材料煅烧的过程和方法与流程

材料煅烧的过程和方法
1.本发明广泛地涉及在连续过程中煅烧材料的方法，其中本文所述的煅烧是通过加热材料引起的反应或相变，或两者兼有。
2.已经开发了许多煅烧材料的方法，这些方法已经开发用于使用特定燃料处理特定的材料。本发明的公开内容涉及快速煅烧的方法，称为闪速煅烧(flash calcination)，其使用间接加热来为粉末材料的反应提供能量。
3.大多数用于煅烧的现有技术使用燃烧气体直接加热材料，而间接加热从反应器壁传递热量，通常通过来自外部燃烧器的钢管进行辐射传热。间接加热方法通常有三种应用，即(a)生产比直接加热具有更高反应性的煅烧材料，因为停留时间短和反应器温度控制减少了内部烧结；和/或(b)将燃烧过程与反应过程分开，使煅烧产物不被燃烧杂质污染；和/或(c)将气体从燃烧过程和反应过程中分离出来，以便可以控制反应，例如通过控制氧化态和/或(d)处理在煅烧反应时释放co2的碳酸盐材料，以产生氧化物，这使得能够将工艺co2气体捕获为纯气流。
4.关于co2的捕获，此类煅烧过程有两个排放源。第一个来源是碳基燃料燃烧释放的co2，在此称为“燃烧co
2”，第二个来源是反应过程中产生的“工艺(process)co
2”，通常来自碳酸盐材料。低排放煅烧过程旨在减少燃烧和过程中的co2。在生命周期分析中，使用可再生能源或低排放强度，电力是减少燃料端co2排放的一种手段。预计全球减少排放的努力将是这样的，煅烧产品可以通过其排放强度来判断，以每吨产品(包括燃料和工艺co2)排放的二氧化碳吨数来衡量。需要降低通过煅烧过程制成的产品的排放强度。
5.有许多已建立的减少燃烧co2排放的方法。减少燃烧排放的一种方法是使用风能、太阳能或其他过程产生的“可再生电力”来间接加热煅烧炉。生产可再生能源的成本正在迅速降低，商品产品可能会负担得起。其他方法使用低排放燃烧过程。一种方法是使用非碳基燃料，例如氢气，这些燃料来自水的“电解”，或者来自使用经过“燃烧前”捕获处理以去除co2的碳基燃料。另一种方法是在称为“燃烧后”捕获的过程中利用胺、碳酸盐、金属氧化物和水滑石等吸附剂处理碳基燃料燃烧产生的烟气，以去除co2。另一种方法是在称为“富氧燃烧”的过程中使用氧气而不是空气来燃烧碳基燃料，以产生含有大量易于捕获的co2的烟气。对于本领域技术人员显而易见的是，可以通过使用可再生电力、或电解、或燃烧前捕获、或燃烧后捕获、或富氧燃烧、或这些的组合来减少来自煅烧的燃烧排放以减少燃烧排放。在大多数使用燃烧气体的煅烧工艺中，热烟气通过直接加热直接将能量传递给材料，因此任何过程排放物都与烟气混合，并且任何工艺co2的提取都会增加减少过程排放物的成本和复杂性。另一方面，间接加热不仅可以将过程中的co2捕获为纯气体蒸汽，而且还提供了减少排放的灵活性，因为上述的任何低排放方法都可以用来提供热量。
6.煅烧时产生过程排放的物质是碳酸盐物质，如石灰石caco3、白云石mgco3.caco3、菱镁矿mgco3；矿物混合物，例如生产波特兰水泥所需的生水泥粉，其中碳酸盐矿物可能包括不纯的石灰石，例如泥灰岩和其他混合金属碳酸盐，包括菱铁矿、feco3和为制造特定氧化物材料而生产的合成碳酸盐化合物，包括例如在金属和电池材料生产中作为中间体生产的碳酸锰mnco3；以及分解产生co2的有机物质。有各种材料经过煅烧处理，用于各种工业目
的，会产生工艺co2。
7.需要捕获工艺co2和燃烧co2排放中的任何一个，最好同时捕获两者，以减少材料煅烧产生的排放，从而缓解气候变化。例如，水泥行业正在寻求通过多种方法减少石灰石煅烧产生的co2排放，这些方法包括使用生物质、废物和可再生电力作为燃料，以及多种co2捕获方法，包括胺捕获、富氧燃烧、钙循环和本文所述的直接分离过程。减少排放最理想的解决方案是以最低的成本，以每吨避免的co2排放量为美元计，实现co2捕获的过程。在许多提议的捕获过程中，co2捕获的成本很大，因为需要新的化学和物理过程，例如胺法和富氧燃烧法。在钙循环中，高质量流量和能量回收是其使用的障碍。这些过程的共同主题是它们的引入增加了复杂性和成本。另一种替代方法，直接分离，在没有额外能源损失或使用新材料的情况下提供工艺co2捕获，如sceats等人在wo2015/077818其波特兰水泥制造的过程和设备”及其中的参考文献中所描述的那样。在这种方法中，使用煅烧炉的间接加热，以此加工碳酸盐矿物的工艺气流(process gas stream)是工艺co2，少量杂质来自次要成分的挥发。sceats等人在wo2016/077863“生产煅烧产品的煅烧化合物的制造工艺和设备”及其中的参考文献中描述了使用间接加热煅烧碳酸盐材料的一般方法，其中间接加热过程扩展到使用不同的材料和多个反应器段，包括电力段。
8.值得注意的是，wo2015/077818和wo2016/0778633及其参考文献中描述的与直接分离反应器相关的发明是间接加热闪速煅烧工艺，其中煅烧过程的时间范围通常在10-50秒的范围内。wo2015/077818和wo2016/077863以及其参考文献通常包括对输入粒度通常小于约100微米的一般要求，以便煅烧程度(本文定义为在此停留时间内在反应器中转化为氧化物的碳酸盐的比例)足以满足煅烧产物的应用。在直接分离反应器中，控制煅烧过程的一个变量是壁温分布，因此通常将停留时间和壁温的平均值作为反应器设计的关键变量。在直接分离反应器中，颗粒优选在重力作用下向下流动，并且停留时间与粒度分布(psd)的终端速度有关，其中颗粒在重力作用下下落的加速度通过气体-颗粒摩擦来平衡，这取决于气流的方向。
9.关于反应器的停留时间和温度，一般而言，材料的煅烧程度优选为至少95％，或最优选为至少97％或更高。然而，在水泥粉的情况下，它可能较低，约为85％，因为后续的熟化过程可能需要吸热负荷，例如当回转窑用于熟料生产时。需要一种直接分离方法，其中可以控制反应器段中的停留时间和温度，以实现所需的物料煅烧程度。本公开的发明在某种程度上涉及增加直接分离反应器的停留时间和温度。
10.关于psd，从测量的累积体积分布中定义三个数字是有用的，即d
10
是按体积计10％的颗粒小于d
10
的直径，d
50
是50％小于d
50
的直径，d
90
是90％小于d
90
的直径。碳酸盐材料的经煅烧的粉末有许多应用，其中最优选的d
50
尺寸大于约100微米，上述现有技术已对其进行了描述。具体来说，产品覆盖约0.1至300微米的d
10
至d
90
范围，每个产品在此范围内具有指定的psd。
11.d
50
超过100微米的粉末材料比d
50
更低的较小材料更容易处理，这些产品通常用于特定的粉末应用。有必要扩展直接分离技术，使这种粉末材料的生产能够达到这一范围。
12.在其他应用中，需要毫米尺寸范围的颗粒形式的材料，并且优选混合材料的颗粒，特别是在矿物加工中的应用，其中这种产品不希望被夹带在气流中，例如造渣用于诸如铁，铝和镁等金属的生产；在水泥制造中，在形成熟料的后续过程步骤中，由颗粒中的结合颗粒
之间的反应形成熟料；以及在烧结前制成团聚物的耐火产品中的应用。有必要扩展直接分离技术，使其能够生产这种颗粒状材料，包括将直接分离技术集成到颗粒状产品的生产中。
13.本领域技术人员应当理解，对于许多应用，煅烧材料的psd变化很大。具体来说，需要减少此类产品生产的排放，因此需要应用直接分离反应器来处理各种粒径的碳酸盐材料。大颗粒比小颗粒在直接分离反应器中下降得更快，因此与小颗粒相比，大颗粒的停留时间减少。在某些情况下，延长直接分离器反应器的长度可能是可行的，如上文引用的现有技术中描述的方法，以达到所需的煅烧程度。然而，通常优选使用更紧凑的直接分离反应器。本公开的发明可以涉及一种煅烧过程，该过程可处理比迄今公开的用于直接分离反应器的更大颗粒。
14.wo2015/077818和wo2016/077863中描述的直接分离反应器被描述为单管反应器，其中输入材料通常为每小时8-10吨。对于水泥等大型制造工艺，反应器的规模扩大是可取的，大约每小时200吨。必要调整直接分离反应器以适应这种规模，以便可以为批量生产提供该过程的好处。
15.虽然本公开的发明主要针对减少碳酸盐材料，特别是石灰石和水泥生料煅烧时的co2排放，但是本发明可应用于煅烧其他材料，其中反应可能是相变，或者反应释放co2以外的气体。这种煅烧过程的例子包括去除水分、通过产生蒸汽的水合水，挥发硫化合物、氨和酸性气体如hcl。
16.根据第654465和884170号资助协议，本技术的项目已获得欧盟地平线2020研究与创新计划的资助。


背景技术：

