竖窑CO2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置与方法与流程

本技术涉及石灰窑，尤其涉及石灰窑生产石灰过程中的能源回收与利用，具体设涉及一种能够实现石灰竖窑co2转化新能源联产石灰及co2高浓度回收与矿化的装置与方法。

背景技术：

1、资源与环境是人类生存和发展的基础，现阶段资源短缺和环境问题日趋严重。如何使化学工业在创造物质财富的同时，不破坏人类赖以生存的环境，并充分节省资源和能源，实现可持续发展，是人类面临的重大挑战。

2、纵观历史长河，人类社会自使用火种以来，能源利用经历了“薪柴向煤炭”“煤炭向油气”“油气向新能源”的3次转变，伴生了4次科技(工业)革命。每一次能源的更替都伴随着生产力的巨大飞跃，极大地促进了人类社会的发展。从化学角度看，能源革命的本质就是“减碳趋氢”的过程，即逐渐减少高碳(煤炭)、中碳(石油)、低碳(天然气)能源的使用，大力发展零碳(氢能等)能源，提高其在能源结构中的占比。

3、从化学化工的角度看，人类利用能源的方式往往不是直接利用能源本身，而是将煤炭、石油、天然气等初级能源通过不同转换过程产生各种可用能量。目前的能源大多来自“火”，即煤、石油和天然气等常规化石能源通过燃烧将化学能转化为热能。化石能源燃烧所产生的热能主要源于新化学键形成释放能量与原化学键断裂吸收能量之间的正向差。

4、但是，这种集中式、不环保、不安全的化石能源系统越来越不可持续。截至2020年底，全球燃烧化石燃料产生的co2排放量(即碳排放)高达360亿吨，大气中的co2含量已超过415mg/l，是工业化前水平的149％。鉴于燃烧化石能源的“旧火”系统对可持续发展的严重威胁，急需重新发明“火”，以“新火”代替“旧火”，改造现有的能源系统。这里的“新火”指在能源生产、使用过程中不增加co2排放，即常说的零碳能源，如太阳能、风能、潮汐能、核能、氢能、生物质能、可持续生物能等。据预测，到2050年，我国以光伏、风电、核电为代表的可再生零碳能源占比将由2019年的16％提高至70％，化石能源占比将由2019年的84％降至22％。并且，因化石能源使用产生的碳排放，也将被碳捕集、利用及存储技术覆盖。能源系统的快速零碳化是“双碳”愿景的必经途径，这就需要以全面电气化、清洁化为基础，推进零碳、负碳技术突破。

5、co2作为主要的温室气体导致全球变暖，已是不争的事实。除了从源头出发，减少使用含碳化石能源，发展零碳新能源，从而降低碳排放速度；另一种是从末端出发，对产生的co2进行捕集、封存及资源化利用。因为，从另一个角度看，co2又是经济、安全、可持续的碳一(c1)资源，开发高效的co2规模化利用技术(co2耦合化石能源ch4、co2耦合零碳能源h2、co2直接转化的利用技术)，将其定向转化为高附加值的燃料或化学品，实现co2资源化利用，促进自然界碳循环回归平衡，将成为助力“碳达峰”“碳中和”的必经之路。

6、虽然碳捕获、利用和储存过程并不是一个新想法，但在材料科学和化学工程的最新进展发现二氧化碳有益利用的新途径之前，其成本高昂得令人望而却步。关于碳捕获，传统的方法是通过管道将纯二氧化碳注入地下储层，以确保地质构造或咸水层中的纯二氧化碳，国外实施的案例中，每吨的成本达到150美元，显然，其成本在实际工业应用中是无法承受的。

7、那么，又该如何破局呢？“新能源”一定是破解危机的重要手段。“新能源”，又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。其中，有一种能源，只要太阳还在，只要地球上的绿色植物还在，它就永远不会枯竭，这就是继煤炭、石油、天然气之后人类的第四大能源——生物质能。它是直接或者间接通过光合作用产生的能量。所以，本质上，生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的一种能量形式，而且是唯一可以直接获取的太阳能能量。自然中，生物质能源的蕴藏量极其丰富，生物质能就成了取之不尽、用之不竭的一种可再生能源，也是当下唯一一种可再生的碳源，可以说，其是一种绿色环保、无污染的可再生资源。

