CN102786035A - 一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法及装置，属于工业固体废弃物再利用领域，采用低温端二级旋风预热器与高温端双室逆流换热器相结合的预热器系统，将窑尾烟室温度控制在700℃～750℃，煅烧过程的预热过程在预热器系统中进行，而分解反应在窑内进行。第二级旋风预热器的出料口通过可切换的管路分别与双室逆流换热器的入料口，以及窑尾烟室连通。本发明克服了现有干法中空窑体积庞大、煅烧能耗高、产量低的弊端；同时也克服了现有多级旋风预热器窑系统控制复杂，单级换热效率低，装备构造设计落后的弱点；煅烧过程能分区发挥最大效能，简化了系统配置和生产控制，使能源利用更合理有效，同时减少系统投资。

Description

一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法及装置

技术领域

本发明属于工业固体废弃物再利用领域，尤其涉及工业副产石膏回收制水泥联产硫酸。

背景技术

用工业副产石膏制水泥联产硫酸是利用工业副产石膏（包括磷石膏、盐石膏、脱硫石膏等）代替石灰质原料制成水泥生料，经煅烧将石膏的主要成分硫酸钙（CaSO₄）分解产生氧化钙（CaO）和二氧化硫（SO₂），通过与其它原料配合煅烧形成水泥熟料和含一定浓度的二氧化硫气体，气体中二氧化硫浓度达到一定比例满足制取硫酸的要求可用于制取硫酸。

现有煅烧技术多数采用干法中空窑煅烧，物料煅烧的所有反应过程都在堆积状态下进行，致使热交换效率低，窑体体积大，产量低，热耗高；另有少数采用了旋风预热器窑煅烧，甚至预热器级数达到四级，但这种多级预热器并没有改变工业副产石膏的分解特性，分解反应仍需要在窑内进行，而且由于预热的温度区间并没有实质性改变，预热器级数太多反而使每一级的换热效率下降，布置空间增加，投资高，此外工艺参数控制点多，甚至容易使焦炭还原剂提前燃烧，影响后续的分解反应，也使系统的控制更加复杂化。有些甚至提出在预热器中进行部分分解反应，但因硫酸钙分解吸热反应所需热量比碳酸钙增加了约40%，而且需要还原气氛促进分解，可补充热量需要氧化气氛，预热器本身没有补热措施，导致反应更加难以控制，反而造成能耗浪费和运转率降低。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法及装置，克服现有干法中空窑体积庞大、煅烧能耗高、产量低的弊端；同时也克服现有多级旋风预热器窑系统控制复杂，单级换热效率低，装备构造设计落后的弱点；使得煅烧过程能分区发挥最大效能，简化了系统配置和生产控制，使能源利用更合理有效，同时减少系统投资。

工业副产石膏制成的生料分解反应的特点是分解吸热大，热耗高，分解温度高，必须有还原剂（如焦炭），若无还原剂，即使将其加热到1400℃以上产生熔融也无明显分解；还有就是分解机制复杂，有中间产物硫化钙（CaS）产生，甚至在中性气氛下发生副反应生成单质硫（S₂）。中间产物会降低气体的二氧化硫浓度，更对水泥熟料矿物形成产生不利影响，单质硫还可导致制酸系统设备堵塞。因此，煅烧过程中必须同时控制好分解率和脱硫率，还必须控制好煅烧气氛，才能达到好的效果。

由于干法中空窑本身存在较大弱点，很多研究都试图把预热和部分分解移到窑外进行，但本申请发明人经过深入研究，得出：预热过程在窑外进行是可行的，但分解反应必须控制在窑内，曾经有采用循环流化床在窑外进行分解的研究，因其效果不佳，也未取得突破。因为，如果分解反应在预热器中开始进行，吸热反应就会使温度降低，还原气氛会促进硫酸钙分解，但中间产物也会增加，脱硫率降低，但补燃增加热量却又需要氧化气氛，因此这样的反应机制实际上很难在悬浮预热器中进行，所以，将分解反应控制在回转窑内是关键。因此，最现实有效的煅烧方案就是使预热过程在预热器中进行，分解反应入窑进行，将部分分解移至窑外进行实际上是不现实的。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法：采用低温端二级旋风预热器与高温端双室逆流换热器相结合的预热器系统，将窑尾烟室温度控制在700℃～750℃，煅烧过程的预热过程在预热器系统中进行，而分解反应在窑内进行；所述双室逆流换热器经窑尾烟室连通至回转窑。