17.本公开中描述的发明主要来源于观察和理解在直接分离反应器中煅烧含有碳酸钙(caco3)的材料以生产石灰(cao)。本文所述的发明可以被认为是对wo2015/077818和wo2016/077863及其中的参考文献的改进，用于处理此类材料。此外，公开的发明可以应用于直接分离反应器，以扩大工艺规模，促进将直接分离反应器集成到工业过程中，并为任何目的在直接分离反应器中处理其他材料。
18.本领域技术人员应当理解，对包括石灰石、白云石和水泥粉在内的含碳酸钙的材料的处理是使新煅烧的石灰颗粒具有“粘性”。关于这一特性的早期文献来自石灰燃烧器的历史文献，其后果对生产大量的cao的现代生产工艺的设计产生影响。关于这个主题有大量的文献，总结如下。
19.石灰的粘性与颗粒团聚物的形成、冷表面沉积物的形成、材料床的粘性以及产品输送的挑战有关。粘性的物理来源与穿过颗粒的煅烧反应前沿中产生的cao的高表面能有关。不受理论的限制，煅烧反应产生的cao颗粒尺寸为20nm，表面积大于100m2/g。这些小晶粒具有高表面能，通过高温烧结过程自发降低，晶粒通过称为奥斯特瓦尔德熟化的过程生长到大于100nm，这是由相邻的cao晶粒之间形成烧结颈引起的，然后cao通过这些烧结颈扩散，因此较小的晶粒被吸收到较大的晶粒中。随着晶粒尺寸的增大，晶粒粗化过程降低了表面能。从晶粒间孔隙来看，存在由5-10nm的中孔向大于100nm的大孔的孔隙转移。文献通过一系列机制描述了这种烧结，通过这些机制，烧结速率不仅随着温度的增加而增加，而且随着co2和h2o分压的增加而增加，因为烧结是由这些气体催化的。催化作用使得cao可以在微
米的长度尺度上快速迁移。cao的扩散对于陶瓷和水泥制造等过程、矿物结渣以及对闪速煅烧的影响很重要，如下所述。
20.此类石灰颗粒“粘性”的来源是烧结颈也在碰撞颗粒之间生长，或颗粒粘附在表面上，或堆积在床中以降低表面能。颗粒内晶粒的物理烧结过程与物理接触的颗粒粘附没有区别。在陶瓷、水泥和结渣工艺的文献中，“烧结”一词适用于颗粒内部和颗粒之间的过程。在本发明中，粘性的一个相关方面是“团聚”过程，其中颗粒在煅烧过程中粘附到通过反应器的团聚体处理与单个颗粒明显不同的程度，并且进一步发生团聚物粘附的“级联团聚”过程。不受理论的限制，可以理解，(a)团聚物由在直接分离反应器中产生的颗粒簇中的颗粒-颗粒碰撞形成，以最小化气体颗粒摩擦，和(b)当有更强的气体-颗粒湍流时，团聚物更容易形成，这增加了簇中颗粒之间的碰撞率，(c)粘附强度及其持久性是烧结过程的结果，以及(d)团聚物的的持久性对煅烧过程的影响可能是显著的。
21.与直接分离反应器相关，关于cao烧结的现有技术还描述了通过co2对cao的催化烧结，其中烧结的初始阶段发生在30秒内，温度高于约800℃，co2分压高于约5kpa。由于此烧结时间与直接分离反应器中通常使用的10-50秒的停留时间相当，其中co2分压约为100kpa，温度约为900℃，因此可以合理地预期在此类直接分离反应器中产生的任何cao将被烧结，以获得低于约20m2/g的表面积。这已在直接分离反应器中得到证实。由于烧结发生在颗粒在反应器中的停留时间上，因此可以预期，颗粒之间的“粘性”影响也将很明显，并且可能影响直接分离反应器在处理在co2存在下产生cao的材料时的性能。本公开的重点是减轻不利影响或利用这些影响生产新材料的发明。
22.本发明的一个目的可以是提供一种或多种优化直接分离器管式反应器的设计以控制石灰粘性的影响的方法。
23.本发明的另一个目的可以是提供一种将直接分离反应器扩大到更大生产能力的方法。
24.本发明的另一个目的可以是描述本发明将直接分离反应器集成到工业应用中的用途，具体应用到波特兰水泥、铁、铝和镁金属的生产。
25.本发明的另一个目的可以是将这些发明应用于处理其他材料，其中的好处是在操作和复杂性方面简化过程，或者改进材料的性能。
26.在整个说明书中对现有技术的任何讨论都不应被视为承认此类现有技术广为人知或构成本领域公知常识的一部分。
27.发明概述
28.本专利的发明通常与直接分离技术的改进有关。
29.(a)此类发明包括煅烧粉末材料的系统，所述系统包括一个或多个反应器管，其中下落的粉末主要通过来自反应器管的外部加热壁的辐射加热，其中粉末的煅烧过程可以是释放气体或引起相变或两者兼而的反应；粉末通过反应器的平均速度为1.0m/s或更小；优选小于0.2m/s；每根管的粉末材料流量优选在0.5-1kg m-2
s-1
范围内，并且其中加热区的长度在10-35m范围内。
30.(b)使用颗粒和气体的逆流处理大于100pm的较大颗粒的方法；
31.(c)使用颗粒和气体的并流减少气体颗粒湍流来减少团聚和聚集的方法；
32.(d)冷却来自直接分离反应器的煅烧颗粒流并加热周围颗粒流的方法，用于使用
逆流管系统将颗粒注入直接分离反应器，对于石灰，当颗粒注入直接分离反应器时，使用预热系统对颗粒进行部分煅烧和钝化，以抑制颗粒团聚和结垢；
33.(e)有效的外部加热反应器壁的方法，使用紧密集成的燃烧器炉段、使用各种燃料的无焰燃烧器和电力加热，在使用碳基燃料的情况下，使用后燃烧过程捕获co2，以最大限度地减少能源消耗和co2排放。
34.(f)使用分段管的方法，以实现(i)通过切换工艺气体压力优化工艺能耗，(ii)注入热气体和燃料/空气，以及(iii)通过优化的化学反应顺序生产产品，例如从caco3生产ca(oh)2。
35.(g)利用cao在co2中的粘附力对石灰进行热造粒的方法，包括将石灰与其他矿物混合，使颗粒可用于需要结渣或熟化的工业过程，例如用cao生产铁、铝和用白云石mgo.cao生产镁金属。
36.(h)使用多根管子扩大过程的方法。
37.有待解决的问题
38.第一个要解决的问题是优化直接分离反应器，用于处理产生包含cao的颗粒的材料，特别是在co2存在下产生的cao颗粒。
39.第二个要解决的问题是优化直接分离反应器，将工艺扩大到更大的生产量。
40.第三个要解决的问题是将直接分离反应器集成到许多工业过程中。
41.第四个要解决的问题是改进直接分离反应器，用于煅烧各种材料。
42.解决问题的方法
43.在本发明的第一方面，描述了减少注入直接分离反应器的cao引发的颗粒团聚物形成的多种措施，并减少传热所通过的金属表面的结垢，和降低这些颗粒的床层抵抗流化运输的倾向。描述了三种解决方案，第一种解决方案是可以处理较大的cao颗粒，以利用当较大的颗粒被煅烧时团聚物减少的观察结果。第二种解决方案是通过最小化颗粒之间的碰撞频率来减少cao颗粒的团聚。第三种解决方案是降低此类cao颗粒在碰撞过程中粘附的倾向。
44.在本发明的第二方面，描述了促进直接分离反应器产生的cao颗粒团聚的方法，所述直接分离反应器使用第一方面中描述的发明来制造需要颗粒状材料用于后续过程的产品，这些过程包括用直接分离反应器中生产的煅烧水泥粉生产波特兰水泥；用于使用pidgeon工艺从直接分离反应器中产生的白云石mgo.cao生产镁金属；用于生产在直接分离反应器中生产的低排放石灰颗粒，用于注入钢和铝生产中使用的结渣过程，以去除硅酸盐等杂质。
45.在本发明的第三方面，描述了将直接分离反应器集成到工业过程中的多种措施。这些措施包括使用余热预热输入粉末、将粉末注入反应器、向反应器壁提供热量、从反应器中提取工艺气流、最大限度地减少排出气体中固体的损失以及冷却产品的措施。这方面的主要需求是提供使处理材料所需的能量最小化的措施，通常在环境条件下提供，并在所需条件下以优选最小的能量消耗输送粉末产品和排出气体流。
46.在本发明的第四方面，描述了能够扩大使用直接分离反应器的系统的生产能力的多种措施。直接分离反应器管的直径有一个合理的限制，这与辐射进入颗粒和气体混合物的穿透深度有关。因此，生产能力的扩大主要是通过管阵列。扩大规模的措施包括将预热固
体分配到多根管的装置，用于在来自燃烧器的炉中的单独管中加热粉末的装置，以及聚集来自反应器管的粉末流和气体流用于后续处理的装置。这方面的主要需求是提供使处理材料所需的能量最小化的措施，通常在环境条件下提供，并在所需条件下以优选最小的能量消耗输送粉末产品和排出气体流，以实现规模经济。
47.在本发明的第五方面，提出了促进将直接分离反应器集成到制造过程中的具体工艺步骤，主要应用是生产水泥熟料。
48.在本发明的第六方面，可以涉及煅烧粉末材料的系统，所述系统包括多个立式反应器管，其中下落的粉末通过来自反应器管的外部加热壁的辐射在加热区及其附近被加热，其中粉末的煅烧过程可以是释放气体或引起相变的反应；其中下落的粉末颗粒在其通过反应管期间的平均速度为1.0m/s或更小；每根管的粉末材料流量优选在0.5-1kg m-2
