1,650℃範圍、925℃至1,650℃範圍、或925℃至2,205℃範圍內之第一階段F1之一第一溫度範圍，以及小於1,650℃且大於815℃、小於925℃且大於815℃、或小於2,205℃範圍且大於815℃之第二階段F2之一第二溫度範圍。
至少一個過濾器設備12可定位於煅燒爐11之下游，以接收自煅燒爐11輸出之燃燒氣體（例如，煙道氣）中夾帶之顆粒材料流。過濾器設備12可包括一入口12a區。上述預選停留時間可包括顆粒材料在經由至少一個過濾器設備12（在圖1中稱為「過濾器」）進行過濾之前保留在該入口區中之時間。例如，此部分停留時間可以係上文討論之煅燒之第二階段F2之一部分。
該至少一個過濾器設備12可包括一或多個旋風分離器、一或多個堆袋室、一或多個高溫顆粒分離器、一或多個粉塵過濾器、其組合、或過濾機構之其他佈置，用於將自煅燒爐11之出口輸出之煅燒顆粒材料與藉由經由燃燒器3燃燒燃料而形成之廢氣中夾帶之顆粒材料流11F之熱廢氣分離。一過濾進料導管12a可連接於煅燒爐11之出口與過濾器設備12之間，用於將自煅燒爐11之出口輸出之燃燒氣體中夾帶之煅燒固體顆粒進料材料進料至該至少一個過濾器設備12。
在一些組態中，一煅燒顆粒冷卻設備12b亦可定位於煅燒爐11之出口與該至少一個過濾器設備12之間，以在自煅燒爐之出口輸出之燃燒氣體中過濾煅燒固體顆粒材料之前，將自煅燒爐之出口輸出之流冷卻至一預選過濾溫度範圍。此種冷卻系統可利用自碳捕獲系統20輸出之一再循環二氧化碳流來為冷卻系統提供冷卻介質。替代地，空氣或其他流體可用作冷卻設備12b之冷卻介質。
自廢氣流中分離之固體煅燒顆粒材料可經由一產物輸出導管13自該至少一個過濾器設備12輸出，以提供產物材料，該產物材料可包括自煅燒爐11輸出之煅燒顆粒材料。該至少一個過濾器裝置12亦可輸出至少一個過濾氣體流14，該過濾氣體流可被進料至一碳捕獲系統20，該碳捕獲系統可經組態以捕獲二氧化碳(CO2)。碳捕獲系統20可經組態以捕獲作為一產物流之CO2，以提供CO2產物（例如，經壓縮液體CO2、經壓縮氣體CO2、其他CO2產物等）。
例如，該至少一個過濾氣體流14可被進料至一碳捕獲系統20，用於自與自煅燒爐11之出口輸出之煅燒材料分離之燃燒氣體中去除水分或其他不期望之成分，用於形成高純度二氧化碳或以其他方式捕獲二氧化碳。例如，碳捕獲系統20可經組態以自燃燒氣流中冷凝出水及其他非CO2成分（例如，除水之外之一氧化碳(CO)等），或者可包括用於去除雜質以捕獲CO2之洗滌、壓縮及乾燥元件。自煅燒爐11輸出之經純化廢氣（例如，燃燒氣體）可被進料至CO2捕獲系統20之一CO2捕獲設備23，用於封存CO2供存儲及/或分配。在一些實施例中，一排出流25可自CO2捕獲設備23輸出，用於排放至大氣中或用於進料至另一工廠過程以用於其他用途（例如，用作一熱交換器之加熱介質等）。
在一些組態中，實施例可不利用任何過濾器設備12。例如，實施例可併入至一水泥製造廠中，使得包含固體顆粒材料之進料材料9被直接進料至一水泥製造廠之一旋轉窯中，用於穿過一火焰3F以形成石灰。在此種實施例中，可能不需要或不使用過濾器設備12，因為所形成之煅燒材料可不經過濾直接用於窯中。來自燃燒器3之燃燒氣體可自旋轉窯輸出，用於在自水泥製造設施排放任何製程氣體之前進行處理。在此種實施例中，具有用於在其中形成火焰3F之燃燒器3之水泥製造廠之旋轉窯可被視為煅燒爐11。替代地，此種實施例可經組態以使得煅燒爐11可輸出煅燒材料以進料至水泥製造廠之旋轉窯，使得不需要或不使用用於自燃燒氣體中過濾煅燒固體顆粒材料之過濾器設備12。
作為可不使用或將不使用一過濾器設備12來過濾自煅燒爐11輸出之煅燒固體顆粒材料之實施例之另一實例，一實施例可提供於用於進行煉鋼之爐渣形成之一電弧爐中。在此種實施例中，固體顆粒進料材料可被進料至在一煅燒爐11中形成之一火焰3F中，以產生煅燒材料，該煅燒材料可被進料至爐渣中，用於經由電弧爐形成爐渣。在此種實施例中，可能不需要固體顆粒材料之過濾，因為煅燒材料可在不需要過濾之情況下被進料至爐渣中用於爐渣。在排放任何未使用或未捕獲之廢氣成分之前，來自操作之廢氣可被輸出用於碳捕獲或其他類型之處理。在此種實施例中，所形成之爐渣可隨後用於形成一鋼本體（例如，包含由爐渣形成之鋼之一鋼錠等）。
