CN103459963B - 用于生产水泥熟料的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产水泥熟料的工艺和设备，该工艺和设备具有窑炉系统和下述主要工序：生料在预热器中通过窑炉系统排放的热废气预热，在该预热器的下游在初步除尘装置中去除热废气的粉尘，使残留粉尘浓度最多20g／标准立方米，-经过初级除尘的废气在选择性催化废气净化装置(选择性催化还原，SCR)中被净化，-至少部分经过废气净化装置净化的废气通过环绕生料粉磨设备的支路输送至冷却设备，并且在那里被冷却至最高140℃的温度，-在该废气中的残留粉尘在工艺过滤器沉淀以前和-至少部分在工艺过滤器中沉淀的残留粉尘被排出以去除其中的汞。

Description

用于生产水泥熟料的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种生产水泥熟料的方法和设备。
背景技术
水泥熟料生产期间，汞主要以气态排放到环境中。元素汞和汞(II)氯化物是主要种类。后者是可溶于水的并且在食品中高浓度残留，特别是在鱼肉中。然后通过食物被人体所吸收。由于其高度的毒性，相当大的健康风险与其相关。监管机构因此限制水泥制造厂商，日益严格可允许排放界限值。其它对人或环境有害的物质如二恶英(PCDD)，呋喃(PCDF)，长链烃化合物(VOC)和氮氧化物(NOx)的可允许的排放界限值也同样降低。
在US5,505,766A1中描述了一种用于减少汞排放的方法并且被命名为TOXECON。在所述方法中，一种主要包含碳的多孔颗粒状吸附剂(在下面其被称为活性碳)以低浓度注入包含汞的废气流中。汞沉积在活性碳颗粒上，然后在过滤器中被分离。在水泥生产过程中，废气流同样包含燃烧或者研磨工序中的废气粉尘是不利的，该粉尘主要由钙,铁，铝和二氧化硅或者碳酸盐组成并且具有大于本吸附剂几个数量级的质量流。因此，该吸附剂被注入到通常已知的水泥生产设备的工艺过滤器的下游，并且需要额外的用于分离的过滤器。然而，该过滤器非常大，需要高成本投资，需要额外的抽吸风机和与此相关的能量消耗，而且现有设备中很少具有该装置所需的空间。
该方法的改进记述在US7,141,091B2中并且命名为TOXECONII。在这种方法中，吸附剂被注入到位于上游的过滤器部分和位于下游的过滤器部分之间。位于上游的过滤器部分中分离的粉尘不与该吸附剂沾染，同时在位于下游的过滤器部分中残留粉尘与吸附剂混合。该方法不需要额外的过滤器。但是相对于工艺粉尘的量，吸附剂的质量流仍然存在巨大的差距，而且该工艺的效率不如TOXECON方法。
在两种方法中出现的粉尘必须或者被丢弃或者能够作为填料添加到水泥的研磨操作中。然而，由于其包含碳，所述的添加受到限制。特别严重的是即使添加非常小的比例，该活性碳的黑色颜色影响都能够被看到。
EP1386655A1公开了溴或者含溴化合物的添加。元素态的汞与溴形成比元素状态更容易分离的溴化汞。该水泥熟料的生产过程的缺点是卤素的添加，该卤素在粗磨磨机或者过滤器和预热器之间形成回路并且从而进一步富集，并且对生产过程具有不利的影响。被溴化汞沾染的粉尘必须被冲洗出来并且随后处理或者丢弃。
根据随后公开的DE102010004011B3得知一种生产水泥熟料的方法和设备，用于从该水泥生产过程的废气中分离氮氧化物和汞，在选择性催化废气清洁工序之前，热的预热器气体在粉尘含量方面减少。在直接操作工序过程中，在该脱氮并且除尘的废气被导入汞清洗机或者吸收体之前，该废气经由冷却塔供应到粉尘过滤器。
EP0461305B1记述一种对用于生产水泥熟料的设备的废气进行清洁的方法，预热区的废气通过如下方式在一种多级过滤区域中净化：首先在第一过滤步骤中进行粉尘分离，随后该废气流过至少一个额外过滤器，流过额外过滤器的步骤被构造为吸附步骤并且包含吸附剂，通过该吸附剂，包含在废气中的NHx化合物、重金属、微量元素和/或S02结合并且NOx至少部分地减少。在第一过滤阶段之前，预热区废气调节到过滤区域输入温度，从而在第一过滤步骤中，使易挥发的有毒物质元素和有毒物化合物与粉尘一起从废气中分离。
发明内容
因此本发明的一个目标是提供一种生产水泥熟料的方法和设备，其特性在于减少汞排放。
根据本发明用于生产水泥熟料的方法，使用一种窑炉系统并且主要具有以下方法步骤∶
-生料在预热器中通过窑炉系统的热废气预热，
