CN118184182A - 一种富碳石灰窑生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富碳石灰窑生产系统，包括窑体和窑腔；窑腔包括自上而下依次串联的煅烧室、碳冷室、水冷室以及氧冷室；在碳冷室的下部设有二氧化碳喷入机构；在水冷室的下部设有水蒸汽喷入机构；在氧冷室的下部设有氧气喷入机构。通过将传统石灰窑冷却段单独采用空气或二氧化碳的单一冷却结构替换为多介质多级冷却结构，在实现CO₂富集的同时，还可保障并提高对石灰的冷却效果，并保证了石灰产品的质量；可大幅降低后续石灰窑烟气中二氧化碳的捕集回收难度。具有结构简单，易操作、调节灵活、投入成本低等优点，实现了碳富集效果好和石灰产品品质好的有效兼容。

Description

一种富碳石灰窑生产系统

技术领域

本发明涉及石灰生产，具体涉及一种富碳石灰窑生产系统，属于石灰生产技术领域。

背景技术

石灰是钢铁冶金和建材行业的重要原料，其主要成分是CaO。石灰的生产主要来源于对石灰石的煅烧，由于石灰石的主要成分是CaCO₃，其在高温下会分解生成CaO和CO₂，用于煅烧生产石灰的炉窑就是石灰窑。在石灰生产过程中，CO₂不仅是燃料燃烧的产物，也是石灰石自身分解的产物，因此，与一般的工业窑炉相比，石灰窑烟气中的CO₂浓度更高，可达20~30%。以一台600t/d的气烧石灰窑为例，其CO₂一年的排放量大约为900~1300万标立方，近年来针对石灰窑的CO₂富集和捕集研究正日益兴起。

在众多的石灰窑中，双膛石灰窑由于能耗低、寿命长、产品质量好，是当前石灰窑的主流发展方向。由于双膛石灰窑是由两个对称的竖窑组成，当其中一个膛在煅烧时，另一个竖窑膛就是预热膛，煅烧膛的烟气通过连接通道流入预热膛，对预热膛内的石灰石进行预热，烟气最后从预热膛顶部排出。煅烧膛完成煅烧后，通过阀门对双膛进行换向，上一个生产周期中的预热膛和煅烧膛进行交换。石灰石从炉膛顶部加入，并充满炉膛；燃料和空气从炉膛顶部加入，在煅烧膛煅烧，煅烧温度900~1050℃，在该温度下石灰石发生分解，析出CO₂，煅烧产生的大量烟气从上至下进入烟道。煅烧生成的高温石灰继续在重力的作用下往下移动。通过在炉膛底部通入冷却风进行冷却，冷却风是由鼓风机鼓入的常温空气，与物料逆流并从下而上对物料进行冷却，最后在排气口与烟气汇合，一起进入烟道中。烟气经过除尘等处理后，最后排入大气。

由于传统双膛石灰窑煅烧采用空气作为助燃剂，使得烟气中N₂含量很高，并且烟气的CO₂会被冷却风大量稀释，导致出口烟气中CO₂的浓度较低，难以得到有效捕集回收，只能外排，使得碳排放量较大。此外，虽然有学者提出将除尘、干燥后的石灰贫氧烟气循环回石灰窑，同时通入高纯O₂，控制O₂与循环烟气CO₂的配比为21:79，模拟空气的传热传质条件，这种生产工艺减少了助燃风中N₂的摄入，提高了煅烧烟气中CO₂的浓度，为石灰窑烟气CO₂的富集提供了可能。但是，煅烧石灰的冷却问题仍然没有得到很好的解决。从煅烧段出来石灰温度最高可达1000℃，如果采用传统的空气冷却方式，空气中大量N₂的引入，会大幅稀释烟气CO₂的浓度；如果采用冷却过的循环烟气来冷却石灰，循环烟气中的CO₂在600~750℃条件下会与CaO发生碳酸化反应重新生成CaCO₃，这会造成石灰纯度下降，影响产品品质。

发明内容

针对现有技术中，现有石灰窑生产系统存在尾气CO₂浓度较低而难以得到有效捕集回收利用导致碳排放量较大的问题，本发明提供了一种富碳石灰窑生产系统，通过对现有石灰窑的结构进行改进，将冷却过程优化为自上而下的多介质逐级冷却结构，能够在将石灰冷却至目标温度以下的同时，使得煅烧烟气的中的CO₂浓度得到大幅提升，进而为CO₂的低成本捕集提供了可能，有利于促进低碳排放。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下所述：

一种富碳石灰窑生产系统，该系统包括窑体和窑腔；所述窑腔包括自上而下依次串联的煅烧室、碳冷室、水冷室以及氧冷室；在煅烧室对应的窑体上设有物料入口、燃料入口以及烟气出口以及助燃剂入口；在碳冷室的下部设有二氧化碳喷入机构；在水冷室的下部设有水蒸汽喷入机构；在氧冷室的下部设有物料出口和氧气喷入机构。

作为优选，该系统还包括有烟气处理单元；所述烟气处理单元包括除尘器以及干燥装置；煅烧室的烟气出口通过烟气输送管道依次与除尘器、干燥装置串联接通；干燥装置的排气口通过第一烟气循环管道与煅烧室的助燃剂入口相连通和/或干燥装置的排气口通过第二烟气循环管道与二氧化碳喷入机构的气体入口相连通。

作为优选，该系统还包括有二氧化碳精馏塔；干燥装置的排气口通过富氧富碳烟气输送管道与二氧化碳精馏塔的气体入口相连通；二氧化碳精馏塔的二氧化碳排气口通过二氧化碳输送管道与二氧化碳喷入机构的气体入口相连通；优选，第一烟气循环管道和第二烟气循环管道均为富氧富碳烟气输送管道的旁路管道，并且在第一烟气循环管道、第二烟气循环管道以及富氧富碳烟气输送管道上均独立设置有流量调节控制阀。