s-1
范围内，并且其中加热区的长度在10-35m范围内。
49.优选地，所述粉末材料包括在加热时释放气体的化合物或矿物，其中所述气体是选自以下组中的至少一种：二氧化碳、蒸汽、例如氯化氢的酸性气体以及例如氨的碱性气体。
50.优选地，所述矿物是石灰石或白云石。
51.优选地，所述化合物包括二氧化硅和粘土，使得所述粉末材料是用于制造硅酸盐水泥的生水泥粉。
52.优选地，所述粉末材料的颗粒体积分布被限制为90％小于250μm的直径和10％大于0.1μm的直径。
53.优选地，释放的气体在管中逆着煅烧粉末的流动向上流动，并且其中所述气体在系统的顶部排出。
54.优选地，释放的气体和引入所述系统的任何气体随着煅烧粉末的流动在所述反应器管中向下流动，并且其中所述气体在所述系统的底部排出。
55.优选地，每根管内都设有内管，并且所述粉末材料在反应环带中随释放的气体向下流动；并且其中，在所述反应器的底部，气流反向向上流过所述内管，所述释放的气体和引入系统的任何气体在系统的顶部排出。
56.优选地，夹带在排出气体中的粉末材料被分离并重新注入所述系统中。
57.优选地，在注入系统之前，注入的粉末在气体-粉末预热器系统中被预热。
58.优选地，所述气体-粉末预热器系统是一根或多根耐火加热管，在所述一根或多根耐火加热管中冷的粉末材料通过热的上升气体下落，并被上升气体加热，其中所述粉末通过预热器管期间的平均速度为0.5m/s或更小。
59.优选地，从所述系统的底部排出的粉末在气体-粉末冷却系统中被冷却。
60.优选地，所述气体-粉末冷却系统是一个或多个耐火冷却管，在所述耐火冷却管中热的粉末材料通过冷却的上升气体下落，其中粉末在其通过冷却管期间的平均速度为0.5m/s或更小。
61.优选地，用于外部加热所述管的壁的外部加热系统是集成的燃烧器和炉系统，其能够控制所述系统的加热区下方的温度分布(temperature profile)。
62.优选地，所述外部加热系统是无焰燃烧系统，其能够控制所述系统的加热区下方的温度分布。
63.优选地，所述外部加热系统的燃料是选自以下组中的至少一种气体：天然气、合成气、城镇燃气、发生炉煤气和氢气；其中所述燃烧气体是由外部加热系统的烟气加热得到的空气、氧气或其混合物。
64.优选地，使用再生式燃烧后co2捕获系统提取烟气中的co2，所述再生式燃烧后co2捕获系统选自以下组中的至少一种：胺吸附剂系统、碳酸氢盐吸附剂系统和钙循环系统。
65.优选地，外部加热系统是电动炉，其中所述外部加热系统是电动炉，其中电力由生产装置(所述系统是该生产装置的一部分)中的热气流产生，或从电网中提取，并且被配置为能够控制系统加热区的温度分布。
66.优选地，所述外部加热系统为权利要求14、15或18中任一项所述的外加热系统的组合，其可以应用于每根管的不同段或不同的管，并且操作所述系统可以使用此类外部加热系统的可变组合，同时保持煅烧材料的连续生产。
67.优选地，所述粉末材料在多个深度被注入到所述反应器管中。
68.优选地，每根管被分成串联安装的多个段，其中在每个段中释放或引入的气体使用段之间的气体块从该段中抽出。
69.优选地，在较高段煅烧过程中释放的气体的分压可以在较低段中降低，使反应通过分压下降进一步进行，从而在较低的分压下达到新的平衡，包括降低所述较低段的壁温，以便将存储在来自较高段的部分煅烧的粉末中的任何热能用于煅烧。
70.优选地，每个段的壁温在每个段中从上段开始依次升高，使得从每个段释放的气体可以是所需纯度的特定气体，并且可以将其他气体添到每个段以促进反应步骤的催化和/或反应步骤期间材料的烧结。
71.优选地，所述系统从菱镁矿制备用于耐火砖的烧结mgo。
72.优选地，所述系统从石灰石或菱镁矿生产ca(oh)2或mg(oh)2。
73.优选地，所述系统控制电池前体的氧化态。
74.优选地，每根管被分成多个段，其中每个段中释放或引入的气体使用段之间的气体块从该段中抽出，并且将热气流引入段中以提高该段中气体和颗粒的热能，以增加外部加热提供的热能。
75.优选地，所述气流包含可燃燃料和用于燃烧的氧气或空气以在该段中引发燃烧，从而提高所述段中的气体和颗粒的热能，从而增加由所述段或其他段内的外部加热提供的热能。
76.优选地，燃烧引起的温度升高足以引发颗粒-颗粒或颗粒内反应，典型的是焙烧或熟化反应，这些反应随后发生在所述段底部形成的粉末床中，其中从放热反应释放的能量可以维持或提高粉末床的温度，使得引发的反应在粉末床中的停留时间内充分完成。
77.优选地，所述气体-粉末预热器系统的预热温度为650-800℃，煅烧时释放的气体分压在15kpa以下，使得粉体物料部分煅烧，然后烧结，使得颗粒的表面能充分降低，使得颗粒随后结合和团聚的倾向降低。
78.优选地，所述材料是石灰石，其中将经煅烧的材料或经煅烧的材料与其他矿物的混合物引入后处理系统以生产所述材料的颗粒，其中所述颗粒通过搅拌粉末形成，其中气体环境含有二氧化碳，其中造粒机系统的温度为650-800℃，石灰与co2的再结合被抑制。
79.优选地，材料首先在使用钢制反应器壁的第一段中被煅烧，以向所述系统提供热
量，并且使用第一段和较低段之间的气体块将每个段中释放或引入的气体从该段中抽出，以便可以将不同气体的第二气流注入第二段，并控制通过第二段中的反应器壁的传热，从而使来自第一段的经煅烧的粉末与所述气体反应以产生新的材料化合物。
80.优选地，所述粉末材料为石灰石、caco3或白云石caco3.mgco3，其中所述第一段的煅烧产物为石灰cao或煅烧白云石cao.mgo，排出气体为co2，注入第二段的气体是蒸汽h2o，通过壁的散热控制温度，使熟石灰从第二段排出，并且选择系统中管的直径，使停留时间允许传热和反应动力学以最小的段长平衡。
81.优选地，所述熟石灰或煅烧白云石产品与环境空气中的co2具有高反应性，以重整caco3或mgco3，并且其中将所述产品重新引入系统以在循环系统中去除环境空气中的co2，其中当所述产品与可再生燃料一起使用并与燃烧co2捕获一起使用时，所述系统产生碳负排放产品。
82.优选地，振动反应器管以去除黏附在所述系统壁上的固体材料的堆积。
83.优选地，从外部加热系统到每根管的热量由耐火壁隔开，使得设备可以通过使用耐火材料和能量分配(包括气体和辐射)以有效的方式与任何数量的管一起运行，其控制任何管对于辐射的暴露和对热的传递，以便将温度分布控制在与金属管的热应力和系统的能量消耗相关的理想范围内。
84.优选地，预热器段和/或冷却段需要将预热材料从中央预热器分配到每根管，这通过以下组中的至少一个来实现：l阀，l阀组件，旨在向每根管提供受控的粉末分配，从每根管到中央冷却系统的经热煅烧的材料的聚合器系统，以及中央后续处理系统，例如窑炉，其中团聚是通过气滑道系统完成的，其中经热煅烧的粉末的流动受到控制，以提供连续的材料流。
85.这些问题的解决方案可以从这些方面中得出。
86.本发明的其他形式将从说明书和附图中显而易见。
87.附图的简要说明
88.仅通过示例并结合附图从以下书面描述中将更好地理解本发明的实施方案并且对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的，其中：
89.图1是示例性实施方案的示意图，其中通过工艺气流的逆流来降低颗粒的终端速度，可以延长大颗粒在直接分离反应器中的停留时间。通过使用具有低结合倾向的足够大的颗粒，可以减少cao引发的颗粒-颗粒结合的任何不良影响。
90.图2是优选煅烧小颗粒的示例性实施方案的示意图，其中cao引发的颗粒-颗粒结合通过使用颗粒和工艺气体的并流而受到限制，其中气体-颗粒分离通过分离器发生在反应器底部。
91.图3是优选煅烧小颗粒的示例性实施方案的示意图，其中cao引发的颗粒-颗粒结合受到使用具有中心管的直接分离反应器设计的限制，其中反应发生在颗粒和气体沿环带的低湍流并流中，工艺气体通过中心管排出，其中气体-颗粒分离通过气流方向的反转发生在反应器底部。
92.图4是用于优选煅烧小颗粒的示例性实施方案的示意图，其中cao引发的颗粒-颗粒结合比图1-3中描述的设计进一步减少，其中在注入反应器之前进行部分预煅烧，控制团聚和烧结。
93.图5中粉末以多个深度注入反应器区域，以减轻团聚的影响。
94.图6是示意性实施方案，其中，对图1-5中任何一种直接分离反应器配置排出的粉末被搅拌以产生所需尺寸的团聚体球，其中颗粒的抗压强度足够强以用于特定的应用程序。
95.图7是示例性实施方案的示意图，其中来自第一反应器段的部分煅烧的粉末被注入第二反应器段，其中气流被注入第二反应器段。