在一些組態中，來自進料材料來源9之進料材料可以係濕的（例如，被視為泥漿或包括水分）。例如，進料材料可包括石灰石泥漿/粉塵，其包括在20重量百分比(wt%)的水至40 wt%的水、10 wt%的水至40 wt%的水或其他水濃度之範圍內的水濃度。在此種實施例中，進料材料可在被進料至燃燒器3及/或煅燒爐11之前藉由穿過至少一個乾燥器15（以虛線示出）而進行預乾燥製程。乾燥器15可定位於該至少一個過濾器設備12與CO2捕獲系統20之間，以利用自煅燒爐11輸出之熱廢氣流14來提供熱氣體，該熱氣體可經由與乾燥器15內之進料材料之一熱交換器佈置來促進進料材料之乾燥。在此種實施例中，該熱廢氣流14可自煅燒爐11輸出，並且隨後在自過濾器設備12進料至乾燥器15之前經至少一個過濾器設備12過濾。在穿過乾燥器15之後，廢氣流可自乾燥器15輸出，用於進料至CO2捕獲系統20（例如，進料至一冷凝器21等）。
如上所述，該至少一個過濾器設備12（當使用時）可包括一或多個旋風分離器、一或多個堆袋室過濾器、一或多個固體顆粒分離器、及/或其組合，以便於自煅燒爐11之出口輸出之煙道氣或燃燒氣體中夾帶之顆粒材料流11F中過濾固體顆粒。此外，對於可利用一乾燥器15之裝置1之此等類型之佈置，一過濾進料導管12a可定位於過濾器設備12與煅燒爐11之出口之間。過濾進料導管12a可包括一過濾器設備之一顆粒進料容器之一料斗或入口（例如，一旋風分離器之料斗、一旋風分離器或堆袋室之入口等），其連接至例如煅燒爐11之出口。
亦如上所述，應當理解，燃燒器3之實施例可利用不同類型之燃料或氧化劑。例如，作為使用天然氣之替代方案（或此外），實施例可利用載體氣體或其他燃料來源中之霧化液體燃料或粉狀固體燃料（例如，粉煤）。亦應當理解，燃料可包括可燃材料。燃料之實例可包括天然氣、丙烷、氫氣、柴油、煤、或其他可燃燒之燃料來源。燃料可穿過一燃燒器3之至少一個噴嘴。
氧化劑可指其中包括一定濃度之氧氣之一流體，其可用於燃料之燃燒。例如，燃燒器3中使用之氧化劑之氧氣含量可在21 vol%的氧氣至100 vol%的氧氣、30 vol%的氧氣至70 vol%的氧氣、35 vol%的氧氣至60 vol%的氧氣之範圍內，或者其他合適之氧氣含量範圍。在一些組態中，進料至燃燒器3之氧化劑流可以係例如90 vol%的氧氣至100 vol%的氧氣。氧化劑可以係任何合適之氧化劑。例如，氧化劑可包括例如空氣、富氧空氣、及/或氧氣流。氧化劑可穿過一燃燒器元件之一噴嘴（例如，圍繞該燃燒器元件之一內部噴嘴之一環形噴嘴，或者係一燃燒器元件之一中心最內部之噴嘴）。
在一些實施例中，燃料或其他材料可包含在穿過燃燒器3之一環形噴嘴或其他類型的噴嘴之氧化劑中。在其他實施例中，燃料可穿過一或多個噴嘴，而進料材料及/或氧化劑穿過燃燒器3之一或多個其他噴嘴。
自上面以及圖2至圖5所示之燃燒器3之實例性實施例中，可理解可在用於煅燒固體進料材料之裝置1中使用之實例性燃燒器3。例如，燃燒器3可經結構化以包括多個同心噴嘴，此等同心噴嘴包括一第一內部噴嘴3d、與第一內部噴嘴3d間隔開並圍繞第一內部噴嘴3d之周邊定位之一第二環形噴嘴3e、以及與第二環形噴嘴3e間隔開並圍繞第二環形噴嘴3e定位之一第三環形噴嘴3f，使得第二環形噴嘴3e定位在第一內部噴嘴3d與第三環形噴嘴3f之間。在一些實施例中，第三環形噴嘴3f可被視為最外部噴嘴。第一內部噴嘴3d可相對於第二環形噴嘴3e及第三環形噴嘴3f居中向內定位。第一內部噴嘴之剖面形狀可以係任何合適之形狀（例如，圓形、橢圓形、多邊形等）。第二環形噴嘴3e及第三環形噴嘴3f之環形剖面亦可以係任何合適之剖面形狀（例如，形狀係圓環形等）。
燃燒器3之噴嘴可定位於燃燒器3之一燃燒器出口平面上，該燃燒器出口平面面向煅燒爐11之內部空腔、腔室或通道，用於在煅燒爐11中燃燒燃料並發射火焰3F。例如，火焰3F可鄰近煅燒爐11之一入口區。入口區可位於煅燒爐11之一第一側上，該第一側與煅燒爐11之出口側相對，煅燒材料及廢氣可藉由該出口側輸出（例如，如上所討論，朝向或向一過濾器設備12輸出）。
在一些實施例中，諸如圖2至圖3所示之實施例，燃燒器3可經組態以發射一第一氧化劑流3c，該第一氧化劑流包括係一第一氧化劑速度之第一氧化劑。第一氧化劑可以係氧氣、富氧空氣、或空氣。例如，第一氧化劑可以係例如95 vol%的氧氣，或者80 vol%的氧氣至100 vol%的氧氣。第一氧化劑退出速度可以係音速或者可以係另一合適之速度（例如10 m/s至100 m/s等）。第一氧化劑流3c之速度亦可被視為自燃燒器3輸出之第一氧化劑流3c之速度。
