综合利用热能单元温度场焙烧竖窑
技术领域
本发明专利涉及一种块状物料焙烧用的竖窑,特别是一种用于焙烧区域大、高产能的焙烧石灰石、白云石、菱镁矿、铝矾土等块状物料的利于实现自动控制的综合利用热能单元温度场焙烧竖窑。
背景技术
近年来,本技术领域内各种类型的竖窑在结构和操作上有了很大的进步。如:竖窑由单膛发展到双膛结构(麦尔兹窑);燃烧器布置由周边设置发展到周边结合中心设置或顺料流设置;卸料结构由螺锥发展到托板结构;上料和卸料操作实现了机械化和自动化等。
目前,各种形式的竖窑普遍存在以下一些缺点:如焙烧区域大,其温度场内温度分布不均,不同区域物料煅烧程度差异大,质量不易控制;燃烧器分布不合理或喷出的燃料量不能精确控制,造成焙烧区温度局部偏高或偏低,产品生烧”(物料焙烧不完全)或“过烧”(物料焙烧过度)量增大,成品率降低;螺锥或托板卸料时料面下降不均或易出现“卡料”(物料与窑壁或卸料装置粘结,使上部物料难于下沉,即所谓的卡料)”现象等弊病,影响了竖窑热工制度的稳定;窑内预热、焙烧、冷却各环节均达不到精确控制的目的,影响了产品质量的提高和热耗的降低(即产品质量低、能耗高)等等。针对这些问题,本申请人曾设计出一种专利公开号为CN101382381和公告号为CN201293539Y的“整流多室煅烧竖窑”,公开了一种由竖窑外壳、喂料管、热风管、排风管、出料机构、一个集中均料仓、多个独立喂料管、多个独立煅烧室、一个集中多点冷却换热器,一个中心燃烧室、送风装置组成的竖窑。初步解决了焙烧区域大、卸料易卡的问题,但仍存在以下问题:
1设置的集中均料仓和多个独立喂料管共同完成料柱锁风(利用集中均料仓和喂料管内气体流速高,通风阻力大,实现锁风)的效果不理想。其受集中均料仓内物料储量和物料“离析”现象(物料进入集中均料仓后,大块物料分布在落点较远的位置,小物料分布在落点附近,形成分级现象,术语称“离析”。)的影响较大;
2设置在多个独立煅烧室内的X型物料通道和热烟气绕流用外烟道存在的主要缺陷如下:
1)X型物料通道对物料自由沉降有阻碍作用,在高温下受压易倒塌损坏;
2)烟气绕流用外烟道,散热损失大,降低了系统的热工效率;
3)热烟气绕流须用高温风机抽出和送入,对风机材料要求高,且易损坏;
3设置的中心燃烧室存在的缺陷如下:
1)不利于对每个独立煅烧室内高温气体排气量的控制,即不利于燃料燃烧产生的热量在每个煅烧室内“按需分配”;
2)不利于对每个独立煅烧室内物料的预热、焙烧过程进行精确调节,使预热、焙烧过程的可控性降低;
4从各独立煅烧室卸入冷却器内的物料堆积成不同的料层高度,造成阻力差异大,冷却气流穿过料层的风量分布不均,物料冷却效果均匀性较差;
5冷却器下部无锁风设备,且采用单点卸料方式,存在的缺陷如下:
1)卸料过程锁风效果差,易扬尘;
2)料面下降不均,影响冷却器内物料冷却效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合利用热能单元温度场焙烧竖窑,解决了现有竖窑普遍存在的产品质量低、热耗高等技术问题,与同类设备相比,其结构设计合理,物料分布、气流分布均匀;预热、焙烧、冷却过程可实现精确控制;各个单元温度场焙烧区域小,火焰喷射穿透力强、场内温度分布均匀,具有产品质量好、单机产能大、热耗低等优点。