96.图8是用于水泥熟料生产的具体应用的示例性实施方案的示意图，其中从直接分离反应器中排出的粉末经过几个步骤处理，通过对粉末进行闪热，通过直接加热下落的粉末以提供可开始的熟料反应的足够能量来生产水泥熟料。并且在反应器底部被加热的物质落入移动床中，在移动床中进行放热熟化反应并且进一步加热床使得熟料在该床中快速形成。描述了该一般过程的其他工业应用。
97.图9是图1示例性实施方案中用于石灰石处理的逆流直接分离反应器的示例性实施方案，其中炉热由无焰再生燃烧过程提供；燃料是由生物质产生的合成气；从烟气中提取co2；来自产品固体和工艺气流的热量用于使用逆流热交换器预热粉末输入。本实施方案的目的是说明该系统可以提供具有完整过程和燃烧co2捕获的高热效率，从而提供总体碳负排放产品。
98.图10是直接分离反应器模块的示例性实施方案的示意图，其中图1-10中任一个的反应器被安置在单个炉中，其中管的辐射和对流耦合通过在炉内使用耐火元件来控制，大部分产品并且使用图10中所述的辅助设备对每根管进行大部分产品预热和冷却。
99.图11是直接分离反应器模块的示例性实施方案的示意图，其中图1-11中任一个的反应器被安置在单个炉中，其中管的辐射和对流耦合通过在炉内使用耐火元件来控制，材料的预热和后处理是使用模块规模系统进行的，需要将预热粉末和经煅烧的粉末从这种模块规模系统分配到管中。
100.发明详述
101.现在将参照附图和非限制性实施例描述本发明的优选实施方案。
102.关于与cao团聚物的减少相关的第一方面，已经基于以下考虑的气体-颗粒流体动力学知识开发这些原理。在下面描述的所有实施方案中，颗粒克服重力沿直接分离反应器流下。
103.为了抑制团聚物的形成，优选的方法是增加固定质量流量的平均粒径。其基本原理是颗粒的数量密度大大降低，因此颗粒与颗粒的碰撞率降低，另外，颗粒与颗粒碰撞的动量足够大，碰撞过程中产生的cao烧结颈不够牢固而破裂，因此碰撞的颗粒会反弹而不是粘附在一起。直接分离反应器的现有技术通常认为颗粒是20μm的数量级，并且通常小于100μm。本文公开的发明的一个目的是将粒度增加到约250μm。存在三个因素会降低如此大的颗粒所能达到的煅烧程度。首先，颗粒的停留时间减少，因为颗粒的质量越大，终端速度越快；其次，由于平均表面积减小，热壁上颗粒对辐射的吸附减小；第三，对于许多孔隙率低的材料，对于较大的颗粒，反应前沿从颗粒表面移动到颗粒中心所需的时间更长。一种解决方案是简单地增加反应器的长度，从而增加停留时间。然而，在许多情况下，这种解决方案并不实用。另一种解决方案是提高反应器的壁温，使传热速率更快。然而，在许多情况下，由于钢的强度损失和腐蚀机制的加速，反应器管的钢无法承受更高的温度。新型钢材可能会减轻
这种影响。
104.另一种解决方案如图1所示，其中可以通过使用逆流配置来减少停留时间，在逆流配置中，通过气体颗粒与反应产生的上升气体的摩擦来降低颗粒终端速度。在图1中，描述了具有逆流的直接分离器反应器，其中其中粉末进料101被注入反应器系统，通过旋转阀102进入注入管103进入反应器管104。羽流中下落的粉末105被从反应区107升起的热上升工艺气流106通过逆流的气体-颗粒热传递加热至反应温度。通过包括分离板108和切向气体喷射管109的系统将冷却的气体与任何夹带的粉末分离以提供冷却的工艺气流110。该气流中的任何粉末都被旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。反应器中加热的粉末111逆着上升的气体缓慢下落并进入反应区107，在反应区107中被反应器壁的辐射加热，在炉112内产生热量，该热量在加热钢壁113的炉内产生，并且热量流向反应器中的气体和颗粒以引发所需的反应。加热区的长度足以使反应完成至所需程度。下落的经热煅烧的粉末收集在反应器锥体114中并形成热煅烧粉末床115，其通过排气阀116从反应器中抽出，排气阀116可以是瓣阀系统以提供经煅烧的粉末流117。这种配置的一个优点是下落的颗粒和上升的热气体之间的热传递是为了加热颗粒，因此该过程不依靠外部热交换器来实现高热效率。值得注意的是，在许多情况下，这种方法可能并不有效，因为原则上，这种质量和尺寸的颗粒很容易从反应器中喷射出来。然而，众所周知，大颗粒的滑流在下落的颗粒后面显示出强烈的气体涡流，因此颗粒倾向于形成簇，从而使气体颗粒之间的摩擦最小化，因此团簇逆着上升的气体沿管道向下流动。此外，将任何夹带的颗粒重新注入反应器中，使积聚在反应器中的颗粒的质量增长到一定程度，使颗粒具有足够的质量密度，从而组织成簇以突破向上流动的气体。在高质量流速下，颗粒的聚集足以使簇的动量通过簇之间颗粒的快速交换导致更层流的流动状态，从而可以抑制大规模湍流，其额外优点是结垢的增长可能会受到颗粒流向壁面的动量的抑制，从而使气体与颗粒的摩擦最小化。此外，值得注意的是，如果没有颗粒被注入反应器的加热区，则不会产生工艺气体。因此，总会形成一种条件，在这种条件下，颗粒必须顺着反应器向下流动。图1配置的一个影响是通过反应器的质量流可能发生脉动，并且任何这样的影响都可以通过反应器和旋风/过滤器设置来控制。图1配置的另一个优点是进入反应器底部的颗粒流不受气流的影响，并且由于反应器床中的较大颗粒不会像小颗粒一样发生明显的团聚，因此颗粒从反应器的输送和运输不受抑制。已经发现，在底部少量注入优选热蒸汽或空气可用于控制任何此类团聚。在使用标准流程的压缩过程中，气体中的蒸汽或空气被冷凝或除。优选这些气体小于工艺气流的10％，最优选小于5％。这种热气体还可以调节粉末的停留时间，如果气体优选为蒸汽或空气，分压的降低可以通过降低煅烧反应的平衡压力来增加煅烧程度。此外，在煅烧碳酸盐的情况下，反应器底部的co2置换可以减少反应器底部床中的残留颗粒团聚，以促进流化并减少如鼠洞(rat-holing)等影响。
105.图1配置的另一个优点是较大颗粒之间的颗粒-颗粒键合强度较低，因此限制热传递的管表面结垢比小颗粒观察到的要少。实验表明，管的垂直表面对于小颗粒和大颗粒都是自清洁的，涂层表面的部分在高温下脱落表明颗粒间键的强度足够弱，无法支撑厚涂层，因此结垢厚度通常小于1mm。结果发现，随着颗粒通量的增加，由内钢壁和暴露的涂层表面之间的温降所测量的涂层厚度减小，这可以从固体的高动量产生的剪切力的增加中预期出来，从而使涂层脱落。这是下面公开的所有配置的特征。然而，厚度取决于本文所述的实施
方案，并且了解到团聚的抑制与较低的涂层厚度相关。
106.值得注意的是，图1的配置通常可应用于大颗粒几乎没有团聚倾向的材料的煅烧。较长的停留时间和由于在逆流中聚集而导致的粉末损失较低通常是一个好处。在过程是高温处理相变的应用中，在底部注入气体可以增加停留时间，并且可以选择该气体作为催化相变的气体。示例是将α-锂辉石加工成β-锂辉石以提取锂，催化剂是蒸汽。
107.在许多情况下，不可能增加粉末输入的粒度，因此不可能采用图1所示实施方案的方法。已经观察到，当将小颗粒注入直接分离反应器时，当通过煅烧形成cao时可能会受到多种影响。这些影响包括热钢反应器表面的结垢增加，从而阻碍壁的辐射热传递到反应器主体，反应器底部收集的粉末流动阻力增加，以及在反应器中形成的大团聚体的形成，大团聚体足够快地通过反应器落下，从而降低了煅烧程度。如上所述，所有这些影响都可以归因于煅烧过程中产生的石灰的粘性。可能会形成尺寸高达几毫米的大石灰颗粒，在这种情况下，该过程称为“级联团聚(cascading agglomeration)”，因为这种尺寸的大团聚物是通过团聚物的团聚形成的。在其他条件下，团聚物的尺寸较小，例如约100-150pm。虽然可以发现这样的条件并且这样的团聚物的煅烧可以达到所需程度的煅烧，但是难以控制从有限团聚物开始的级联团聚，并且这对于质量控制是不希望的。
108.减少团聚的原则是尽量将气体颗粒流动在所有长度尺度上的湍流最小化，因为高湍流使颗粒和颗粒壁碰撞频率最大化，并且抑制湍流限制了团聚物的形成。图2和图3的实施方案提供了可以通过最小化湍流来控制团聚的示例。图2描述了在反应器底部排出工艺气流的并流系统，图3描述了通过中心管排出工艺气流的系统，其中气流在反应器顶部排出。
