CN104350022A - 用于运行水泥制造设备的方法 - Google Patents

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CN104350022A CN201480001142.8A CN201480001142A CN104350022A CN 104350022 A CN104350022 A CN 104350022A CN 201480001142 A CN201480001142 A CN 201480001142A CN 104350022 A CN104350022 A CN 104350022A
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Abstract

本发明涉及一种用于运行由生料(2)制造水泥熟料的设备(1)的方法，沿材料流方向观察，该设备具有至少一个用于使生料(2)脱酸的焙烧炉(3)和至少一个用于将已脱酸的生料(2)烧结成水泥熟料(5)的旋转管式炉(4)，其中，所述已脱酸的生料(2)在通过焙烧炉(3)之后经由旋流预热级(1.4)流进旋转管式炉(4)中。按照本发明的方法的特征在于，旋转管式炉(4)的废气(6)被引导到设置在旋转管式炉(4)和焙烧炉(3)之间的反应器(7)中，其中，与废气(6)在反应器(7)中的停留时间相关地向反应器(7)中添加超化学计量的燃料(8)，使得包含在废气(6)中的二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)。一氧化碳(C＝)用作氮氧化物(NOX)的还原剂，所述氮氧化物在反应器(7)中被化学还原而与在焙烧炉(3)中的短停留时间无关。

Description

用于运行水泥制造设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行由生料制造水泥熟料的设备的方法，沿材料流方向观察，该设备具有至少一个用于使生料脱酸的焙烧炉和至少一个用于将已脱酸的生料烧结成水泥熟料的旋转管式炉，其中，已脱酸的生料在通过焙烧炉之后经由旋流预热级流进旋转管式炉中。
背景技术
为了制造水泥熟料，包括含石灰的岩石和含硅酸盐的岩石的混合物被粉碎并且经受热处理，在热处理时石灰在形式上将二氧化碳去除并且转化成生石灰(CaO)。在下一步中，通过去除二氧化碳而脱酸的生料在热量下被烧结成不同的硅酸钙相，该生料包括已脱酸的含石灰的岩石和至此尚未转变的含硅酸盐的岩石。
生料的脱酸和烧结是吸热过程，该过程需要热能来使其反应。热能可以由优质燃料获得。除了传统的、原始的燃料(例如煤)之外，在水泥工厂中由于成本原因越来越多地使用替代燃料作为能量源，这些替代燃料经常由城市或者工业废料获得。
优质燃料和替代燃料都在燃烧时导致产生过程热量从而形成氮氧化物(NOX)。开头所述类型的热处理方式要求必需在旋转管式炉中进行烧结，其中在旋转管式炉中为了成功烧结硅酸钙相而必须存在非常高的温度、至少1450摄氏度。为了在旋转管式炉中产生这样的高温，需要仰仗高达1800摄氏度的火焰温度。在高温下，在燃料中大部分以胺类形式存在的氮和在燃烧用空气中存在的空气氮气都燃烧成氮氧化物(NOX)。如果没有采取措施来避免或还原所形成的氮氧化物，那么氮氧化物随着旋转管式炉的废气一同泄放至外界大气中，在外界大气中这些氮氧化物通过利用空气湿度的水解而转化成硝酸(HNO3)、亚硝酸(HNO2)以及其它的酸反应的氮氧化物水合物。利用空气湿度进行酸反应的氮氧化物是导致不希望的酸雨的原因，酸雨当然会减小林地的PH值并且减弱林地对抗疾病的能力。为了减少用于制造水泥的设备的氮氧化物(NOX)排放量，已知有各种不同的措施。