第一環形噴嘴3e可以一第一燃料速度發射一第一燃料流3b。第一燃料流3b之第一燃料可包括天然氣，並且第一燃料速度可以係任何合適之速度（例如，10 m/s至100 m/s、或5 m/s至110 m/s之速度等）。第一燃料流3b之第一燃料可替代地包括柴油、夾帶於空氣中之粉煤、氫氣、或其他合適之燃料。第一燃料流3b之速度亦可被視為自燃燒器3輸出之第一燃料流3b之速度。
第二環形噴嘴3f可發射一第一顆粒流3a。第一顆粒流3a可包括來自進料材料來源9之固體顆粒材料，其被夾帶於載體氣體中。第一顆粒流3a之載體氣體可以係氧化劑或者包括氧化劑。例如，第一顆粒流3a之氧化劑可包括與第一氧化劑相同類型之氧化劑或不同之氧化劑。例如，第一顆粒流3a可包括第二氧化劑，並且第二氧化劑可以係空氣或富氧空氣，而第一氧化劑流3c之第一氧化劑係氧氣。作為另一實例，第一顆粒流3a之氧化劑可以係氧氣，並且第一氧化劑流之氧化劑亦可以係氧氣或者包括氧氣。
替代地，夾帶第一顆粒流3a之顆粒進料材料之載體氣體可不包括氧化劑。例如，載體氣體可包括二氧化碳，或者可以係自一燃燒器或連接至裝置1之一工廠之其他元件輸出之煙道氣，用於煅燒可能不含任何氧氣或小濃度的氧氣（例如，小於3 vol%的氧氣）之進料材料。
第一顆粒流3a（例如，夾帶於第二氧化劑或其他載體氣體中之顆粒）之速度可以係任何合適之速度（例如1 m/s至65 m/s之速度等）。第一顆粒流3a之速度亦可被視為自燃燒器3輸出之第一顆粒流3a之速度。
燃燒器3之其他實施例可經組態，使得不同噴嘴發射不同的流。例如，如圖4至圖5之實施例所示，燃燒器之第一內部噴嘴3d可發射第一顆粒流3a，第二環形噴嘴3e可發射第一燃料流3b，並且第三環形噴嘴3f可發射第一氧化劑流3c。
圖2至圖3之實例性燃燒器3亦可經組態，使得此等噴嘴發射此等流作為替代操作組態，使得圖2至圖3之燃燒器3經操作，使得第一內部噴嘴3d可發射第一顆粒流3a，第二環形噴嘴3e可發射第一燃料流3b，並且第三環形噴嘴3f可發射第一氧化劑流3c。
此外，圖4至圖5之實例性燃燒器3可替代地經組態，使得燃燒器之第一內部噴嘴3d可發射第一氧化劑流3c，第二環形噴嘴3e可發射第一燃料流3b，並且第三環形噴嘴3f可發射第一顆粒流3a。
在其他實施例中，圖2至圖3及圖4至圖5之燃燒器3可經組態，使得第一顆粒流3a不包括任何顆粒，並且僅包含第二氧化劑。在此種實施例中，來自進料材料來源之顆粒可僅被進料至鄰近火焰3F之煅燒爐11中，以穿過火焰3F（例如，經由一噴槍進料導管10L）。在此種實施例中，第一顆粒流3a可被視為第二氧化劑流，因為在該流中未夾帶顆粒。
在另外的實施例（例如，其中顆粒材料不被進料穿過燃燒器以噴射至火焰3F中之燃燒器組態）中，燃燒器3可不包括三或更多個噴嘴。而是，燃燒器3可包括具有夾帶有氧化劑之燃料之單個噴嘴，或者發射第一氧化劑流及第一燃料流之第一噴嘴及第二噴嘴。作為又一替代實施例，燃燒器3可包括多個噴嘴，該多個噴嘴包括輸出燃料所藉由之一第一噴嘴及第二噴嘴，夾帶於氧化劑中之顆粒材料藉由該第二噴嘴輸出，用於燃料之燃燒，以在煅燒爐11中形成火焰3F。因此，應當理解，可利用許多其他燃燒器設計在其中形成火焰3F，使得煅燒爐11在煅燒之第一階段F1及第二階段F2之預選煅燒溫度範圍內運作。
燃燒器3可經組態以發射火焰3F，並以預選當量比運作。當量比可以係實際之燃料/氧化劑比與化學計量之燃料/氧化劑比的比率。預選當量比可在0.8至1.2之範圍內，等等。在一些實施例中，例如，預選當量比可大於或等於0.9至1.05，在0.9與1.1之間，在0.9與1.05之間，在0.95與1.0之間，係0.9、0.95、1.0，或在0.9與1.1之間。
用於煅燒進料材料之裝置1之實施例可包括通訊連接至控制器至複數個感測器及其他過程控制元件（例如，控制閥等）。控制器可包括運行一自動化過程控制程式之一工作站，該自動化過程控制程式亦通訊連接至控制閥、感測器及其他控制元件，或者可以係包括在一分布式控制系統(DCS)中之一控制器。控制器可包括一電腦設備裝置，該電腦設備具有連接至其上存儲有控制程式代碼之非暫時性電腦可讀取媒體之一處理器，以及用於通訊連接至控制閥及感測器（例如，經由一網路連接、無線網路連接、或有線通訊連接等）之至少一個收發器。一或多個輸入設備可連接至控制器，以允許一使用者向控制器提供輸入。一或多個輸出設備（例如，一顯示器、一列印機等）可通訊連接至控制器，亦用於向使用者提供輸出。