8、目前，拥有“零碳排”基因的生物质能未来发展极具想象空间。从长期来看，可以预见，随着生物质能技术持续发展、产业体系不断完善、装备制造能力不断提升，未来通过发展生物质能，即可将数以亿吨计的“问题废弃物”变成宝贵的原料，彻底解决其无处安放的难题。

9、近十多年来，我国的生物质在工业应用中采用的直燃方式已经开始被限制和禁止，我国已经开始大力推广生物质气化和生物质天然气技术的应用，尤其是生物质能利用技术中的热解气化技术推广和发展较快。生物质气化是指固体生物质经过高温处理反应得到小分子可燃气体的过程，分为有介质气化和无介质气化。无介质气化称为热解或干馏。常用的气化介质为空气、氧气和水蒸气。依气化介质的不同，气化反应分为部分氧化和蒸汽重整。

10、生物质气化的目标产物为一氧化碳(co)或/和(h2)。产生的合成气可作为燃料用于锅炉、炉灶、工业炉、发电等场合，也可作为化工原料用于合成甲醇、合成氨等。以空气、氧气和水蒸气为介质的生物质气化过程，已有了比较充分的研究，并且早已进入了实际应用阶段。

11、生物质可燃气中的主要成分有co、h2、ch4、co2、n2等，燃烧的成分是co、h2和ch4。其中，典型的生物质气主要成分为(木质原料)：h2：12-15％、co：18-22％、ch4：3-5％、co2：9-10％、n2：51-54％、o2：1-2％，产生的燃气热值在1200-1400kcal/kg范围左右，属于低热值燃气。如何提高燃气中h2和co的含量以提高燃气热值是生物质燃气工业应用的重要课题。

12、虽然热解气化技术作为一种非常重要的生物质热化学转换技术，已经受到越来越多的关注。然而生物质气化气中含有1.0-10％的焦油，对热解气化过程以及相关的设备都有着非常不利的影响，阻碍了气化技术的推广。常用焦油脱除方法中的水洗、干式过滤等不能满足高效焦油脱除的要求，焦油催化裂解作为一种极具潜力的气化气体净化技术，目前已成为该领域研究的热点。

13、作为广大制造业不可或缺的关键和基础，石灰产业传统生产工艺正面临着巨大挑战。诸如：碳减排、循环发展、节能降耗以及大型设备升级等。石灰是由石灰石经高温煅烧而成，主要是以石灰石和白云石等煅烧制取氧化钙和高镁石灰，石灰石(caco3)分子重量：cao:co2＝56:44。在煅烧加热时会改变其化学成分，在900～1200℃的温度下，石灰石转化为气态co2和氧化钙。因此，一个好的石灰生产装置的任务是尽可能多地从石头中排出co2，让沉重的石灰石变成雪白的石灰。但是，石灰生产属于能源和碳排放密集型产业，石灰行业碳排放兼具能源碳排放和工业过程碳排放的特殊性，其中工业过程(石灰石分解)碳排放占总排放量的三分之二以上。而且，目前我国传统的石灰烧制工艺中，无论哪种石灰生产方式，其燃料结构都是采用石化能源，其中，80％左右的石灰产能还是采用固体块状煤炭或焦炭燃料与石料混合燃烧的混料式生产工艺，其它的为采用喷吹煤粉以及气体燃料等方式。

14、进入“十四五”时期，我国生态环境保护已经进入减污降碳协同治理的新阶段，在“双碳”背景下，采用煤炭等化石燃料生产石灰的工艺已经被严格限制和禁止。尤其是在石灰生产中要同时排放出石灰产能1.4倍的co2气体，是当之无愧的“碳排放大户”，在我国目前年产超3亿吨石灰产能的背景下，如何实现co2减排和利用是整个石灰产业亟待解决的问题。而且，从保护人类自然资源和生态环境出发也必须寻求一种新的清洁、安全、可靠的可持续发展能源体系。因此，现阶段亟需提出一种新的技术方案来解决传统石灰生产过程中存在的诸多问题，包括但不限于燃料用量大、热值低、碳排放量高、生产效率低且生产成本高的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置与方法，用以解决传统石灰生产过程中存在的燃料用量大、热值低、碳排放量高等问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、一方面，本技术提供一种竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置，包括与石灰窑上的co2排出口相连的生物质合成气发生装置，所述生物质合成气发生装置用以将进入其内的生物质燃料产出为合成气和炽热焦炭；所述生物质合成气发生装置为密闭壳体结构，壳体内部自上而下形成干燥层、热解层、氧化层和还原层，所述生物质合成气发生装置的顶部进口处设置生物质供料装置和密封布料装置，所述生物质供料装置用以向壳体中加入生物质燃料，所述密封布料装置用以在加料时防止气体外泄，经所述生物质合成气发生装置生产的合成气输出至石灰窑燃烧系统中用以制备石灰及co2气体；