109.在图2中，描述了具有并流的直接分离器反应器，其中粉末进料201通过旋转阀202注入到注入管203进入反应器管204中。在羽流中，下落粉末205通过来自加热气体和颗粒的钢制反应器壁206的辐射被加热至反应温度，其中热量在加热钢壁的外部炉207内产生。所述加热的粉末208落在反应器的更深处，进入反应区209，在该反应区吸收来自所述壁的辐射热并引发所需的反应。随着反应的进行，热工艺气体210借助并流使颗粒加速通过反应器。加热区的长度足以使反应完成至所需程度。经煅烧的粉末211和热工艺气体212从反应器底部排出。这些气体和颗粒流由反应器锥体213、气体喷射管214和作为惯性分离器的粉末床215分离，该惯性分离器迫使热工艺气体蒸汽216从反应器中喷射出来，并将粉末沉积在粉末床中。热粉流217由排气阀218从反应器中排出，排气阀218可以是瓣阀系统。气流中的任何粉末都由旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。
110.在图3中，描述了具有并流的直接分离器反应器，其中粉末进料301通过旋转阀302注入进入反应器管304的注入管303中。在羽流中，下落粉末305通过有缺口的帽306进入反应环带，该反应环带由悬挂的中心管307(其悬浮物未指定)形成。下落的粉末308通过来自被炉310加热的钢壁309的辐射被加热到环带中的反应温度。所述加热的粉末311落在反应器的更深处，进入反应区312，在反应区312吸收来自壁的辐射热并引发所需的反应。随着反应的进行，热工艺气体313借助并流使颗粒加速通过反应器。加热区的长度足以使反应在环带内完成至所需程度。气体和颗粒流被反应器锥体314和粉末床315分开，粉末床315迫使热工艺气体蒸汽316进入中心管307，通过气体喷射管317从反应器中喷射出来，粉末沉积在煅烧粉末床中。热粉末流317通过排气阀319从反应器中排出，该排气阀可以是瓣阀系统。气流
317中的任何粉末都由旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。
111.图1和图3之间的本质区别在于，在图3中有物理屏障将气流和粉末流分开。值得注意的是，在图1中，粉末倾向于在靠近反应器外壁的地方向下流动，因为根据基本原理可知，该区域的气体颗粒摩擦力最小。
112.图3中中心管的一个相对优势是上升气流的速度可能很高，因此反应器顶部用于分离细粉的旋风的尺寸小于惯性分离器；颗粒在顶部重新注入反应器，而反应器底部的大型惯性分离器效率低，需要旋风/过滤器来分离细粉。另一个优点是中心管可以吸收来自热外管的辐射，并且该管可以将能量重新辐射到气体-颗粒流，因此可以优化净传热率。另一个优点是，从反应器顶部排出的热co2流可用于部分预热输入的粉末流，例如旋风。关于集成优化，这方面将在下面单独考虑。中心管的另一个优点是，通过在环带中的管尾部附近添加旋流元件和在内管入口附近的叶片添加旋流元件，这两种元件都对反应器底部锥体上方的气体产生附加流型，从而提高了中心管下方区域颗粒和气体的分离效率。然而，在没有这些选择的情况下，底部的气体颗粒分离是足够有效的。值得注意的是，图3的中心管可能是穿孔的，或由悬挂段构成，并且在该管内，叶片可用于使气体打旋，以便任何夹带的粉末可通过直列式喷射器进入环带。图3的实施方案可能是优选的，因为它提供了这样的选项。对于减轻团聚及其相关影响，还有其他选项。上面考虑了颗粒反应表面的烧结。一个这样的表面是颗粒的外表面，反应前沿最初在该表面形成，使得该表面在煅烧开始时开始烧结，所以颗粒结合的倾向从那一点开始减少。在许多直接分离反应器配置中，颗粒在注入这些反应器之前进行预热。图4显示了示例性实施方案，其中预热过程可用于通过部分煅烧和烧结表面在一定程度上钝化外部颗粒表面。
113.本领域技术人员应当理解，可以通过降低co2的分压来降低开始煅烧的温度，并且可以使用低co2气流来管理粉末的预热，这样的表面煅烧在预热器中以受控的程度开始。在图4中，描述了预热/煅烧/烧结系统的预热段。如下所述，温度低于煅烧温度的粉末进料401通过旋转阀402注入注入管403，注入管403将颗粒输送到耐火材料衬里的热交换反应器管404中，以形成羽流的形式注入下落粉末405。热蒸汽/空气流406具有足够高的温度，如下所述，以预热粉末，将固体煅烧到有限程度，并烧结，将煅烧过的颗粒与切向气体一起注入系统底部喷射器管407并作为涡流气流408向上流动。当上升的气体和粉末流在逆流中移动时，它们之间存在热量交换，系统注入条件的设计旨在减少大规模的湍流，这可以优化颗粒和气体之间的热量传递。上升的气流通过分离板409和切向气体喷射管410的系统排放到气体排放口411。冷却气流411中的任何粉末都由旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。下落的加热粉末412在锥体414中形成床413。热粉末排出气体415使用排气阀416从系统中排出，排气阀416可以是瓣阀系统。输入温度和质量流量使得cao材料的煅烧程度优选小于10％，最优选小于5％，并且粉末在床中的停留时间使粉末在粉末流415中的烧结使得表面层的粘性使得颗粒在注入煅烧炉时具有降低的团聚趋势。
114.通过将预热的粉末转移到一部分热co2气体中，可以加速表面上的cao的烧结，从而可以加速上述催化烧结，从而通过粉末在进料斗中的保持时间使粉末钝化到一定程度。另一种选择是可将少量蒸汽注入预热的预煅烧颗粒床中以钝化粉末。不受理论的限制，cao在蒸汽中的烧结速度要快于co2，并且可以通过将材料的温度保持在约580
°
8以上来抑制蒸汽反应形成ca(oh)2。在大多数情况下，粉末的预热受可用能量限制在720℃左右，因此可以
满足这个条件。该实施方案的第二个特征是在反应器下方的多个点处将预热的粉末注入反应器。这种方法的目的是降低反应器中较高点的颗粒密度，从而降低这些点的团聚率。这种实施方案如图5所示，其中描述了类似于图1的具有逆流的直接分离器反应器，其中粉末进料501通过旋转阀502注入到注射器管系统503中，进入到反应器管504中。与具有一根管的图1相比，该实施方案中的反应器管系统包括三根同心管。这些管具有不同的长度，使得粉末以不同的高度释放到反应器中。从每根这样的管中下落的粉末505被从反应区507上升的热上升工艺气流506通过逆流的气体-颗粒热传递加热至反应温度。通过包括分离板系统508和切向气体喷射管509的系统将冷却的气体与任何夹带的粉末分离以提供冷却的工艺气流510。该气流中的任何粉末都被旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。来自反应器中每根管的加热的粉末蒸汽511积聚并逆着上升的气体缓慢下降并进入反应区507，在那里它被来自反应器壁的辐射加热，在加热钢壁513的炉512内产生热量，热量流向反应器中的气体和颗粒，以引发所需的反应。加热区的长度足以使反应完成至所需程度。下落的经热煅烧的粉末收集在反应器锥体514中并形成热煅烧粉末床515，其通过排气阀516从反应器中抽出，排气阀516可以是瓣阀系统，以提供经煅烧的粉末流517。
115.值得注意的是，通过烧结实现的对团聚的抑制程度可能是有限的，因为co2或h2o结合到表面并促进cao在足够高的温度下快速表面迁移。这一特性可用于直接分离反应器生产低排放石灰的新材料制造和应用。值得注意的是，石灰石颗粒或石灰目前广泛用于高温热解冶金过程中作为结渣剂，以去除二氧化硅和其他杂质。这些过程中常使用磨碎的石灰石，但石灰石煅烧成cao的吸热负荷很高，因此通常使用石灰。在这些过程中，不使用细石灰粉，因为石灰颗粒在这种高温过程中被气流夹带，并且优选使用毫米大小的石灰颗粒。直接分离反应器生产低排放石灰的能力令人感兴趣，但如上所述，粒度有限。然而，根据实验观察，从这些反应器中产生的新鲜石灰可以很容易地球化成颗粒，可以对其进行热处理以产生具有用于此类过程所需强度的颗粒。图6的示例实施方案显示了这样的过程如何产生这样的颗粒。图6是造粒系统，其中将粉末601和含co2的气体602注入加热的转鼓603，该转鼓由加热元件604加热，在足够高的温度下产生颗粒605，而cao不会重新碳化。这些颗粒的一个特性是它们本身是多孔的。因此，第二个应用是使用这种颗粒在固定床中捕获sox和co2等气体，并且由于在颗粒内部cao的反应性高于使用高排放石灰的传统工艺所制成的石灰，因此这些颗粒的性能得到了增强。又如，cao材料颗粒强度大、多孔、透水，可用于吸收h2o、so
x
、co2、o2、h2s等气体和金属蒸汽而不裂解。在另一个实施方案中，cao的高表面反应性可用于生产粉末混合物的颗粒。例如，颗粒可以由含硅酸盐的矿物组成，例如用于生产钢的铁矿石，或用于生产氧化铝的高岭土，其中颗粒中的cao可以在后续工艺中使用，在适当的条件下通过结渣工艺形成硅酸钙。对于金属镁，含cao的材料可以是白云石，与还原剂如硅铁混合，当加热时形成镁蒸气和钙-铁硅酸盐渣。在所有这些情况下，颗粒提供了紧密接触，其中cao的迁移促进了结渣的形成。
