CN102649630A - 水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置和收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，包括气体混合室、旋风筒、收集室，所述气体混合室设有气体进口，第一风管用于将气体混合室的一端与预热器中的多级旋风筒的连接风管连接，气体混合室的另一端通过第二风管与旋风筒连接，旋风筒的顶部设有气体出口，旋风筒的底部与收集室连接。本发明还涉及采用该装置收集稀有元素的方法。（1）借助水泥生产过程中的工艺特点，将所需元素进行浓缩收集，工艺过程简单，不需要单独进行矿石开采，成本低；（2）收集过程中无废料废弃物排出，不会对环保带来新的污染源；（3）本发明在在不妨碍水泥质量的同时将稀有元素浓缩收集，充分利用了资源。
Description
技术领域
本发明属于一种新型干法水泥生产系统，尤其涉及一种水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，本发明还涉及采用该装置收集稀有元素的方法。
背景技术
随着工业技术的不断进步，一些稀有元素在功能性材料合成、改性和提高效率方面发挥着重要的作用，尤其在材料、冶金、化工等领域中发挥着重要的作用。随着电子工业、材料工业、军事国防业的发展，其需求量不断加大。而且有些稀有元素具有一定的战略意义，然而这些元素往往在自然界中的含量较低（ppm级），甚至有些更低。如果通过一些富含矿物开采和提炼，其生产成本较高，环境代价也较大。
而水泥生产过程中使用到大量的物料，而且这些物料随着自然界成矿区域和年代的不同，水泥生产所用的矿物原、燃料中也富含了一定量稀有元素（如：锶、钒、铟、铊等）等（10~800ppm），其中一些稀有元素及其化合物的熔点和沸点温度在823K～1623K之间，具体数据见表1，稀有元素A一般在水泥生产的物料中，常以固体复合矿物A(B)n的形式存在，其中B是矿物基团。
表1 部分稀有元素及其化合物的物化参数
| 类别 | 物质 | 熔点(k) | 沸点(k) | 纯物质价格（元/千克） |
| 锶Sr | SrCl2;SrBr2;SrI2;Sr(OH)2;SrCO3 | 808~1197 | 1445~2273 | 100 |
| 铷Rb | RbCl | 988 | 1654 | - |
| 钒V | VF3 ;VCl2 | 1400 | 1900 | 2500 |
| 镓Ga | GaCl; | 725 | 1125 | 2400 |
| 镍Ni | NiCl2 ;NiBr2 | 1192~1260 | 1192~1260 | 129 |
| 锗Ge | GeCl2;GeO;GeS;GeSe | 700~983 | 975~1125 | 2800 |
| 铯Cs | CsI | 894 | 1553 | 2000 |
| 铟In | InBr;InI;In2O | 558~638 | 800~1091 | 3600 |
| 铷Rb | Rb | 313 | 961 | - |
| 锑Sb | SbCl3;SbBr3;SbI3 | 346~444 | 493~673 | 72 |
| 铊Tl | TlF3;TlI | 715~1140 | 1082~1700 | 7000 |
| 钫Fr | Fr | 300 | 950 | - |
| 钐Sm | Sm | 1345 | 2064 | 40000 |
| 铕Eu | Eu | 1095 | 1870 | 6500 |
| 铥Tm | Tm | 1818 | 2220 | 24000 |
| 镱Yb | Yb | 1097 | 1467 | 8000 |