用於煅燒進料材料之裝置1之實施例可經組態，使得自進料材料來源9被進料至燃燒器3及/或煅燒爐11之固體顆粒進料材料包括碳酸鹽材料。例如，碳酸鹽材料可以係CaCO3、MgCO3、CaCO3與MgCO3之組合、或其他合適之碳酸鹽材料。進料材料之材料組成可包括預選碳酸鹽組成以及雜質濃度。
例如，預選碳酸鹽組成可包括碳酸鎂及/或碳酸鈣。例如，預選碳酸鹽濃度可以係至少70 wt%的CaCO3、70 wt%與99 wt%之間的CaCO3、或其他合適之CaCO3濃度，或者可以係70 wt%的MgCO3、70 wt%與99 wt%之間的MgCO3、或其他合適之MgCO3。預選碳酸鹽濃度亦可包括MgCO3與CaCO3之組合，其包含至少70 wt%或70 wt%與99 wt%之間的進料材料。
雜質濃度可以係至多30 wt%的雜質、30 wt%與1 wt%之間的雜質、或其他合適之雜質濃度。進料材料之雜質濃度之雜質可包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、以及其他雜質中之一或多者。
在一些實施例中，例如，進料材料可以係粉碎之石灰石或其他合適之進料材料。在一些實施例中，進料材料來源9可包括存儲於一料斗或其他存儲容器中之顆粒材料，或者可以係一粉碎設備，其經組態以在進料材料被進料至煅燒爐之前粉碎該進料材料。此種固體顆粒進料材料可包括粉塵以及大尺寸之固體顆粒。顆粒進料材料之尺寸範圍平均可在50微米的尺寸與2000微米的尺寸之間。替代地，顆粒進料材料之尺寸範圍平均可小於2,000微米的尺寸。例如，在一些實施例中，待煅燒之固體顆粒進料材料之顆粒尺寸範圍可在5微米至500微米尺寸範圍、5微米至30微米尺寸範圍、或其他合適之尺寸範圍內。在一些實施例中，該進料材料可具有2,000微米之平均粒度及不大於5,000微米之最大粒度。此種實施例亦可包括不小於5微米之以最小顆粒尺寸（例如，尺寸範圍可在5微米與5,000微米之間）。
煅燒爐11可經操作，使得被進料至火焰3F並隨後穿過煅燒爐11之剩餘部分到達煅燒爐11之出口之固體顆粒進料材料可由CaCO3煅燒而形成CaO或Ca(OH)2。例如，自煅燒爐輸出至一過濾器設備12之煅燒材料可主要包括CaO或主要包括Ca(OH)2。在一些實施例中，自煅燒爐輸出之煅燒材料可以係超過50重量百分比(wt%)的CaO、超過75 wt%的CaO、超過90 wt%的CaO、或超過95 wt%的CaO，或者在90 wt%的CaO與100 wt%的CaO之間（例如，95 wt%的CaO至98 wt%的CaO）。
煅燒爐11之一些實施例可經操作，使得Ca(OH)2可經由煅燒爐11及燃燒器3之操作形成，而不使用後續之水合步驟（例如，將CaO暴露於水等）。例如，自煅燒爐11輸出之煅燒材料可主要係Ca(OH)2。例如，自煅燒爐11輸出之煅燒材料可以係超過50 wt%的Ca(OH)2、超過75 wt%的Ca(OH)2、超過90 wt%的Ca(OH)2、或超過95 wt%的Ca(OH)2，或者在90 wt%的Ca(OH)2與100 wt%的Ca(OH)2之間（例如，95 wt%的Ca(OH)2至98 wt%的Ca(OH)2）。所形成之Ca(OH)2可經由煅燒爐11及燃燒器3之操作形成，而不使用後續之水合步驟（例如，在一下游製程中將CaO暴露於水等）。
由於在燃料燃燒以形成由燃燒器3提供之火焰3F期間可能形成水，因此可經由煅燒形成Ca(OH)2。我們認為此種煅燒可能發生之化學反應可以係CaCO3à CaO+ CO2à CaO+(H2O)à Ca(OH)2。水(H2O)可以係來自燃料燃燒的水以及進料材料中存在或包含的水。
對於使用其他類型至碳酸鹽材料（例如，白雲石及/或碳酸鎂）之進料材料，煅燒材料可具有不同的組成。例如，自煅燒爐3輸出之煅燒進料材料可以係MgO或Mg(OH)2，或者包括Ca(OH)2與Mg(OH)2之組合、CaO與MgO之組合、或Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaO及MgO之組合。在此種實施例中，自煅燒爐11輸出之煅燒材料可以係超過20 wt%的Mg(OH)2及超過50 wt%的Ca(OH)2，在5 wt%的Mg(OH)2與30 wt%的Mg(OH)2之間以及在70 wt%的Ca(OH)2與95 wt%的Ca(OH)2之間，或者可以係具有Mg(OH)2及Ca(OH)2的煅燒爐輸出濃度或者MgO、CaO、Mg(OH)2及Ca(OH)2的煅燒爐輸出濃度之另一種合適之組成物。