上述方案中，通过预热器系统将窑尾烟室中的温度控制在700℃～750℃，避开分解温度，避免分解在预热器系统中进行，确保煅烧过程的预热过程控制在预热器系统中进行，而分解反应严格控制在窑内进行。

作为优选方式，所述二级旋风预热器的第二级旋风预热器的出料口通过可切换的管路分别与所述双室逆流换热器的入料口，以及所述窑尾烟室连通。

作为优选方式，生料中还原剂焦炭的细度控制在100μm以上。

上述方案中，生料中焦炭的细度控制在100μm以上，减少焦炭提前燃烧而影响分解反应。因为本发明申请人得出，焦炭的初始反应温度与其细度有明显关系，在悬浮状态下焦炭细度粗，反应温度高，因此要将焦炭细度控制在预热器系统中不反应的限值，保证后续的分解反应有充足的还原剂，并确保分解反应和还原剂（焦炭）燃烧严格控制在窑内进行。

一种上述工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，所述二级旋风预热器由第一、二级旋风预热器连通组成，所述第一、二级旋风预热器均设有上出口、下出口和侧入口；所述双室逆流换热器设有上出口、上入口和下出口，其下出口与所述窑尾烟室连通；所述第二级旋风预热器的上出口与第一级旋风预热器的侧入口通过风管连通，该风管上设有入料点，所述第二级旋风预热器的下出口通过可切换的风管分别与与所述双室逆流换热器的上入口，以及所述窑尾烟室连通；所述第一级旋风预热器的下出口通过风管连通至所述双室逆流换热器的上出口至第二级旋风预热器的侧入口之间的风管上。

上述方案中，第二级旋风预热器可切换至双室逆流换热器或窑尾烟室，使得本预热器系统具备可以有效控制调节窑尾烟室温度的手段，确保窑尾烟室温度处于700℃～750℃，避免分解在预热器系统中进行，确保煅烧过程的预热过程控制在预热器系统中进行，而分解反应严格控制在窑内进行，也具备了可以根据预热情况变化切换为二级预热器的方案；此外，高温端采用逆流换热器，与三级旋风预热器或四级旋风预热器相比，逆流换热器对物料的粘堵适应性优于旋风预热器，即便是控制不当或出现了少量粘堵情况，逆流换热器可以照常生产，其生产更为可靠，而旋风预热器一旦出现粘堵，就会影响生产。

作为优选方式，所述双室逆流换热器其上设有缩口，且缩口一侧壁的开口宽度及缩进深度均大于相对另一侧壁，所述双室逆流换热器的上入口偏离双室逆流换热器的轴线、位于缩口缩进量（即开口宽度及缩进深度）大的一侧，并朝缩口缩进量小的一侧倾斜入料；所述双室逆流换热器的上、下出口位于双室逆流换热器的轴线上；所述双室逆流换热器的缩口上方还设有撒料锥，所述撒料锥中心偏离双室逆流换热器的轴线、偏向缩口缩进量小的一侧。作为优选方式，所述缩口上部为变斜度的斜坡，自上而下锥角逐渐增大，形成近似于双曲面形状的锥口，所述缩口下部为锥形结构。

上述方案中，独特结构的缩口形式以及特定的物料、气流出入口位置分布，进入换热器的物料与气流入口偏心结构促使气料混合，提高换热效率；为强化换热器核心区域固气相间换热效果，防止物料塌落短路，在缩口上部设置了偏心的撒料锥，使部分核心区域的气流分流至边部区域而形成一个准核心区，加强换热器边部物料换热，延长了物料在核心区域的停留时间，从而加强了气固换热效果；缩口上部双曲面形状的锥口有助于粉料下滑；缩口下部采用锥形结构，消除了死角引起的流体阻力增大，对气流起到导向作用。

