CN106152794B - 一种大温差交叉料流预热预分解系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大温差交叉料流预热预分解系统，包括旋风预热器系统、分解炉系统和窑尾烟室，旋风预热器系统包括N级旋风筒，除第N级旋风筒之外的其他旋风筒均包括分料阀，第1级至第N‑2级旋风筒各自通过分料阀将下料口中的部分物料送入比其低级的旋风筒，将另一部分物料送入较该低级的旋风筒的烟气温度更高的旋风筒或分解炉系统；从而增大各旋风筒和分解炉系统中的气固温差。本发明还涉及大温差交叉料流预热预分解方法。本发明提高了生料换热效率，降低了系统废气温度，提高了生料分解率。适用于新建和现有水泥预热预分解系统的改造，也可用于冶金、化工等行业中的粉料换热系统。

Description

一种大温差交叉料流预热预分解系统及其方法

技术领域

本发明属于水泥工业热工设备技术领域，具体涉及一种大温差交叉料流预热预分解系统及其方法。

背景技术

目前新型干法水泥发展迅速，能源短缺，采用价格低廉的低质烟煤或无烟煤作为水泥熟料煅烧用燃料势在必行。新型干法水泥生产中原燃料的有害成分会造成分解炉内结皮等危害，造成熟料产质量和系统运转率的降低。作为核心设备的分解炉，如何在其中合理布局和匹配风、煤、料，使燃料在生料浓度很高的分解炉内稳定、完全燃烧，使炉内温度场均匀，不产生局部高温，并在很短时间内完成生料碳酸钙分解，并且操作弹性大，对不同煤质的适应性强等，仍然是困扰行业的问题。另外，在高海拔地区，大气压力低对水泥生产系统尤其是热工系统的影响较大，例如，燃料燃烧特性变化很大，对料悬浮、热交换、气力输送、物料烘干等的影响很大，对预热器系统的隔热保温以及回转窑表面的散热也有很大的影响。

现有的高固气体预热分解技术存在一些固有的问题，例如，采用双系列预热器系统会使得结构复杂，旋风筒多，热损失大，风机电耗高，不适合在规模较小的水泥生产线上使用；对煤质比较敏感导致在使用低质煤或无烟煤作为燃料时难以适应；并且无法适应高海拔地区的自然环境，在单系列预热器上难以实现其相应的技术指标。

因此，有必要开发出适应不同规模或单双系列、不同高海拔自然环境以及原燃料特性的新型高效预热预分解系统和方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种大温差交叉料流预热预分解系统，本发明能够使用烟煤、低质煤或无烟煤作为燃料，在分解炉内的完全燃烧，不产生局部高温，保证分解炉安全运行；进一步地，本发明强化生料在预热预分解系统的有效换热，降低系统出口废气温度，提高入窑生料分解率；更进一步地，本发明消除了由于原料挥发性组分偏高造成的系统结皮的问题；此外，本发明解决了系统在不同海拔高条件下对自然环境的适应性问题；另外，本发明降低了出炉NOx的起始浓度。

本发明提出的一种大温差交叉料流预热预分解系统，该预热预分解系统包括旋风预热器系统、分解炉系统和窑尾烟室，旋风预热器系统包括N级旋风筒，来自回转窑的烟气经窑尾烟室后从分解炉系统排出，然后借助风管从第N级旋风筒依序流向第1级旋风筒，并最终由第1级旋风筒的出风口排出；除第N级旋风筒之外的其他旋风筒均包括分料阀，第1级至第N-2级旋风筒各自通过分料阀将下料口中的部分物料送入比其低一级的旋风筒出口管道，将另一部分物料送入较该低一级的旋风筒更低一级的烟气温度更高的旋风筒出口管道或分解炉系统；第N-1级旋风筒通过分料阀将其下料口中的物料送入分解炉系统中的不同位置的进料口；从而增大各旋风筒和分解炉系统中的气固温差；其中，各个分料阀的调节比例范围为0～50％；

这里的N表示旋风预热器系统中旋风筒的级数，第1级旋风筒表示旋风预热器系统自上而下排列的最高一级旋风筒，简称C₁旋风筒；第N-2级旋风筒表示旋风预热器系统自上而下排列的倒数第三级旋风筒，简称C_N-2旋风筒；第N-1级旋风筒表示旋风预热器系统自上而下排列的倒数第二级旋风筒，简称C_N-1旋风筒；第N级旋风筒表示旋风预热器系统自上而下排列的最低一级旋风筒，简称C_N旋风筒；

该分解炉系统为喷旋叠加多点来料再循环型分解炉，内部敷设耐火材料，该分解炉包括分解炉主体、鹅颈管和物料分离及循环装置；其中，C_N-2旋风筒下料口中的部分物料送入C_N旋风筒出口管道，另一部分物料送入分解炉主体；

C_N-1旋风筒下料口中的全部物料、C_N-2旋风筒下料口中的该另一部分物料以及物料分离及循环装置中的物料作为分解炉的物料来源进入分解炉主体内，该分解炉主体在这些物料进入到炉内的位置处的上下方分别设置缩口，并在物料进入到炉内的位置处沿烟气行进方向的前端设置以切线方向进入分解炉的三次风入口和煤粉入口，当烟气从窑尾烟室自下而上以喷腾方式进入分解炉内时，即可达到三次风和煤粉的旋风效应与烟气的喷腾效应相互叠加的效果；其中，物料分离及循环装置的物料进入处下方设置的缩口为窑尾缩口，该窑尾缩口向下与该窑尾烟室连接；

分解炉主体内的物料随烟气进入鹅颈管，鹅颈管中的部分物料借助在烟气中运动的惯性和离心力进入物料分离及循环装置，其余物料随烟气进入C_N旋风筒，该进入物料分离及循环装置的部分物料即为所述的物料分离及循环装置中的物料。