4、所述生物质合成气发生装置底部设置蒸汽进气口，所述石灰窑顶部设置集热装置，所述集热装置与蒸汽发生装置相连，所述蒸汽发生装置将石灰窑窑顶烟气余热生产为蒸汽，所述蒸汽进气口通过管道与所述生物质合成气发生装置的蒸汽进气口相连；

5、所述生物质合成气发生装置上设置催化剂入口，所述催化剂入口与石灰窑上设置的气力输送管道相连，所述气力输送管道用以将石灰窑自产的氧化钙粉或轻烧白云石石灰粉送入所述生物质合成气发生装置。

6、上述技术方案中进一步的，所述石灰窑为单膛竖窑或双膛竖窑。

7、进一步的，所述单膛竖窑上设置的气力输送管道为窑体重力除尘气力输送管道。

8、进一步的，所述单膛竖窑顶部设置窑顶集气管道一，所述窑顶集气管道一上设置窑顶重力除尘器和多级复合水膜除尘脱硫装置，所述单膛竖窑内的co2气体经所述窑顶集气管道一引出后，经窑顶重力除尘器除尘，经多级复合水膜除尘脱硫装置净化，再进入生物质合成气发生装置中，所述窑顶集气管道一与生物质合成气发生装置底部的co2进气口一连通。

9、进一步的，所述双膛竖窑上设置的气力输送管道为窑体循环烟气通道气力输送管道。

10、进一步的，所述双膛竖窑顶部设置窑顶集气管道二，所述窑顶集气管道二与生物质合成气发生装置底部的co2进气口一连通。

11、进一步的，所述生物质供料装置用以将破碎后的外径处于100mm以下的生物质固体燃料颗粒或碎片输送至生物质合成气发生装置中。

12、进一步的，所述密封布料装置内部设置活动升降压料装置，当生物质合成气发生装置内物料棚料或下料不畅时，所述活动升降压料装置用以通过上下行程的压料操作使物料顺畅下降。

13、进一步的，还包括co2气化还原装置，所述合成气通过管道输入所述co2气化还原装置中，所述生物质合成气发生装置的底部设置旋转排料装置，所述旋转排料装置用以将炽热焦炭通过与其相连的垂直螺旋上料装置送至co2气化还原装置的进料口，炽热焦炭与合成气在所述co2气化还原装置中进行二次燃烧，产生的富含co的气体由co2气化还原装置顶部输出至石灰窑燃烧系统。

14、进一步的，所述co2气化还原装置的底部设置co2进气口二，所述石灰窑上的co2排出口通过管道与所述co2进气口二相连。

15、进一步的，所述co2气化还原装置的炉体圆周方向上均布多个燃烧器，每个燃烧器与用以输送合成气的管道连通，所述燃烧器用以将合成气在co2气化还原装置内点燃助燃并调节co2气化还原装置的炉体下段温度。

16、进一步的，所述co2气化还原装置产生的富含co的气体，由co2气化还原装置顶部的还原气出口管道输出，并与所述生物质合成气发生装置输出的合成气混合后被送入石灰窑燃烧系统，用以制取石灰及co2气体。

17、进一步的，还包括co2气体富集吸收塔和co2气体富集释放塔。

18、进一步的，所述石灰窑的顶部设置窑顶集气管道，所述窑顶集气管道与所述co2气体富集吸收塔相连，使得石灰窑生产过程产生的混合气体进入所述co2气体富集吸收塔中。

19、进一步的，所述co2气体富集吸收塔下方设置碳酸钠液配置罐，所述碳酸钠液配置罐用以存储配比为8～10％的碳酸钠水溶液，所述碳酸钠液配置罐具有进料口，所述碳酸钠液配置罐内设置搅拌装置，所述碳酸钠液配置罐的底部出料口通过上升管道一与co2气体富集吸收塔相连，所述上升管道一上设置循环泵一，进入co2气体富集吸收塔内的碳酸钠溶液用以吸收来自于石灰窑的混合气体中的co2。