作为优选方式，所述与第一、二级旋风预热器相连的风管为变径风管。作为优选方式，所述变径风管为管路上设有缩口的风管。 

上述方案中，变径风管可形成气流“脉动”，可避免低风速时物料短路，增强了物料分散和气固间换热，因此相比现有技术预热器级数可大大减少。

作为优选方式，所述第一、二级旋风预热器的侧入口为下切角形进风口，进风口切角角度与第一、二级旋风预热器的蜗壳下沿光滑连接。

上述方案中，进风口切角顺应旋风预热器内气流向下倾斜流动的需要，避免了进口水平段的积料现象。

工作过程为：用工业副产石膏与其它辅助原料配制的水泥生料加入细度在100μm以上的焦炭等还原剂混合组成成分均匀的物料从入料点加入到预热器系统的第二级旋风预热器至第一级旋风预热器之间的风管中，物料随气流进入第一级旋风预热器，气流分离出含符合生产硫酸要求浓度的二氧化硫的气体排出，分离的固体物料进入双室逆流换热器至第二级旋风预热器之间的风管中，物料随气流进入第二级旋风预热器，重复上述分离过程，分离的气体进入第一级旋风预热器，固体物料则进入双室逆流换热器的入口，在双室逆流换热器内与热气体进行逆流热交换，然后经过窑尾烟室进入回转窑内。同时，第二级旋风预热器分离的固体物料还可以切换直接进入窑尾烟室再进入回转窑，此时不经过双室逆流换热器，以此起到控制调节窑尾烟室中的温度，确保温度处于700℃～750℃，避免分解在预热器系统中进行，确保煅烧过程的预热过程控制在预热器系统中进行，而分解反应严格控制在窑内进行。

本发明的有益效果：

1、为工业副产石膏制水泥联产硫酸提供了实用且新颖的煅烧方法及装置，使煅烧过程能分区发挥最大效能，简化了系统配置和生产控制，使能源利用更合理有效，同时减少系统投资。

2、克服了现有干法中空窑体积庞大、煅烧能耗高、产量低的弊端；同时也克服了现有多级旋风预热器窑系统控制复杂，单级换热效率低，装备构造设计落后的弱点。

附图说明

图1是本发明实施例的装置流程示意图；

图2是本发明实施例的第一级旋风预热器的结构示意图；

图3是图2的俯视示意图；

图4是本发明实施例的第二级旋风预热器的结构示意图；

图5是图4的剖视示意图；

图6是本发明实施例的双室逆流换热器的结构示意图；

其中1-第一级旋风预热器，2-第二级旋风预热器，3-双室逆流换热器，4-窑尾烟室，5-回转窑，6-缩口，7-撒料锥。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法，采用低温端二级旋风预热器与高温端双室逆流换热器3相结合的预热器系统，将窑尾烟室4温度控制在700℃～750℃，煅烧过程的预热过程在预热器系统中进行，而分解反应在窑内进行；双室逆流换热器3经窑尾烟室4连通至回转窑5。二级旋风预热器的第二级旋风预热器2的出料口（即下出口）通过可切换的管路分别与双室逆流换热器3的入料口（即上入口），以及窑尾烟室4连通。生料中还原剂焦炭的细度控制在100μm以上。

如图1至6所示，上述工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，二级旋风预热器由第一、二级旋风预热器1、2连通组成，第一、二级旋风预热器1、2采用三心270°包角蜗壳（见图3、图5），气流平缓旋流入筒内，导引涡壳内分离的物料在气流带动下沿壳涡贴壁下滑至筒体和锥体，因而降低了阻力损失，提高了分离效率，其热态阻力低于750Pa，具有明显低阻特性。第一、二级旋风预热器1、2均设有上出口（顶部气流出口）、下出口（底部物料出口）和侧入口（侧面气、料入口），第一、二级旋风预热器1、2的侧入口为下切角形进风口，进风口切角角度（如图2、4所示，优选50°角）与第一、二级旋风预热器1、2的蜗壳下沿光滑连接；双室逆流换热器3设有上出口（顶部气流出口）、上入口（顶侧物料入口）和下出口（底部物料出口），其下出口与窑尾烟室4连通；第二级旋风预热器2的上出口与第一级旋风预热器1的侧入口通过风管连通，该风管上设有入料点，第二级旋风预热器2的下出口通过可切换的风管分别与与双室逆流换热器3的上入口，以及窑尾烟室4连通；第一级旋风预热器1的下出口通过风管连通至双室逆流换热器3的上出口至第二级旋风预热器2的侧入口之间的风管上。前述与第一、二级旋风预热器1、2相连的风管为变径风管。变径风管为管路上设有缩口的风管。双室逆流换热器3其上设有缩口6，且缩口6一侧壁的开口宽度及缩进深度均大于相对另一侧壁，双室逆流换热器3的上入口偏离双室逆流换热器3的轴线、位于缩口6缩进量（开口宽度及缩进深度）大的一侧，并朝缩口6缩进量小的一侧倾斜入料；双室逆流换热器3的上、下出口位于双室逆流换热器3的轴线上；双室逆流换热器3的缩口6上方还设有撒料锥7，撒料锥7中心偏离双室逆流换热器3的轴线、偏向缩口6缩进量小的一侧。缩口6上部为变斜度的斜坡，自上而下锥角逐渐增大，形成近似于双曲面形状的锥口，缩口6下部为锥形结构。