在德国公开文献DE 10 2005 057 346 A1中公开了一种用于制造水泥的设备，该设备除了焙烧炉之外还具有被供应第三级空气作为燃烧空气的燃烧室。在该燃烧室中产生的废气的还原性能够在此处公开的设备中被非常精确地调节，以便在焙烧炉中在焙烧炉路段中还原来自旋转管式炉的氮氧化物。此处公开的方法的缺点是，一方面生料在焙烧炉中的脱酸和另一方面氮氧化物也在焙烧炉中的还原在不同温度下得到其希望的化学平衡。脱酸和氮氧化物的还原互相干扰。
在德国公开文献P 35 38 707 A1中公开了一种成束焙烧炉，该成束焙烧炉具有两个气体束形式的反应路段，气体束在焙烧炉内并排上升，来自旋转管式炉的第一气体束从此处流到焙烧炉中，并且与此相邻的气体束从第三级空气的第二入口流到焙烧炉中。气体束具有不同的还原能力并且第三级空气的气体束应该还原旋转管式炉的气体束中的氮氧化物。根据在这里记载的教导，提供相对短的时间来烧尽氮氧化物，使得对在焙烧炉内的流动情况的控制要求是非常高的。由于在焙烧炉中的流动情况可以在运行参数略微改变时变化，所以工作状态不总是最佳状态。
在德国公开文献DE 199 03 954 A1中公开了与之相类似的原理，其中，在第三级空气路段中存在用于调节要产生的气体的氧化还原能力的反应器。同样，这种运行方式对于控制焙烧炉中的流动情况存在高的要求。因为在该设备中在略微改变运行参数时在焙烧炉中的流动情况也能够改变，所以工作状态也不总是最佳状态。
在德国公开文献DE 199 62 536 A1中公开了具有上部空气入口的焙烧炉。在该焙烧炉中进行分级的燃烧，在燃烧时氮氧化物(NOX)被在燃烧路段内形成的一氧化碳(CO)还原。为了在避免设备废气中的一氧化碳的同时改善氮氧化物的还原，建议根据测得的废气参数向焙烧炉路段中喷入还原剂和/或催化剂。
在EP 1 334 954 B1中公开了一种旋转管式炉，除了水泥制造设备的已经提供用于熟料燃烧的旋转管式炉之外，该旋转管式炉碳化粗糙的、成块的燃料。热解气体和由碳化产生的热空气被吹到焙烧炉中，以便以此促进用于在焙烧炉中进行脱酸的热量供应。在供应相应少的空气时，微燃的气体起还原作用并且可以在焙烧炉中用来还原来自焙烧炉的氮氧化物。然而第二旋转管式炉的运行是与构造费用相关联的并且要求不断地控制在运行时始终热着的机械装置。
从DE 35 33 775 C1中已知一种利用含热值的废料由生料制造水泥熟料的设备，在该设备中，作为二级燃料使用的废料在其在一个以旋转炉废气和第三级空气的分流运行的微燃炉中干燥之后被热处理以便热解、但至少以便部分燃烧。该燃烧的热解气体输入到焙烧炉中，并且固体的热解残渣在制备和均匀化之后至少部分地被输入到旋转管式炉中。在此微燃炉也可以构造成旋转管式炉。
从DE-A-33 20 670、DE-A-34 11 144和DE-A-35 20 447中同样已知一种利用含热值的废料制造水泥熟料的设备，在单独的旋转炉中微燃或燃烧废料，并且在热处理生料时使用微燃气体/废气。
然而，至此所有列出的设备和在其中采用的方法都仰仗于在存在要脱酸的生料的情况下旋转炉废气在焙烧炉中的化学还原，其具有开头所述的停留时间短、脱酸反应受干扰和对控制流动情况的要求高的缺点。在焙烧炉中同时且几乎在同一场所发生的各种不同反应所需的温度窗是难以产生的。将包含在生料中的碳酸钙(CaCO3)脱酸成生石灰(CaO)的脱酸与在分级燃烧时脱氮的理想温度窗相比在较低的温度下发生。最后，产生一氧化碳(CO)的温度窗和脱氮的温度窗又是不同的。
已知脱氮(即，将氮氧化物(NOX)还原成基本的氮气(N2)和氧气(O2))依赖于要脱氮的废气中的进一步的气体组合成分。随着二氧化碳浓度的升高，脱氮快速减少。而脱氮随着一氧化碳(CO)浓度在要脱氮的废气中的升高而增加。在热废气中，二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)的浓度处于布杜阿尔平衡中。理想的是，更好地控制旋转管式炉的废气组合成分，该废气组合成分因高的火焰温度而具有高的氮氧化物份额、即所谓的空气氮气。旋转管式炉的废气不被直接排放，而是用于使生料脱酸。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种用于运行制造水泥熟料的设备的方法，在该设备中，脱氮可被更好地控制。