20、进一步的，所述co2气体富集吸收塔的底部连接下降管道一，所述下降管道一通过上升管道二与co2气体富集释放塔相连。

21、进一步的，所述co2气体富集吸收塔内部的co2饱和气体通过联通管道进入co2气体富集释放塔内部。

22、进一步的，所述co2气体富集释放塔下方设置碳酸氢钠循环罐，所述co2气体富集释放塔底部通过下降管道二与所述碳酸氢钠循环罐相连，所述碳酸氢钠循环罐的底部出料口通过上升管道三与所述co2气体富集吸收塔相连，所述上升管道三上设置循环泵三。

23、进一步的，所述co2气体富集释放塔顶部设置有用以排出其内产生的co2气体的排气管道，所述排气管道与co2气体矿化系统或用户端相连。

24、进一步的，还包括碳化塔和氢氧化钙制备系统。

25、进一步的，所述碳化塔底部设置进气口，所述进气口与所述co2气体富集释放塔的排气管道连通；所述碳化塔靠近顶部的侧壁上设置氢氧化钙加入口，所述氢氧化钙加入口通过上升管道四与所述氢氧化钙制备系统相连；所述碳化塔上设置氮气出口，于所述碳化塔内碳化完毕的氮气由所述氮气出口排出；所述碳化塔上设置浆液出口，所述碳化塔内完成co2矿化的矿化物由浆液出口排出。

26、进一步的，所述氢氧化钙制备系统包括石灰料仓，所述石灰料仓用以存储经石灰输送管道输送的粉状石灰，所述石灰料仓的底部设置用以实现石灰料仓内石灰下料的震荡机和破拱装置，所述石灰料仓底部的出料口上设置定量给料机和螺旋输送机，所述螺旋输送机将石灰输送至溶解槽内，所述溶解槽内形成氢氧化钙，所述溶解槽的顶部设置用以旋转搅拌氢氧化钙的搅拌机，所述溶解槽上设置出料口，所述出料口通过螺杆泵和上升管道四与所述碳化塔相连。

27、进一步的，所述溶解槽的顶部设置氢气集气装置，所述氢气集气装置用以收集溶解槽内产生的h2与水蒸气，所述氢气集气装置的出口端通过管道与蒸汽发生装置的出口输送管道相连，并随蒸汽进入生物质合成气发生装置和co2气化还原装置中。

28、另一方面，本技术还提供一种竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的方法，使用上述的竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置，该方法包括如下步骤：

29、s1：将石灰窑自产的co2输送至所述生物质合成气发生装置，通过生物质供料装置向所述生物质合成气发生装置中加入破碎后的目标生物质燃料；

30、s2：通过石灰窑顶部设置的集热装置和蒸汽发生装置，将石灰窑窑顶烟气余热生产为蒸汽，并通过管道将蒸汽输送至生物质合成气发生装置中；

31、s3：将石灰窑自产的氧化钙粉或轻烧白云石石灰粉送入所述生物质合成气发生装置中，所述氧化钙粉或轻烧白云石石灰粉作为催化剂于所述生物质合成气发生装置参与反应，经所述生物质合成气发生装置生产的合成气输出至石灰窑燃烧系统中用以制备石灰及co2气体。

32、上述技术方案中进一步的，所述生物质合成气发生装置产出合成气和炽热焦炭；通过所述旋转排料装置和垂直螺旋上料装置将产出的炽热焦炭送至co2气化还原装置中；将石灰窑自产的co2输送至所述co2气化还原装置中，炽热焦炭在co2气化还原装置中进行二次燃烧，产生的富含co的气体由co2气化还原装置顶部输出，并与所述生物质合成气发生装置输出的合成气混合后被送入石灰窑燃烧系统，用以制取石灰及co2气体。

33、再一方面，本技术还提供另一种竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的方法，使用上述的竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置，该方法包括如下步骤：

34、s1：将石灰窑自产的混合气体输送至co2气体富集吸收塔，向co2气体富集吸收塔中喷洒碳酸钠溶液；

35、s2：混合气体在所述co2气体富集吸收塔内上升过程中，通过碳酸钠溶液吸收混合气体中的co2气体；

36、s3：当co2气体富集吸收塔内na2co3分解率大于70％时，吸收co2气体后的吸收液下降至co2气体富集吸收塔下部进入下降管道一并被泵送至co2气体富集释放塔内；