作為另一實例，在可僅利用碳酸鎂材料作為進料材料類型之實施例中，設想到自煅燒爐11輸出之煅燒進料材料可以係超過50 wt%的Mg(OH)2、超過75 wt%的Mg(OH)2、超過90 wt%的Mg(OH)2或超過95 wt%的Mg(OH)2，或在90 wt%的Mg(OH)2與100 wt%的Mg(OH)2之間（例如，95 wt%的Mg(OH)2至98 wt%的Mg(OH)2），或者可包括包含MgO及Mg(OH)2的濃度之煅燒材料之煅燒爐輸出濃度。
在形成Mg(OH)2之實施例中，設想到所形成之Mg(OH)2可經由煅燒爐11及燃燒器3之操作形成，而不使用後續之水合步驟（例如，在一下游製程中將MgO暴露於水等）。由於在燃料燃燒以形成由燃燒器3提供之火焰3F期間可能形成水，因此可經由煅燒形成Mg(OH)2。設想到此種煅燒可能發生之化學反應可以係MgCO3à MgO+ CO2à MgO +(H2O)à Mg(OH)2。水(H2O)可以係來自燃料燃燒的水以及進料材料中存在或包含的水。
用於煅燒進料材料之裝置及方法之實施例亦可提供改進之CO2回收。例如，可進行進料材料之煅燒，使得在煅燒期間自進料材料中排放更大量之CO2及/或更高濃度之CO2，從而可隨後經由CO2捕獲設備23將其作為產物捕獲。對於經設計以提供CO2產物以及煅燒材料產物二者之實施例，實施例可經組態以提供改進之煅燒材料輸出以及改進之CO2生產。
實驗及模擬
用於煅燒包含CaCO
3之進料材料之裝置之一實例性實施例採用了本發明的用於煅燒進料材料之方法之一實例性實施例，在保密測試中使用該裝置來評價該裝置及方法之效能。在測試期間操作燃燒器3，使得煅燒爐11內之預選煅燒溫度範圍係1,700°F至1,900°F（926℃至1,038℃）。所用之燃料係天然氣，所用之氧化劑係按體積計90%至99.99%之氧氣，並且顆粒載體氣體係按體積計30%至45%之富氧空氣。
測試結果示於下表1中。自該測試中獲得之樣品1至3之掃描電子顯微鏡影像亦示於圖6至圖8中。樣品1（如圖6所示）係測試中使用之包括CaCO3之原始進料材料之一影像。樣品2（如圖7所示）係自測試期間煅燒之第一階段F1獲得之燃燒器3之一火焰3F中提取之部分煅燒之材料。樣品3（如圖8所示）係在進行之測試期間煅燒之第二階段F2之後自煅燒爐11之一出口獲得之完全煅燒之材料。進行之實驗使用30秒之停留時間。
表1：圖6至圖8之樣品之晶相組成
| 相 | 樣品1（圖6） | 樣品2（圖7） | 樣品3（圖8） |
| CaCO 3 | 96.2 wt% | 21.6 wt% | 2.0 wt% |
| Ca(OH) 2 | 0.0 wt% | 76.3 wt% | 97.7 wt% |
| SiO 2 | 1.2 wt% | 0.3 wt% | 0.3 wt% |
| CaMg(CO 3) 2 | 2.7 wt% | 0.0 wt% | 0.0 wt% |
| Ca 6(Si 2O 7)(SiO 4)(OH) 2 | 0.0 wt% | 1.8 wt% | 0.0 wt% |
上表1示出了在測試期間煅燒之固體顆粒材料之結晶組成。該資料係藉由樣品之X射線粉末繞射(XRD)分析獲得。XRD資料中之繞射峰與參考圖案匹配，如圖9至圖11中所示。使用所識別之相之晶體結構來精煉樣品至晶體部分之相對組成。樣品之非晶含量未知。自精煉之樣品模型計算之強度與觀察之XRD資料之擬合示於圖12至圖14中。如上所述，樣品1係煅燒前之原料，樣品2係在煅燒之第一階段F1期間部分煅燒並自燃燒器3之火焰3F內收集之材料，並且樣品3係在煅燒之第二階段F2之後自煅燒爐之一出口排出之後自煅燒爐11之一出口輸出之煅燒材料。
樣品1至3之具有能量色散X射線光譜(SEM/EDS)影像之掃描電子顯微鏡縮影膠片示於圖6至圖8中。此等影像係經由2 kV加速電壓以12,0000倍之放大率獲得。圖6至圖8係基於在4.00微米(µm)尺度上獲得之影像。