按照本发明的方法目的通过将旋转管式炉的废气引导到设置在旋转管式炉和焙烧炉之间的反应器中来实现，其中，与废气在反应器中的停留时间相关地向反应器中添加超化学计量的燃料，使得包含在废气中的二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)。
进一步的有利设计方案在方法权利要求1的从属权利要求中给出。
按照本发明介绍了一种用于运行制造水泥熟料的设备的方法，沿材料流方向观察，该设备具有至少一个用于使生料脱酸的焙烧炉和至少一个用于将已脱酸的生料烧结成水泥熟料的旋转管式炉，其中，已脱酸的生料在通过焙烧炉之后经由旋流预热器流进旋转管式炉中。按照本发明建议，旋转管式炉的废气被引导到设置在旋转管式炉和焙烧炉之间的反应器中，其中，与废气在反应器中的停留时间相关地向反应器中添加超化学计量的燃料，使得包含在废气中的二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)。
因此按照本发明的构思，用于制造水泥的设备的旋转管式炉的废气不再——如其在现有技术中常见的那样——被直接引导到焙烧炉中，在该焙烧炉中该废气夹带生料并且在此使生料脱酸，其中同时由在焙烧炉中形成的一氧化碳(CO)以分级燃烧的方式还原包含在废气中的氮氧化物。而是如下设定：焙烧炉的生料依然由生料管道从预热级的最下方的旋流预热级供应给旋转管式炉。按照本发明的构思设定，在用于使生料脱酸的废气导入到焙烧炉之前，来自旋转炉进料罐的废气首先通过专门考虑用于废气的通道或管路流入反应器中。与布杜阿尔反应和存在于旋转炉废气中的二氧化碳(CO2)浓度相关地向该反应器超化学计量地添加燃料，在有利的方式中该反应器高于设置在旋转管式炉和焙烧炉底部之间的旋转炉进料罐。在反应器中的主要反应不再例如通过由多余氧气在旋转管式炉废气中燃烧燃料来确定，而是由吸热的布杜阿尔反应确定。在这种情况下，包含在废气中的达到25％的二氧化碳(CO2)与燃料的碳(C)一起转化成一氧化碳(CO)。也就是说，燃料在热量中被二氧化碳(CO2)氧化，其中燃料中的碳(C)被氧化成一氧化碳(CO)，并且二氧化碳(CO2)在氧化燃料时自身也被还原成一氧化碳(CO)。已知的布杜阿尔反应的这种反应过程是吸热的。因为旋转炉废气的温度非常高，所以通过在吸热反应中的吸热来降低温度是非常受欢迎的，原因在于从二氧化碳(CO2)转化成一氧化碳(CO)的反应常数在温度比旋转炉废气的温度低时显示出更易于提高一氧化碳的生成。与生料的脱酸、二氧化碳(CO2)到一氧化碳(CO)的还原以及因所形成的一氧化碳(CO)引起的氮氧化物(NOX)到基本的氮气(N2)和氧气(O2)的还原同时进行反应相比，分开地在反应器中转化包含在旋转管式炉废气中的二氧化碳(CO2)的优点是更好的反应控制。
因为布杜阿尔反应吸热地进行并且由此旋转管式炉的废气的温度反作用，所以可以通过供给燃料来控制或者甚至调节反应器中的温度，以避免反应器中的温度不希望的上升，在温度上升时可能产生来自添加燃料的不希望的另外的氮氧化物(NOX)。因此按照本发明的设计方案设定：通过供应超化学计量的燃料来控制反应器中的温度，其中，通过布杜阿尔反应在借助燃料中的碳(C)将二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)时，反应器中的温度降低。因为已知脱氮在存在氧化钙(CaO)的情况下被催化，所以在本发明的一个设计方案中设定，始终将确定量的已脱酸的生料供应给反应器，以催化地促进在反应器中发生的脱氮。已脱酸的生料的供应可以通过在旋转管式炉中卷起的、被废气夹带的生料实现。废气的废气引导可以这样设置，使得被卷起的生料到达反应器中并且不会因旋流下落而滤除。可替选地或附加地，也可以设定：新脱酸的生料从最下方的或下方倒数第二个旋流预热级供应给反应器。