作为优选，该系统还包括有氧氮空分塔；二氧化碳精馏塔的废气排气口通过废气输送管道与氧氮空分塔的气体入口相连通；氧氮空分塔的氧气出口通过氧气输送管道与氧气喷入机构的气体入口相连通；氧氮空分塔的氮气出口通过氮气输送管道与氮气收集罐的气体入口相连通。

作为优选，所述二氧化碳喷入机构包括二氧化碳喷气管排、二氧化碳喷头以及二氧化碳进气管；所述二氧化碳喷气管排呈水平设置在碳冷室内腔的下部，并且在二氧化碳喷气管排上均匀设置有多个二氧化碳喷头；二氧化碳喷气管排的进气口通过二氧化碳进气管与外部气源相连接，在二氧化碳进气管上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在碳冷室内腔的下部自上而下设置有多层二氧化碳喷气管排，每层二氧化碳喷气管排上均均匀设置有多个二氧化碳喷头；多层二氧化碳喷气管排的进气口分别通过独立的二氧化碳进气管与外部气源相连接。

作为优选，所述水蒸汽喷入机构包括水蒸汽喷汽管排、水蒸汽喷头以及水蒸汽进汽管；所述水蒸汽喷汽管排呈水平设置在水冷室内腔的下部，并且在水蒸汽喷汽管排上均匀设置有多个水蒸汽喷头；水蒸汽喷汽管排的进汽口通过水蒸汽进汽管与外部汽源相连接，在水蒸汽进汽管上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在水冷室内腔的下部自上而下设置有多层水蒸汽喷汽管排，每层水蒸汽喷汽管排上均均匀设置有多个水蒸汽喷头；多层水蒸汽喷汽管排的进汽口分别通过独立的水蒸汽进汽管与外部汽源相连接。

作为优选，所述氧气喷入机构包括氧气喷气管排、氧气喷头以及氧气进气管；所述氧气喷气管排呈水平设置在氧冷室内腔的下部，并且在氧气喷气管排上均匀设置有多个氧气喷头；氧气喷气管排的进气口通过氧气进气管与外部气源相连接，在氧气进气管上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在氧冷室内腔的下部自上而下设置有多层氧气喷气管排，每层氧气喷气管排上均均匀设置有多个氧气喷头；多层氧气喷气管排的进气口分别通过独立的氧气进气管与外部气源相连接。

需要说明的是，在本发明中，氧气喷入机构也可以是均匀环绕设置在氧冷室底部四周的多个氧气进气管。

作为优选，所述二氧化碳喷头、水蒸汽喷头以及氧气喷头结构相同，均包括竖直喷管和锥形管头，在竖直喷管的管壁上均匀开设有多个喷气孔，锥形管头设置在竖直喷管的顶端；其中：二氧化碳喷头的竖直喷管的底端进气口与二氧化碳喷气管排相连通；水蒸汽喷头的竖直喷管的底端进气口与水蒸汽喷汽管排相连通；氧气喷头的竖直喷管的底端进气口与氧气喷气管排相连通。

作为优选，在氧冷室的外部还设置有水冷壁，在水冷壁的下部设置有冷水入口，在水冷壁的上部设置有蒸汽出口；优选，水冷壁的蒸汽出口通过蒸汽输送管道与水蒸汽喷入机构的汽体入口相连通；优选，所述水冷壁为自下而上环绕在氧冷室外部的螺旋水冷壁。

作为优选，在煅烧室、碳冷室、水冷室以及氧冷室中均独立设置有温度检测计；优选，所述温度检测计为热电偶。

在本发明中，所述窑体的高度为1~100m，优选为2~80m，更优选为5~50m。所述窑体壁体的厚度为0.5~80cm，优选为1~50cm，更优选为2~30cm。所述窑腔的为水平截面为圆形或方形的腔室，优选为为圆形的腔室，该圆形腔室的直径为0.5~10m，优选为内1~8m，更优选为2~6m。

在现有技术中，传统双膛石灰窑煅烧采用空气作为助燃剂和冷却介质，使得烟气中N₂含量很高，导致烟气的CO₂被大量稀释，一般出口烟气中CO₂的浓度仅为20%~30%，CO₂捕集成本依旧很高。因此，本发明通过将石灰窑的结构进行改进，主要是将其冷却段由传统的空气或循环烟气的单一冷却结构改进为多介质逐级冷却结构，即根据各冷却介质的性质，在不影响石灰产品品质以及冷却效果的前提下，实现了石灰窑气流的优化，不仅大大降低了进入煅烧烟气中的氮气量，反而增大了煅烧烟气中二氧化碳的浓度，大大降低了烟气中二氧化碳的捕集难度，有利于降低碳排放。

在本发明中，将现有石灰窑的窑腔自上而下划分为依次串联的煅烧室、碳冷室、水冷室以及氧冷室，在每一个冷却段的底部分别布置了相应的冷却介质喷入机构，用于喷入不同的冷却气体。需要说明的是，在实际工程中，对双膛石灰窑的煅烧膛和预热膛均采用相同的冷却机制设计，当在双膛交替循环煅烧和预热的过程中，充当煅烧膛的炉膛上的多气体分级冷却机制启动，而充当预热膛的炉膛上的多气体分级冷却机制不启动。