自上述結果可理解，測試表明，超過95 wt%的CaCO3之進料材料能夠煅燒成包含超過97.5 wt%的Ca(OH)2之煅燒材料，而該材料不必暴露於煅燒爐11下游之水中。此種結果表明，實施例可在顯著更短之停留時間下提供增強之材料煅燒。
自圖6中可以理解，進料材料具有一光滑形態/表面紋理。相反，如圖7至圖8所示之樣品2及3具有結節狀外觀，此指示經由煅燒自進料材料中提取了大量的CO2。所獲得之此等影像證實了自測試中獲得之XRD資料，該資料顯示出進料材料之非常高效之煅燒，此可導致在自煅燒爐輸出之氣體內顯著形成CO2，供碳捕獲之下游使用。測試表明，除了煅燒方面之改進之外，藉由本發明方法及裝置之實施例，還可獲得改進之CO2生產及捕獲。除了上面討論之組成分析之外，此等影像顯示出實施例可提供改進之CO2生產，從而除了改進之煅燒效能之外還提供改進之CO2產率。
我們還對用於煅燒材料之裝置及方法之實例性實施例進行了模擬工作。在模擬實施例中，操作燃燒器3使得其接收6.96 MMBTU/hr的天然氣以及15,000標準立方英尺/小時(SCFH)之氧氣及1.853噸/小時之CaCO3顆粒材料。在此模擬之實施例中，所有含CaCO3之進料材料皆穿過燃燒器，用於進料至煅燒爐11中。該模擬實施例之操作導致每小時1.0噸石灰(CaO)以及每小時1.161噸CO2之形成。
此等模擬結果進一步顯示出，實施例可使用針對可用於煅燒之相對短之停留時間（例如，少於5分鐘、少於7分鐘、少於3分鐘之停留時間、少於1分鐘之停留時間等）而調適之更小尺寸之裝備來提供操作效能之顯著改進。
可利用本發明裝置及方法之實施例，使得科使用更小尺寸之裝備來煅燒進料材料。由於可能需要更少的停留時間，可使用更小尺寸之裝備。例如，此可有助於大大降低與構建煅燒設施相關聯之資本及建造成本。此外，由於此種實施例可具有之更小尺寸之佔用面積，因此可降低操作及維護成本。
相較於習知系統，不使用空氣作為氧化劑或使用較少空氣之實施例亦可藉由避免氮氧化物之形成及/或減少氮氧化物之形成來提供改進之生態影響。此種實施例亦可（或替代地）使用更簡單之廢氣清潔裝置，以在氣體被排放至大氣之前自廢氣中去除此種不期望之元素。
如上所討論，亦可提供實施例，使得Ca(OH)2及/或Mg(OH)2可在分離處理步驟（例如，水合步驟）中形成而不使用水。此種單獨的處理步驟可包括一水合步驟，該步驟可發生在例如經由煅燒形成石灰之後。藉由避免需要使用水及/或形成可能需要處理之廢水，此可在操作中提供進一步改進之生態效能。因此，應當理解，除了操作之改進及成本之降低之外，實施例亦可提供改進之生態效果。
應當理解，用於煅燒進料材料之裝置1之實施例及用於煅燒進料材料之方法之實施例可經調適以滿足一組特定的設計標準。此外，（且如上所討論），用於煅燒固體顆粒進料材料之裝置1（例如，煅燒爐、煅燒系統）及可併入至此種設備中之燃燒器3可經組態以包括過程控制元件，該等過程控制元件經定位及組態以監測及控制操作之過程控制元件（例如，溫度及壓力感測器、流量感測器、包括一處理器、一非暫態記憶體及用於與感測器元件通訊之至少一個收發器之具有至少一個工作站之一自動化過程控制系統、閥門、及用於為可在工作站及/或系統之另一電腦設備處運行之一自動化過程控制系統提供一使用者介面之控制器，等等）。
此外，設想到單獨描述之或者作為一實施例之部分描述之一特定特徵可與其他單獨描述之特徵或者其他實施例之部分相組合。因此，本文所述之各種實施例之元件及動作可經組合以提供進一步之實施例。因此，儘管上文已經示出及描述了用於煅燒進料材料之製程、用於煅燒進料材料之裝置、以及其製造及使用方法之某些實例性實施例，但應當清楚地理解，本發明不限於此，而是可在所附申請專利範圍之範圍內以其他方式不同地實施及實踐。
1:裝置
3:燃燒器
3a:第一顆粒流
3b:第一燃料流
3c:第一氧化劑流
3d:第一內部噴嘴
3e:第二環形噴嘴
3f:第三環形噴嘴
3F:火焰
4:氧化劑進料導管
4a:混合位置
5:燃料來源
6:燃料進料導管
7:氧化劑來源/第一氧化劑來源
7a:第二氧化劑來源
8:進料材料進料導管
9:進料材料來源/進料材料
10:單獨的進料材料進料導管
10L:噴槍進料材料導管
11:煅燒爐
11F:顆粒材料流
12:過濾器設備
12a:入口/過濾進料導管
12b:煅燒顆粒冷卻設備
13:產物輸出導管