因为在希望的借助过量提供的一氧化碳(CO)对氮氧化物(NOx)的还原之后，还在反应器的废气中存在多余形成的一氧化碳(CO)，所以按照本发明的另外的设计方案建议，将第三级空气供应给焙烧炉，该第三级空气作为大气中的、在熟料冷却器中加热的空气具有大约18(体积)％的氧气(O2)。该大气中的氧气(O2)可以在焙烧炉中用于多余形成的一氧化碳(CO)的放热进行的氧化。通过一氧化碳在焙烧炉中的放热燃烧(该燃烧在温度比空气氮气燃烧成氮氧化物(NOx)的温度低时进行)，对于吸热进行的脱酸反应所需的热量被供应给焙烧炉。因此在本发明的设计方案中设定，反应器中的废气被引导到焙烧炉中，其中，在焙烧炉中过量的一氧化碳(CO)被第三级空气管道的大气氧气(O2)氧化，该第三级空气管道向焙烧炉供应预热空气。
合适的焙烧炉尺寸对于理想的燃烧引导是有利的。即使阀门系统能够控制流经反应器的空气流量，在本发明有利的设计方案中也可设定：反应器的尺寸大小使得来自旋转管式炉的、含有氮氧化物(NOX)的废气被所形成的一氧化碳(CO)还原。也就是说反应器的大小使得在正常运行中从旋转管式炉进入反应器中的废气在反应器中停留直到包含在旋转管式炉的废气中的氮氧化物(NOX)被尽可能地完全还原。在设计尺寸时不一定能避免少量的氮氧化物(NOX)，但是该少量的氮氧化物(NOX)浓度在反应器下游的焙烧炉路段中被进一步被还原。
本发明的方法的优点在于，燃料可以在旋转管式炉中在高的空气氧气盈余量下燃烧。在旋转管式炉中发生在热量下复杂的固体反应，该固体反应需要一个氧化的环境，以便由不同化学计量的硅酸钙相制造混合物。另外，通过在空气氧气盈余量下燃烧，燃烧不充分的燃料也可以作为初始燃料、例如焦炭来使用。
为了控制或调节废气在焙烧炉中的停留时间，按照本发明的设计方案设定，通过在从旋转管式炉至反应器的输入管中的和在第三级空气管道中的阀门系统来控制和调节反应器中的废气量，其中，调节单元这样分配来自位于旋转管式炉下游的熟料冷却器的总空气量，以致来自旋转管式炉的废气在反应器中的停留时间长短使得在反应器中最大可能地还原氮氧化物(NOX)。通过选择性地减少来自旋转管式炉的第二级空气流以便有利于第三级空气流，由此可以提高废气在反应器中的停留时间，以使包含在旋转管式炉的废气中的氮氧化物(NOX)在反应器中与一氧化碳浓度经历较长的作用时间。
在无规律地燃烧燃料时或者由于运行参数的波动，尽管在反应器中通过燃料供给来控制温度，但仍可能在反应器中产生突然的过热。在过热时产生氮氧化物(NOX)而不是还原氮氧化物。为了避免从反应器中短时间地排放氮氧化物(NOX排放)，按照本发明的设计方案设定，开头所述的包括含石灰的岩石和含硅酸盐的岩石的混合物的生料被吹入反应器的反应室中。如果过热是非常突然且非常强烈的，此时可以选择性地使用冷的、还没有脱酸的生料；或者如果突然的过热不是过度强烈的，则可以使用已经部分脱酸的或者预热的生料。所以在本发明有利的设计方案中设定，在反应器中通过输入生料来冷却不希望的高的温度峰值，其中，反应器的过量的生料通过排放部排出到设置在旋转管式炉和焙烧炉之间的旋转炉进料罐中。生料向旋转炉进料罐的排出阻止反应器被堵塞。然后在旋转管式炉中生料被脱酸并且被烧结成熟料。
如果添加的燃料燃烧得非常不充分或者形成炉渣，那么可能作为固体在反应器中沉降的剩余燃料也能够通过与用于冷却反应器的剩余生料相同的管道排出到旋转炉进料罐中。因此在本发明的设计方案中设定，将过量的燃料排出到设置在旋转管式炉和焙烧炉之间的旋转炉进料罐中。