更进一步地，该分解炉主体包括三次风入口、该窑尾缩口、煤粉锥体入口、分解炉下锥体、C_N-1下部进料口、煤粉柱体入口、炉中部下缩口、C_N-1中部进料口、C_N-2中部进料口和炉中部上缩口；

炉中部下缩口和炉中部上缩口分别设置在分解炉主体中部的下端和上端；

分解炉下锥体位于分解炉主体下部，物料分离及循环装置中的物料进入分解炉下锥体的上部；

三次风沿向下倾斜设置的三次风入口从分解炉下锥体的上端以切线方式进入分解炉主体内部，在炉内旋回前进，呈旋风效应；

该窑尾缩口位于分解炉下锥体的下端；

煤粉锥体入口位于分解炉下锥体上，煤粉柱体入口位于分解炉下锥体和炉中部下缩口之间的分解炉柱体上；煤粉分别从煤粉锥体入口和煤粉柱体入口喷入，每个入口的两个喷煤管以非对称方式沿着某一直径的圆周方向切向喷入，形成旋风效应；

C_N-1下部进料口位于分解炉下锥体上方并靠近分解炉下锥体，C_N-1中部进料口位于炉中部下缩口上方并靠近炉中部下缩口；C_N-1旋风筒下料口中的物料全部从C_N-1下部进料口进入分解炉下锥体上方，或者一部分从C_N-1中部进料口进入分解炉中部下缩口上方，另一部分从C_N-1下部进料口进入分解炉下锥体105上方；

C_N-2中部进料口位于炉中部下缩口上方并靠近炉中部下缩口，C_N-2旋风筒下料口中的该另一部分物料从C_N-2中部进料口进入分解炉中部下缩口上方。

此外，该鹅颈管包括鹅颈管氨水喷口、防堵式180°弯头、风管和变径弯头；其中，

鹅颈管氨水喷口位于鹅颈管上行管上；

该鹅颈管借助防堵式180°弯头与分解炉主体上部连接，借助风管与C_N旋风筒连接；

变径弯头水平与旋风筒C_N连接。

再者，所述防堵式180°弯头用蜗旋式管道转弯装置代替。

再进一步的，物料分离及循环装置包括集料锥体、锁风阀和管道；其中，

鹅颈管中的物料进入C_N旋风筒与集料锥体，集料锥体收集到的物料通过锁风阀、管道送入分解炉下锥体的上部。

另外，在分解炉中部上缩口的上部设置炉主体氨水喷口，和/或在鹅颈管上行管部位设置鹅颈管氨水喷口，使氨水与NO_x反应，从而降低NO_x排放浓度。

优选地，所述N级旋风筒的级数为5级时，即C₁旋风筒、C₂旋风筒、C₃旋风筒、C₄旋风筒和C₅旋风筒；其中，

鹅颈管与C₅旋风筒的进风口连接，鹅颈管的变径弯头下部经物料分离及循环装置与分解炉主体的下部进料口连接；

C₅旋风筒的下料口经C₅锁风阀及下料管与窑尾烟室的进料口连接，C₅旋风筒的出风口经C₅-C₄风管与C₄旋风筒的进风口连接；

C₄旋风筒的下料口经下料管与分料阀连接，分料阀出口的两个C₄锁风阀及其下料管分别与分解炉主体的下部进料口和中部进料口连接，C₄旋风筒的出风口经C₄-C₃风管与C₃旋风筒的进风口连接；

C₃旋风筒的下料口经下料管与分料阀连接，分料阀出口的两个C₃锁风阀及其下料管分别与C₅-C₄风管和分解炉主体中部的进料口连接，C₃旋风筒的出风口经C₃-C₂风管与C₂旋风筒的进风口连接；

C₂旋风筒的下料口经下料管与分料阀连接，分料阀出口的两个C₂锁风阀及其下料管分别与C₄-C₃风管和C₅-C₄风管连接，C₂旋风筒的出风口经C₂-C₁风管与C₁旋风筒的进风口连接；

C₁旋风筒为两个，这两个C₁旋风筒的下料口各自经不同的下料管分别与一个分料阀连接，每个分料阀的出口均分为两路，每个分料阀出口中有一路出口各自经不同的C₁锁风阀及下料管A与C₃-C₂风管连接，两个分料阀出口中另外两路出口的下料管合二为一，经C₁锁风阀及下料管B与C₄-C₃风管连接。

本发明还提出一种使用如前所述的预热预分解系统进行预热预分解的方法，该方法包括：

来自回转窑的烟气经窑尾烟室后从分解炉系统排出，然后借助风管从第N级旋风筒依序流向第1级旋风筒，并最终由第1级旋风筒的出风口排出；

第1级至第N-2级旋风筒各自通过分料阀将下料口中的部分物料送入比其低一级的旋风筒出口管道，将另一部分物料送入较该低一级的旋风筒更低一级的烟气温度更高的旋风筒出口管道或分解炉系统；

第N-1级旋风筒通过分料阀将下料口中的物料送入分解炉系统中的不同位置的进料口；

第N级旋风筒下料口中的物料送入窑尾烟室，随后进入回转窑内进行煅烧。

本发明的有益效果：

1.本发明将旋风筒下料口的生料通过分料阀分出一部分(0～50％可调)，喂入烟气温度更高的下一级换热单元，形成比原喂料部位更大的气固温差，以提高气固换热速率，强化换热功能。传统5级预热预分解系统中，生料同热气流只经过5次热交换，而本发明技术通过对旋风筒出口生料的分料，一部分生料在原换热单元中进行5次常规温差的热交换的同时，另一部分生料则交叉进入温度更高的下一级换热单元中，实现了4次大温差热交换，充分吸收了烟气中的热焓，提高了该部分换热后的生料温度，降低了烟气温度，因而，大幅度降低了系统的出口废气温度。