-在预热器的下游，该热废气在初级除尘设备中除尘至最大为20g/Nm3的残留粉尘浓度，
-预除尘后的废气在选择性催化废气净化装置(选择性催化还原，SCR)中净化，
-至少一部分在废气净化装置中净化后的废气绕过生料研磨设备提供给冷却装置，并且在那里被冷却至最高140℃的温度，
-在该废气的残留粉尘在工艺过滤器中被分离以前，并且
-至少一部分在工艺过滤器中分离的残留粉尘被冲洗出来以去除汞。
根据本发明的使用上述方法生产水泥熟料的设备主要包含：
-用于燃烧生料的窑炉系统，
-借助窑炉系统热废气操作来用于预热生料的预热器，
-用于将热废气除尘至最大为20g/Nm3的残留粉尘浓度的初级除尘设备，
-用于净化经过预除尘的废气的选择性催化废气净化装置，
-用于分离废气的残留粉尘的工艺过滤器，
-布置在选择性催化废气净化装置和工艺过滤器之间用于组合操作的生料研磨设备，
-布置在选择性催化废气净化装置和工艺过滤器之间用于直接操作使得废气冷却至最大140℃温度的冷却装置，以及
-汞清除装置，该汞清除装置和用于分离残留粉尘的工艺过滤器连接。
由于在冷却装置中温度降低至小于140℃，优选小于125℃，甚至小于110℃，降低了汞的蒸汽压，借此吸附效果显著地提高。同时，多数情况冷却塔大小适合用于保护工艺过滤器防止过热。这些温度通常高于150℃，许多应用中甚至高达220℃，并且在一些应用中甚至更高，温度太高以至于不能够有效的吸附汞。该吸附进一步通过在初级除尘设备中除尘而改进，因为其不仅导致粉尘数量减少，而且残留粉尘也比初级除尘设备上游的粉尘更细。提高了粉尘的表面积比例从而改进吸附。
根据本发明的一个优选方案，为提高冷却装置下游的汞吸附，向废气中注入额外吸附剂，该额外吸附剂在工艺过滤器中与残留粉尘一起被分离。优选吸附剂可包括活性碳，高炉焦炭，石灰，消石灰，石灰石，过滤粉末或者其它由于大表面积适合作为吸附剂的材料。吸附剂的注入和在冷却塔将温度下降到前面提到的数值在没有生料的干燥操作(直接操作)情况下进行是有利的。
在烟道上游的工艺过滤器中被分离的吸附剂优选大部分被再循环利用，同时剩下的较少部分被清除以在工艺过程中去除汞。为了吸附汞注入的吸附剂，如活性碳或者高炉焦炭，是足够已知的。然而，在水泥生产中，它们具有过滤粉末被碳污染的缺点，并且因此以一个特定的方式被加入随后的水泥生产过程，例如在水泥研磨过程中通过计量加入水泥磨机中。过滤粉末的化学成分与研磨的生料显著不同通常是不利的。这样的话冲洗过滤粉尘将改变提供给窑炉的粗粉的化学成分，该粗粉是生料和过滤粉尘的混合物，并且因此改变水泥熟料的矿物组成和化学成分。
工艺过滤器中分离出的过滤粉尘的量取决于装置回路和调节模式。在直接操作过程中，即在粗磨中不使用废气研磨干燥的操作状态，窑炉排放的粉尘浓度典型地为30至150g/Nm3(标准状态立方米)。大约是生产的熟料数量的4至20％。在粗磨操作过程中，所谓的组合操作，粉尘在所述磨的下游以旋风方式预分离后有大约25g/Nm3，否则为300到500g/Nm3。由于大量引入气体，因此产生大量粉末。汞吸附在吸附剂的过程发生在被引射流中和滤饼上，其中由于装置操作得到大量的粉尘，吸附剂实质上处于稀释的状态。这给吸附能力带来不利的影响。通过供给更多的吸附剂进行补偿的方式将导致成本增加和过滤粉尘中碳含量的显著增加。
在没有初级除尘装置的情形下，直接地在预热器下游设置SCR装置的方案同样可以通过EP863790B1或者US6156277得知。SCR催化剂上游的除尘同样通过WO2009089559得知。在废气中具有专门结构和充足的卤化物含量的SCR催化剂对元素汞具有氧化作用。与SCR催化剂相关的汞氧化的优点包括吸附剂上氧化的汞相比于非氧化汞即元素汞明显更好分离。在水泥工艺中，卤化物主要是氯，所以主要形成HgCl2。