适于实施按照本发明的方法的是罐式反应器，该罐式反应器通过相应的容积来满足旋转管式炉的预期废气的停留时间的要求，或者也可能使用鹅颈式反应器，该鹅颈式反应器作为燃尽式反应器设置在焙烧炉和旋转管式炉之间并且构造成倒U形。
附图说明
借助下面的附图对本发明作进一步阐述。
其中：
图1示出按照本发明的用于制造水泥熟料的设备。
具体实施方式
在图1中示出用于由生料2制造水泥熟料的设备1，沿材料流方向观察，该设备具有至少一个用于使生料2脱酸的焙烧炉3和至少一个用于将已脱酸的生料2烧结成水泥熟料5的旋转管式炉4，其中，已脱酸的生料2在通过焙烧炉3之后经由旋流预热级1.4流进旋转管式炉4中。从生料2进料至热交换器1.1中开始(在该热交换器中，生料2为了接下来的脱酸而被预热)，已预热的生料从下方倒数第二个旋流预热级1.2经由管道1.3流到焙烧炉3的底部。在那里生料2被来自反应器7的热废气9夹带并且在废气9的热量下在焙烧炉中被脱酸。在此产生的二氧化碳(CO2)经由热交换器1.1排出。而已脱酸的生料2在最下方的旋流预热级1.4中分离并且经由单独的管道1.5被引入旋转炉进料罐16中，然后在该旋转炉进料罐中已脱酸的生料流到旋转管式炉4中以便进行另外的热处理。在旋转管式炉4中通过燃烧燃料产生的废气6经由单独的为此建立的废气管道13被引到反应器7中，在该反应器中，废气6首先停留并且在添加超化学计量的燃料8的情况下进行布杜阿尔反应。在此，来自旋转管式炉4中的燃烧的二氧化碳(CO2)与燃料8的碳(C)一起被化学还原成一氧化碳(CO)。能够在热量方面通过燃料8的添加量控制布杜阿尔反应，这是因为在燃料输入增加时布杜阿尔反应随着冷却而起反应。在反应器7中生成一氧化碳之后的脱氮以有利的方式进一步在反应器7中进行。然后，从反应器7离开的废气9经由单独的管道9.1被引到焙烧炉3中，以便在那里通过包含在反应器7的废气9中的热量使生料2脱酸。为了在氮氧化物产物方面控制另外的燃料在焙烧炉3中的可选的燃烧，除了来自反应器的废气之外，第三级空气11经由第三级空气管道10供应给焙烧炉3。在反应器7的废气9中的高的一氧化碳浓度用于化学还原在焙烧炉3中产生的氮氧化物。为了控制流进焙烧炉3和反应器7中的气体量，设有阀门系统12，该阀门系统将来自熟料冷却器14的气体量以流过旋转管式炉4的第二级空气的形式并且以流过第三级空气管道10的第三级空气11的形式以不同的每单位时间局部流量分配。由此可以控制供应给反应器7的废气量，使得反应器7的废气9的废气组合成分具有预先确定的组合成分。本发明的构思在于，不是直接地将旋转管式炉4的废气6经由旋转炉进料罐16引导到焙烧炉3中(在该焙烧炉中废气6的高的氮氧化物浓度必须在短的焙烧炉路段中还原)，而是如下设定：在旋转管式炉4的废气6中的二氧化碳(CO2)首先在反应器7中还原成一氧化碳(CO)，其中在反应器7中通过布杜阿尔反应产生这么多的一氧化碳，以致在旋转管式炉4的废气6中的高的氮氧化物浓度进一步在反应器中被化学还原。然后废气9才被导入焙烧炉3中，在该焙烧炉中过量的一氧化碳(CO)用作用于产生使生料(2)脱酸的热量的燃气。为了借助氧化钙(CaO)催化地促进在反应器7中的反应，预脱酸的生料可以通过生料管道17从下方倒数第二个旋流预热级1.2导入到反应器7中。
附图标记列表
1      设备
1.1    热交换器
2      生料
3      焙烧炉
4      旋转管式炉
5      水泥熟料
6      废气
7      反应器
8      燃料
9      废气
9.1    输入管
10     第三级空气管道
11     燃料
12     阀门系统
13     废气管道
14     熟料冷却器
15     排放部
16     旋转炉进料罐