2.本发明采用喷旋叠加多点来料再循环型分解炉，使分解炉在容积相同的情况下，提高了炉内固气比，强化了物料的换热，大大延长了物料在炉内停留时间，保证了低质烟煤和无烟煤在炉内的充分燃烧，对高海拔和原燃材料的适应性增强，热工制度稳定，操作弹性增大。

(1)本发明的分解炉主体从结构设置上具有独特优势。通过窑尾烟气、三次风和煤粉进炉方式，以及炉内缩口的合理设置，形成三次喷腾效应和三个旋风效应，以及喷腾和旋风的叠加效应，提高炉内固气比，大大延长了料粉和煤粉在炉内的停留时间，提高了生料换热效率和煤粉的燃烧效率。

(2)本发明中物料分离及循环装置的设置，直接提高了分解炉内的固气比，最大限度地提高了生料分解率和煤粉的燃烬率，稳定了烧成系统的热工制度，降低了回转窑的热负荷，提高了熟料产质量。同时，消除了高温物料在变径弯头底部的堆积、堵塞、结皮造成的通风不畅和系统不稳定等问题，提高了系统的运转率，降低了生产成本。既是对分解炉容积的有效补充，也为有效发挥分解炉的功能起到了重要的把关作用。

(3)本发明的分解炉采用不同于以往的来料路径，将倒数第三级旋风筒出口的一部分生料和倒数第二级旋风筒出口的全部生料引入分解炉中下部，既利用大温差增加了生料的换热量，有效提高了换热效率，也防止了使用低质煤或无烟煤时燃烧区后移造成的分解炉局部高温和结皮等问题的出现，确保了分解炉的安全，为分解炉适应低质烟煤或无烟煤的燃烧提供了必要的技术保障。另外，也降低了分解炉出口温度，有效防止了分解炉和最低一级旋风筒出口温度的倒挂现象，降低了最低一级旋风筒高温堵塞的几率。

(4)本发明在分解炉采用阶段燃烧和优化燃烧制度的低氮燃烧技术，还原了出窑烟气中的部分NOx，抑制了分解炉内NOx的产生，有效降低了废气中NOx的浓度。

3.本发明充分发挥了悬浮预热和预分解技术的应有优势，使得入窑生料分解率提高3～5个百分点，提高熟料产量10％～15％；降低熟料分步电耗3.5～5.0kW.h/t；降低预热器出口温度35℃～55℃，降低熟料烧成煤耗2.9～4.5kgce/t；降低废气中NOx含量100～150ppm。

以1700m高海拔高度的2500t/d熟料生产线为例，按照年运行310天计算，年增产熟料7.750～11.625万吨，年节电267～384万kW·h，年节约标准煤2248～3488吨，年减少CO₂排放量6698～10296吨，年减少SO₂排放量62～95吨，年减少NOx排放量183～358吨，年增加利润总额762～1139万元以上，提高了熟料产质量，降低了能耗，实现了环保减排，经济效益和环境效益显著。

附图说明

图1是本发明的预热预分解系统的结构示意图。

图2是本发明的分解炉的结构示意图。

附图标记说明：1—C₁旋风筒；2—C₂-C₁风管；3—C₂旋风筒；4、8、13、18—分料阀；5—C₁锁风阀及下料管A；6—C₃-C₂风管；7—C₁锁风阀及下料管B；9—C₂锁风阀及下料管A；10—C₂锁风阀及下料管B；11—C₃旋风筒；12—C₄-C₃风管；14—C₃锁风阀及下料管A；15—C₃锁风阀及下料管B；16—C₄旋风筒；17—C₅-C₄风管；19—C₄锁风阀及下料管A；20—C₄锁风阀及下料管B；21—分解炉主体；22—鹅颈管；23—物料分离及循环装置；24—C₅旋风筒；25—C₅锁风阀及下料管；26—窑尾烟室；

101—三次风入口；102—窑尾缩口；103—方圆变换管；104—煤粉锥体入口；105—分解炉下锥体；106—C₄下部进料口；107—煤粉柱体入口；108—炉中部下缩口；109—C₄中部进料口；110—C₃中部进料口；111—炉中部上缩口；112—分解炉主体氨水喷口；201—膨胀节；202—鹅颈管氨水喷口；203—防堵式180°弯头；204—风管；205—变径弯头；301—集料锥体；302—锁风阀；303—下料管；304—膨胀节。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

一、本发明的理论依据和原理

1.根据热力学定律“热量总是由高温物体自发的传向低温物体，两种流体存在温度差，就必然有热量进行传递”。对于水泥悬浮预热系统，其生料与气体之间的热量传递为对流换热。根据对流换热基本定律——牛顿冷却定律，对流换热的热流与流体和固体壁面的温度差成正比，即：

Q＝α·(t_m-t_g)·F＝α·Δt·F

或，q＝α·(t_m-t_g)＝α·Δt

式中：Q——热流量(传热量)，W；

q——热流通量(热流密度)，W/m²；

α——气固换热系数，W/(m²·℃)；

t_m——粉体温度，℃；

t_g——气体温度，℃；

F——气固接触面积，m²。

从上式可以看出：对于一定的水泥预热预分解系统，其撒料装置、管道风速、生料细度(比表面积)等已经大体固定，α和F基本不变，气固换热量仅与温差有关，且成正比，所以气固温差越大，换热速率越高，换热量越大。

同时，从热量公式：

Q＝G·C·Δt

式中：Q——热量，kJ/h；

G——介质流量，kg/h，或Nm³/h；

C——比热，kJ/(kg·℃)，或kJ/(Nm³·℃)；

△t——温差，℃。

也可以看出，当介质流量不变，在一定的温度范围内，比热变化很小或几乎不变，则，热量的变化与温差直接相关，且成正比。

因此，对水泥预热预分解系统而言，将低温换热单元的生料引入比原换热部位更高的高温气流的换热单元中，就能形成更大的气固换热温差，实现换热量的最大化。

2.对于粉体工程，有关文献对旋风预热器系统的固气比与热效率的理论研究表明：当固气比Z<2时，固气比对热效率的影响非常敏感，随着Z值增加而增加；当2≤Z≤3.6时，固气比对热效率影响变得缓慢；当Z>3.6时，随着Z值增加热效率减小。

