利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用的方法技术

一种利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用的方法。将甲烷和来自于尾气的二氧化碳从石灰窑下部冷却区自下而上通入窑内，甲烷和二氧化碳吸收烧成石灰的显热自身温度逐渐提高并起到对石灰的初步冷却作用，在700℃至1150℃的温度和空间区域内甲烷与二氧化碳发生重整反应，重整反应吸收大量的热，并与气体对流换热叠加，实现高温烧成石灰的进一步快速冷却以提高其活性度。本发明专利技术重整产物为富含一氧化碳、氢气的合成气，可用于化工合成、燃烧发电、铁矿石还原等工序，同时本发明专利技术实现了烧成石灰的快速冷却和显热回收，减少了二氧化碳排放。此方法工艺简单、成本低，在保证石灰窑高效生产和石灰高品质的前提下，具有较好的经济效益和环保效益。

Recovery of sensible heat from burned lime and utilization of tail gas by methane reforming

A method for recovering sensible heat of burned lime and utilizing tail gas by methane reforming is described. When methane and carbon dioxide from tail gas are introduced into the kiln from the bottom to the top of the cooling zone of the lower part of the lime kiln, the apparent heat self-temperature of the lime burned by methane and carbon dioxide absorption increases gradually and plays an initial cooling role on the lime. In the temperature and space area from 700 to 1150 degrees C, methane reacts with carbon dioxide, which absorbs a large amount of heat and convects with the gas. The superposition of heat transfer can realize the further rapid cooling of high-temperature calcined lime to improve its activity. The reforming product of the invention is syngas rich in carbon monoxide and hydrogen, which can be used in chemical synthesis, combustion power generation, iron ore reduction and other processes. At the same time, the invention realizes quick cooling and sensible heat recovery of burned lime, and reduces carbon dioxide emissions. This method is simple in process and low in cost. It has good economic and environmental benefits on the premise of ensuring high efficiency production and high quality of lime in lime kiln.