本发明的目的是通过如下措施来达到:该综合利用热能单元温度场焙烧竖窑竖窑,包括加料仓、加料管、焙烧室和冷却室,其技术要点是:竖窑顶部设置环道分流加料仓,沿环道分流加料仓底部环道对称均匀分布的各卸料口分别与加料锁风管项端连接,各加料锁风管底端分别插入各自独立的单元温度场物料焙烧激活室的进料口;设置在单元温度场物料焙烧激活室上部的烟气通道通过控制烟气排出量的风量调节阀,每个单元温度场物料焙烧激活室沿高度方向从上向下依次是预热区、焙烧区;单元温度场物料焙烧激活室内设置设置至少一层单元温度场燃烧器,每层至少设置一个单元温度场燃烧器;从单元温度场物料焙烧激活室的底部引入经冷却换热升温后的二次助燃风;焙烧区的底部连通物料综合能量整合室;物料综合能量整合室底部卸料口通过物料扩散换热区与均衡气流强化冷却室连通,均衡气流强化冷却室设置中心冷却风帽和分室冷却风帽,均衡气流强化冷却室下部与卸料锁风装置连接。
在所述环道分流加料仓内内置分料锥和高、低料位器。
在所述加料锁风管上部设置加料控制器。
在所述单元温度场物料焙烧激活室的焙烧区或预热区或预热区和焙烧区内设置单元温度场燃烧器。
在所述单元温度场物料焙烧激活室的室内设置至少一个均衡温度转化装置。
每个所述单元温度场物料焙烧激活室上部内腔砌筑成上大、下小的喇叭口形的柱形体;具有分料和分流作用的所述均衡温度转化装置由空心固定梁、耐火材料层构成。
各所述单元温度场燃烧器分别与一次助燃空气接口、燃料接口的一端连接,各燃料接口的另一端与燃料供应系统连接,各一次助燃空气接口的另一端与助燃空气供风系统连接。
在所述物料综合能量整合室底部设置以液压为动力的倾斜布置的料流调节控制器。
在所述均衡气流强化冷却室内设置的中心冷却风帽与中心冷却风管道连接,分室冷却风帽与各分室冷却风管道连接,中心冷却风管道和各分室冷却风管道分别与冷却空气通道连接;中心冷却风帽和各分室冷却风帽采用伞形结构。
所述的卸料锁风装置由卸料锁风室、与卸料锁风室连通的底部带有卸料控制器的卸料锁风管和出料斗组成。
本发明具有的优点和积极效果是:由于本发明的顶部环道分流加料仓的各卸料口分别通过加料锁风管连接各自独立的单元温度场物料焙烧激活室的进料口;每室内设置至少一层单元温度场燃烧器,各室底部连通物料综合能量整合室并通过物料扩散换热区与均衡气流强化冷却室连通,设置中心冷却风帽和分室冷却风帽的均衡气流强化冷却室下部与卸料锁风管连接,所以与同类设备相比,其结构设计合理,物料分布、气流分布均匀;预热、焙烧、冷却过程可实现精确控制;各个单元温度场焙烧区域小,火焰喷射穿透力强、场内温度分布均匀,具有产品质量好、单机产能大、热耗低等优点。主要体现在:
1)环道分流加料仓的卸料口均匀分布于加料仓底部的环道内,有效地防止了物料离析现象和原料堵塞;通过控制加料仓内的存储量信号,可以实现加料过程的自动控制;
2)各加料锁风管底端分别插入各自独立的单元温度场物料焙烧激活室的进料口,故加料锁风管具有良好的锁风效果,解决了加料过程漏风对热耗的影响;每个加料锁风管仅控制一个单元温度场物料焙烧激活室的加料过程,最大程度的提高了每个焙烧单元内物料粒度分布的均匀性,解决了由于焙烧单元内物料粒度分布不均等原因对产品质量的影响;
3)竖窑的预热区、焙烧区被划分成若干个各自独立的单元温度场物料焙烧激活室,通过控制每个单元温度场物料焙烧激活室内的单元温度场燃烧器火焰喷射距离和焙烧区域,使每个焙烧单元焙烧区域小,火焰喷射距离短,穿透力强、场内温度分布均匀,且便于每个焙烧单元内预热焙烧过程的独立控制;
4)每个单元温度场物料焙烧激活室沿高度方向从上向下依次是预热区、焙烧区。每个单元温度场物料焙烧激活室内设置至少一层单元温度场燃烧器,每层至少设置一个单元温度场燃烧器,通过控制每个单元温度场物料焙烧激活室沿内燃烧器喷出的燃料量和一次空气量,使每个单元温度场物料焙烧激活室沿预热焙烧所需热量均可独立控制。每个单元温度场物料焙烧激活室沿内物料在预热区、焙烧区的停留时间均可独立控制。多个单元温度场物料焙烧激活室沿共同工作完成竖窑整体的预热和焙烧功能,且每个单元温度场物料焙烧激活室沿也可以独立工作完成本单元预热、焙烧功能;
