化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (8): 3699-3709.DOI: 10.11949/0438-1157.20191466
蒋滨繁1,2(),夏德宏1,2(),安苛苛1,张培昆1,敖雯青3
收稿日期:
2019-12-03
修回日期:
2020-05-14
出版日期:
2020-08-05
发布日期:
2020-08-05
通讯作者:
夏德宏
作者简介:
蒋滨繁(1994—),女,博士研究生,基金资助:
Binfan JIANG1,2(),Dehong XIA1,2(),Keke AN1,Peikun ZHANG1,Wenqing AO3
Received:
2019-12-03
Revised:
2020-05-14
Online:
2020-08-05
Published:
2020-08-05
Contact:
Dehong XIA
摘要:
白云石是一种广泛应用的冶金、建材和化工原料。针对白云石煅烧过程中CO2排放严重等问题,构建了基于CO2循环载热与资源化回收的白云石低碳煅烧竖窑新工艺。通过白云石(CaCO3·MgCO3)煅烧过程的Gibbs自由能变计算,发现提高煅烧温度(50~100 K)可有效克服CO2对反应的抑制作用;通过纯CO2环境中CaCO3分解过程的热重实验分析,验证了CO2循环煅烧白云石煅烧的可行性;通过化学反应动力学计算,解析了全CO2组分环境下CO2压力对CaCO3·MgCO3高温分解过程的影响,并发现提高CO2压力可促进气固传热,从而提升分解速率和改善矿料分解均匀性;对CO2循环煅烧工艺系统能-质平衡计算表明:该工艺理论能耗仅为140 kg/(t 煅白),且煅烧过程的CO2排放降低70%以上,环境效益显著。
中图分类号:
蒋滨繁, 夏德宏, 安苛苛, 张培昆, 敖雯青. 基于CO2循环的低碳高效白云石煅烧新工艺[J]. 化工学报, 2020, 71(8): 3699-3709.
Binfan JIANG, Dehong XIA, Keke AN, Peikun ZHANG, Wenqing AO. Efficient low-carbon dolomite calcination process based on CO2 looping and recovering[J]. CIESC Journal, 2020, 71(8): 3699-3709.
图2 CO2环境中碳酸盐分解模型
Fig.2 Kinetic model for carbonate decomposition with CO2 surrounding (from outside to inside: product layer, reacting layer and unreacted layer)
Chemical | ΔG? (298 K) / (kJ/mol) | ΔH? (298 K) /(kJ/mol) | ΔS? (298 K) / (J/(mol K)) |
---|---|---|---|
CaCO3 | -1128.8 | -1206.9 | 92.9 |
CaO | -604.2 | -635.1 | 39.7 |
MgCO3 | -1012 | -1096 | 65.7 |
MgO | -569.4 | -601.7 | 26.9 |
CO2 | -394.4 | -393.5 | 213.6 |
表1 CaCO3·MgCO3分解热力学计算参数
Table 1 Calculation parameters for thermochemical analysis of CaCO3·MgCO3 decomposition
Chemical | ΔG? (298 K) / (kJ/mol) | ΔH? (298 K) /(kJ/mol) | ΔS? (298 K) / (J/(mol K)) |
---|---|---|---|
CaCO3 | -1128.8 | -1206.9 | 92.9 |
CaO | -604.2 | -635.1 | 39.7 |
MgCO3 | -1012 | -1096 | 65.7 |
MgO | -569.4 | -601.7 | 26.9 |
CO2 | -394.4 | -393.5 | 213.6 |
参数 | 数值 |
---|---|
2700 | |
ρCaO/MgO/(kg/m3) | 3000 |
2 | |
1.16 | |
λCaO/MgO /(W/(m·K) ) | 1.2 |
0.014 | |
0.8~1.3 | |
1.0~1.2 | |
5×10-5 | |
Ts / K | 300 |
Tg / K | 1600 |
vg /(m/s) | 2 |
r/m | 0.03 |
Pr | 0.724 |
表2 CaCO3·MgCO3传热与分解动力学计算参数
Table 2 Calculation parameters for kinetic analysis of CaCO3·MgCO3 decomposition
参数 | 数值 |
---|---|
2700 | |
ρCaO/MgO/(kg/m3) | 3000 |
2 | |
1.16 | |
λCaO/MgO /(W/(m·K) ) | 1.2 |
0.014 | |
0.8~1.3 | |
1.0~1.2 | |
5×10-5 | |
Ts / K | 300 |
Tg / K | 1600 |
vg /(m/s) | 2 |
r/m | 0.03 |
Pr | 0.724 |
图6 PCO2为 0.2 atm和1 atm时碳酸盐矿分解反应层厚度Dr随时间t的变化(橘色为产物层,高亮黄色为反应层,蓝色为未反应核)
Fig.6 Reaction layer thickness in carbonate ore at PCO2 = 0.2 atm and 1 atm (orange: product layer; yellow: reacting layer; blue: unreacted layer)
图8 预热段和冷却段内气固温度随高度的变化(预热段和冷却段均以CO2的入口为h = 0)