116.上述现有技术承认直接分离反应器可以被分割成不同的区域。一个示例是后处理部分，其中处理来自直接分离反应器的粉末以完成反应过程。应当理解，完成煅烧反应的停留时间可能很长，因为随着反应接近完成，反应速率减慢。对于不同的产品和应用，可能需要非常高的煅烧程度。图7描述了可用于在分离反应器中实现煅烧目标的实施方案，其中第一反应器段类似于延长反应器长度的第一反应器段。在图7中，描述了通用的两段直接分离
反应器，其中第一反应器段与图1相似，第二反应器段低于第一反应器段，通过下面描述的许多不同设计来完成煅烧反应，两段由气体块隔开。气体块通过具有高质量的粉末流来操作，该粉末流由于气体-颗粒摩擦实质上抑制了气体从第二段流向第一段。通过旋转阀702将粉末料701注入到注射管703中，进入反应器管704。在羽流中下落的粉末705被从第一反应区段707上升的热上升工艺气流706通过逆流动的气体-颗粒传热加热到反应温度。通过包括分离板708和切向气体喷射管709的系统将冷却的气体与任何夹带的粉末分离，以提供冷却的工艺气流710。气流中的任何粉末都由旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。在反应器中被加热的粉末711对着上升的气体缓慢下降，并进入反应区，在那里它被来自反应器壁的辐射加热，其中热量在加热钢壁713的炉712内产生，并且热量流向反应器中的气体和颗粒以引发所需的反应。加热区长度足以使反应完成到中间期望的程度，煅烧的中间粉末714落入锥形筒715，在锥形筒715中进行粉末浓缩，并流入气体块716落入第二反应器段717。将具有取决于材料和本实施方案的操作模式的组合物的气流718注入该反应器段，在该反应器段中，其与所述粉末相互作用并作为气流719从所述反应器段排出。气体块的效率由两个反应器段之间的气压降决定。如果应用需要，反应器段壁的温度可由外部加热的炉膛或冷却段720控制。所需的反应在此段完成，以产生煅烧的动力721，该动力721被收集在反应器锥体722中，并形成热煅烧的粉末床723，该床通过排气阀724从反应器中取出，排气阀724可以是挡板阀系统，以产生煅烧的粉末流725。
117.在生产cao的情况下，反应不完全，部分煅烧的粉末714的温度将略高于约895℃。在图7的实施方案的一个使用中，第一段中的co2分压为约为103kpa，并且通过注入空气或蒸汽718降低至约10kpa，使得当粉末转移到第二段时重新开始反应。煅烧可以通过消耗粉末中的热量，或通过根据需要从炉720施加额外的热量来完成。同样的考虑也适用于mgo的生产。如果使用蒸汽，则温度必须保持在相关水合温度以上。
118.在图7的系统实施方案的另一个实施方案中，第二段用于烧结中间材料714。在具体的实施方案中，中间体是由mgco3煅烧产生的mgo作为进料701，并且气体718是用于催化mgo以获得工业应用所需的mgo表面积的蒸汽。在没有蒸汽的情况下，比表面积可以大于约250-350m2/g，在有蒸汽的情况下可以降低到小于约10m2/g。
119.在图7的系统实施方案的另一个实施方案中，气体718可以是空气或氧气与可燃材料的混合物，可燃材料通常是通过无焰燃烧反应以产生用于反应的热量的气体，例如合成气。这种操作方式是由粉末进料714的高温促进的，优选高于可燃材料的自燃温度。
120.值得注意的是，通过将空气和燃料注入单段反应器的底部，可以将第二段直接集成到反应器的第一级，在这种情况下，由于分压降引起的煅烧反应导致反应器中的气体上升，工艺气体的浓度分布增加，由气体的相互扩散缓和。
121.在图7的另一个示例性实施方案中，注入第二段的气体718具有与第一段中产生的煅烧中间粉末714反应的组分。在该方法中，优选操作第一段以实现足够高的煅烧程度，使得第二段中气体和粉末之间的反应可产生所需的煅烧产物725。此外，炉/冷却器720的操作模式被设置为建立所需的反应条件，例如为吸热反应提供热量或为放热反应移除热量。一个具体的实施方案是这样的情况，其中煅烧的中间体714是来自石灰石前体701的cao，注入的气体718是蒸汽，炉/冷却系统720以冷却模式操作使得产物725是熟石灰，ca(oh)2。在720中回收的热量可用于整个工艺流程以减少整个工艺所需的能量需求。同样的考虑适用于从
mgo生产mg(0h)2。
122.用于生产电池和催化剂材料的一般实施方案是其中所需反应是由前体710产生的中间体718的还原或氧化过程，并且通过使用适当的还原或氧化气体718并设置温度以引发所需产物725的所需反应来完成。
123.本领域技术人员应当理解，图7的多段的示例性实施方案所描述的原理可以应用于任何煅烧反应，或一对反应，或烧结反应，其中气体具有适合于所需的过程的成分。
124.波特兰水泥的生产过程分为几个阶段。用于直接分离反应器的现有技术描述了一种方法，其中过程的初始阶段，即水泥生料的煅烧在直接分离反应器中进行，并且该阶段的性能可以通过本公开中描述的发明来改进。第二阶段在回转窑中进行，其中将煅烧后的粗粉注入窑中，并通过火焰加热至约1450℃，在此形成贝利特和阿利特作为主要胶结材料的熟化反应被激活。值得注意的是，水泥厂的热效率通常约为60％或更低，因为回转窑的热损失很高，并且没有充分利用熟化反应的放热能量。图8的实施方案是针对该过程的改进。该实施方案描述了如何使用燃烧气体和空气/氧气的注入来提高通过均质燃烧反应从直接分离反应器排出的粉末的温度。本技术图8的实施方案描述了耐火衬里区段内的过程，其中上升的反应空气和燃料的逆流用于将粉末加热到约1260℃或更高的温度。在图8中，描述了一个特定的两段直接分离反应器，用于从预热的水泥粉生产熟料，其中采用一种方法在直接分离反应器段中形成熟料。在这种方法中，可以选择使用瓣阀来分离气体蒸汽。在约720℃下，使用旋转阀802将预热的水泥粉801注入到注入管803中，以进入反应器管804。羽流中的下落预热粉末805被从第一反应区段807上升的热上升co2工艺气流806通过逆流的气体-颗粒热传递加热至反应温度。通过包括分离板808和切向气体喷射管809的系统将冷却的气体与任何夹带的粉末分离，以在与801大约相同的温度下提供冷却的工艺气流810。该气流中的任何粉末都被旋风/过滤系统(未示出)提取并重新注入反应器。反应器中加热的粉末811逆着上升的气体缓慢下落并进入反应区，在那里它被来自反应器壁的辐射加热，其中热量在加热钢壁813的炉812内产生，并且热量流向反应器中的气体和颗粒以引发所需的反应。加热区域的长度足以使反应完成到所需的中间程度，煅烧的水泥粉814落入锥形筒815，在锥形筒815中粉末被浓缩，并由挡板阀816送入第二反应器段817。燃料流818和氧气/空气流819被注入到该反应器段中，在该段中它经历无焰燃烧并加热粉末820。反应器壁821为耐火管。燃烧过程将粉末822加热到约1260℃的温度，这标志着形成贝利特的熟化反应开始。热颗粒落入立式窑段823，在缓慢移动的床中，颗粒与颗粒的接触允许这些放热的熟料反应进行，释放的热量将温度驱动到约1450℃或更高，当床的停留时间约30分钟或更短时，在那里形成了阿利特。放热在该段完成以产生熟料颗粒。排气阀824将热熟料颗粒825从立式窑排出，在立式窑中使用传统的光栅冷却器(未示出)对其进行空气冷却。图8描述了一个节能的过程，因为放热反应加热了原料，而不像传统的窑炉过程具有高的热损失，本领域技术人员将会对此表示赞赏。
125.工业过程的高能效是重要因素。关于反应器，给定程度的煅烧的热能效率不受使用直接分离反应器而受到影响。任何热损失都与通过反应器的炉和燃烧器部分周围的耐火表层的热损失有关。在该实施方案中，本发明延伸到对燃烧器-炉构造的考虑。热传递的重要因素是温度和对流热交换钢制反应器壁和炉的耐火材料，从而优化通过钢壁的辐射传热。通常，这通过使用高气体速度和气体涡流的已知技术来优化。直接分离反应器可以通过