5)在物料综合能量整合室卸料口和冷却室之间设有物料扩散换热区。从卸料器卸出的物料进入物料扩散换热区,立即呈松散状态,扩大了物料与冷却风接触的比表面积,大大地加快了物料的冷却速度,满足了“慢烧急冷”的工艺技术要求,产品质量大幅提高;
6)在物料扩散换热区下部设有均衡气流强化冷却室。经物料扩散换热区急冷后的物料进入均衡气流强化冷却室慢冷。均衡气流强化冷却室设有中心冷却风帽和若干个分室冷却风帽。冷却空气(冷风)通过多个冷却风帽喷出后均匀穿过热物料床层,冷却空气被加热后,引入单元温度场物料焙烧激活室作为二次助燃风;同时物料被冷却,达到了最大限度地利用余热,降低热耗的目的;
7)冷却室内设置的多个冷却风帽,提高了冷却空气在均衡气流强化冷却室内分布的均匀性和与高温物料接触的比表面积,达到提高均衡气流强化冷却室内热交换效率,从而降低热耗的目的;
8)均衡气流强化冷却室下部设置的多个卸料锁风管,解决了卸料过程中漏风和冷却室内气流分布不均对热耗的影响。提高冷却空气在均衡气流强化冷却室内分布的均匀性、与热物料接触的比表面积,达到提高均衡气流强化冷却室内的热交换效率的目的;
9)多个卸料锁风装置中的卸料锁风管下部设置的卸料控制器,实现了均衡气流强化冷却室内物料冷却时间的独立自动控制,即实现了冷却过程的独立控制;
10)通过对单元温度场物料焙烧激活室的预热、焙烧及均衡气流强化冷却室等环节的有效控制,可实现竖窑产量、质量的精确控制。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步描述。
图1是本发明的一种具体结构示意图。
图2是图1沿A-A线的剖视图。
图3是本发明的另一种具体结构示意图。
图4是图3沿B-B线的剖视图。
图中序号说明:1环道分流加料仓、2加料锁风管、3单元温度场物料焙烧激活室、4一次助燃空气接口、5燃料接口、6单元温度场燃烧器、7料流调节控制器、8物料综合能量整合室、9物料扩散换热区、10均衡气流强化冷却室、11冷却空气通道、12卸料控制器、13出料斗、14卸料锁风室、15分室冷却风帽、16中心冷却风帽、17焙烧区、18预热区、19烟气通道、20风量调节阀、21加料控制器、22 分料锥、23均衡温度转化装置、24固定梁、25耐火材料层。
具体实施方式
下面结合图1~4详细说明本发明的具体实施方式。该综合利用热能单元温度场焙烧竖窑包括加料仓、加料管、焙烧室和冷却室,其中设置在竖窑顶部的环道分流加料仓1的规格、形状应根据实际使用需要选择。环道分流加料仓1内设置分料锥22,使料仓内的物料通过分料锥22均匀分布于料仓壁与分料锥22之间的环道内,与各加料锁风管2分别连接的卸料口沿料仓底部的环道对称均匀分布。利用周边卸料方式,使料仓内的物料均匀分布于加料锁风管2的正上方。卸料口的尺寸一般采用大于粒径3倍为宜,以防止原料堵塞和“离析”现象发生;为控制物料的最佳存储量,在设置环道分流加料仓1内可以设置料位器,通过控制环道分流加料仓的存储量信号可实现仓内加料过程的自动控制。
连接环道分流加料仓1和各单元温度场物料焙烧激活室8之间的加料锁风管2上部设置加料控制器21,加料锁风管2的规格大小、形状应与环道分流加料仓1的卸料口的规格、形状相适应,并根据加料锁风管2内始终充满物料保证良好的锁风效果和单元温度场物料焙烧激活室3内料柱高度的需要,确定加料锁风管2的长度。由于每个加料锁风管2仅控制一个单元温度场物料焙烧激活室3的加料过程,所以最大程度的提高了每个单元温度场物料焙烧激活室3内物料粒度分布的均匀性,解决了由于物料粒度分布不均、加料过程漏风等原因对产品质量和热耗的影响。