17     生料管道

Claims (10)

1.一种用于运行由生料(2)制造水泥熟料的设备(1)的方法，沿材料流方向观察，该设备具有至少一个用于使生料(2)脱酸的焙烧炉(3)和至少一个用于将已脱酸的生料(2)烧结成水泥熟料(5)的旋转管式炉(4)，其中，所述已脱酸的生料(2)在通过焙烧炉(3)之后经由旋流预热级(1.4)流进旋转管式炉(4)中，
其特征在于，旋转管式炉(4)的废气(6)被引导到设置在旋转管式炉(4)和焙烧炉(3)之间的反应器(7)中，其中，与废气(6)在反应器(7)中的停留时间相关地向反应器(7)中添加超化学计量的燃料(8)，使得包含在废气(6)中的二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，反应器(7)的废气(9)被引导到焙烧炉(3)中，其中，在焙烧炉(3)中过量的一氧化碳(CO)被来自第三级空气管道(10)的空气氧气(O2)氧化，该第三级空气管道向焙烧炉(3)供应预热空气(11)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，反应器(7)的尺寸大小使得来自旋转管式炉(3)的、含有氮氧化物(NOX)的废气(6)被所形成的一氧化碳(CO)还原。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，燃料(11)在旋转管式炉(3)中在高的空气氧气盈余量下燃烧。
5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，通过添加超化学计量的燃料(8)来控制反应器(7)中的温度，其中，在利用来自燃料(8)的碳(C)将二氧化碳(CO2)吸热地还原成一氧化碳(CO)时通过布杜阿尔反应使反应器(7)中的温度降低。
6.按照权利要求2至5之一且引用权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在从旋转管式炉(4)到反应器(7)的输入管(13)中的和在第三级空气管道(10)中的阀门系统(12)来调节反应器(7)中的废气量，其中，调节单元这样分配来自位于旋转管式炉(4)下游的熟料冷却器(14)的总空气量，以致来自旋转管式炉(4)的废气(6)的停留时间的长短使得反应器(7)中的氮氧化物(NOX)被最大可能地还原。
7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，通过输入生料(2)来冷却在反应器(7)中的不希望的高的温度峰值，其中，过量的生料(2)从反应器(7)中通过排放部(15)被排出到设置在旋转管式炉(4)和焙烧炉(3)之间的旋转炉进料罐(16)中。
8.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，过量的燃料(8)和/或生料(2)被从反应器(7)排出到设置在旋转管式炉(4)和焙烧炉(3)之间的旋转炉进料罐(16)中。
9.按照权利要求1至8之一所述的方法，其中，反应器(7)是罐式反应器或者是构造成倒U形的鹅颈式反应器。
10.一种用于由生料(2)制造水泥熟料的设备(1)，沿材料流方向观察，该设备具有：
至少一个用于使生料(2)脱酸的焙烧炉(3)，和
至少一个用于将已脱酸的生料(2)烧结成水泥熟料(5)的旋转管式炉(4)，
其中，所述已脱酸的生料(2)在通过焙烧炉(3)之后经由旋流预热级(1.4)流进旋转管式炉(4)中，
其特征在于，设有反应器(7)，该反应器设置在旋转管式炉(4)和焙烧炉(3)之间，旋转管式炉(4)的废气(6)的输入管(13)通到该反应器中。
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