14:過濾氣體流/熱廢氣流
15:乾燥器
20:碳捕獲系統
21:冷凝器
23:CO2捕獲設備
25:排出流
F1:第一階段
F2:第二階段
用於煅燒進料材料之方法、用於煅燒進料材料之裝置（例如，煅燒爐、用於煅燒之燃燒器、煅燒系統等）、裝置之操作態樣以及其製作及使用方法之實例性實施例示於與之一起包括之附圖中。應理解，附圖中使用之相同參考符號可標識相同之組件。
圖1係用於煅燒進料材料之一裝置之一第一實例性實施例之一示意性方塊圖，該裝置可利用用於煅燒進料材料之一方法之一實例性實施例。
圖2係燃燒器3之第一實例性實施例之一示意性剖視圖。
圖3係圖2所示燃燒器3之第一實例性實施例之一示意性端視圖。
圖4係燃燒器3之另一實例性實施例之另一示意性剖視圖。
圖5係圖4所示燃燒器3之實例性實施例之一示意性端視圖
圖6係自用於煅燒進料材料之一實例性裝置之一實例性實施例之測試中獲得之一第一樣品之具有能量色散X射線光譜(SEM/EDS)影像之一掃描電子顯微鏡縮影膠片。第一樣品係在經歷任何煅燒之前之一原始樣品。第一樣品亦可稱為樣品1。
圖7係自用於煅燒進料材料之一實例性裝置之一實例性實施例之測試中獲得之一第二樣品之一SEM/EDS影像。第二樣品係在該樣品已經暴露於由煅燒爐11之一燃燒器3發出之一火焰3F時提取之部分煅燒之樣品。第二樣品亦可稱為樣品2。
圖8係自用於煅燒進料材料之一實例性裝置之一實例性實施例之測試中獲得之一第三樣品之一SEM/EDS影像。第三樣品係在材料穿過停留時間係30秒之一煅燒爐後獲得之一煅燒樣品。第三樣品亦可稱為樣品3。
圖9係說明經由X射線粉末繞射(XRD)獲得之資料之一系列圖，說明XRD資料中與樣品1之參考圖案匹配之繞射峰，該樣品係在本文討論之進行之實驗中煅燒之前之原材料之一樣品。
圖10係說明經由XRD獲得之資料之一系列圖，說明與樣品2之參考圖案匹配之XRD資料中之繞射峰，該樣品係在本文討論之進行之實驗中的煅燒之第一階段F1期間自一火焰3F內收集之部分煅燒材料之一樣品。
圖11係說明經由XRD獲得之資料之一系列圖，說明與樣品3之參考圖案匹配之XRD資料中之繞射峰，該樣品係在本文討論之進行之實驗中的煅燒之一第二階段F2之後自煅燒爐11之一出口排放之後，自該煅燒爐之出口輸出之煅燒材料之一樣品。
圖12係說明自樣品1之精煉樣品模型計算之強度與在本文討論之實驗期間獲得之樣品1之觀察的XRD資料之擬合的一系列圖。
圖13係說明自樣品2之精煉樣品模型計算之強度與在本文討論之實驗期間獲得之樣品2之觀察的XRD資料之擬合的一系列圖。
圖14係說明自樣品3之精煉樣品模型計算之強度與在本文討論之實驗期間獲得之樣品3之觀察的XRD資料之擬合的一系列圖。
1:裝置
3:燃燒器
4:氧化劑進料導管
4a:混合位置
5:燃料來源
6:燃料進料導管
7:氧化劑來源/第一氧化劑來源
7a:第二氧化劑來源
8:進料材料進料導管
9:進料材料來源/進料材料
10:單獨的進料材料進料導管
10L:噴槍進料材料導管
11:煅燒爐
11F:顆粒材料流
12:過濾器設備
12a:入口/過濾進料導管
12b:煅燒顆粒冷卻設備
13:產物輸出導管
14:過濾氣體流/熱廢氣流
15:乾燥器
20:碳捕獲系統
23:CO2捕獲設備
25:排出流
F1:第一階段
F2:第二階段
Claims (20)
- 一種用於煅燒進料材料之方法，其包含： 將固體顆粒材料進料至在一煅燒爐中形成之一火焰，使得當固體顆粒材料移動穿過該煅燒爐到達該煅燒爐之一出口時，該固體顆粒材料穿過該火焰。
- 如請求項1之方法，其中該固體顆粒材料具有在5分鐘與5秒之間、在3分鐘與5秒之間、在10秒與30秒之間、或在5秒與1分鐘之間的一煅燒停留時間。
- 如請求項1之方法，其中將該固體顆粒材料進料至該火焰包含： 將該固體顆粒材料傳送至一燃燒器中，用於經由該燃燒器進料至該煅燒爐中；且/或 將該固體顆粒材料傳送至鄰近該火焰之該煅燒爐中，使得該固體顆粒材料穿過該火焰。
- 如請求項1之方法，其包含： 將一燃料及至少一個氧化劑流進料至該燃燒器，用於在該煅燒爐中形成該火焰。
- 如請求項4之方法，其中該火焰有利於該固體顆粒材料在815℃與2,205℃之間、在815℃與1,370℃之間、在815℃與1,650℃之間、在925℃與1,650℃之間、或在925℃與1,370℃之間的一預選煅燒溫度範圍下煅燒。