Fig.8 Temperature variations of gas and solid in preheating and cooling zone (h =0 is CO2 inlet of each zone)
区域 | 收入项 | 支出项 | ||
---|---|---|---|---|
参数 | 值 | 参数 | 值 | |
预热段 | 白云石质量流量 qb /(kg/h) | 5000 | 白云石质量流量 qb/(kg/h) | 5000 |
CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | |
入口白云石温度 Tb,yin/K | 300 | 出口白云石温度 Tb,yout/K | 900~1000 | |
入口CO2温度 Tc,yin/K | 900~1000 | 出口CO2温度 Tc,yout /K | 500 | |
白云石显热上升 Qb/(kJ/s) | 750 | |||
煅烧段 | 白云石质量流量 qb /(kg/h) | 5000 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 |
CO2质量流量 qc,1 /(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | |
入口白云石温度 Tb,din /K | 900 | 出口煅白温度 Tb,dout /K | 900~1000 | |
入口CO2温度 Tc,din/K | 1400~1600 | 出口CO2温度 Tc,dout /K | 900~1000 | |
白云石反应热 Qb,r/(kJ/s) | 2050 | 白云石分解产生CO2qc,2 /(kg/h) | 2400 | |
冷却段 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 |
CO2质量流量 qc,1/(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,2 /(kg/h) | 16000 | |
入口煅白温度 Tb,lin /K | 900~1000 | 出口煅白温度 Tb,lout /K | 500 | |
入口CO2温度 Tc,lin /K | 400 | 出口CO2温度 Tc,lout /K | 600 | |
蓄热式加热炉 | CO2质量流量 qc,1 /(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,1/(kg/h) | 16000 |
入口CO2温度 Tc,xin /K | 600 | 出口CO2温度 Tc,xout /K | 1400~1600 | |
燃料消耗/(kg ce/(t 煅白)) | 140 | 燃烧产生和排放的CO2 /(kg/h) | 980 |
表3 稳定运行后CO2载热循环煅烧白云石(CaCO3·MgCO3)系统热平衡分析
Table 3 Thermal analysis of dolomite calcination system with CO2 looping and recovering (steady state)
区域 | 收入项 | 支出项 | ||
---|---|---|---|---|
参数 | 值 | 参数 | 值 | |
预热段 | 白云石质量流量 qb /(kg/h) | 5000 | 白云石质量流量 qb/(kg/h) | 5000 |
CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | |
入口白云石温度 Tb,yin/K | 300 | 出口白云石温度 Tb,yout/K | 900~1000 | |
入口CO2温度 Tc,yin/K | 900~1000 | 出口CO2温度 Tc,yout /K | 500 | |
白云石显热上升 Qb/(kJ/s) | 750 | |||
煅烧段 | 白云石质量流量 qb /(kg/h) | 5000 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 |
CO2质量流量 qc,1 /(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,3/(kg/h) | 18400 | |
入口白云石温度 Tb,din /K | 900 | 出口煅白温度 Tb,dout /K | 900~1000 | |
入口CO2温度 Tc,din/K | 1400~1600 | 出口CO2温度 Tc,dout /K | 900~1000 | |
白云石反应热 Qb,r/(kJ/s) | 2050 | 白云石分解产生CO2qc,2 /(kg/h) | 2400 | |
冷却段 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 | 煅白质量流量 qdb/(kg/h) | 2600 |
CO2质量流量 qc,1/(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,2 /(kg/h) | 16000 | |
入口煅白温度 Tb,lin /K | 900~1000 | 出口煅白温度 Tb,lout /K | 500 | |
入口CO2温度 Tc,lin /K | 400 | 出口CO2温度 Tc,lout /K | 600 | |
蓄热式加热炉 | CO2质量流量 qc,1 /(kg/h) | 16000 | CO2质量流量 qc,1/(kg/h) | 16000 |
入口CO2温度 Tc,xin /K | 600 | 出口CO2温度 Tc,xout /K | 1400~1600 | |
燃料消耗/(kg ce/(t 煅白)) | 140 | 燃烧产生和排放的CO2 /(kg/h) | 980 |
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