在本发明中，预热后的石灰石进入煅烧室进行高温煅烧分解，通过向煅烧室内通入燃料和助燃剂进行燃烧获得煅烧所需热量。其中助燃剂为含有氧气的气体（本发明中优选为煅烧烟气经过除尘和干燥处理后得到富氧富碳烟气）。采用富氧富碳烟气作为助燃剂，一方面可以将来自氧冷室的氧气循环回煅烧室进行助燃，无需直接从煅烧室通入空气或氧气，而且来自氧冷室的氧气在向上流通的过程中与石灰换热升温而实现了预热，其与煅烧后的热烟气一起循环进入煅烧室进行助燃，相对于将冷却空气或氧气直接输入煅烧室而言，可大大提高热量的利用效率，此外，将煅烧烟气进行循环，还可以实现二氧化碳的循环富集，可大幅提高煅烧烟气中的二氧化碳浓度，为CO₂的低成本捕集提供了可能。

在本发明中，碳冷室位于煅烧室下方，通过在碳冷室底部布置CO₂喷嘴向碳冷室内部喷入二氧化碳对石灰进行一次冷却。一般地，由于CO₂与CaO逆化反应生成CaCO₃发生在600~750℃，因此通过实施检测碳冷室内石灰的温度（例如在碳冷室内布置热电偶），通过控制CO₂的的喷入量，将生石灰从1000℃左右冷却到750~800℃（优选为750~770℃）。需要说明的是，作为冷却介质的CO₂的来源可以是CO₂精馏塔提纯后的高纯CO₂；也可以是煅烧烟气经过除尘和干燥处理后得到富氧富碳烟气，该烟气主要成分为CO₂和O₂，在碳冷室控制的目标冷却温度条件下，不会与CaO发生反应，同时可以对石灰进行第一次冷却。

在本发明中，水冷室位于碳冷室下方，通过在水冷室底部布置水蒸汽喷口向水冷室内部喷入高温饱和水蒸汽对石灰进行二次冷却。由于H₂O与CaO在一定条件下会发生消化反应：

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

而Ca(OH)₂的分解温度大约为580℃左右，重新生成CaO和H₂O。因此本发明中通过实时检测水冷室内石灰的温度（例如在水冷室内布置热电偶），并通过控制水蒸汽的通入量，将碳冷室过来的生石灰冷却至585~630℃（优选为590~620℃）。该段入口水蒸气为饱和水蒸气，温度400~500℃（优选为410~480℃）。通过精确的温度控制，水蒸气与CaO不发生消化反应的同时实现对石灰的二次冷却。

在本发明中，氧冷室是最低部的冷却段，其位于水冷室的底部，在氧冷室底层布置O₂喷口向氧冷室内部喷入氧气对石灰进行三次冷却。由于O₂在任何温度条件下几乎都不与CaO反应，因此可以用于最底层对石灰的冷却，即使O₂往上流动到水冷室和碳冷室，也不会对石灰产品产生影响。进一步地，为了提高冷却效果，减少O₂的使用量，同时可在氧冷室壁面上布置间接换热的水冷壁（例如螺旋式水冷壁），用于冷却近壁面的石灰，提高冷却效果。液态水从螺旋水冷壁底部进入，在氧冷室螺旋上升变成饱和蒸汽，饱和蒸汽从螺旋管上部出口出来，该部分水蒸气可循环作为水冷室的冷却介质。氧冷室的O₂是来自于空分装置的高纯O₂，与石灰直接接触进行冷却，经过水冷壁的间接冷却和O₂的直接冷却，石灰被冷却至150~200℃（优选160~180℃）。

在本发明中，在本发明中，为了使石灰内外受热均匀，各冷却介质的喷头插入冷却段内部，并均匀分布，具体的分布方式和喷头数量根据实际工况的冷却热负荷进行计算和确定。由于石灰与冷却介质是逆流冷却，石灰在重力的作用下从上往下流动，冷却介质在尾部引风机形成的负压作用下，从下往上流动。如果采用传统的向上直喷的方式，细颗粒的石灰会落入喷管内，造成管道堵塞。因此，在本发明中二氧化碳喷头、水蒸汽喷头以及氧气喷头结构相同，均包括竖直喷管和锥形管头，在竖直喷管的管壁上均匀开设有多个喷气孔，锥形管头设置在竖直喷管的顶端。锥形管头是一个向上突出的尖头，石灰落到尖头上会从尖头的斜面滑落，避免沉积，也减少石灰对喷头的冲击作用。竖直喷管的四周开满喷气小孔，气流从四周喷气孔沿管道径向向外喷入，并在压力的作用下，继续向窑内流动。

在本发明中，冷却介质对石灰的冷却效果一方面可以通过冷却介质的流量调节进行调节，另一方面液可以通过冷却介质的喷吹位置进行调节。相对而言，本发明为了富碳配备了烟气循环工艺，因此风流平衡对系统的稳定的至关重要。如果频繁变动冷却介质的流量，也需要频繁调节系统引风机频率、循环烟气循环倍率，以保证炉膛内压力、气体流量、气氛组成不至于波动太大。而通过调节位置也能在一定程度上实现冷却效果的调节，而不引起窑内气流平衡波动和压力波动，操作起来更简便。

在本发明中，与传统石灰窑相比，本发明的石灰窑在各冷却室内均设置了多层冷却介质喷入喷管结构，通过阀门可以控制冷却介质从石灰窑不同位置喷入，用于调节冷却介质对石灰的冷却效果。例如，在碳冷室和水冷室中，CO₂和水蒸气以及氧气各自的喷气管排分别有上、中、下三层可以调节的位置，可以根据实际情况需要，在石灰窑空间距离的条件设置更多层的喷气管排，使得各冷却室具有更大的调节灵活度。

在本发明中，一般对石灰产品的质量要求为CaO>98%，Ca(OH)₂<0.5%，CaCO₃<1.5，对石灰冷却要求为石灰出口的冷却温度T _out 不高于200℃。因此通过调节冷却介质喷吹位置调节石灰的冷却效果一般为：