在水泥熟料烧成预热预分解系统中，气固两相流以逆流方式运动，其中固相物料经历了由低温（333 K）到高温（固相1723K）再由高温到低温（363 K）温度连续渐变的过程，其气相也经历了由低温（333 K）到高温（2473K）再由高温到低温（573 K）的过程，在此过程中用于煅烧水泥的物料及其含稀有元素构成的物质发生了一系列物理化学变化，尤其是物理形态上的变化，当该物质A(B)n随水泥生料被加热到稀有元素A的熔点时，升高温度稀有元素A开始由固态变成液态，继续升温，加热到稀有元素A的沸点时，升高温度稀有元素A开始由液态变成气态，进入气相中；降温，当温度降低到熔点时随着温度的降低稀有元素A开始凝固。
由生料中的固体复合矿物A(B)n带入的稀有元素A有部分被废烟气带出，因窑尾废烟气温度高（1373K左右），这部分稀有元素A并不会在窑尾冷凝富集，而会被废烟气带走，被烟气带走后， 稀有元素A在多级预热器旋风筒的合适部位（如三极、四级和入窑生料管道），由于温度较低而冷凝，随着生料沉集又一次入窑；如此循环、稀有元素A会在预热器内循环富集。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将水泥生产过程中的稀有元素收集的装置，该装置将水泥窑外预分解窑中的预热器内循环富集的稀有元素收集，方法简单、成本低，在不妨碍水泥质量的同时将稀有元素收集，充分利用了资源。
本发明的具体技术方案如下：
一种水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，包括气体混合室、旋风筒、收集室，所述气体混合室设有气体进口，第一风管用于将气体混合室的一端与预热器中的多级旋风筒的连接风管连接，气体混合室的另一端通过第二风管与旋风筒连接，旋风筒的顶部设有气体出口，旋风筒的底部与收集室连接。
将第一风管与预热器的出风管连接，从预热器的出风管上引出部分富集稀有元素的废烟气，收集稀有元素。
旋风筒顶部的气体出口与废气处理系统连接，所述的废气处理系统包括引风机。
采用上述装置在水泥预热预分解过程中收集稀有元素的方法，从预热器中的多级旋风筒的连接风管中引出不大于连接风管中气体总体积50%的气体，经降温后气体中的稀有元素冷凝，收集冷凝后的固体，剩余气体排出。
所述气体的降温采用与冷空气混合的方式。
在既能收集稀有元素A又能够尽量减少热损耗的情况下，引出部分的气体不宜太多，以占总体积的30%为宜。
本发明具有如下优点：
（1）借助水泥生产过程中的工艺特点，将所需元素进行浓缩收集，工艺过程简单，不需要单独进行矿石开采，成本低；
（2）收集过程中无废料废弃物排出，不会对环保带来新的污染源；
（3）本发明在在不妨碍水泥质量的同时将稀有元素浓缩收集，充分利用了资源。
附图说明
图1为本发明的水泥窑外预分解窑尾系统结构示意图；
图2为本发明的水泥生产过程中稀有元素的收集装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参见图1，水泥窑外预分解窑尾系统包括预热器1，与预热器1连接的回转窑2、与回转窑2连接的冷却机3，预热器1包括多级旋风筒、连接风管和分解炉12，多级旋风筒自上而下依次为一级旋风筒4、二级旋风筒5、三级旋风筒6、四级旋风筒7和五级旋风筒8，多级旋风筒的各个旋风筒之间由连接风管串联连接，连接风管包括出风管和进风管，如与四级旋风筒7连接的连接风管包括进风管10和出风管9，五级旋风筒8通过连接风管11与分解炉12连接。
参见图2，本发明的水泥窑外预分解窑中稀有元素收集装置，包括气体混合室15、旋风筒19、收集室17，气体混合室15设有气体进口14，第一风管13将气体混合室15与预热器1中的多级旋风筒的连接风管连接，优选的与四级旋风筒7的出风管9连接，第一风管13与四级旋风筒7的出风管9连接方式为：在出风管9上设孔，将第一风管13插入孔中即可；第二风管16将气体混合室15与旋风筒19连接，旋风筒19的底部与收集室17连接，旋风筒19的顶部设有气体出口18，气体出口18与废气处理系统20连接，所述的废气处理系统20包括引风机，引风机上设有阀门，该阀门用于控制从多级旋风筒的连接风管中引出的气体的量。