因此，提高预热预分解系统的固气比是提高气固换热的有效途径之一。

二、本发明的系统布局

本发明提出的一种大温差交叉料流预热预分解系统，包括N级旋风预热器系统、分解炉系统和窑尾烟室。本发明以图1所示的单系列5级旋风预热器预分解系统为例，说明该系统的结构。该预热预分解系统包括5级旋风预热器、喷旋叠加多点来料再循环型分解炉和窑尾烟室。每级旋风筒、进口风管及其下料管组成一个换热单元，其中，旋风筒由蜗壳、圆柱体、锥体和内筒等组成，进风管由管道、进料箱以及撒料装置组成，下料管由分料阀、锁风阀和管道等组成。喷旋叠加多点来料再循环型分解炉由分解炉主体、鹅颈管和物料分离及循环装置等三部分组成。窑尾烟室通过密封装置与运转的回转窑连接，通过缩口与分解炉下部连接，起到承上启下的作用，防止冷空气进入系统，并且将生料及时入窑。各部件由钢板制作，内壁敷设耐火材料和隔热材料。

(一)喷旋叠加多点来料再循环型分解炉的结构

该分解炉的构思是：物料在从C_N-1旋风筒进入C_N旋风筒之前，先经过分解炉进行处理。该分解炉将来自C_N-1旋风筒的全部物料和C_N-2旋风筒的部分物料以及经过该分解炉处理后的部分物料作为来料源，该分解炉在这些物料进入到炉内的位置处的上下方分别设置缩口，并在物料在分解炉内运行轨迹的前端设置三次风入口和煤粉入口，当出窑高温烟气自下而上以喷腾方式进入分解炉内时，即可达到旋风效应与出窑高温烟气的喷腾效应相互叠加的效果，从而使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高炉内料气比，大大延长了料粉和煤粉在炉内的停留时间，进而提高了换热效率，提高了煤粉的燃烬率。进入分解炉主体内的物料沿烟气行进方向进入鹅颈管，鹅颈管中的部分物料借助在烟气中运动的惯性和离心力进入物料分离及循环装置，其余物料进入C_N旋风筒，物料分离及循环装置中的物料作为来料源之一进入分解炉主体内。由此本发明能够实现喷旋叠加、多点来料和再循环。

这里的N表示旋风预热器系统的级数，C_N旋风筒表示N级旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的最低一级旋风筒，对4级预热器来说是C₄，对5级预热器来说是C₅，对6级预热器来说是C₆；C_N-1旋风筒表示N级旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的倒数第二级旋风筒，C_N-2旋风筒表示N级旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的倒数第三级旋风筒。

下面以图2所示的单系列5级旋风预热器所用的分解炉为例，说明喷旋叠加多点来料再循环型分解炉的结构。

分解炉主体21包括三次风入口101、窑尾缩口102、方圆变换管103、煤粉锥体入口104、分解炉下锥体105、C₄下部进料口106、煤粉柱体入口107、炉中部下缩口108、C₄中部进料口109、C₃中部进料口110、炉中部上缩口111和炉主体氨水喷口112。

鹅颈管22包括膨胀节201、鹅颈管氨水喷口202、防堵式180°弯头(或蜗旋式管道转弯装置)203、风管204和变径弯头205。其中，膨胀节201可根据需要设置。

物料分离及循环装置23包括集料锥体301、锁风阀302、管道303以及膨胀节304。其中，所述物料分离及循环装置23的物料分离原理主要包括：烟气中的粉尘受重力沉降、离心力等固有特征力及惯性的作用而将粉尘收集下来。所述物料分离及循环装置23的集料锥体301包括：上口形状各异、角度不同的圆锥体、多边形锥体等。其中，膨胀节304可根据需要设置。

分解炉主体21、鹅颈管22和物料分离及循环装置23之间依次连接组成分解炉系统。分解炉的窑尾缩口102向下与窑尾烟室连接，变径弯头205水平与C₅旋风筒连接。各部件由钢板制造，内部敷设耐火材料。

下面结合图1从分解炉结构、风、煤、料的进炉方式以及脱硝方式对本发明进行详细介绍。

1.分解炉结构

分解炉主体21的下部与窑尾烟室连接部位设置第一个缩口，即窑尾缩口102，使出窑烟气呈初次喷腾效应入炉，形成第一个燃烧区，使燃料分解和燃烧。在窑尾缩口102上方设置方圆变换管103。分解炉主体内部设置两个缩口，即炉中部下缩口108和炉中部上缩口111，使分解炉中的烟气呈第二次和第三次喷腾效应，加速气流与生料的混合、搅拌过程，并形成两个后续燃烧区，在较低的过剩空气下使煤粉完全燃烧，加速与生料的热交换过程。

分解炉主体21的上部与鹅颈管22连接，鹅颈管的作用是在不增加框架高度的情况下，例如借助防堵式180°弯头(或蜗旋式管道转弯装置)203和风管204，与预热器系统最低一级旋风筒进行连接，有效利用预热器框架的空间，增加分解炉容积，延长物料在分解炉内的停留时间，提高入窑生料的分解率。

在鹅颈管22向下与旋风预热器系统最低一级旋风筒与集料锥体301连接，集料锥体301利用物料在烟气中运动的惯性和离心力收集出炉烟气中的部分高温物料(约占总量的25％～30％)，并将物料通过锁风阀302、管道303等送入分解炉下锥体105的上部，在分解炉内部进行再循环，达到提高生料换热效率，提高生料分解率，稳定分解炉操作，以及达到消除变径弯头205底部的高温物料堆积、堵塞和结皮的目的。