（1）当T _out >200℃时，表明冷却强度不足，需要增强冷却效果，则可以把CO₂和水蒸气以及氧气的喷吹位置下移一层，即关闭上、中层喷气（汽）管排的阀门，打开下层喷气（汽）管排的阀门。

（2）当石灰中CaCO₃>1.5%时，表明碳冷室冷却温度过低，导致该段发生了CO₂与CaO的碳酸化逆反应，影响了产品质量，则可以把CO₂的喷吹位置上移一层，即关闭中、下层二氧化碳喷气管排的阀门，打开上层二氧化碳喷气管排的阀门。

（3）当石灰中Ca(OH)₂>0.5%时，表明水冷室冷却温度过低，导致该段发生了H₂O与CaO的消化反应，影响了产品质量，则可以把水蒸气的喷吹位置上移一层，即关闭中、下层水蒸汽喷汽管排阀门，打开上层水蒸汽喷汽管排阀门。

在本发明中，在各冷却室（包括碳冷室、水冷室以及氧冷室）喷入的O₂/H₂O/CO₂完成对石灰的冷却后，在石灰窑自下而上与煅烧段烟气汇合，最后从石灰窑烟道排出。其中，H₂O在干燥单元中会被脱除，防止H₂O在后续的CO₂精馏塔中发生冰冻、堵塞，影响CO₂脱除。CO₂一部分被用于循环烟气，重新返回石灰窑，另一部分进入CO₂精馏塔，生产高纯CO₂产品。O₂一部分随着循环烟气返回石灰窑，作为石灰窑中燃料燃烧的助燃剂，提供燃烧所需要的O₂，另一部进入CO₂精馏塔，由于CO₂的沸点较N₂/O₂更低，CO₂被脱除后，剩余的N₂/O₂进入空分装置，生产高纯N₂和O₂。与现有的烟气循环石灰生产工艺流程相比，本发明石灰窑内煅烧所需要的O₂不再从窑内煅烧段加入，而是从冷却段加入，并随着循环烟气循环回石灰窑。

在本发明中，在整个冷却和循环系统中，物料、风流平衡对生产稳定至关重要，对于生产规模确定的石灰窑，其输入的石灰石原料与燃料量一般是稳定的，如果炉膛内气流不稳定，比如供氧量过高会导致炉膛过热、超温，影响石灰活性；而供氧不足会导致产品分解不彻底、燃料燃烧不彻底。CO₂虽然在窑内基本不发生反应，但是对炉膛的传热也起到非常关键的作用，所以循环送入炉膛的富氧富碳烟气中，其O₂和CO₂的浓度与质量均要准确控制。定义送入石灰窑的O₂与CO₂的浓度比为R，R较佳的取值范围为：21/79<R<32/68，优选为25/75<R<30/70。

在本发明中，若煅烧室产生的烟气从石灰窑排出，经除尘器、干燥单元后其总流量记为为Q，Nm³，其值可由设置在总烟道上的流量计可以测得；被循环回炉膛燃烧区的富氧富碳烟气流量为Q₁，Nm³；则循环倍率为K=Q₁/Q（1），一般地K的取值为0~1，优选为0.4~0.7，循环倍率K由设置在对应的烟气循环通道上的变频引风机控制。

在本发明中，进一步的还可以通过在富氧富碳烟气的循环管道上设置了烟气成分分析仪，其测得富氧富碳烟气中O₂和CO₂的体积含量分别记为φ_o和φ_c；向石灰窑输入的燃料质量和热值分别记为为m_r，kg和q_r，MJ/kg；则实际的循环倍率K为：

K=a*m_r*q_r/(Q*φ_o) （2）

在式（2）中，a为燃料热值与氧气的转换系数，取值为0.03~0.07Nm³/MJ，优选为0.04~0.06Nm³/MJ。一般来说，燃料释放的总热值越高，所需要消耗的氧量就越高。

在本发明中，系统中的O₂是从石灰窑底的氧冷室底部加入的，先用来冷却石灰，然后再通过进入到烟气中形成富氧富碳烟气进而循环回石灰窑的煅烧室用于窑内助燃，一般来说，如果要将石灰按照预定目标从600℃左右冷却到200℃以下所需要的O₂会大幅超过窑内燃烧所需要O₂，所以，循环至煅烧室的富氧富碳烟气中O₂/CO₂通常大于35/65。因此，一般通过循环倍率控制进入窑内煅烧室的氧总量，然后再向富氧富碳中补入高纯CO₂，用于降低入窑的O₂与CO₂之比，使得富氧富碳烟气中的实时R_s值始终处于设定的R值范围内。补入的CO₂一般来源于精馏塔分离的高纯CO₂，其补入记为量Q ₂，m³：则有：

Q₂=K*Q/R*(1-φ_c-R*φ_c) （3）

在式（3）中，φ_c为补气前富氧富碳烟气中二氧化碳的体积含量，%。

进一步地，当R_s＜R时，可向富氧富碳烟气中补入氧气，补入的O₂一般来源于空分装置分离的高纯O₂，氧气的补入量记为Q₃，Nm³；则有：

Q₃=K*Q*(R-φ_o-R*φ_o) （4）

在式（4）中，φ_o为补气前富氧富碳烟气中氧气的体积含量，%。

在本发明中，如前所述，设定的R值的较佳取值范围为21/79<R<32/68（优选为25/75<R<30/70）。一般情况下，对于以煤为燃料的煤烧石灰窑其R的取值为27/73<R<30/70（即取较高的值）；对于以燃气为燃料的气烧石灰窑其R的取值为25/75<R<27/73（即取较低的值）。

