一种CO2富集石灰竖窑多级冷却方法及装置与流程

本发明涉及一种冷却方法及装置，具体涉及一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法及装置，属于石灰煅烧。

背景技术：

1、活性石灰是一种重要的工业原料，在钢铁行业、电石工业和氧化铝等行业中用途广泛，需求量巨大。

2、尾端co2浓度过低极大地限制了碳捕集技术在石灰窑设备上的规模化应用。

3、针对上述问题，业内技术人员提出一种碳素前端富集技术，即通过降低或者消除烟气中其他气体成分来获得高浓度co2烟气，从而大幅降低尾端碳捕集成本，实现石灰生产的近零排放。该方法主要的技术特征在于采用循环烟气替代冷却风对高温石灰进行冷却，同时采用纯氧+循环烟气煅烧以获得高浓度co2烟气。但是直接采用高浓度co2烟气对高温氧化钙进行冷却，容易导致氧化钙与co2发生逆向反应，重新生成碳酸钙，降低石灰产品质量与产量。

4、cao+co2→caco3

5、现有专利技术专利，通常采用间接冷却的方式来避免冷却气体与高温物料发生反应，但是间接冷却存在三个主要弊端：第一，间接冷却需要大量冷却管道在物料中穿梭分布，很容易造成物料堆积，形成搭桥效应，阻碍物料下移，破坏生产的连续性；第二，间接冷却容易造成局部受热不均，即靠近冷却管道的物料更快冷却，而离冷却管道越远的物料冷却速率越慢，容易导致出口物料局部温度过高，或者为了使所有出口物料温度满足要求而消耗更多的冷却资源；第三，冷却管道在炉膛内承受高温物料的机械摩擦与热应力，很容易发生开裂，弯曲变形等磨损，需经常更换，导致生产被迫中断，生产效率降低，维护成本高。

技术实现思路

1、针对现有技术中氧化钙易与co2发生逆向反应，降低氧化钙产量与质量的问题，间接冷却易导致物料堆积、受热不均、管道易开裂等问题，本发明提出一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法及装置，向燃烧冷却膛的底部通入一次冷却风，并通过迭代法推算仅有一次冷却风的条件下逆反应区间的位置，再向逆反应区间内通入不含有co2的二次冷却风，避免逆向反应的发生，增强逆反应区间的冷却强度，减小高温cao在逆反应区间的停留时间，达到抑制逆反应的目的，在保证石灰生产效率的情况下对石灰充分冷却。

2、根据本发明的第一种实施方案，提供一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法。

3、一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法，该方法包括以下步骤：

4、1)石灰竖窑为双膛石灰竖窑，包括并列设置的燃烧膛和蓄热膛，以及分别设置在燃烧膛和蓄热膛底部的燃烧冷却膛和蓄热冷却膛，并且燃烧冷却膛和蓄热冷却膛的顶部侧壁之间通过连接通道相连通；在燃烧冷却膛底部开设有一次冷却风入口和石灰排料口，在蓄热膛顶部开设有一次冷却风出口；在燃烧冷却膛内，根据热量守恒原理，将一次冷却风从一次冷却风入口进入，并自下而上地对自上而下流通的石灰进行换热冷却，并使得从石灰排料口排出的石灰温度满足排出要求；换热后的一次冷却风经由连接通道进入蓄热冷却膛，并从蓄热膛顶部的一次冷却风出口排出。

5、2)根据石灰的逆反应温度区间以及其在燃烧冷却膛内的气固换热机制，通过迭代法推算仅有一次冷却风的条件下燃烧冷却膛内石灰的逆反应区间位置。

6、3)根据步骤2)推算得到的逆反应区间的位置，直接向逆反应区间内通入二次冷却风，同时实时监测燃烧冷却膛内的温度变化，根据燃烧冷却膛内的温度变化以及co2浓度调节二次冷却风的通入。