竖窑的预热和焙烧区域被划分成多个独立的单元温度场物料焙烧激活室3,各室的规格、形状应根据需要和可能设置。每个单元温度场物料焙烧激活室3沿高度方向从上向下依次是预热区18、焙烧区17。各单元温度场物料焙烧激活室3的上部进料口分别连接加料锁风管2。设置在单元温度场物料焙烧激活室3上部的烟气通道19通过控制烟气排出量的风量调节阀20与排烟总管连通,控制热气体的排出量。单元温度场物料焙烧激活室3内设置至少一层单元温度场燃烧器6,每层至少设置一个单元温度场燃烧器6。根据需要还可以在单元温度场物料焙烧激活室3内设置至少一个均衡温度转化装置23,各单元温度场物料焙烧激活室3内分别铺设耐火材料隔热层,各单元温度场物料焙烧激活室3内上部预热区18内腔可以砌筑成略呈上大、下小的喇叭口形的柱体结构。热气流自下向上至喇叭口形区域流动上升时,热气流受惯性的影响向上穿过料层,有效地避免“边壁效应”(竖窑内气体的流动属于流体穿过散料层的运动,在散料层内部,气体的所经过的通道是曲折的,而边壁与物料接触,气体通道曲折较少,气体阻力较小,使边部气流较多,即通常所说的边壁效应)。通过耐火材料的隔热作用,使单元温度场物料焙烧激活室3壳体免受高温烟气的侵蚀。在提高单元温度场物料焙烧激活室3使用寿命的同时,降低其散热损失,提高单元温度场物料焙烧激活室3的热效率。
根据使用要求,为提高物料焙烧、预热的均匀性,可以在单元温度场物料焙烧激活室3的焙烧区17或预热区18或预热区18和焙烧区17内设置单元温度场燃烧器6,使火焰在穿透物料床层时,形成分布均匀的温度场,使物料得到了充分的焙烧、预热,降低了局部生烧和过烧现象,提高了产品质量。各单元温度场燃烧器6分别与一次助燃空气接口4、燃料接口5的一端连接,各燃料接口5的另一端都与燃料供应系统连接,各一次助燃空气接口4的另一端都与助燃空气供风系统连接。各单元温度场燃烧器6由燃料通道和一次助燃空气通道组成的套管结构,在燃烧器端部,设有燃料与一次助燃空气混合仓,混合仓内设有0~65°螺旋叶片。每个单元温度场物料焙烧激活室3可以独立工作,完成本单元物料的预热、焙烧。多个单元温度场物料焙烧激活室3共同工作,能够全面完成整体竖窑物料的预热和焙烧。物料预热、焙烧所需热量由单元温度场燃烧器6喷出的燃料燃烧产生的热气流提供,燃料燃烧所需的一次助燃空气从燃烧器的一次助燃空气接口4喷入,燃料燃烧所需的二次助燃风从单元温度场物料焙烧激活室3的底部引入。单元温度场物料焙烧激活室3内带有一定温度的热气流在与物料逆向流动接触过程中,使物料的活性分子在热气流的扩散、渗透作用下,越发活跃,潜在的势能逐步被激发活化,逐渐缩小物料内外温度差。每个单元温度场物料焙烧激活室3物料预热、焙烧所需热量,通过控制该室单元温度场燃烧器6喷入的一次助燃空气量和燃料量进行调节,因而可根据每个独立单元温度场物料焙烧激活室3内物料的预热、焙烧情况,相应调整该室的热量分布情况,以达到提高物料预热、焙烧过程可控性的目的。
根据实际需要,可以在单元温度场物料焙烧激活室3的预热区18或焙烧区17或预热区18和焙烧区17内设置均衡温度转化装置23。具有分料和分流作用的均衡温度转化装置23由固定梁24和耐火材料层25构成。物料流经均衡温度转化装置23两侧呈自然堆积,改善了焙烧区17或预热区18内的物料流动特性,提高了物料床层的孔隙率,降低了物料床层的通风阻力。热气体流经均衡温度转化装置23的两侧分流后逆向进入顺流的料层。应根据料床平面不同点处通风阻力的不同,设计均衡温度转化装置23的结构形状,使其既能达到平衡窑内的通风阻力,又能实现热气体在物料床层中均匀分布的目的。可以保证最大限度的消除物料的焙烧区17或预热区18内的物料受热不均的现象,调整大块物料内外温度差, 保证大块物料焙烧质量均衡。