37、s4：co2气体富集吸收塔内部的co2饱和气体通过联通管道进入co2气体富集释放塔内部，由下至上与塔内下降的吸收液进行解吸释放，释放出co2气体后，使nahco3还原成na2co3，转化得到的na2co3自co2气体富集释放塔塔底的下降管道二流入碳酸氢钠循环罐，于碳酸氢钠循环罐内部再生形成新的碳酸钠溶液，再生完毕的碳酸钠溶液经上升管道三被泵送至co2气体富集吸收塔；

38、s5：co2气体富集释放塔内产生的co2气体自排气管道排出。

39、上述技术方案中，步骤s5中，将自排气管道排出的co2气体送至碳化塔，向碳化塔内喷洒氢氧化钙，co2气体与氢氧化钙在碳化塔发生碳化反应，碳化塔内产生的碳化完毕的氮气由氮气出口排出，碳化塔内完成co2矿化的矿化物由浆液出口排出；通过氢氧化钙制备系统向所述碳化塔输送氢氧化钙，氢氧化钙制备系统包括用以溶解石灰形成氢氧化钙的溶解槽，溶解槽内的氢氧化钙通过螺杆泵和上升管道四输送至碳化塔中；溶解槽内的h2与水蒸气通过氢气集气装置被输送至生物质合成气发生装置和co2气化还原装置中。

40、相比现有技术，本技术具有以下有益效果：

41、1、本技术提供的一种竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置，将石灰窑生产过程中的co2回收至生物质合成气发生装置中进行再处理利用，产出合成气和炽热焦炭，再将合成气输送至石灰窑燃烧系统中完成石灰及co2气体的制备，实现了co2回用；除此之外，本技术还将石灰窑窑顶烟气余热生产为蒸汽，作为汽化剂输送至生物质合成气发生装置中，获得更高的热值；进一步的，本技术还将石灰窑自产的氧化钙粉或轻烧白云石石灰粉作为催化剂送入生物质合成气发生装置中参与反应，实现了石灰窑生产过程中能源的回收利用，将生物质燃料和co2等转化为新能源实现石灰生产，与传统技术相比，不仅降低了燃料用量，还实现了节能减排，将co2变废为宝，实现新能源对传统能源的替代。

42、2、本技术提供的竖窑co2转新能源联产石灰与矿化零碳排的装置中，关于co2收集、转化的技术不同于传统的封存、驱油、农业及食品领域ccus技术(低浓度)，可直接利用含co2浓度≥30％的石灰窑工业尾气，直接转化为98-99％的高浓度co2气体，无需提纯，也无需浓缩单元、运输封存单元，反应过程是在生物质气化温度的相同温度和低压下进行。co2反应转化过程“零外部能耗”，不但降低了石灰生产整体燃料成本和运行成本，也提高了生产效率，同时还达到了碳减排的目的。

43、3、现有的生物质气化或煤气化过程通常用空气(或纯氧)和水蒸汽作为气化剂，其中氧气与生物质中的c发生的反应为强放热反应。水蒸汽与c发生的反应为吸热反应。实际上co2也参与反应过程，其与c发生的反应也为吸热反应，故本技术采用在生物质气化工艺中以co2替代高温水蒸汽作为气化剂，通过煤气化反应直接将co2转化为co，同时采用廉价自制的多种催化剂对生物质气化过程中产生的焦油进行二次裂解，产生高热值的燃料。从co生产的角度来看，本技术既节省了生物质燃料，又使co2中c原子得以利用，另外产气中co的体积分数在68％以上，有利于后期co的富集，实现多重效果叠加，从环境、资源、能源等方面全面实现经济效益。

44、4、本技术解决了目前传统生物质发生炉的工艺缺陷，而且把石灰单膛竖窑与双膛竖窑的结构特征与生物质气发生装置的结构特点有机的结合在一起，实现石灰生产与燃气制备装置的融合，达到co2废气能源循环利用与转化。

45、5、本技术提供的装置结构简明实用、结构紧凑，生产效率高，产量高、经济性好；尤其是对传统石灰竖窑改造、提升，对提高整体石灰生产工艺水平、降低生产成本、提高产品品质，以及在减污降碳、改善生态环境等方面具有重要意义。