7、优选的是，步骤2)所述的石灰的逆反应区间的温度为700～850℃(优选为720～840℃)。

8、优选，所述逆反应区间的上方为高温区，其温度大于850℃(优选为大于840℃)；所述逆反应区间的下方为低温区，低温区的温度小于700℃(优选为小于720℃)。

9、优选的是，步骤1)所述的一次冷却风的流量为：检测高温石灰的初始温度为ts,in，℃，石灰的冷却目标温度ts,out，℃；一次冷却风入口温度tg,in，℃；燃烧冷却膛高度h，m；燃烧冷却膛顶部的一次风温度tg,out，℃；高温石灰流量qms，kg/s；高温石灰的比热容cp,s，j/(kg.℃)；一次冷却风的比热容cp,g，j/(kg.℃)；气固换热系数hconv，w/(m2.℃)；则根据热量平衡可知，一次冷却风流量qmg，kg/s为：

10、

11、根据石灰的逆反应温度区间以及其在燃烧冷却膛内的气固换热机制，结合式1，步骤2)所述的推算仅有一次冷却风的条件下燃烧冷却膛内逆反应区间的位置具体为：通过燃烧冷却膛内的热量平衡和气固换热机制可得：

12、

13、

14、式中，i为沿燃烧冷却膛高度方向的第i个微元段，i＝m为燃烧冷却膛高度方向出口处最后一个微元序号；

15、根据(式2)和(式3)，即可得到燃烧冷却膛内逆反应区间的位置。

16、优选的是，步骤1)所述的一次冷却风从一次冷却风入口进入，并自下而上地对自上而下流通的石灰进行换热冷却具体为：一次冷却风在燃烧冷却膛下部对石灰冷却后，穿过逆反应区间进入燃烧冷却膛上部。

17、优选的是，步骤3)所述向逆反应区间通入二次冷却风后，一次冷却风在燃烧冷却膛下部对石灰冷却后，经过燃烧冷却膛外侧的旁通管道绕过逆反应区间，进入燃烧冷却膛上部。

18、优选的是，所述二次冷却风的初始通入量为一次冷却风量的15～20％，优选为16～18％。

19、优选的是，步骤3)所述的根据燃烧冷却膛内的co2浓度调节二次冷却风的通入具体为：二次冷却风通入10min后，实时监测燃烧冷却膛内部的co2浓度，当逆反应区间内的co2浓度大于等于10％(优选为大于等于8％)时，增加二次冷却风的通入量；当逆反应区间内的co2浓度小于10％(优选为小于8％)时，维持当前二次冷却风的通入量。

20、优选的是，步骤3)所述的根据燃烧冷却膛内的温度变化调节二次冷却风的通入具体为：二次冷却风通入后，实时监测燃烧冷却膛内部的温度，当逆反应区间内的温度上升且变化大于等于5℃/min(优选为大于等于3℃/min)时，增加二次冷却风的通入量；当逆反应区间内的温度下降且变化大于5℃/min(优选为小于3℃/min)时，减小当前二次冷却风的通入量；当逆反应区间内的温度变化小于5℃/min(优选为小于3℃/min)时，维持当前二次冷却风的通入量；

21、优选的是，该方法还包括：4)根据燃烧冷却膛底部排出的石灰温度，实时调整一次冷却风的流量；

22、优选的是，所述步骤4)具体为：当石灰出口的固体温度ts,m>ts,out时，控制一次冷却风流量qj+1mg＝qjmg+qjmg*0.01；当石灰出口的固体温度ts,m<ts,out时，控制一次冷却风流量qj+1mg＝qjmg-qjmg*0.01，并循环该步骤。

23、根据本发明的第二种实施方案，提供一种co2富集石灰竖窑多级冷却装置。

24、一种co2富集石灰竖窑多级冷却装置，所述石灰竖窑包括燃烧膛和蓄热膛。其中，燃烧膛底部为燃烧冷却膛，蓄热膛底部为蓄热冷却膛，燃烧冷却膛和蓄热冷却膛的顶部侧壁之间通过连接通道相连通。所述燃烧冷却膛按温度高低，从上至下被分为高温区、逆反应区间和低温区。低温区底部开设有一次冷却风入口和石灰排料口。