各单元温度场物料焙烧激活室3的底部都与物料综合能量整合室8连通。物料综合能量整合室8是一个大型容积式空间,不设置任何零部件,是焙烧物料深化激活、综合能量整合的场所。高温物料经过激活整合后带有一定热量,物料中的活性分子潜在势能在物料综合能量整合室8静态的环境内得到继续深化整合,进一步调整均衡物料内外温度差。与此同时,从物料综合能量整合室8底部的卸料口引进的经冷却换热升温后的冷却空气,与激活整合后达到均衡质量的高温物料再次进行热量交换后,冷却空气的自身温度显著提高形成二次助燃风,从单元温度场物料焙烧激活室3的底部引入,提高了热能的综合利用。二次助燃风的引入量由单元温度场物料焙烧激活室3顶部的烟气通道19上的风量调节阀20进行控制。物料综合能量整合室8底部的卸料口设置以液压为动力的料流调节控制器7,为控制带有一定热量的高温物料从单元温度场物料焙烧激活室3的底部排出后,在匀速、动态的流动中进一步激活整合,均衡质量,同时更充分地与逆流而上的二次助燃风进行热量交换,倾斜设置的料流调节控制器7与液压站的控制电路连接,进行调速控制。料流调节控制器7的动力由集中液压站提供的12~20MPa的动力供给,推料量由液压站的控制电路控制。
在料流调节控制器7作用下,推入物料综合能量整合室8底部卸料口的物料,在物料扩散换热室9内呈松散自由沉降下落时,与逆流而上的经冷却室换热慢冷的冷却空气相遇,因物料的接触面积大,传热速率快,故迅速提高了进入物料综合能量整合室8内的冷却空气温度和降低了进入冷却室内物料的温度,达到了急冷和最大限度地利用余热的效果。经物料扩散换热室9急冷后的物料进入均衡气流强化冷却室10慢冷。均衡气流强化冷却室10设有与中心冷却风管道连接的中心冷却风帽16和多个与分室冷却风管道连接的分室冷却风帽15。中心冷却风管道和各分室冷却风管道分别与冷却空气通道11连接。冷却空气通道11提供的冷却空气通过中心冷却风帽16和多个分室冷却风帽15喷出后,均匀穿过经急冷后的物料床层,冷却空气被换热升温后,从物料综合能量整合室8底部的卸料口引入,被带有一定热量的高温物料换热形成二次助燃风;均衡气流强化冷却室下部与卸料锁风装置连接,该卸料锁风装置由卸料锁风室14、与卸料锁风室14连通的底部带有卸料控制器12的卸料锁风管和出料斗13组成。被冷却的物料排入带有卸料锁风管的卸料锁风室14,再由底部带有卸料控制器12的卸料锁风管经出料斗13卸料,达到了进一步地利用余热的目的。其中卸料锁风室14、卸料锁风管、中心冷却风帽16和分室冷却风帽15的规格、形状、数量,应根据均衡气流强化冷却室10的截面积确定。本实施例的中心冷却风帽16和各分室冷却风帽15均采用伞形结构。均衡气流强化冷却室10下部与各卸料锁风室14的连接接口,采用大面积接口和逐渐收缩结构。大面积接口扩大了每个卸料锁风管的卸料面积,保证了物料均匀沉降,提高冷却空气在均衡气流强化冷却室10内分布的均匀性,扩大了与热物料接触的比表面积。同时,利用底部带有卸料控制器12的卸料锁风管下部较小截面积的柱体结构,提高其锁风效果,实现了卸料过程的锁风和促进物料均匀沉降的目的。
应用以PLC可编程控制模块为中心的竖窑自适应控制系统,进行常规的控制和智能管理。冷却室内卸料速度和启、停是通过均衡气流强化冷却室10内物料的存储量的料位器的上、下限信号进行控制的。当物料抵达存储量上限时,启动卸料控制器12或加大卸料速度;当物料抵达存储量下限时,停止卸料或降低卸料速度,可以实现均衡气流强化冷却室10卸出物料过程中物料床层高度,即物料冷却时间的自动控制。当设定的给定值改变时,自适应控制系统准确快速的进行机外自动编程解码,实现不同的控制方案。可以通过系统的PLC控制加料、卸料、助燃空气进气量、控制烟气管道上的排气量,各燃烧器燃料量,实现竖窑产量、质量的精确控制。