在使用窑炉废气进行研磨干燥(组合操作)的操作中，在磨机中大部分汞被吸附在粉尘上。这可能一方面归因于在磨机中气体温度显著降低，而另一方面归因于在通常用于该情况的球磨压碎机中，充入大量具有颗粒的气体和颗粒流在磨机中有力的且高度紊流的环流。通常磨机中的温度迅速地达到小于或等于110℃，这会非常显著的减少汞的蒸汽压并且从而促进吸附。该吸附在整个粒度分布中不是以均匀的方式进行，而是集中在高表面积的最细的区域。该部分特别不适合被通常在磨机和工艺过滤器之间设置的旋风预分离方式分离。剩余的已经吸附了汞的最细部分的分离在工艺过滤器中进行。在这种情况下，存在一个进一步的汞的额外吸附，然而其实质上少于以粗磨方式额外吸附的的汞。由于在磨机内的大部分及过滤器中一部分灰尘上的吸附，汞的排放要远低于没有粉磨的直接操作。因此，在组合操作过程中，从外侧面引入的汞在窑炉系统和磨机或工艺过滤器之间富集，并在直接操作期间以强化方式排出。在多数情况下，组合操作的时间所占总运行时间的比例多于直接操作，并且通常在70至90％的范围内波动。根据本发明的方法为在直接操作期间注入吸附剂作好准备，因为一方面在组合操作期间研磨干燥已经减少排放从而吸附剂的加入不再是必需的，另一方面，吸附剂将与研磨干燥的粉尘混合，而不利的后果已经记述。
本发明避免了上述的种种缺点。它避免了使用一个用于添加吸附剂的额外的过滤器，同时解决了吸附剂的大量稀释问题，这归因于与在生产过程中经过过滤器排放出的高粉尘的混合，该过滤器布置在催化剂(热除尘)的上游并且由于温度而优选是电过滤器。该过滤器将粉尘含量降低至小于20g/Nm3，优选小于7g/Nm3甚至2g/Nm3。在催化剂上，该粉尘减少能够细化蜂窝结构并且因此减小催化剂体积。此外，随着粉尘的输入，催化剂元素的净化复杂性随之减小。
用以上生产水泥熟料的方法和设备，不仅汞排放而且PCDD/PCDF,VOC和NOx的排放也同时都被降低。在这种情况下，在本设备中可行的设备被尽可能使用，以便本方法和本设备利于经济效益。
本发明的其它优点和实施例在下面根据附图和说明书进行了更详细的说明。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的设备的示意图，以及
图2是根据本发明第二实施例的设备的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的用于生产水泥熟料的设备基本上包含∶
-用于燃烧生料2的窑炉系统1，
-用于冷却在窑炉系统中烧过的生料2的冷却器3，
-依靠窑炉系统1排放的热废气操作的用于预热生料2的预热器5，
-构造成将热废气4除尘至残留粉尘浓度最大为20g/Nm3的初级除尘设备6，
-用于化学净化经过预除尘的废气7的选择性催化烟气净化装置8，
-用于分离废气中的残留粉尘的工艺过滤器12，
-布置在废气净化装置8和工艺过滤器12之间用于组合操作的生料研磨设备11，
-布置在废气净化装置8和工艺过滤器12之间用于直接操作的将废气9冷却至最大140℃温度的冷却装置10，以及
-连接至工艺过滤器12的用于在工艺过滤器12中分离的残留粉尘14的汞清除装置13。
初级除尘设备6优选构造作为电过滤器并且直接邻接预热器5。热废气4在初级除尘设备6中被除尘至最大为20g/Nm3的残留粉尘浓度，优选最大为10g/Nm3。在一些情况下，除尘至最大为5g/Nm3同样是有益的。
随后，除尘后的废气7在选择性催化废气净化装置(选择性催化还原/SCR)里被净化，该SCR催化剂，除了NOx还原外,如果废气中存在充足含量的卤化物，还对元素汞具有氧化作用。汞氧化使得在吸附剂上氧化汞相比较于非氧化汞即元素汞好分离得多。
在用于水泥熟料生产的设备中，尤其在两个操作方式之间存在区别：直接操作，废气绕过生料研磨设备11提供给工艺过滤器12，以及组合操作，其中废气被引导经由生料研磨设备11。
在所示的实施例里，冷却装置10和生料研磨设备11串联连接，以使得废气9在组合操作期间也引导通过冷却装置10，然而冷却装置此时并不操作。通常，在冷却装置10里注入水用于冷却。在组合操作期间注水被关掉。
在组合操作期间，废气9由此在未冷却的情形下引导通过冷却装置10，并且到达生料研磨设备11。那里的温度迅速地达到通常小于或等于110℃的程度，非常显著减少汞的蒸汽压并且从而促进吸附。然而，吸附在整个粒度分布中不是以均匀的方式进行，而是集中在高表面积的最细的区域。该部分特别不适合以通常提供的旋风预分离的方式分离。剩余的极细粒部分与已经吸附的汞的分离在工艺过滤器12中进行。在这种情况下，对于汞的进一步的额外吸附实质上少于在生料研磨设备11中的吸附。
在直接操作期间，废气9通过管路15提供给工艺过滤器12，绕过生料研磨设备11。在这种情况下，冷却装置10打开，以将废气9冷却至最大140℃的温度，优选最大125℃或甚至最大110℃的温度。冷却后的废气随后通过管路15经过生料研磨设备11引至工艺过滤器12。在这种操作方式里，在冷却装置10之后，把额外的吸附剂16注入到与残留粉尘14一起在工艺过滤器12里被分离的废气中，用于提高汞吸附是有益的。额外的吸附剂16可例如是活性碳和/或再循环残留粉尘14。在工艺过滤器12里净化后的废气然后通过烟道17排放到大气中。