2.风、煤、料的进炉方式

(1)窑气和三次风进炉方式

出窑高温烟气自下而上通过窑尾缩口102以喷腾方式进入分解炉下锥体105，将分解炉下锥体四周的气体及料粉和煤粉不断卷吸进来，向上喷射，造成许多由中心向边缘的旋涡，形成喷腾效应，大大延长料粉和煤粉在炉内的停留时间，加速各种化学反应。

三次风入口101以向下倾斜一定角度(10°～15°)的方式设置，三次风沿三次风入口101从分解炉下锥体105的上端以切线方式进入分解炉主体21内部，在炉内旋回前进，呈旋风效应。

三次风的旋风效应与出窑烟气的喷腾效应相互叠加，大幅度延长料粉在炉内的停留时间，使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高了料气比，进而提高换热效率，加速了各种化学反应。这种进风方式，一方面使出窑烟气量与三次风量之间获得平衡，另一方面使得分解炉结构简单，方便了工艺布置，减少了炉内结皮。

(2)煤粉进炉方式

煤粉分别从煤粉锥体入口104和煤粉柱体入口107喷入，每个入口的两个喷煤管以非对称方式沿着某一直径的圆周方向切向喷入，形成旋风效应。优选地，煤粉锥体入口104喷入的煤粉占分解炉用煤量的70％～85％，煤粉柱体入口107喷入的煤粉占分解炉用煤量的15％～30％。

喷入分解炉下锥体的煤粉与缺氧的窑气接触后形成还原气氛，还原了出窑烟气中的部分NO_x，抑制了分解炉内NO_x的产生，降低系统的NO_x排放浓度。

大部分煤粉在三次风上方的分解炉柱体以切向喷入，形成旋风效应，延长煤粉进入分解炉起始段的停留时间，使之迅速加热、起火、预燃，在富氧条件下立即分解、氧化和燃烧，其热量迅速传递给呈悬浮状态的生料，满足生料分解的要求。

对低挥发分的燃煤，采用分解炉专用燃烧器，进一步强化风、煤混合；根据生产规模、分解炉用煤量、煤种和煤质的不同，对喷煤点位置和数量进行调整。

各进煤位置与三次风的位置密切配合，合理布置。

(3)生料进炉方式

本发明采用的来料路径与进炉方式与传统的来料路径与进炉方式不同，本发明的分解炉生料分别来自C₃、C₄和物料分离及循环装置23，C₃来料从C₃中部进料口110进入分解炉中部下缩口108上方；C₄来料既可全部从C₄下部进料口106进入分解炉下锥体105上方，也可一部分从C₄中部进料口109进入分解炉中部下缩口108上方，另一部分从C₄下部进料口106进入分解炉下锥体105上方；物料分离及循环装置23的来料从分解炉下锥体105上方进入。各点来料入炉后立即悬浮于喷腾和涡旋层之中，加速与生料的热交换过程。

根据炉用煤质、海拔自然环境的不同，C₃和C₄各进料口的来料量通过旋风筒之下的分料阀进行比例调整，C₃来料量的比例优选为0～50％可调。当炉用煤质较好时，从分解炉下锥体105上方送入C₄和物料分离及循环装置23来料的同时，从分解炉中部下缩口108上方送入分料比例较小的C₃来料，利用C₃低温料与炉内高温气体形成的大温差换热，吸收炉内气体的热焓，降低分解炉出口温度；当使用低质烟煤或无烟煤时，将C₄和物料分离及循环装置23来料送入分解炉下锥体105上方的同时，从分解炉中部下缩口108上方送入C₃和C₄来料，以更多的吸收炉内高温区气体的热焓，消除由于使用低质烟煤或无烟煤时主燃烧区后移造成的局部高温和结皮等问题，同时，也降低分解炉出口温度，有效防止了分解炉与C₅旋风筒温度倒挂，以及C₅旋风筒的高温堵塞。

各进料点与三次风、进煤的位置进行密切配合，合理布置。

根据前述对风、煤、料进入分解炉的方式以及在分解炉内的运行状态可知，本发明使用的关键技术为三个旋风(1个三次风、2个煤粉)、三次喷腾(窑尾缩口、分解炉中部下缩口和炉中部上缩口)和三来料源(C₃、C₄、物料分离及循环装置)。

3.脱硝方式

出窑烟气的过剩空气系数较小(一般在1.05～1.10)，在分解炉下锥体喷入炉用煤量的70％～85％，煤粉在缺氧的情况下裂解、燃烧，生成H₂、CO和C_mH_n等还原性气体，生料中Al₂O₃和Fe₂O₃作为催化剂，将出窑烟气中的NO_x置换成N₂和H₂O等无害气体，使预热器系统排出的废气中的NO_x含量降低100～150ppm。在环保标准要求严格的情况下，根据分解炉温度的高低，在分解炉中部上缩口的上部，例如炉主体氨水喷口112，或者鹅颈管上行管部位设置氨水喷入点，例如鹅颈管氨水喷口202，使氨水与NO_x反应，从而降低NO_x排放浓度。

(二)系统的整体结构

如图1所示，回转窑与窑尾烟室26连接；三次风管与分解炉21锥体上端的三次风进口连接；煤粉管道分别与分解炉21锥体中下部和三次风入口的上部进煤口连接(如图2所示)；C₁旋风筒出风口与系统排风机连接。

分解炉21的窑尾缩口向下与窑尾烟室26连接，分解炉鹅颈管22与C₅旋风筒24的进风口连接，鹅颈管22的变径弯头下部经分解炉物料分离及循环装置23与分解炉21的下部进料口连接。

C₅旋风筒24的下料口经C₅锁风阀及下料管25与窑尾烟室26的进料口连接，C₅旋风筒24的出风口经C₅-C₄风管17与C₄旋风筒16的进风口连接。

C₄旋风筒16的下料口经下料管与分料阀18连接，分料阀18出口的两个C₄锁风阀及其下料管19、20分别与分解炉21的下部进料口和中部进料口连接，C₄旋风筒16的出风口经C₄-C₃风管12与C₃旋风筒11的进风口连接。