使用单独的燃烧器箱并将热烟气以提供这些所需特性的方式通过管道输送到围绕反应器管的炉中来操作，并且热烟气废气可用于预热空气以用于燃烧。然而，高温气体的管道和分布是不理想的。在图9中，用于处理石灰石的示例实施方案说明了不同的方法。所选燃料是来自生物质的合成气，并且使用燃烧后co2捕获系统来说明当co2流被隔离时的碳负产物(未示出)。一般而言，希望将燃烧器、炉和空气回收过程紧密结合，以减少所需的空气量。如图9实施方案所示，可以应用可再生式无焰系统阵列来减少烟气体积流量。在这样的系统中，燃烧器和炉是一体的，由于没有火焰，气体的温度是均匀的，混合气体的速度很高。再生式无焰燃烧器的热效率非常高，并且没有火焰最大限度地减少了nox的产生。使用这种系统的分布允许控制沿管的温度，这允许优化管中的煅烧过程。在图9的实施方案中，描述了使用直接分离反应器的系统，其处理石灰石进料901，研磨至约125μm，然后处理成石灰902。反应器系统具有三个部分——第一粉末预热器段903、第二粉末预热器段904、直接分离反应器段905和粉末冷却器段906。在第一粉末预热器段中，将石灰石过程热co2流907注入第一粉末预热器段903的逆流热交换耐火衬里管的底部，环境温度下的石灰石粉末901注入其中以提供冷却co2气流910和形成床的部分加热的石灰石911。来自床的部分加热的石灰石911被注入第二粉末预热器段904的热交换耐火衬里管的顶部，该第二粉末预热段904被来自下面描述的粉末冷却器段906的热气流912加热，并且预热的石灰石913形成床。如果需要，该气流的温度可以通过管道加热器(未示出)升高，因为预热石灰石的温度在石灰石煅烧开始时或接近开始时约为930℃。冷却的空气流914被排出，但可用于(未示出)向燃烧后co2捕获系统915提供低品位热量以用于下述烟气。将预热的石灰石913注入直接分离反应器段905，这里显示为图1的逆流系统，以提供经过处理的co2的纯流907，其在约预热的石灰石的温度下喷射，以及热石灰粉916。直接分离反应器通过燃烧由生物质918和气化炉920中的空气919形成的热合成气流917来加热。在气化炉中，合成气和灰分921被分离。气化过程中形成的焦油可以重新注入热合成气蒸汽中。直接分离反应器段903的钢管922由多个再生式火焰燃烧系统对热合成气的燃烧进行加热，其中再生式火焰燃烧系统922注入空气923，该空气923被热交换器924中燃烧室的热排气烟气预热，从而使烟气蒸汽925被冷却，从而实现热效率高的燃烧过程。来自该气流的co2被注入燃烧后co2捕获系统915，其中co
2 926被提取并与直接分离气体蒸汽910混合以产生用于压缩和液化(未示出)的co2蒸汽927。
126.来自化石燃料燃烧气体的co2排放对煅烧产品的co2排放强度有重要贡献。对于石灰和水泥，以及煤等典型的固体化石燃料，其燃烧排放量约占总排放量的35％。减少燃烧排放的一种方法是使用生物燃料，并与直接分离反应器结合使用。生物燃料通常是固体燃料，称为生物质，可以使用已知技术将其气化成合成气，并且可以用于图9的配置中。综合气化过程是使用已知技术在蒸汽/空气中加热生物质以释放可燃挥发物并分离和燃烧灰烬，包括飞灰及其残余碳以提供热量用于间接加热过程中的挥发。热挥发物在使用预热空气的无焰燃烧器。在这个过程中，气体可以包括合成气以及焦油前体，因为它们被燃烧。也就是说，不需要昂贵的去除焦油前体的过程，因为气体保持在焦油冷凝过程之上，因此燃料不仅被预热，而且具有更高的燃烧lhv。从气流中去除飞灰是为了最大限度地减少在炉钢壁上形成的二氧化硅玻璃状沉积物。图9中的燃烧后捕获过程可以使用胺类、碳酸氢盐或水滑石。
127.上述实施方案以及由图1-9的示例的实施方案与基于单管的反应器相关联。通过扩大反应器直径来扩大工艺规模受到颗粒和工艺气体从热壁吸收热量的限制，质量流量受
到壁传热能力和颗粒与工艺气体的接触的限制，这影响了颗粒在反应器管中的停留时间。一般情况下，通过直径约2m的反应器的质量流量在5-10吨/小时的范围内。反应器的高度取决于过程的动力学和壁的传热速率，通常为10-30米。由此可见，该工艺的规模扩大是为了增加管的数量。然而，有一些与反应器管阵列设计相关的创新，在此进行描述。图10是扩大系统的示例实施方案，其中管(在实施方案中显示为四个)被组装到炉中，其中管子之间的耐火材料的量被最小化，以便任何管都可以在对相邻管的影响最小的情况下关闭。非操作管的温度足够低以至于该管不存在变形的风险，并且可以调整操作管的设定点以保持产品的煅烧程度和其他过程变量。该条件可以在模块中实现，使得任何管都可以运行，并且每根管中的工艺流可以随着管之间可承受的已知热耦合而变化。在图10的实施方案中，耐火材料可以由提供集成到模块的输入燃气和烟气分配系统的堆叠铸块构成，并且示出无焰燃烧器。铸造块的设计是为了尽量减少耐火材料的质量，以及建造和更换的成本。在这个实施方案中，每根管都有自己的预热和后处理系统，以最大限度地减少热气体和粉末的传输。图10的实施方案是集成到耐火材料103中的四个直接分离反应器1、2、3、4的反应器模块102的示意图。该系统基于这样的概念，即输送冷粉末和冷气体蒸汽是一项已知技术，通过这些工艺流程的最低温度可以降低成本和挑战。该实施方案显示了环境粉末104的输入、气态燃料源115和环境空气116。直接分离反应器基于图1的实施方案和图9的燃烧器。因此，输入粉末由冷粉末输送机107从料斗104输送到每个反应器，通过单独的管线到达相应的第一阶段预热器phi-1、2、3、4，这些预热器冷却来自每个直接分离器反应器段ds-1,2,3,4的过程的co2,并被引导到中央co2清理/净化压缩机系统109。来自反应器燃烧器的烟气110，在与进入的空气流回收之后，被引导至燃烧后捕获设备111以产生燃烧co2流112，其然后被压缩，和烟气。在生产水泥粉的情况下，来自每个反应器的热粉末流可以通过下面图11的实施方案中描述的空气滑道传送到回转窑。
128.图10中所述的多个模块可用于进一步按比例扩大。这种方法的优点是可以更换任何可能变得无法运行的管子，而其他管子可以继续运行，而且可以调试这些管子并且可以在预热、煅烧和冷却的每个阶段优化其运行以提供符合规格的煅烧产品。
129.可以将用于预热和后处理粉末和气体蒸汽的辅助设备按比例扩大成单个模块。虽然这种方法需要分配热气体和粉末，但有许多方法可用于实现这种缩放的好处。这样的系统如图11所示，其中由四个管组成的模块具有单个预热器堆，以便使用1:4l阀分配系统将预热后的粉末均匀分布到管中，该系统具有允许任意数量的管被喂入的控制；经煅烧的粉末流收集使用具有类似的控制的4:1加热空气滑块系统，热的co2流被合并成单一的co2蒸汽，用于后处理和压缩。众所周知，这种热回收系统可以通过在水泥厂中使用悬浮式旋风来扩大规模。在本实施方案中，所述合并的co2流中的热量用于预热旋风堆第一级中的粉末。对于水泥的生产，热风滑道将把热的煅烧粉输送到单个回转窑(未示出)。图11的实施方案是使用集成到耐火材料113中的四个直接分离反应器1、2、3、4中的反应器模块111的系统的示意图。该系统基于这样的概念，即输送热粉末和热气体蒸汽是一项已知的技术，这些元件的较高成本和挑战通过使用大型预热器和冷却器来抵消，而不是如图10所示，每个反应器需要一个单独的系统。该实施方案显示了预热粉末114的输入、气态燃料源115和环境空气116。直接分离反应器基于图1的实施方案和图9的燃烧室。在热粉末的情况下，通过使用l阀流化床117由热空气流化118的方法控制流入每根管的流量，并且每根输送管中的热量损失
通过耐火管最小化。输送系统每根管的预热粉末，如果气动，是陡峭的倾斜，以避免跳跃。每个反应器ds1、ds2、ds3、ds4产生热工艺co2流，该流聚合成热co2流119，和热烟气流120，通过耐火涂层管道(未示出)输送到用于粉末的中央预热器。煅烧的粉末流call、cal2、cal3和cal4从每一根管被输送的管道系统，并且一个示例中，输送是由耐火封闭的、倾斜的热风滑道121实现。聚合的经热煅烧的材料122通常注入粉末冷却系统(未示出)，或者在水泥生产的情况下，注入回转窑系统。
130.尽管本发明已参考特定实施方案进行了描述，但本领域技术人员将理解，本发明可以以许多其他形式体现，以符合本文所述的本发明的广泛原理和精神。
131.本发明和所描述的优选实施方案具体包括至少一个工业应用上的特征。

技术特征：
1.煅烧粉末材料的系统，包括多个立式反应器管，其中下落的粉末通过来自反应器管的外部加热壁的辐射在加热区及其附近被加热，其中粉末的煅烧过程可以是释放气体或引起相变的反应；其中下落的粉末颗粒在其通过反应管期间的平均速度为1.0m/s或更小；每根管的粉末材料流量优选在0.5-1kg m-2
s-1