25、优选的是，所述低温区的侧壁上部开设有一次冷却风出口，高温区的侧壁下部开设有一次冷却风入口，一次冷却风出口和一次冷却风入口之间通过旁通管路相连接。

26、优选的是，该装置还包括空气冷却管道和支撑管。所述空气冷却管道设置在逆反应区间内，管身上设有空气喷口。支撑管的一端连接空气冷却管道，另一端固定设置在燃烧膛底部并与空气源相连接。

27、优选，所述支撑管为可伸缩结构。优选，所述空气冷却管道为环形。

28、优选，所述逆反应区间内设有1～5根空气冷却管道。

29、作为优选，1～5根空气冷却管道设置逆反应区间中的同一平面内，且同心设置。

30、在本发明中，向石灰竖窑的燃烧冷却膛中通入一次冷却风，一次冷却风在燃烧冷却膛中对石灰进行冷却后，从燃烧冷却膛的顶部侧壁的连接通道进入蓄热冷却膛中，最后从蓄热膛顶部的一次冷却风出口排出。根据燃烧冷却膛内的热量平衡，以及气固换热机制，可以计算出仅有一次冷却风条件下燃烧膛内各处的温度，进而得出仅有一次冷却风的条件下，燃烧冷却膛内石灰的逆反应区间位置，并根据该计算结果，在一次冷却风存在的条件下，向逆反应区间通入二次冷却风，并控制二次冷却风的通入，使得逆反应区间的温度和/或co2浓度符合设定值。通过向燃烧冷却膛内通入一次冷却风和二次冷却风，加强对逆反应区间内石灰的冷却，从而降低逆反应区间的温度。另外，通过控制逆反应区间内co2的浓度，可以减少逆反应的发生，从而达到不影响石灰生产效率，同时对石灰充分冷却并富集co2的目的。

31、在本发明中，可以将燃烧冷却膛划分为3个区域，分别为温度大于840℃(优选为大于850℃)的高温区、温度低于720℃(优选为700℃)的低温区以及其余的逆反应区间，便于后续二次冷却风通入的控制。

32、在本发明中，首先计算步骤1)中所述的一次冷却风的流量：根据检测高温石灰的初始温度为ts,in，℃，石灰的冷却目标温度ts,out，℃；一次冷却风入口温度tg,in，℃；燃烧冷却膛高度h，m；燃烧冷却膛顶部的一次风温度tg,out，℃；高温石灰流量qms，kg/s；高温石灰的比热容cp,s，j/(kg.℃)；一次冷却风的比热容cp,g，j/(kg.℃)；气固换热系数hconv，w/(m2.℃)，根据热量平衡计算得到一次冷却风入口流量qmg，kg/s：

33、

34、则步骤2)所述的通过迭代法推算仅有一次冷却风的条件下燃烧冷却膛内石灰的逆反应区间位置为：石灰冷却腔微元段内气固热交换面积da，可得如下热量交换公式：

35、δqg＝dtgqmgcp,g……(式4)

36、δqs＝dtsqmscp,s……(式5)

37、δqc＝hconvda(ts-tg)……(式6)

38、令

39、ts-tg＝δt……(式7)

40、

41、则(式2)、(式3)、(式4)可进一步转换为：

42、

43、对(式7)两边积分，积分范围为一次冷却风入口到燃烧膛任一位置x，可得：

44、

45、δtx＝δt0exp(μhconax)……(式11)

46、根据(式9)以及(式2)、(式3)、气固两相出入口温度、高温石灰流量，可以得到气相与固相沿石灰冷却腔高度方向的温度分布，计算公式为：

47、δqc,i＝hconiaiδti……(式12)

