一种利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术的制作方法

本发明涉及一种利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术，属于环保能源替代技术领域。

背景技术：

化石能源是经过地球亿万年的地质变迁，将远古的太阳能转变生成的生物能源，又转变成化石能源，留存到现在使用的能源。

多年以来，水泥制造工业需要消耗巨量的石油和煤碳等不可再生能源，属于吃子孙后代的粮来满足现在的需求。一方面，化石能源在燃烧过程中向大气排放大量的二氧化碳等温室气体和污染性酸性气体，对大气造成了严重污染，其危害已是路人皆知。另一方面，每年经过光合作用产生的巨量植物没有被充分利用而造成腐烂，其腐烂过程中相应的又要排出大量温室气体，其中一部分植物被民间无组织焚烧，将二氧化碳又排入大气造成循环污染。

低水平的焚烧废弃植物会导致严重的大气污染。地球所赋存的数十亿吨巨大的植物能源是太阳“赐予”地球的，能源转变每分每秒都在进行中。我们要充分利用好这个大自然资源，努力减少各个环节对化石能源的索取量，尽量把珍贵的化石能源留给我们的子孙后代。

现有研究已表明，将废气植物进行干馏制取可燃气等产物，可以提高废气植物的利用率。cn1085932a公开了一种以废弃植物干馏制取可燃气、碳、焦油及醋液的方法。该工艺为原料切割、干燥、粉碎、干燥、成型、干馏，产生的气体冷却得干馏液、再分离得醋液和焦油，不凝气用原料干燥得木气，剩余物用惰性气体降温得木炭。该方法对原料废气植物的利用率高，且无任何三废排放。

然而，该工艺在实际应用时，存在以下问题：(1)工艺流程复杂，需要额外设置专门的电加热或其他加热装置完成植物干馏，这将会带来较高不必要的能源消耗；(2)该方法中，挥发性气体处置需要增加醋液进行分离，从而获得焦油；凝结气体和非凝结气体的分离和贮存须要有专门的设施配套，以避免直接对空燃烧，造成能源浪费以及温室气体排放；(3)特别是，植物上所附着的灰尘等固体细小颗粒，将会部分进入气体处置流程中聚集粘附，运行中将造成一定的管道堵塞影响运行。

上述这些问题都会使处置工艺复杂，投资巨大，使具体的工程实施非常困难，导致无法大规模利用的缺陷。这也是至今我国乃至世界均尚未规模化应用植物能源部分替代化石能源的重要原因，即实施过程中挥发性可燃气体的处置问题。

此外，植物能源具有季节性的特点，大量集中产生在秋冬季节植物干枯阶段，相应的如果不能大量的将其用掉，在自然界堆存逐渐使用，将会有严重的火灾隐患。因此，在实施植物能源向化石能源这一转用过程中，如何在短期内快速处理植物能源，也是这一转用技术能够真正大规模推广使用的另一关键问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了充分利用水泥窑的工艺特点，以植物残余物为原料，利用水泥窑现有技术，提高植物废弃物的利用率，并在保障回转窑稳定运行的前提下，实现植物能源替代部分化石能源的目的，最大化减少化石能源的进口量和本土能源开挖采掘量，实现可持续环保绿色发展产业链。

本发明的技术方案如下：

一种利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术，包括：

(1)将植物残余物破碎，利用水泥窑系统中篦冷机尾排废气对其进行干燥脱水处理；

(2)对干燥脱水后的植物残余物进行干馏处理，得到挥发性可燃气体，以及碳基材料；

(3)所得挥发性可燃气体作为步骤(2)干馏处理的燃料；和/或，作为水泥窑窑尾或者窑头的燃料；

(4)所得碳基材料与原煤混掺，制备煤粉后喷入水泥窑作为燃料；和/或，作为活性材料使用。

所述水泥窑系统通常采用回转窑结构，具有高耗能、大风量、高温煅烧的特点。本发明充分利用水泥窑系统产生的大量热量、对燃料标准低需求大、及具备成熟的尾气处理装置等特点，将植物能源转化化石能源技术与其相结合，不仅简化了现有能源转化处置流程，降低应用成本，而且解决了现有处置流程中植物作为热能源利用时挥发性燃气处置难的问题。同时，由于水泥窑对能源消耗量大，可以在短期内快速处理植物能源，避免植物能源长期堆放带来的各种隐患。由此可见，采用本发明所述方案相比现有技术取得了显著的技术效果。

本发明中，步骤(1)中，所述干燥脱水处理的温度为80-200℃，优选90-110℃，进一步优选100℃；时间为1-5小时。通过对干燥脱水处理条件的优化，使影响燃烧热值的水分最大程度的脱除，提高干馏工艺处置过程的效率。

本发明中，步骤(2)中，所述干馏处理的温度为500-800℃，时间为1-5小时。通过对干馏条件的优化，可进一步提高植物的转化率，使挥发性可燃气体所占比例更高。

步骤(2)中，所述干馏处理所需的热量，可来自于水泥窑系统的篦冷机中温段和/或三次风管排放的热量，和/或，来自于步骤(2)产生的挥发性可燃气体进一步燃烧所产生的热量。

此外，由于采用本发明所述方案，所得挥发性可燃气体含有co2、co、ch4、c2h4、c2h6及其它烃基气体等组分，因而可直接进入水泥回转窑的窑尾或者窑头助燃，省去了常规植物干馏法得到的可燃气须再处理、成本高的难题。

本发明中，步骤(3)中，所述挥发性可燃气体燃烧产生的废气经水泥窑自有高温强氧化碱性环境处理后，无害化排空。这部分含有烷基和羟基的有机气体在分级燃烧过程中，除了放出热量还具有环保脱硝的双重作用。