范围内，并且其中加热区的长度在10-35m范围内。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末材料包括在加热时释放气体的化合物或矿物，其中所述气体是选自以下组中的至少一种：二氧化碳、蒸汽、例如氯化氢的酸性气体、以及例如氨的碱性气体。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述矿物是石灰石或白云石。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述化合物包括二氧化硅和粘土，使得所述粉末材料是用于制造硅酸盐水泥的生水泥粉。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末材料的颗粒体积分布被限制为90％小于250μm的直径和10％大于0.1μm的直径。6.根据权利要求1所述的系统，其中释放的气体在管中逆着煅烧粉末的流动向上流动，并且其中所述气体在系统的顶部排出。7.根据权利要求1所述的系统，其中释放的气体和引入所述系统的任何气体随着煅烧粉末的流动在所述反应器管中向下流动，并且其中所述气体在所述系统的底部排出。8.根据权利要求1所述的系统，其中每根管内都设有内管，并且所述粉末材料在反应环带中随释放的气体向下流动；并且其中，在所述反应器的底部，气流反向向上流过所述内管，所述释放的气体和引入系统的任何气体在系统的顶部排出。9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中夹带在排出气体中的粉末材料被分离并重新注入所述系统中。10.根据权利要求6-9中任一项所述的系统，其中在注入系统之前，注入的粉末在气体-粉末预热器系统中被预热。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述气体-粉末预热器系统是一根或多根耐火加热管，在所述一根或多根耐火加热管中粉末材料通过热的上升气体下落，并被上升气体加热，其中所述粉末通过预热器管期间的平均速度为0.5m/s或更小。12.根据权利要求6-9所述的系统，其中从所述系统的底部排出的粉末在气体-粉末冷却系统中被冷却。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述气体-粉末冷却系统是一个或多个耐火冷却管，在所述耐火冷却管中热的粉末材料通过冷却的上升气体下落，其中粉末在其通过冷却管期间的平均速度为0.5m/s或更小。14.根据权利要求1所述的系统，其中用于外部加热所述管的壁的外部加热系统是集成的燃烧器和炉系统，其能够控制所述系统的加热区下方的温度分布。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述外部加热系统是无焰燃烧系统，其能够控制所述系统的加热区下方的温度分布。16.根据权利要求14或15所述的系统，其中用于所述外部加热系统的燃料是选自以下组中的至少一种气体：天然气、合成气、城镇燃气、发生炉煤气和氢气；其中所述燃烧气体是由外部加热系统的烟气加热得到的空气、氧气或其混合物。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，其中使用再生式燃烧后co2捕获系统提取烟气中的co2，所述再生式燃烧后co2捕获系统选自以下组中的至少一种：胺吸附剂系统、碳酸氢盐吸附剂系统和钙循环系统。18.根据权利要求1所述的系统，其中所述外部加热系统是电动炉，其中电力由所述系统所属的生产装置中的热气流产生，或从电网中提取，并且被配置为能够控制系统加热区的温度分布。19.根据权利要求1所述的系统，其中所述外部加热系统为权利要求14、15或18中任意一种外加热系统的组合，可以应用于每根管的不同段或不同的管，并且操作所述系统可以使用此类外部加热系统的可变组合，同时保持煅烧材料的连续生产。20.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末材料在多个深度被注入到所述反应器管中。21.根据权利要求1所述的系统，其中每根管被分成串联安装的多个段，其中在每个段中释放或引入的气体使用段之间的气体块从该段中抽出。22.根据权利要求21所述的系统，其中在较高段煅烧过程中释放的气体的分压可以在较低段中降低，使反应通过分压下降进一步进行，从而在较低的分压下达到新的平衡，包括降低所述较低段的壁温，以便将存储在来自较高段的部分煅烧的粉末中的任何热能用于煅烧。23.根据权利要求21所述的系统，其中每个段的壁温在每个段中从上段开始依次升高，使得从每个段释放的气体可以是所需纯度的特定气体，并且可以将其他气体添到每个段以促进反应步骤的催化和/或反应步骤期间材料的烧结。24.根据权利要求23所述的系统，其中所述系统从菱镁矿制备用于耐火砖的烧结mgo。25.根据权利要求23所述的系统，其中所述系统从石灰石或菱镁矿生产ca(oh)2或mg(oh)2。26.根据权利要求23所述的系统，其中所述系统控制电池前体的氧化态。27.根据权利要求1所述的系统，其中每根管被分成多个段，其中每个段中释放或引入的气体使用段之间的气体块从该段中抽出，并且将热气流引入段中以提高该段中气体和颗粒的热能，以增加外部加热提供的热能。28.根据权利要求27所述的系统，其中所述气流包含可燃燃料和用于燃烧的氧气或空气以在该段中引发燃烧，从而提高所述段中的气体和颗粒的热能，从而增加由所述段或其他段内的外部加热提供的热能。29.根据权利要求27所述的系统，其中燃烧引起的温度升高足以引发颗粒-颗粒或颗粒内反应，典型的是焙烧或熟化反应，这些反应随后发生在所述段底部形成的粉末床中，其中从放热反应释放的能量可以维持或提高粉末床的温度，使得引发的反应在粉末床中的停留时间内充分完成。30.根据权利要求10所述的系统，其中所述气体-粉末预热器系统的预热温度为650-800℃，煅烧时释放的气体分压在15kpa以下，使得粉体物料部分煅烧，然后烧结，使得颗粒的表面能充分降低，使得颗粒随后结合和团聚的倾向降低。31.根据权利要求1所述的系统，其中所述材料是石灰石，其中将经煅烧的材料或经煅烧的材料与其他矿物的混合物引入后处理系统以生产所述材料的颗粒，其中所述颗粒通过
搅拌粉末形成，其中气体环境含有二氧化碳，其中造粒机系统的温度为650-800℃，石灰与co2的再结合被抑制。32.根据权利要求1所述的系统，其中材料首先在使用钢制反应器壁的第一段中被煅烧，以向所述系统提供热量，并且使用第一段和较低段之间的气体块将每个段中释放或引入的气体从该段中抽出，以便可以将不同气体的第二气流注入第二段，并控制通过第二段中的反应器壁的传热，从而使来自第一段的经煅烧的粉末与所述气体反应以产生新的材料化合物。33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述粉末材料为石灰石、caco3或白云石caco3.mgco3，其中所述第一段的煅烧产物为石灰cao或煅烧白云石cao.mgo，排出气体为co2，注入第二段的气体是蒸汽h2o，通过壁的散热控制温度，使熟石灰从第二段排出，并且选择系统中管的直径，使停留时间允许传热和反应动力学以最小的段长平衡。34.根据权利要求33所述的系统，其中所述熟石灰或煅烧白云石产品与环境空气中的co2具有高反应性，以重整caco3或mgco3，并且其中将所述产品重新引入系统以在循环系统中去除环境空气中的co2，其中当所述产品与可再生燃料一起使用并与燃烧co2捕获一起使用时，所述系统产生碳负排放产品。35.根据权利要求1所述的系统，其中振动反应器管以去除黏附在所述系统壁上的固体材料的堆积。36.根据权利要求1所述的系统，其中从外部加热系统到每根管的热量由耐火壁隔开，使得设备可以通过使用耐火材料和能量分配以有效的方式与任何数量的管一起运行，包括气体和辐射，其控制任何管暴露于辐射和热对流传递，以便将温度分布控制在与金属管的热应力和系统的能量消耗相关的理想范围内。37.根据权利要求36所述的系统，其中预热器段和/或冷却段需要将预热材料从中央预热器分配到每根管，这通过以下组中的至少一个来实现：l阀，l阀组件，旨在向每根管提供受控的粉末分配，经热煅烧的材料从每根管到中央冷却系统的聚合器系统，以及中央后续处理系统，例如窑炉，其中团聚是通过气滑道系统完成的，其中经热煅烧的粉末的流动受到控制，以提供连续的材料流。

技术总结
煅烧粉末材料的系统，包括多个立式反应器管，其中下落的粉末通过来自反应器管的外部加热壁的辐射在加热区及其附近被加热，其中粉末的煅烧过程可以是释放气体或引起相变的反应；其中下落的粉末颗粒在其通过反应管期间的平均速度为1.0m/s或更小；每根管的粉末材料流量优选在0.5-1kg m-2


技术研发人员：马克
受保护的技术使用者：CALIX有限公司
技术研发日：2021.10.11
技术公布日：2023/8/31