- 如請求項1之方法，其中該煅燒材料包含70重量百分比(wt%)的Ca(OH) 2至100 wt%的Ca(OH) 2、80 wt%的Ca(OH) 2至100 wt%的Ca(OH) 2、或90 wt%的Ca(OH) 2至100 wt%的Ca(OH) 2.。
- 如請求項1之方法，其中該進料材料包含至少70重量百分比的碳酸鹽材料及不大於30重量百分比的雜質。
- 如請求項1之方法，其中該進料材料具有50微米至2,000微米之平均粒度及不大於5,000微米之最大粒度。
- 如請求項1之方法，其包含： 過濾自該煅燒爐之該出口輸出之一流，以自由該火焰之形成而形成之燃燒氣體中分離該固體顆粒材料，自該燃燒氣體中分離之該固體顆粒材料係煅燒材料。
- 如請求項1之方法，其包含： 在將該固體顆粒材料進料至該煅燒爐內之該火焰之前，使該固體顆粒材料穿過至少一個乾燥器；且 在該燃燒氣體被傳送至一碳捕獲系統以自該燃燒氣體捕獲二氧化碳之前，將該燃燒氣體傳送至該乾燥器以對該乾燥器內之該固體顆粒材料進行乾燥。
- 如請求項1之方法，其包含： 過濾自該煅燒爐之該出口輸出之一流，以自由該火焰之形成而形成之燃燒氣體中分離該固體顆粒材料，自該燃燒氣體中分離之該固體顆粒材料係煅燒材料；且 在該過濾之前冷卻自該煅燒爐之該出口輸出之該流。
- 如請求項11之方法，其中在該過濾之前用於該冷卻自該煅燒爐之該出口輸出之該流之一冷卻介質包含二氧化碳。
- 一種用於煅燒進料材料之裝置，其包含： 一煅燒爐； 至少一個燃燒器，其鄰近該煅燒爐之一入口部分定位，使得進料至該煅燒爐中之固體進料材料能夠經由用於煅燒該固體進料材料之該燃燒器穿過在該煅燒爐中形成之至少一個火焰，該煅燒爐及該至少一個燃燒器經佈置及定位使得該固體進料材料能夠穿過該至少一個火焰到達用於煅燒該固體進料材料之該煅燒爐之一出口。
- 如請求項13之裝置，其包含： 至少一個過濾器設備，其能夠連接至該煅燒爐之該出口以接收來自該煅燒爐之該出口之該固體進料材料及燃燒氣體，從而自該燃燒氣體過濾該固體進料材料之固體顆粒。
- 如請求項13之裝置，其中該至少一個燃燒器及該煅燒爐經佈置及組態使得該固體進料材料具有在5分鐘與5秒之間、在3分鐘與5秒之間、在10秒與30秒之間、或在5秒與1分鐘之間的一煅燒停留時間。
- 如請求項13之裝置，其中該至少一個燃燒器能夠連接至一燃料來源、氧化劑之至少一個來源、及該固體進料材料之至少一個來源，使得該固體進料材料之至少一部分能夠進料至該燃燒器以進料至該火焰中。
- 如請求項13之裝置，其中該煅燒爐能夠連接至該固體進料材料之該至少一個來源，使得該固體進料材料之至少一部分能夠進料至該煅燒爐中，從而傳送至該火焰中以在煅燒之一第一階段中在該火焰中進行部分煅燒，然後離開該火焰並朝向該煅燒爐之該出口傳送以在煅燒之一第二階段中進一步煅燒。
- 如請求項13之裝置，其中該至少一個燃燒器及該煅燒爐經佈置及組態使得該火焰有利於該固體進料材料在815℃與2,205℃之間、在815℃與1,370℃之間、在815℃與1,650℃之間、在925℃與1,650℃之間、或在925℃與1,370℃之間的一預選煅燒溫度範圍下煅燒。
- 如請求項13之裝置，其包含： 一碳捕獲系統，其定位於該煅燒爐之該出口下游，以自該煅燒爐之該出口輸出之該燃燒氣體捕獲二氧化碳。
- 一種煅燒系統，其包含： 一煅燒爐，其具有與一腔室連通之一出口； 至少一個燃燒器，其連接至該煅燒爐以在該腔室內形成至少一個火焰，用於在815℃與2,205℃之間的一預選煅燒溫度範圍下煅燒； 至少一個過濾器設備，其連接至該煅燒爐之該出口，以接收來自該煅燒爐之燃燒氣體內夾帶之煅燒材料，從而自該燃燒氣體中分離該煅燒材料；及 一碳捕獲系統，其連接至該至少一個過濾器設備以接收該燃燒氣體，用於自該燃燒氣體中去除水分並自該燃燒氣體捕獲二氧化碳；且 其中一固體顆粒進料材料來源能夠連接至該至少一個燃燒器及/或該煅燒爐，以將該固體顆粒進料材料進料至該至少一個火焰中，用於該固體顆粒進料材料之煅燒之一第一階段，該煅燒爐經尺寸設計及組態使得該固體顆粒進料材料自該火焰傳送至該煅燒爐之該腔室內之該出口，用於該進料材料之煅燒之一第二階段，使得該固體顆粒進料材料用於煅燒以形成該煅燒材料之一預選停留時間大於5秒且小於或等於5分鐘。
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