C₃旋风筒11的下料口经下料管与分料阀13连接，分料阀13出口的两个C₃锁风阀及其下料管14、15分别与C₅-C₄风管17和分解炉21中部的进料口连接，C₃旋风筒11的出风口经C₃-C₂风管6与C₂旋风筒3的进风口连接。

C₂旋风筒3的下料口经下料管与分料阀8连接，分料阀8出口的两个C₂锁风阀及其下料管9、10分别与C₄-C₃风管12和C₅-C₄风管17连接，C₂旋风筒3的出风口经C₂-C₁风管2与C₁旋风筒1的进风口连接。

两个C₁旋风筒1的下料口各自经不同的下料管分别与两个分料阀4连接，每个分料阀4的出口均分为两路，每个分料阀出口中有一路出口各自经不同的C₁锁风阀及下料管道A5与C₃-C₂风管6连接，另外两路出口的下料管合二为一，经C₁锁风阀及下料管B 7与C₄-C₃风管12连接。C_1A C_1B

(三)本发明的方法流程

如图1所示，本发明预热预分解系统进行预热预分解方法包括以下步骤：

来自生料均化库的生料经称重计量后进入C₂-C₁风管2中，与来自C₂旋风筒3出风口的上升热气流相遇并进行热交换，当热气流携带生料进入C₁旋风筒1后，被迫在旋风筒的蜗壳与内筒之间作旋转流动，并且一边旋转一边向下运动，由筒体到锥体，一直延伸到锥体的端部，然后转而旋转上升，气流由内筒排出。

生料被气流携带作旋转流动时，由于生料密度大于气体密度，受离心力作用，生料向边部移动的速度远大于气体，致使靠近边壁处浓度增大，同时由于粘滞阻力作用，边壁处流体速度降低，使得悬浮阻力大大减小，生料沉降而与气体分离。

完成气料分离收集的生料通过分料阀分为两路(0～50％可调)，一路通过C₁锁风阀及下料管A 5进入C₃-C₂风管5中，与C₃旋风筒11出风口的热气流相遇，瞬间进行大部分的热交换，随气流进入C₂旋风筒3内，另一路则通过C₁锁风阀及下料管B 7，交叉进入C₄-C₃风管12中进行大温差热交换。

同理，在C₂旋风筒3内完成气料分离后，气流从出风口排出，收集的生料通过分料阀8分为两路(0～50％可调)，一路通过C₂锁风阀及下料管A 9进入C₄-C₃风管12中，并和C₁锁风阀及下料管B 7的来料一起，与C₄旋风筒16出风口来的热气流进行热交换后，被气流带入C₃旋风筒11内，另一路则通过C₂锁风阀及下料管B 10，交叉进入C₅-C₄风管17中进行大温差热交换。

在C₃旋风筒11内的完成气料分离后，气流从出风口排出，与上一级旋风筒下料口的来料进行热交换，生料则通过分料阀13也分为两路(0～50％可调)，其中一路经C₃锁风阀及下料管B 15交叉进入分解炉21中部，在分解炉主体内进行大温差热交换，另一路生料经C₃锁风阀及下料管A 14进入C₅-C₄风管17中，并和C₂锁风阀及下料管B 10的来料一起，与C₅旋风筒24出风口的热气流进行热交换。

热交换后生料在热气流的携带下进入C₄旋风筒16内，完成气料分离，气流从其出风口排出，生料则收集下来通过分料阀18分为两路(在0～50％可调)，一路通过C₄锁风阀及下料管A 19进入分解炉21下部，另一路通过C₄锁风阀及下料管B 20进入分解炉21中部。

在分解炉21內进行气料换热及碳酸盐的分解后，生料随气流通过分解炉鹅颈管大部份进入C₅旋风筒24内，同时，由于离心力的作用，小部分生料(约占25％～30％)通过物料分离及循环装置23进入分解炉，实现部分出炉高温生料的再循环，使未分解的生料和未燃净的煤粉在分解炉内进一步换热和燃烧，在直接增加炉内固气比的同时，最大限度地提高了生料分解率和煤粉的燃烬率，稳定了分解炉的热工制度，降低了回转窑的热负荷，提高了熟料产质量。

C₅旋风筒24内完成气料分离收集后，生料经其锁风阀及下料管25进入窑尾烟室26，随后进入回转窑内进行煅烧。

整个旋风预热器系统中，每级旋风筒、进风管及其下料管组成一个换热单元，生料自上而下，热烟气自下而上进行逆流热交换。下料管与连接风管的连接部位设有撒料装置，目的在于使上级旋风筒下来的生料进入风管时，受重力作用冲在撒料器上飞溅起来，使生料能够迅速而充分地分散，均布分布在下级旋风筒出来的热气流之中，增大换热面积，实现生料的高效换热。锁风阀的作用在于既保持上级旋风筒分离出的生料畅通地通过下料管进入风管，又能最大限度地防止下级旋风筒出来的热气流经由下料管短路窜入上级旋风筒，避免造成已分离生料的二次飞扬、降低旋风筒的分离效率。

本发明的改进点之一是通过对旋风预热器系统4个旋风筒下料口的生料再分配，使一部分生料改变原有的换热位置，交叉进入气流温度更高的下一级的换热单元中进行大温差热交换，提高换热效率，降低系统的废气出口温度。

分解炉作为燃料燃烧和生料碳酸盐分解的热工装置，其主要作用是确保燃料在炉内充分燃烧，并且使燃料的放热过程与生料碳酸盐分解的吸热过程在其中以悬浮态下迅速地进行，确保较高的入窑生料分解率，因此，分解炉在系统中承担着重要的功能。