图2示出本发明的第二实施例，它不同于图1的变型，仅仅在于冷却装置10和生料研磨设备11两个装置的并联布置。在组合操作的情形中，废气9无需首先直接穿过断开的冷却装置10，而是直接地导入生料研磨设备11。此外，这种布置同样能够混合操作，其中一部分废气9可用于生料研磨设备11，同时剩下部分经由冷却装置10导走。
由于催化废气净化装置8上游的热除尘，吸附剂(活性碳或诸如此类)与粉尘的混合程度降低并且从而在工艺过滤器12里吸附剂浓度增加。本方法的优选方案中工艺过滤器12为管式过滤器，在滤饼上产生额外的吸附。
如上所述实施例特别与在直接操作期间减少汞排放是有区别的。

Claims (12)

1.一种用于生产水泥熟料的方法，具有窑炉系统，其中：
-生料在预热器中通过窑炉系统的热废气预热，
-在所述预热器的下游，所述热废气在初级除尘设备中被除尘至最大为20g/Nm3的残留粉尘浓度，
-预除尘后的废气在选择性催化废气净化装置中净化，
-至少一部分在所述废气净化装置中净化的废气绕过生料研磨设备提供给冷却装置，
-所述废气的残留粉尘在设置于冷却装置之后的工艺过滤器中被分离，
其特征在于，在所述冷却装置中所述废气被冷却至最大140℃的温度，并且至少一部分在所述工艺过滤器中分离的残留粉尘被冲洗出来以去除汞。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了提高所述冷却装置下游的汞吸附，将额外的吸附剂注入到废气中，所述额外的吸附剂在所述工艺过滤器里与残留粉尘一起分离出来。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述冷却装置里，废气降温至最大125℃。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述冷却装置里，废气降温至最大110℃的温度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热器下游的热废气在初级除尘设备里除尘至最大10g/Nm3的残留粉尘浓度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预热器下游的热废气在初级除尘设备里除尘至最大5g/Nm3的残留粉尘浓度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一部分在所述工艺过滤器里分离出的残留粉尘被循环利用，并且另一部分被冲洗出来用以汞清除。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一部分涉及汞的残留粉尘净化后再循环利用。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在选择性催化废气净化装置里净化后的剩下部分废气绕过所述冷却装置提供给所述生料研磨设备。
10.利用在先权利要求中一个所述方法来生产水泥熟料的设备，其特征在于，所述设备具有：
-用于燃烧生料的窑炉系统，
-借助所述窑炉系统的热废气来操作以预热生料的预热器，
-用于将热废气除尘至最大为20g/Nm3的残留粉尘浓度的初级除尘设备，
-用于净化经过预除尘的废气的选择性催化废气净化装置，
-用于分离废气的残留粉尘的工艺过滤器，
-布置在废气净化装置和所述工艺过滤器之间用于组合操作的生料研磨设备，以及
-布置在所述废气净化装置和所述工艺过滤器之间用于直接操作的冷却装置，
其特征在于，所述冷却装置构造成用于将废气冷却至最大140℃的温度，并且所述工艺过滤器与用于在所述工艺过滤器中分离的残留粉尘的汞清除装置连接。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述初级除尘设备由电过滤器形成。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述初级除尘设备直接邻近于所述预热器。
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