在本发明中，在各冷却室通入的的CO₂/H₂O/O₂的流量，一方面根据产品的成分分析判定流量是否合适，另一方面根据窑壁上布置的热电偶确定。由于窑壁热电偶只能测到近窑壁的石灰温度，不能反映中心位置的石灰温度，所以主要是根据产品质量来调整冷却介质的流量。总体控制思路是，如果碳冷室CO₂喷入过量，会使得碳冷室石灰降温超过预定范围，石灰在碳冷室温度会低于750℃，则CO₂与CaO在碳冷室可能会发生碳酸化反应而生成CaCO₃，最终导致产品中CaCO₃含量偏高。如果水冷室水蒸汽喷入过量，会使得水冷室石灰降温超过预定范围，石灰在水冷室温度会低于580℃，则H₂O与CaO在碳冷室可能会发生石灰消化反应而生成Ca(OH)₂导致产品中Ca(OH)₂含量偏高。因此，通过检测最终产品中杂质CaCO₃和Ca(OH)₂的含量，可以判断冷却段的CO₂和H₂O喷入是否过量。因此为了避免CO₂和H₂O喷入过少导致冷却不足，应在产品中杂质含量达标的情况下，尽可能多的喷入冷却介质（具体的调节控制思路参见图2和图3所示）。

在本发明中，通过调节流量调节石灰的冷却效果时具体为：对产品石灰的成分进行检测，如果产品石灰中CaCO₃含量大于1.5%，表明CO₂喷入过多，则可分多次降低CO₂喷入量（单次降低的幅度为该次降低前二氧化碳通入量的1~5%），工况稳定再重新检测产品石灰的成分；如果产品石灰中CaCO₃含量小于1%，表明窑内碳酸化不严重，为了保证冷却效果，则可分多次增大CO₂喷入量（单次增大的幅度为该次增大前二氧化碳通入量的1~5%），工况稳定再重新检测产品石灰的成分；如果产品石灰中CaCO₃含量介于1%到1.5%之间，表明CO₂喷入量正好合适，不进行调整，在一定周期内重复检测石灰成分，以对产品质量保持实时监测。

同理，对产品石灰的成分进行检测，如果产品石灰中Ca(OH)₂含量大于1%，表明H₂O喷入过多，则可分多次降低水蒸汽喷入量（单次降低的幅度为该次降低前水蒸汽通入量的1~5%），工况稳定再重新检测产品石灰的成分；如果产品石灰中Ca(OH)₂含量小于0.5%，表明窑内消化反应不严重，为了保证冷却效果，则可分多次增大水蒸汽喷入量（单次增大的幅度为该次增大前二氧化碳通入量的1~5%），工况稳定再重新检测产品石灰的成分；如果产品石灰中Ca(OH)₂含量介于0.5%到5%之间，表明水蒸汽喷入量正好合适，不进行调整，在一定周期内重复检测石灰成分，以对产品质量保持实时监测。

需要说明的是，调节流量和调节喷吹位置虽然都能调节石灰的冷却效果，但是调节流量对冷却效果的影响更大，适合石灰窑冷态启动到正常生产工况时；采用流量调节方法，找到最合适石灰正常生产的流量工况，这种方法对系统风流平衡影响较大，需要全系统压力、流量调节配合，以保证生产稳定。喷吹位置调节方法调节灵敏度相对小一些，但是对系统风流、压力平衡影响较小，对整体生产影响较小，操作简便，因此适合正常生产时，当出现由于原料、燃料波动导致石灰生产量、温度发生波动时，进行适应性调整。

在本发明中，产品石灰分析中对CaCO₃的含量限值高于Ca(OH)₂是因为CaCO₃是石灰石的主要成分，产品中可能存在一部分未分解的原料，所以CaCO₃的含量会略高于Ca(OH)₂。对产品石灰质量的总体要求最终产物石灰中CaO含量不低于98%，优选为不低于99%即可。

与现有技术相比较，本发明的有益技术效果如下：

1：本发明通过将传统石灰窑冷却段单独采用空气或二氧化碳的单一冷却结构修改为多介质多级冷却结构，在实现CO₂富集的同时，还可保障并提高对石灰的冷却效果，并保证了石灰产品的质量；可大幅降低后续石灰窑烟气中二氧化碳的捕集回收难度。

2：本发明通过在水冷室外部布置螺旋水冷壁，实现对近壁面石灰冷却的同时，余热利用加热水蒸汽，降低了蒸汽的生产成本；同时通过氧冷室的设置改变了传统的从窑顶加入氧气的方式，使得循环烟气中O₂大幅提升，窑内不需要再额外喷氧，即增加了氧气的用途，同时也提高了热量利用效率。

3：本发明还具有结构简单，易操作、调节灵活、投入成本低等优点，实现了碳富集效果好和石灰产品品质好的有效兼容。

附图说明

图1为本发明所述富碳石灰窑生产系统的整体结构示意图。

图2为本发明石灰窑窑腔的剖视平面结构示意图。

图3为本发明各冷却介质喷头的结构示意图。

图4为本发明各冷却介质喷头的在石灰窑截面内的分布示意图。

附图标记：1：煅烧室；101：物料入口；102：燃料入口；103：烟气出口；104：助燃剂入口；2：碳冷室；3：水冷室；4：氧冷室；5：二氧化碳喷入机构；501：二氧化碳喷气管排；502：二氧化碳喷头；503：二氧化碳进气管；6：水蒸汽喷入机构；601：水蒸汽喷汽管排；602：水蒸汽喷头；603：水蒸汽进汽管；7：氧气喷入机构；701：氧气喷气管排；702：氧气喷头；703：氧气进气管；8：烟气处理单元；801：除尘器；802：干燥装置；803：第一烟气循环管道；804：第二烟气循环管道；805：富氧富碳烟气输送管道；9：二氧化碳精馏塔；901：二氧化碳输送管道；902：废气输送管道；10：氧氮空分塔；1001：氧气输送管道；1002：氮气输送管道；1003：氮气收集罐；11：水冷壁；1101：蒸汽输送管道；12：温度检测计。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。