水泥窑外预分解窑尾系统生产水泥熟料的过程中，由生料中的固体复合矿物A(B)n带入的稀有元素A有部分被废烟气带出，因窑内废烟气温度高（1373K左右），这部分稀有元素A并不会在窑内冷凝富集，而会被废烟气带走，被烟气带走后， 稀有元素A在多级旋风筒的合适部位（如三极、四级和入窑连接管道），由于温度较低而冷凝，随着生料沉集又一次入窑；如此循环、稀有元素A会在预热器内循环富集。由于水泥窑外预分解窑尾系统中废烟气在各级旋风筒中的进出口温度大概为，一级旋风筒4气体入口约643K，气体出口约583K；二级旋风筒5气体入口约733K，气体出口约673K；三级旋风筒6气体入口约873K，气体出口约813K；四级旋风筒7气体入口约1033K，气体出口约973K；五级旋风筒8气体入口约1173K，气体出口约1113K。例如生料中的一些稀有元素及其化合物的熔点和沸点温度在823K～1623K之间，在多级旋风筒的连接管道内废烟气的温度高于稀有元素A的沸点时，稀有元素A以气体的形式存在于废烟气中，从预热器中的多级旋风筒的连接风管中引出不大于连接风管中气体总体积50%的气体，经冷空气降温后气体中的稀有元素A冷凝，通入的冷空气的量以使气体中有固体凝固即可，收集冷凝后的固体，剩余气体排出。
第一风管13与多级旋风筒的连接风管的连接点的选取，通常应考虑以下几个方面，一是需要收集的稀有元素A，如果该稀有元素A的沸点为T,则第一风管13与多级旋风筒的连接风管连接处的废烟气的温度应该高于T；二是在满足上述条件下，尽量选择温度低一些的地方，因为从温度高的地方引出气体，即使是较小的一部分，对整个系统的热损耗比较大，可能会对生料的热交换产生影响；三是如果稀有元素A的的沸点T较高时，从较高温度的废烟气中抽出的气体量不宜太多，以使生料的预热能够顺利完成，保证水泥的质量。
五级旋风筒8与分解炉12的连接风管11以及五级旋风筒的出风管中的气体温度较高，从既能收集稀有元素A又能够尽量减少热损耗考虑，本发明优选从四级旋风筒7的出风管9中引出占连接风管中气体总体积30%的气体，该部分气体与气体混合室15中的气体进口14通入的冷空气混合，通入的冷空气的量以使气体中有固体凝固即可，经降温后气体中沸点在823K～973K之间的稀有元素A冷凝，收集冷凝后的固体，剩余的低温稀窑气经旋风筒19顶部的气体出口18排出后进入废气处理系统。
当然，以上仅是本发明的应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，其特征在于包括气体混合室、旋风筒、收集室，所述气体混合室设有气体进口，第一风管用于将气体混合室的一端与预热器中的多级旋风筒的连接风管连接，气体混合室的另一端通过第二风管与旋风筒连接，旋风筒的顶部设有气体出口，旋风筒的底部与收集室连接。
2.根据权利要求1所述的水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，其特征在于第一风管与四级旋风筒的出风管连接。
3.根据权利要求1或2所述的水泥窑外预分解窑中稀有元素的收集装置，其特征在于旋风筒顶部的气体出口与废气处理系统连接，所述的废气处理系统包括引风机。
4.采用权利要求1或2或3所述装置在水泥预热预分解过程中收集稀有元素的方法，其特征在于从预热器中的多级旋风筒的连接风管中引出不大于连接风管中气体总体积50%的气体，经降温后气体中的稀有元素冷凝，收集冷凝后的固体，剩余气体排出。
5.根据权利要求4所述的水泥生产过程中稀有元素的收集方法，其特征在于气体的降温采用与冷空气混合的方式。
6.根据权利要求4或5所述的水泥生产过程中稀有元素的收集方法，其特征在于引出部分气体占总体积的30%。
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