【技术实现步骤摘要】
利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用的方法
本专利技术主要属于煤炭清洁高效利用和节能环保领域，具体涉及一种利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及二氧化碳资源化利用的方法，用于提高石灰窑的石灰品质、降低石灰煅烧过程能耗和实现尾气中二氧化碳的资源化利用。
技术介绍
石灰是钢铁生产中重要的熔剂和造渣材料之一，我国各大、中型钢铁企业基本上都有石灰的生产设施。到2015年我国石灰产业规模已达2.5亿吨，实际产能为2.3亿吨，预计到2020年，我国石灰产能将稳步增长到2.5亿吨。随着我国钢铁冶炼工艺水平的提升，石灰生产技术水平也相应提高，包括石灰石的选取、开采、运输、加工以及窑炉的选型、改进等。但是仍存在能耗高、排放大、产品质量不均匀等问题。石灰炉窑平均热效率不足40％，且大部分以煤主要燃料，石灰单位标煤达145kg/t，导致污染物排放比较严重。此外，由于石灰焙烧过程矿物原料自身会排放出大量二氧化碳，再加上自身的能耗，石灰工业二氧化碳排放量占全国的2％以上。石灰产业节能减排工作重点包括炉窑结构优化、余热利用(尾气、烧成石灰)、窑气增浓回收利用等几个方面。关于烧成石灰的冷却，专利“石灰窑余热冷却系统CN201120436645.1”公开了一种石灰窑余热冷却系统，主要采用鼓风机强制对流冷却，以提高石灰窑出料区的冷却速度，加快石灰出料，促进石灰生产效率。这是目前石灰生产采用的主流工艺，但是尾气中二氧化碳浓度较低，二氧化碳资源化利用难度大、成本高。关于尾气余热的回收，专利“一种梁式石灰窑余热回收系统CN201610547868.2”、“石灰窑尾气余热利用系统CN201620779912.8”、“基于气烧石灰窑尾气的燃气预热装置CN201220221618.7”等均公开了原理相近的尾气余热回收方法，用于煤气、助燃空气预热，或进行余热发电，使得石灰窑功耗降低，提高经济效益。但是该种余热回收没有考虑余热的品质效益，即高品质显热和低品质显热被混合回收利用，也没有考虑尾气中二氧化碳的资源化利用问题。传统石灰窑尾气中二氧化碳质量分数偏低(约18％～25％)，组分中杂质多，因此，回收利用时，必须首先去除粉尘等杂质，再进行提纯，投资和运行成本较石化化工等行业高。尽管如此，在上世纪90年代中期，韶钢曾先后建设了变压吸附和热钾法吸收2套装置，原上钢五厂也曾建设了石灰窑二氧化碳回收装置。目前宝钢在湛江新建的钢铁分厂，已将石灰窑尾气中二氧化碳的回收列入总体建设规划之中，太钢、鞍钢都已开始了二氧化碳资源回收利用的调研和可行性研究工作。基于套筒石灰窑，为了使尾气浓缩富集，近年来提出了二氧化碳做循环介质的循环焙烧石灰窑(如专利“一种采用循环热风的石灰窑装置CN201810438781.0”、“一种石灰窑烟气再循环系统CN201810221778.3”)，亦可以通过采用纯氧燃烧实现上述二氧化碳富集目的。但是问题在于如何实现烧成高温生石灰的快速冷却。如果采用二氧化碳做冷却气，有可能导致生石灰重新生成碳酸钙；如果采用传统空气冷却，尾气中二氧化碳浓度又被大大稀释。为了保证石灰焙烧新工艺的实施，迫切需要专利技术新的烧成石灰的冷却工艺。
技术实现思路
针对二氧化碳或高二氧化碳浓度烟气做循环介质的循环焙烧石灰窑，本专利技术要解决的技术问题包括：活性石灰的生产除了要保证均匀稳定的焙烧外，还需考虑如何实现高温(约1150℃)烧成生石灰快速冷却至700℃以下以保证其高活性；在实现冷却基础上，如何实现石灰显热的高效回收利用；在实现石灰冷却基础上，如何获得高二氧化碳浓度的尾气，同时避免二氧化成与烧成石灰发生反应。因此，必须开发新的烧成石灰的冷却工艺技术，并能实现热量的回收，同时有助于尾气的资源化利用，以实现石灰生产过程的高效和节能减排。本专利技术提出了一种利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气资源化利用的方法，其特征在于将甲烷和二氧化碳从石灰窑下部冷却区自下而上通入窑内，利用甲烷重整反应吸热实现烧成石灰的冷却和显热回收，所得产品为高品质生石灰和富含一氧化碳、氢气的合成气。本专利技术是通过以下技术方案实现的：(1)将室温或预热后的二氧化碳、甲烷从石灰窑下部逆流通入，二氧化碳、甲烷逐渐升温，石灰的温度逐渐下降，石灰的温度高于通入气体的温度，二氧化碳和甲烷的体积流量相同，原料气体总流量为40～80m3/t石灰。