一种富碳石灰窑生产系统，该系统包括窑体和窑腔；所述窑腔包括自上而下依次串联的煅烧室1、碳冷室2、水冷室3以及氧冷室4；在煅烧室1对应的窑体上设有物料入口101、燃料入口102以及烟气出口103以及助燃剂入口104；在碳冷室2的下部设有二氧化碳喷入机构5；在水冷室3的下部设有水蒸汽喷入机构6；在氧冷室4的下部设有物料出口401和氧气喷入机构7。

作为优选，该系统还包括有烟气处理单元8；所述烟气处理单元8包括除尘器801以及干燥装置802；煅烧室1的烟气出口103通过烟气输送管道依次与除尘器801、干燥装置802串联接通；干燥装置802的排气口通过第一烟气循环管道803与煅烧室1的助燃剂入口104相连通和/或干燥装置802的排气口通过第二烟气循环管道804与二氧化碳喷入机构5的气体入口相连通。

作为优选，该系统还包括有二氧化碳精馏塔9；干燥装置802的排气口通过富氧富碳烟气输送管道805与二氧化碳精馏塔9的气体入口相连通；二氧化碳精馏塔9的二氧化碳排气口通过二氧化碳输送管道901与二氧化碳喷入机构5的气体入口相连通；优选，第一烟气循环管道803和第二烟气循环管道804均为富氧富碳烟气输送管道805的旁路管道，并且在第一烟气循环管道803、第二烟气循环管道804以及富氧富碳烟气输送管道805上均独立设置有流量调节控制阀。

作为优选，该系统还包括有氧氮空分塔10；二氧化碳精馏塔9的废气排气口通过废气输送管道902与氧氮空分塔10的气体入口相连通；氧氮空分塔10的氧气出口通过氧气输送管道1001与氧气喷入机构7的气体入口相连通；氧氮空分塔10的氮气出口通过氮气输送管道1002与氮气收集罐1003的气体入口相连通。

作为优选，所述二氧化碳喷入机构5包括二氧化碳喷气管排501、二氧化碳喷头502以及二氧化碳进气管503；所述二氧化碳喷气管排501呈水平设置在碳冷室2内腔的下部，并且在二氧化碳喷气管排501上均匀设置有多个二氧化碳喷头502；二氧化碳喷气管排501的进气口通过二氧化碳进气管503与外部气源相连接，在二氧化碳进气管503上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在碳冷室2内腔的下部自上而下设置有多层二氧化碳喷气管排501，每层二氧化碳喷气管排501上均均匀设置有多个二氧化碳喷头502；多层二氧化碳喷气管排501的进气口分别通过独立的二氧化碳进气管503与外部气源相连接。

作为优选，所述水蒸汽喷入机构6包括水蒸汽喷汽管排601、水蒸汽喷头602以及水蒸汽进汽管603；所述水蒸汽喷汽管排601呈水平设置在水冷室3内腔的下部，并且在水蒸汽喷汽管排601上均匀设置有多个水蒸汽喷头602；水蒸汽喷汽管排601的进汽口通过水蒸汽进汽管603与外部汽源相连接，在水蒸汽进汽管603上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在水冷室3内腔的下部自上而下设置有多层水蒸汽喷汽管排601，每层水蒸汽喷汽管排601上均均匀设置有多个水蒸汽喷头602；多层水蒸汽喷汽管排601的进汽口分别通过独立的水蒸汽进汽管603与外部汽源相连接。

作为优选，所述氧气喷入机构7包括氧气喷气管排701、氧气喷头702以及氧气进气管703；所述氧气喷气管排701呈水平设置在氧冷室4内腔的下部，并且在氧气喷气管排701上均匀设置有多个氧气喷头702；氧气喷气管排701的进气口通过氧气进气管703与外部气源相连接，在氧气进气管703上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在氧冷室4内腔的下部自上而下设置有多层氧气喷气管排701，每层氧气喷气管排701上均均匀设置有多个氧气喷头702；多层氧气喷气管排701的进气口分别通过独立的氧气进气管703与外部气源相连接。

作为优选，所述二氧化碳喷头502、水蒸汽喷头602以及氧气喷头702结构相同，均包括竖直喷管和锥形管头，在竖直喷管的管壁上均匀开设有多个喷气孔，锥形管头设置在竖直喷管的顶端；其中：二氧化碳喷头502的竖直喷管的底端进气口与二氧化碳喷气管排501相连通；水蒸汽喷头602的竖直喷管的底端进气口与水蒸汽喷汽管排601相连通；氧气喷头702的竖直喷管的底端进气口与氧气喷气管排701相连通。

作为优选，在氧冷室4的外部还设置有水冷壁11，在水冷壁11的下部设置有冷水入口，在水冷壁11的上部设置有蒸汽出口；优选，水冷壁11的蒸汽出口通过蒸汽输送管道1101与水蒸汽喷入机构6的汽体入口相连通；优选，所述水冷壁11为自下而上环绕在氧冷室4外部的螺旋水冷壁。

作为优选，在煅烧室1、碳冷室2、水冷室3以及氧冷室4中均独立设置有温度检测计12；优选，所述温度检测计12为热电偶。

实施例1

如图1-4所示，一种富碳石灰窑生产系统，该系统包括窑体和窑腔；所述窑腔包括自上而下依次串联的煅烧室1、碳冷室2、水冷室3以及氧冷室4；在煅烧室1对应的窑体上设有物料入口101、燃料入口102以及烟气出口103以及助燃剂入口104；在碳冷室2的下部设有二氧化碳喷入机构5；在水冷室3的下部设有水蒸汽喷入机构6；在氧冷室4的下部设有物料出口401和氧气喷入机构7。