工作过程为：用工业副产石膏与其它辅助原料配制的水泥生料加入细度在100μm以上的焦炭等还原剂混合组成成分均匀的物料从入料点加入到预热器系统的第二级旋风预热器2至第一级旋风预热器1之间的风管中，物料随第二级旋风预热器2上出口的气流进入第一级旋风预热器1，气流分离出含符合生产硫酸要求浓度的二氧化硫的气体从第一级旋风预热器1上出口排出，分离的固体物料进入双室逆流换热器3至第二级旋风预热器2之间的风管中，物料随双室逆流换热器3上出口的气流进入第二级旋风预热器2，重复上述分离过程，分离的气体进入第一级旋风预热器1，固体物料则进入双室逆流换热器3的上入口，在双室逆流换热器3内与热气体进行逆流热交换，然后经过窑尾烟室4进入回转窑5内。同时，第二级旋风预热器2分离的固体物料还可以切换直接进入窑尾烟室4再进入回转窑5，此时不经过双室逆流换热器3，以此起到控制调节窑尾烟室4中的温度，确保温度处于700℃～750℃，避免分解在预热器系统中进行，确保煅烧过程的预热过程控制在预热器系统中进行，而分解反应严格控制在窑内进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法，其特征在于：采用低温端二级旋风预热器与高温端双室逆流换热器相结合的预热器系统，将窑尾烟室温度控制在700℃～750℃，煅烧过程的预热过程在预热器系统中进行，而分解反应在窑内进行；所述双室逆流换热器经窑尾烟室连通至回转窑。

2.如权利要求1所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法，其特征在于：所述二级旋风预热器的第二级旋风预热器的出料口通过可切换的管路分别与所述双室逆流换热器的入料口，以及所述窑尾烟室连通。

3.如权利要求1或2所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法，其特征在于：生料中还原剂焦炭的细度控制在100μm以上。

4.一种权利要求1所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述二级旋风预热器由第一、二级旋风预热器连通组成，所述第一、二级旋风预热器均设有上出口、下出口和侧入口；所述双室逆流换热器设有上出口、上入口和下出口，其下出口与所述窑尾烟室连通；所述第二级旋风预热器的上出口与第一级旋风预热器的侧入口通过风管连通，该风管上设有入料点，所述第二级旋风预热器的下出口通过可切换的风管分别与与所述双室逆流换热器的上入口，以及所述窑尾烟室连通；所述第一级旋风预热器的下出口通过风管连通至所述双室逆流换热器的上出口至第二级旋风预热器的侧入口之间的风管上。

5.如权利要求4所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述双室逆流换热器其上设有缩口，且缩口一侧壁的开口宽度及缩进深度均大于相对另一侧壁，所述双室逆流换热器的上入口偏离双室逆流换热器的轴线、位于缩口缩进量大的一侧，并朝缩口缩进量小的一侧倾斜入料；所述双室逆流换热器的上、下出口位于双室逆流换热器的轴线上；所述双室逆流换热器的缩口上方还设有撒料锥，所述撒料锥中心偏离双室逆流换热器的轴线、偏向缩口缩进量小的一侧。

6.如权利要求5所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述缩口上部为变斜度的斜坡，自上而下锥角逐渐增大，形成近似于双曲面形状的锥口，所述缩口下部为锥形结构。

7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述与第一、二级旋风预热器相连的风管为变径风管。

8.如权利要求7所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述变径风管为管路上设有缩口的风管。

9.如权利要求4至6中任一权利要求所述的工业副产石膏制水泥联产硫酸的煅烧方法的预热器系统，其特征在于：所述第一、二级旋风预热器的侧入口为下切角形进风口，进风口切角角度与第一、二级旋风预热器的蜗壳下沿光滑连接。

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