本发明中，步骤(4)中，所得碳基材料的组成以碳为主，还包括少量的co2、co、ch4、c2h4、c2h6烃类气体及硅酸盐系灰分。其可以替代部分煤炭与原煤混掺搭配，研磨制备煤粉后，作为燃料喷入水泥窑煅烧。

所得碳基材料还可以作为活性材料，成为高附加值材料，如活性炭、农田改良剂等，用于河流净水、污水治理、大气脱硫、脱硝、吸附重金属、土壤改良、养殖业净化、油料纯化、脱色剂、肥料载体、催化剂载体、隔热阻声的新型建筑材料，其覆盖了环保、农业、水利、化工、建筑、材料、国防等诸多门类。

作为活性材料使用后失效的碳基材料，若无毒则用于改良土壤或作为建筑材料，甚至可以把碳基材料大量的埋藏于隔绝空气的地下封存，相当于把我们人类近百年燃烧化石能源产生的巨量二氧化碳重新回收固化起来；这部分碳是大气中的二氧化碳通过光合作用转化而来，相应的将气态的二氧化碳转化成固态物质，固化储存下来。利用生物法协同水泥窑处置可以有效解决气态二氧化碳固体化储存的世界难题。

若含有污染物，则可以稍加处置回入回转窑系统内焚烧处置并产生热量；或者与原煤混掺，制备煤粉后作为燃料，重新进入水泥窑无害化处置焚烧，替代部分传统化石能源。

由上述产物用途说明可知，全部产业链条无特殊限制，完全适合工农业生产发展领域，适用面极其广泛；水泥工业除了生产水泥，还能够改变传统能源使用结构，持续不断的优化改善大气环境，开辟一个以水泥窑为龙头的新兴绿色能源产业链，创造巨量的社会就业机会，是一项具有革命性的创举。

本申请在提出上述方案基础上，还对原料进行优化，从而获得更理想的效果。

本发明中，所述植物残余物来源于农业、林业、园林等行业产生的植物固体废弃物，如选择水泥厂附近种植的高密度能量植物的固体废弃物；在将植物固体废弃物送至水泥窑之前，优先对植物固体废弃物进行预处理，如：将植物固体废弃物进行破碎，加工成适宜的粒度，粒度控制在50mm范围内，方便工厂流程输送，可更有利于产物的转化。再进行搭配混均，并在储存库中加入无害低廉的氮气进行隔绝氧气，以便安全贮存。

本发明所述植物优选单产碳含量高，且能够同时吸收转化和固定氮氧化物等氮基污染物的植物。例如(不限于)种植高杆高粱，玉米，芦竹，芒草，芦苇，柳枝稷等高产植物。变革现今园林绿化种植模式，强化切割修剪已有树木，大量获取植物总量的同时促进树木生长。

本发明的有益效果如下：

1、本发明充分利用水泥窑系统的特点，将其与植物能源转化化石能源技术相结合，不仅简化了现有能源转化处置流程，降低应用成本，而且解决了现有处置流程中植物作为热能源利用时挥发性燃气处置难的问题。

2、水泥制造行业是高耗能的产业，一条水泥窑日用煤就上千吨，本发明充分利用水泥窑这一特点，可以非常快速的将废弃植物处置利用，解决了现有处理工艺中植物能源消耗慢，植物能源长期堆放带来的各种隐患的问题。

3、由于水泥窑对气、液、固三类燃料相关的物理化学热特性要求并不是很挑剔，所以本发明所述产生的挥发性可燃气体完全可以适用于水泥窑的生产。且水泥窑均布全国，可以就近吸纳和处置周边的植物能源，减少长途运输，有利于大规模实现。

4、采用本发明所述工艺，无需对水泥窑系统进行大规模改造，仅需增加烘干炉、干馏炉以及一些常规输送装置即可，有利于该技术的大规模推广使用。

5、本发明所述的工艺除应用于水泥窑系统，还可以扩展到火力发电、焚烧炉、冶炼制造等大量消耗传统化石燃料的行业中。

6、采用本发明所述工艺，不仅实现植物替代部分宝贵的化石能源的目的，而且还实现了培育中国式新兴可持续植物能源产业的目的。

7、本发明提出了植物干馏获得的碳基材料可在全社会多行业的深入细化使用范围创新思路。全处理流程能够实现对气态二氧化碳进行固化碳捕捉和碳材料的应用。由于流程封闭，可大幅度吸收和消减温室气体。

附图说明

图1为实施例1所述的利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术的框架流程图。

图2为实施例1所述的利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术的工艺流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种利用水泥窑的植物炭替代化石能源的绿色制造技术，如图1、图2所示，包括：

(1)取水泥厂附近的高杆高粱，破碎，粒度在50mm范围内，方便工厂流程输送，可更有利于产物的转化；进行搭配混均，并在储存库中加入无害低廉的氮气进行隔绝氧气，以便安全贮存；

(2)利用水泥窑系统中篦冷机尾排废气的余热对步骤(1)处理后的高梁颗粒进行烘干脱水处理，温度为100℃，时间为5小时；

(3)经步骤(2)处理后的物料进入干馏碳化炉进行干馏处理；温度为700℃，时间为5小时，得到固态碳基材料和挥发性可燃气体；

(4)所述挥发性可燃气体进入水泥回转窑的窑尾或者窑头助燃；燃烧后废气经水泥窑自有高温强氧化碱性环境处理后无害化排空；

(5)所得碳基材料与原煤混掺，制备煤粉后喷入水泥窑煅烧；和/或，作为活性材料使用；使用后失效的碳基材料，若无毒则改良土壤或作为建筑材料，若含有污染物，则重新返回水泥厂，制备煤粉后喷入水泥窑煅烧。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。