(2)当原料气体温度到达700℃时，令其与负载催化剂相互作用，二氧化碳和甲烷转化为一氧化碳和氢气，每立方米原料气同时吸收5000～6000kJ的热量，石灰的温度相应迅速下降，形成活性度大于320的高品质产品。进一步地，所用二氧化碳来自于石灰窑尾气，二氧化碳和甲烷组成的混合原料气从石灰窑下部经换热管道进入窑内换热，通过调节换热管的管径和形状来调控换热速率，位于700～1150℃区域的管道内装有氧化铝质蜂窝状多孔材料，多孔材料中负载有重整催化剂。进一步地，重整后所得的气体可用于化工合成、燃烧发电、铁矿石还原等工序，可通过与焦炉煤气混合调配提高H2/CO从而提高其用于化工合成和铁矿石还原的效率。本专利技术的有益技术效果：本专利技术可保证二氧化碳做循环介质的循环焙烧石灰窑新工艺的顺利实施，实现烧成高温生石灰的快速冷却，获得高活性度的生石灰和高二氧化碳浓度的尾气，为降低二氧化碳提纯成本及其后续利用提供了可能。同时，借助甲烷和二氧化碳的重整反应，在实现高温生石灰的快速冷却的同时，获得高一氧化碳和氢气浓度的重整气，回收了石灰的显热。该工艺回收的显热占烧成石灰总显热的50％左右，资源化利用的二氧化碳占石灰石煅烧分解释放二氧化碳总量的10％左右。本专利技术本质上是将烧成石灰的高温显热转化成重整气的化学能，同时固定部分二氧化碳。本专利技术工艺易于实施和推广，成本低，在保证石灰窑高效生产和石灰高品质的前提下，具有较好的经济效益和环保效益。附图说明图1为本专利技术实施例中利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用方法的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本专利技术。实施例1对于日产1000吨的二氧化碳做循环介质的循环焙烧石灰窑，室温的甲烷和二氧化碳混合原料气体从石灰窑底部排料口附近的管路进入石灰窑冷却区域，气体总流量为40m3/t石灰。进气管路的管径随着进入窑体深度的增加而逐渐变粗以增大换热面积。进气管路在快接近石灰焙烧结束高度时被引出窑体外，大约在1150℃的位置。在管路内700～1150℃的区间填充氧化铝质蜂窝多孔材料以增加换热面积，该区域也是甲烷和二氧化碳发生重整反应的区域。气体转化率接近80％，重整结束后的气体由管路排出窑外，所得气体流量为76m3/t石灰，经换热至220℃左右用于合成甲醇的原料气。重整后所得气体成分如表1所示，回收的热量可用于生产水蒸气。所得石灰的活性度为340。长时间运行后发现填充的氧化铝质蜂窝多孔材料靠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用的方法，其特征在于将甲烷和二氧化碳从石灰窑下部冷却区自下而上通入窑内，利用甲烷重整反应吸热实现烧成石灰的冷却和显热回收，所得产品为高品质生石灰和富含一氧化碳、氢气的合成气；主要生产工艺流程为：(1)将室温或预热后的二氧化碳、甲烷从石灰窑下部逆流通入，二氧化碳、甲烷逐渐升温，石灰的温度逐渐下降，石灰的温度高于通入气体的温度，二氧化碳和甲烷的体积流量相同，原料气体总流量为40～80m3/t石灰；(2)当原料气体温度到达700℃时，令其与负载催化剂相互作用，二氧化碳和甲烷转化为一氧化碳和氢气，每立方米原料气同时吸收5000～6000kJ的热量，石灰的温度相应迅速下降，形成活性度大于320的高品质产品。

【技术特征摘要】
1.一种利用甲烷重整实现烧成石灰显热回收及尾气利用的方法，其特征在于将甲烷和二氧化碳从石灰窑下部冷却区自下而上通入窑内，利用甲烷重整反应吸热实现烧成石灰的冷却和显热回收，所得产品为高品质生石灰和富含一氧化碳、氢气的合成气；主要生产工艺流程为：(1)将室温或预热后的二氧化碳、甲烷从石灰窑下部逆流通入，二氧化碳、甲烷逐渐升温，石灰的温度逐渐下降，石灰的温度高于通入气体的温度，二氧化碳和甲烷的体积流量相同，原料气体总流量为40～80m3/t石灰；(2)当原料气体温度到达700℃时，令其与负载催化剂相互作用，二氧化碳和甲烷转化为一氧化碳和氢气，每立方米原料气同时吸收5000～6000kJ的热量，石...

【专利技术属性】
技术研发人员：王广，王静松，薛庆国，姜泽毅，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11