48、则有：

49、

50、

51、在本发明中，向燃烧冷却膛内通入二次冷却风后，一次冷却风绕过逆反应区间，进入高温区。当一次冷却风绕过逆反应区间进入高温区时，由于向逆反应区间内通入不含co2的气态冷却介质作为二次冷却风，稀释了逆反应区间中的co2，防止在720～840℃内，一次冷却风中的co2与石灰发生逆向反应，在完成石灰冷却的同时，有效抑制了石灰向碳酸钙的逆向转化。在逆反应区间的外侧壁设置旁通管道，将一次冷却风引入旁通管道中，同时由于二次冷却风的通入，逆反应区间内不会存在负压，减少一次冷却风进入逆反应区间，同时，即使少量一次冷却风进入逆反应区间，由于co2浓度较低，也不会与cao发生逆反应。

52、在本发明中，根据燃烧膛内的温度数据，监测得到逆反应区间的高度，为进一步减少co2与石灰的逆向反应，控制二次冷却风的通入量，通过增加风量，加快逆反应区间石灰的冷却速度，使得逆反应区间的下部逐渐变为低温区，进而降低逆反应区间的高度，同时由于一次冷却风绕过逆反应区间直接运动至高温区，一次冷却风的温度较低，可以有效降低逆反应区间上部的温度，从而进一步降低逆反应区间的高度。优选地，还可以监测逆反应区间中co2的浓度，控制逆反应区间内的co2浓度在10％(优选为8％)以下，也能减少逆向反应的发生。

53、在本发明中，可以通过实时监测燃烧冷却膛底部石灰排料口的石灰温度，调节一次冷却风的流量，使得石灰排料口的石灰达到冷却目标温度。

54、在本发明中，在低温区的侧壁上部开设一次冷却风出口，高温区的侧壁下部开设一次冷却风入口，并将一次冷却风出口与一次冷却风入口通过旁通管路连接。由于旁通管路中没有物料经过，形成低阻力区域，一次冷却风经过低温区上部时，会通过旁通管路直接进入高温区，从而避免与逆反应区间的石灰接触。

55、在本发明中，在逆反应区间内设置空气冷却管道，管身上设置喷口，通过空气冷却管道底部的支撑管和空气冷却管道向逆反应区间内输入二次冷却风。优选地，为了实现二次冷却风输入位置的调整，支撑管为可伸缩结构，实现对二次冷却风输入位置的准确定位。

56、在本发明中，将空气冷却管道设置为环形，对逆反应区间内的石灰均匀降温，避免出现温度分布不均的情况。优选地，在逆反应区间内的同一平面内设置的多根同心环形管道，进一步提高冷却的均匀度。

57、在本发明中，也可以通过热电偶检测，得到燃烧冷却膛内石灰的逆反应区间位置，并将一次冷却风从旁通管路引出，再通入二次冷却风，避免逆反应的发生。

58、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

59、1、本发明提供的一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法，将低温区内的一次冷却风直接引入高温区，避免co2与石灰在逆反应区间内发生逆反应，抑制了co2向碳酸钙的转化，保证石灰产率，同时向逆反应区间内通入二次冷却风，通过多级冷却的方式实现石灰高效冷却的目的。

60、2、本发明提供的一种co2富集石灰竖窑多级冷却方法，根据石灰和一次冷却风的各项数据，计算得到燃烧冷却膛内各处温度的计算通式，向燃烧膛内通入二次冷却风后，监测燃烧冷却膛内的温度数据，调整二次冷却风的通入位置和通入量，实现了石灰冷却过程的精准控制，达到良好的冷却效果。

61、3、本发明提供的一种co2富集石灰竖窑多级冷却装置，采用旁通管路、空气冷却管道和支撑管，实现一次冷却风直接进入高温区和二次冷却风的精准控制，装置结构简单，对石灰竖窑的适应性好，可操作性强，具有较高的实用性。