实施例2

重实施例1，只是该系统还包括有烟气处理单元8；所述烟气处理单元8包括除尘器801以及干燥装置802；煅烧室1的烟气出口103通过烟气输送管道依次与除尘器801、干燥装置802串联接通；干燥装置802的排气口通过第一烟气循环管道803与煅烧室1的助燃剂入口104相连通和/或干燥装置802的排气口通过第二烟气循环管道804与二氧化碳喷入机构5的气体入口相连通。

实施例3

重实施例2，只是该系统还包括有二氧化碳精馏塔9；干燥装置802的排气口通过富氧富碳烟气输送管道805与二氧化碳精馏塔9的气体入口相连通；二氧化碳精馏塔9的二氧化碳排气口通过二氧化碳输送管道901与二氧化碳喷入机构5的气体入口相连通；第一烟气循环管道803和第二烟气循环管道804均为富氧富碳烟气输送管道805的旁路管道，并且在第一烟气循环管道803、第二烟气循环管道804以及富氧富碳烟气输送管道805上均独立设置有流量调节控制阀。

实施例4

重实施例3，只是该系统还包括有氧氮空分塔10；二氧化碳精馏塔9的废气排气口通过废气输送管道902与氧氮空分塔10的气体入口相连通；氧氮空分塔10的氧气出口通过氧气输送管道1001与氧气喷入机构7的气体入口相连通；氧氮空分塔10的氮气出口通过氮气输送管道1002与氮气收集罐1003的气体入口相连通。

实施例5

重实施例4，只是所述二氧化碳喷入机构5包括二氧化碳喷气管排501、二氧化碳喷头502以及二氧化碳进气管503；所述二氧化碳喷气管排501呈水平设置在碳冷室2内腔的下部，并且在二氧化碳喷气管排501上均匀设置有多个二氧化碳喷头502；二氧化碳喷气管排501的进气口通过二氧化碳进气管503与外部气源相连接，在二氧化碳进气管503上设置有流量调节控制阀；

实施例6

重实施例5，只是在碳冷室2内腔的下部自上而下设置有多层二氧化碳喷气管排501，每层二氧化碳喷气管排501上均均匀设置有多个二氧化碳喷头502；多层二氧化碳喷气管排501的进气口分别通过独立的二氧化碳进气管503与外部气源相连接。

实施例7

重实施例6，只是所述水蒸汽喷入机构6包括水蒸汽喷汽管排601、水蒸汽喷头602以及水蒸汽进汽管603；所述水蒸汽喷汽管排601呈水平设置在水冷室3内腔的下部，并且在水蒸汽喷汽管排601上均匀设置有多个水蒸汽喷头602；水蒸汽喷汽管排601的进汽口通过水蒸汽进汽管603与外部汽源相连接，在水蒸汽进汽管603上设置有流量调节控制阀；

实施例8

重实施例7，只是在水冷室3内腔的下部自上而下设置有多层水蒸汽喷汽管排601，每层水蒸汽喷汽管排601上均均匀设置有多个水蒸汽喷头602；多层水蒸汽喷汽管排601的进汽口分别通过独立的水蒸汽进汽管603与外部汽源相连接。

实施例9

重实施例8，只是所述氧气喷入机构7包括氧气喷气管排701、氧气喷头702以及氧气进气管703；所述氧气喷气管排701呈水平设置在氧冷室4内腔的下部，并且在氧气喷气管排701上均匀设置有多个氧气喷头702；氧气喷气管排701的进气口通过氧气进气管703与外部气源相连接，在氧气进气管703上设置有流量调节控制阀；

实施例10

重实施例9，只是在氧冷室4内腔的下部自上而下设置有多层氧气喷气管排701，每层氧气喷气管排701上均均匀设置有多个氧气喷头702；多层氧气喷气管排701的进气口分别通过独立的氧气进气管703与外部气源相连接。

实施例11

重实施例10，只是所述二氧化碳喷头502、水蒸汽喷头602以及氧气喷头702结构相同，均包括竖直喷管和锥形管头，在竖直喷管的管壁上均匀开设有多个喷气孔，锥形管头设置在竖直喷管的顶端；其中：二氧化碳喷头502的竖直喷管的底端进气口与二氧化碳喷气管排501相连通；水蒸汽喷头602的竖直喷管的底端进气口与水蒸汽喷汽管排601相连通；氧气喷头702的竖直喷管的底端进气口与氧气喷气管排701相连通。

实施例12

重实施例11，只是在氧冷室4的外部还设置有水冷壁11，在水冷壁11的下部设置有冷水入口，在水冷壁11的上部设置有蒸汽出口；水冷壁11的蒸汽出口通过蒸汽输送管道1101与水蒸汽喷入机构6的汽体入口相连通；所述水冷壁11为自下而上环绕在氧冷室4外部的螺旋水冷壁。

实施例13

重实施例12，只是在煅烧室1、碳冷室2、水冷室3以及氧冷室4中均独立设置有温度检测计12；所述温度检测计12为热电偶。

测试实验：分别采用传统石灰窑（空气冷却）、现有烟气循环（指的是将干燥后的贫氧烟气循环至煅烧区进行二氧化碳的循环富集）石灰窑（空气冷却、现有烟气循环石灰窑（二氧化碳冷却）、本发明所述富碳石灰窑生产系统（包括冷却介质波动的异常工况）对相同的石灰石进行煅烧生产获得生石灰，各参数效果对比如下表所示：

可以明显看出，与其它几种工况相比，本发明富碳石灰窑（CO₂正常、H₂O正常）同时实现了CO₂的提升和石灰产品质量的保证，同时循环烟气中O₂大幅提升，窑内不需要再额外喷氧，大幅降低了石灰窑烟气的碳捕集成本。

Claims (10)