本发明的改进点之二是分解炉采用了喷旋叠加多点来料再循环型分解炉。它由分解炉炉主体、鹅颈管和物料分离及循环装置等三部分组成。进入分解炉的三次风及煤风形成的涡旋气流、窑尾缩口和分解炉内部缩口形成的喷腾热气流，使各路来料入炉后立即悬浮于喷腾层之中，加速与生料的热交换过程，并且，三次风的旋风效应与出窑烟气的喷腾效应相互叠加，大幅度延长料粉在炉内的停留时间，使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高了固气比，进而提高换热效率，加速了各种化学反应；通过旋风筒出口生料的再分配，使C₃和C₄旋风筒下料口的一部分生料从分解炉中部喂入，实现大温差热交换，在提高换热效率，降低分解炉出口温度的同时，防止了由于使用低质烟煤或无烟煤时燃烧区后移造成的分解炉中部局部高温和结皮等问题的出现，确保分解炉的运行安全，为分解炉适应低质烟煤或无烟煤的使用提供了必要的技术保障；物料分离及循环装置则将出炉烟气中的一部分高温物料分离，并喂入分解炉内进行再循环，在直接提高炉内固气比的同时，最大限度地提高了生料分解率和煤粉的燃烬率，稳定了烧成系统的热工制度，降低了回转窑的热负荷，提高了熟料产质量，同时，消除了高温物料在变径弯头底部的堆积、堵塞和结皮、通风不畅以及系统不稳定等问题，提高了系统运转率，降低了生产成本。

本发明所述“分料”既可将各级旋风筒同时分料使用，也可以单个旋风筒单独分料使用。

本发明所述预热预分解系统，包括单系列预热器和双系列预热器。

本发明适用于新建和现有水泥预热预分解系统的改造，也可用于冶金、化工等行业中的粉料换热系统。

本发明通过上述手段，旨在提高生料换热效率，降低系统废气温度，提高生料分解率，稳定窑系统热工制度，提高系统运转率，提高熟料产质量。

下面以海拔1700m，熟料产量2500t/d，熟料热耗760kcal/kg-cl，熟料分步电耗38kW·h/t-cl的条件为例，对采用原有分解炉的系统和采用本发明分解炉的系统的主要技术指标进行了比对，比对结果如下表所示：

备注：原有系统按照2500t/d计算，专利系统按照分料20％、循环25％计算。

按照年运行310天计算，年增产熟料7.750～11.625万吨，年节电267～384万kW·h，年节约标准煤2248～3488吨，年减少CO₂排放量：6698～10296吨，年减少SO₂排放量62～95吨，年减少NOx排放量183～358吨，年增加利润总额762～1139万元以上，提高了熟料产质量，降低了能耗，实现了环保减排，经济效益和环境效益显著。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大温差交叉料流预热预分解系统，该预热预分解系统包括旋风预热器系统、分解炉系统和窑尾烟室，旋风预热器系统包括N级旋风筒，来自回转窑的烟气经窑尾烟室后从分解炉系统排出，然后借助风管从第N级旋风筒依序流向第1级旋风筒，并最终由第1级旋风筒的出风口排出；其特征在于，除第N级旋风筒之外的其他旋风筒均包括分料阀，第1级至第N-2级旋风筒各自通过分料阀将下料口中的部分物料送入比其低一级的旋风筒出口管道，将另一部分物料送入较该低一级的旋风筒更低一级的烟气温度更高的旋风筒出口管道或分解炉系统；第N-1级旋风筒通过分料阀将其下料口中的物料送入分解炉系统中的不同位置的进料口；从而增大各旋风筒和分解炉系统中的气固温差；其中，各个分料阀的调节比例范围为0～50％；

这里的N表示旋风预热器系统中旋风筒的级数，旋风预热器系统中各旋风筒自上而下排列，第1级旋风筒表示最高一级旋风筒，简称C₁旋风筒；第N-2级旋风筒表示倒数第三级旋风筒，简称C_N-2旋风筒；第N-1级旋风筒表示倒数第二级旋风筒，简称C_N-1旋风筒；第N级旋风筒表示最低一级旋风筒，简称C_N旋风筒；

该分解炉系统为喷旋叠加多点来料再循环型分解炉，内部敷设耐火材料，该分解炉包括分解炉主体(21)、鹅颈管(22)和物料分离及循环装置(23)；其中，C_N-2旋风筒下料口中的部分物料送入C_N旋风筒出口管道，另一部分物料送入分解炉主体(21)；

C_N-1旋风筒下料口中的全部物料、C_N-2旋风筒下料口中的该另一部分物料以及物料分离及循环装置(23)中的物料作为分解炉的物料来源进入分解炉主体(21)内，该分解炉主体(21)在这些物料进入到炉内的位置处的上下方分别设置缩口，并在物料进入到炉内的位置处沿烟气行进方向的前端设置以切线方向进入分解炉的三次风入口和煤粉入口，当烟气从窑尾烟室(26)自下而上以喷腾方式进入分解炉内时，即可达到三次风和煤粉的旋风效应与烟气的喷腾效应相互叠加的效果；其中，物料分离及循环装置(23)的物料进入处下方设置的缩口为窑尾缩口(102)，该窑尾缩口向下与该窑尾烟室连接；

分解炉主体(21)内的物料随烟气进入鹅颈管(22)，鹅颈管(22)中的部分物料借助在烟气中运动的惯性和离心力进入物料分离及循环装置(23)，其余物料随烟气进入C_N旋风筒，进入物料分离及循环装置(23)的该部分物料即为所述的物料分离及循环装置(23)中的物料。

2.如权利要求1所述的预热预分解系统，其特征在于，该分解炉主体(21)包括三次风入口(101)、该窑尾缩口(102)、煤粉锥体入口(104)、分解炉下锥体(105)、C_N-1下部进料口(106)、煤粉柱体入口(107)、炉中部下缩口(108)、C_N-1中部进料口(109)、C_N-2中部进料口(110)和炉中部上缩口(111)；

炉中部下缩口(108)和炉中部上缩口(111)分别设置在分解炉主体(21)中部的下端和上端；

分解炉下锥体(105)位于分解炉主体(21)下部，物料分离及循环装置(23)中的物料进入分解炉下锥体(105)的上部；

三次风沿向下倾斜设置的三次风入口(101)从分解炉下锥体(105)的上端以切线方式进入分解炉主体(21)内部，在炉内旋回前进，呈旋风效应；

该窑尾缩口(102)位于分解炉下锥体(105)的下端；

煤粉锥体入口(104)位于分解炉下锥体(105)上，煤粉柱体入口(107)位于分解炉下锥体(105)和炉中部下缩口(108)之间的分解炉柱体上；煤粉分别从煤粉锥体入口(104)和煤粉柱体入口(107)喷入，每个入口的两个喷煤管以非对称方式沿着某一直径的圆周方向切向喷入，形成旋风效应；

C_N-1下部进料口(106)位于分解炉下锥体(105)上方并靠近分解炉下锥体(105)，C_N-1中部进料口(109)位于炉中部下缩口(108)上方并靠近炉中部下缩口(108)；C_N-1旋风筒下料口中的物料全部从C_N-1下部进料口(106)进入分解炉下锥体(105)上方；或者一部分从C_N-1中部进料口(109)进入分解炉中部下缩口(108)上方，另一部分从C_N-1下部进料口(106)进入分解炉下锥体(105)上方；

C_N-2中部进料口(110)位于炉中部下缩口(108)上方并靠近炉中部下缩口(108)，C_N-2旋风筒下料口中的该另一部分物料从C_N-2中部进料口(110)进入分解炉中部下缩口(108)上方。

3.如权利要求2所述的预热预分解系统，其特征在于，该鹅颈管(22)包括鹅颈管氨水喷口(202)、防堵式180°弯头(203)、风管(204)和变径弯头(205)；其中，

鹅颈管氨水喷口(202)位于鹅颈管上行管上；

该鹅颈管(22)借助防堵式180°弯头(203)与分解炉主体(21)上部连接，借助风管(204)与C_N旋风筒连接；

变径弯头(205)水平与旋风筒C_N连接。

4.如权利要求3所述的预热预分解系统，其特征在于，所述防堵式180°弯头(203)用蜗旋式管道转弯装置代替。

5.如权利要求3或4所述的预热预分解系统，其特征在于，物料分离及循环装置(23)包括集料锥体(301)、锁风阀(302)和管道(303)；其中，

鹅颈管(22)中的物料分别进入C_N旋风筒与集料锥体(301)，进入集料锥体(301)的物料通过锁风阀(302)、管道(303)送入分解炉下锥体(105)的上部。

6.如权利要求2或3所述的预热预分解系统，其特征在于，在分解炉中部上缩口(111)的上部设置炉主体氨水喷口(112)，和/或在鹅颈管(22)上行管部位设置鹅颈管氨水喷口(202)，使氨水与NO_x反应，从而降低NO_x排放浓度。

7.如权利要求1所述的预热预分解系统，其特征在于，所述N级旋风筒的级数为5级时，即C₁旋风筒、C₂旋风筒、C₃旋风筒、C₄旋风筒和C₅旋风筒；其中，

鹅颈管(22)与C₅旋风筒(24)的进风口连接，鹅颈管(22)的变径弯头下部经物料分离及循环装置(23)与分解炉主体(21)的下部进料口连接；

C₅旋风筒(24)的下料口经C₅锁风阀及下料管(25)与窑尾烟室(26)的进料口连接，C₅旋风筒(24)的出风口经C₅-C₄风管(17)与C₄旋风筒(16)的进风口连接；

C₄旋风筒(16)的下料口经下料管与分料阀(18)连接，分料阀(18)出口的两个C₄锁风阀及其下料管(19、20)分别与分解炉主体(21)的下部进料口和中部进料口连接，C₄旋风筒(16)的出风口经C₄-C₃风管(12)与C₃旋风筒(11)的进风口连接；

C₃旋风筒(11)的下料口经下料管与分料阀(13)连接，分料阀(13)出口的两个C₃锁风阀及其下料管(14、15)分别与C₅-C₄风管(17)和分解炉主体(21)中部的进料口连接，C₃旋风筒(11)的出风口经C₃-C₂风管(6)与C₂旋风筒(3)的进风口连接；

C₂旋风筒(3)的下料口经下料管与分料阀(8)连接，分料阀(8)出口的两个C₂锁风阀及其下料管(9、10)分别与C₄-C₃风管(12)和C₅-C₄风管(17)连接，C₂旋风筒(3)的出风口经C₂-C₁风管(2)与C₁旋风筒(1)的进风口连接；

C₁旋风筒为两个，这两个C₁旋风筒(1)的下料口各自经不同的下料管分别与一个分料阀(4)连接，每个分料阀(4)的出口均分为两路，每个分料阀出口中有一路出口各自经不同的C₁锁风阀及下料管A(5)与C₃-C₂风管(6)连接，两个分料阀出口中另外两路出口的下料管合二为一，经C₁锁风阀及下料管B(7)与C₄-C₃风管(12)连接。

8.一种使用如权利要求1-7中任一项所述的预热预分解系统进行预热预分解的方法，其特征在于，该方法包括：

来自回转窑的烟气经窑尾烟室后从分解炉系统排出，然后借助风管从第N级旋风筒依序流向第1级旋风筒，并最终由第1级旋风筒的出风口排出；

第1级至第N-2级旋风筒各自通过分料阀将下料口中的部分物料送入比其低一级的旋风筒出口管道，将另一部分物料送入较该低一级的旋风筒更低一级的烟气温度更高的旋风筒出口管道或分解炉系统；

第N-1级旋风筒通过分料阀将下料口中的物料送入分解炉系统中的不同位置的进料口；

第N级旋风筒下料口中的物料送入窑尾烟室，随后进入回转窑内进行煅烧。