1.一种富碳石灰窑生产系统，其特征在于：该系统包括窑体和窑腔；所述窑腔包括自上而下依次串联的煅烧室（1）、碳冷室（2）、水冷室（3）以及氧冷室（4）；在煅烧室（1）对应的窑体上设有物料入口（101）、燃料入口（102）以及烟气出口（103）以及助燃剂入口（104）；在碳冷室（2）的下部设有二氧化碳喷入机构（5）；在水冷室（3）的下部设有水蒸汽喷入机构（6）；在氧冷室（4）的下部设有物料出口（401）和氧气喷入机构（7）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统还包括有烟气处理单元（8）；所述烟气处理单元（8）包括除尘器（801）以及干燥装置（802）；煅烧室（1）的烟气出口（103）通过烟气输送管道依次与除尘器（801）、干燥装置（802）串联接通；干燥装置（802）的排气口通过第一烟气循环管道（803）与煅烧室（1）的助燃剂入口（104）相连通和/或干燥装置（802）的排气口通过第二烟气循环管道（804）与二氧化碳喷入机构（5）的气体入口相连通。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：该系统还包括有二氧化碳精馏塔（9）；干燥装置（802）的排气口通过富氧富碳烟气输送管道（805）与二氧化碳精馏塔（9）的气体入口相连通；二氧化碳精馏塔（9）的二氧化碳排气口通过二氧化碳输送管道（901）与二氧化碳喷入机构（5）的气体入口相连通；优选，第一烟气循环管道（803）和第二烟气循环管道（804）均为富氧富碳烟气输送管道（805）的旁路管道，并且在第一烟气循环管道（803）、第二烟气循环管道（804）以及富氧富碳烟气输送管道（805）上均独立设置有流量调节控制阀。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：该系统还包括有氧氮空分塔（10）；二氧化碳精馏塔（9）的废气排气口通过废气输送管道（902）与氧氮空分塔（10）的气体入口相连通；氧氮空分塔（10）的氧气出口通过氧气输送管道（1001）与氧气喷入机构（7）的气体入口相连通；氧氮空分塔（10）的氮气出口通过氮气输送管道（1002）与氮气收集罐（1003）的气体入口相连通。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于：所述二氧化碳喷入机构（5）包括二氧化碳喷气管排（501）、二氧化碳喷头（502）以及二氧化碳进气管（503）；所述二氧化碳喷气管排（501）呈水平设置在碳冷室（2）内腔的下部，并且在二氧化碳喷气管排（501）上均匀设置有多个二氧化碳喷头（502）；二氧化碳喷气管排（501）的进气口通过二氧化碳进气管（503）与外部气源相连接，在二氧化碳进气管（503）上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在碳冷室（2）内腔的下部自上而下设置有多层二氧化碳喷气管排（501），每层二氧化碳喷气管排（501）上均均匀设置有多个二氧化碳喷头（502）；多层二氧化碳喷气管排（501）的进气口分别通过独立的二氧化碳进气管（503）与外部气源相连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于：所述水蒸汽喷入机构（6）包括水蒸汽喷汽管排（601）、水蒸汽喷头（602）以及水蒸汽进汽管（603）；所述水蒸汽喷汽管排（601）呈水平设置在水冷室（3）内腔的下部，并且在水蒸汽喷汽管排（601）上均匀设置有多个水蒸汽喷头（602）；水蒸汽喷汽管排（601）的进汽口通过水蒸汽进汽管（603）与外部汽源相连接，在水蒸汽进汽管（603）上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在水冷室（3）内腔的下部自上而下设置有多层水蒸汽喷汽管排（601），每层水蒸汽喷汽管排（601）上均均匀设置有多个水蒸汽喷头（602）；多层水蒸汽喷汽管排（601）的进汽口分别通过独立的水蒸汽进汽管（603）与外部汽源相连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于：所述氧气喷入机构（7）包括氧气喷气管排（701）、氧气喷头（702）以及氧气进气管（703）；所述氧气喷气管排（701）呈水平设置在氧冷室（4）内腔的下部，并且在氧气喷气管排（701）上均匀设置有多个氧气喷头（702）；氧气喷气管排（701）的进气口通过氧气进气管（703）与外部气源相连接，在氧气进气管（703）上设置有流量调节控制阀；

作为优选，在氧冷室（4）内腔的下部自上而下设置有多层氧气喷气管排（701），每层氧气喷气管排（701）上均均匀设置有多个氧气喷头（702）；多层氧气喷气管排（701）的进气口分别通过独立的氧气进气管（703）与外部气源相连接。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述二氧化碳喷头（502）、水蒸汽喷头（602）以及氧气喷头（702）结构相同，均包括竖直喷管和锥形管头，在竖直喷管的管壁上均匀开设有多个喷气孔，锥形管头设置在竖直喷管的顶端；其中：二氧化碳喷头（502）的竖直喷管的底端进气口与二氧化碳喷气管排（501）相连通；水蒸汽喷头（602）的竖直喷管的底端进气口与水蒸汽喷汽管排（601）相连通；氧气喷头（702）的竖直喷管的底端进气口与氧气喷气管排（701）相连通。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于：在氧冷室（4）的外部还设置有水冷壁（11），在水冷壁（11）的下部设置有冷水入口，在水冷壁（11）的上部设置有蒸汽出口；优选，水冷壁（11）的蒸汽出口通过蒸汽输送管道（1101）与水蒸汽喷入机构（6）的汽体入口相连通；优选，所述水冷壁（11）为自下而上环绕在氧冷室（4）外部的螺旋水冷壁。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的系统，其特征在于：在煅烧室（1）、碳冷室（2）、水冷室（3）以及氧冷室（4）中均独立设置有温度检测计（12）；优选，所述温度检测计（12）为热电偶。