CN107438747A - 具有减少的污染气体排放的用于生产水泥的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从生料生产水泥熟料的设备，具有用于生料脱酸的煅烧炉和用于烧结脱酸生料产生水泥熟料的旋转炉，其中脱酸的生料在通过煅烧炉之后流经旋流预热段进入旋转炉，和其中在废气从旋转炉至煅烧炉的流动路径上提供煅烧炉上游连接的反应器，来自旋转炉的废气入口管引导至该反应器。本发明还涉及操作具有煅烧炉和旋转炉的上述设备的相应方法，其中脱酸的生料在通过煅烧炉之后流经旋流预热段进入旋转炉，将废气从旋转炉导入在废气来自旋转炉的流动路径上煅烧炉上游连接的反应器，其中将燃料相对废气在反应器中的停留时间以超化学计量量加入反应器，从而废气中的二氧化碳被还原为一氧化碳。按照本发明预期的是，在反应器中的至少一个位置提供至少一个用于供给输入空气的空气输入管线，所述空气优选来自三次空气管线。以该方式，可能更佳地控制其中发生的Boudouard反应。

Description

具有减少的污染气体排放的用于生产水泥的设备
本发明涉及用于从生料生产水泥熟料的设备，从物质流动的方向观察包括，用于生料脱酸的至少一个煅烧炉和用于将脱酸的生料烧结为水泥熟料的至少一个旋转炉，其中所述脱酸的生料在通过煅烧炉之后经旋流预热段流入旋转炉，并且其中提供在废气从旋转炉至煅烧炉的流动路径上煅烧炉上游连接的反应器，旋转炉废气的入口管引导至该反应器。本发明还涉及所述从生料制备水泥熟料的设备的操作方法，所述设备从物质流动的方向观察包括，用于生料脱酸的至少一个煅烧炉，和用于将脱酸的生料烧结为水泥熟料的至少一个旋转炉，其中脱酸的生料在通过煅烧炉之后经旋流预热段流入旋转炉中，从而将旋转炉废气引导至在废气从旋转炉至煅烧炉的流动路径上煅烧炉上游连接的反应器，其中相对废气在反应器中的停留时间将燃料以超化学计量量加至反应器，从而包含于废气中的二氧化碳(CO2)被还原为一氧化碳(CO)。
为了产生水泥熟料，将钙质岩和硅质岩的混合物磨碎并进行热处理，导致二氧化碳(CO2)从石灰形式地除去，其从而转化为煅石灰(CaO)。在后续步骤中，通过除去CO2脱酸的生料，其由初始非脱酸的钙质岩和仍未改变的钙质岩组成，加热烧结为各种硅酸钙相。
生料的脱酸和烧结是需要热量才能进行的吸热过程。该热量能够得自高品质燃料。除了经典的主要燃料比如煤炭之外，备择燃料也越来越多地出于成本原因而用作水泥厂的能量来源，这些能量来源常常得自城市或工业废料。
上文提及的热处理类型使得必需在旋转炉中进行烧结，其中为了成功烧结硅酸钙相旋转炉必须处于至少1450℃的极高温度。为了在旋转炉中产生这种高温，必须依赖能够高达1800℃的火焰温度。在这种高温，燃料中大部分以胺形式存在的氮和燃烧空气中存在的大气氮燃烧形成氮氧化物(NOx)。除非采取措施预防或减少所得的氮氧化物，它们与旋转炉废气逃逸至开放大气中，其中它们通过大气水分水解转化为硝酸(HNO3)，氧化亚氮(HNO2)和其它酸性反应的氮氧化物水合物。与大气压水分酸性反应的氮氧化物(NOx)是有害酸雨的原因，其降低森林土壤的天然pH并减弱它们对疾病的抵抗。已知降低氮氧化物(ΝΟx)从制备水泥设备排放的各种措施。
德国未审查的专利申请DE 102013006237 A1公开了设备和方法，其中将用于制备水泥的设备的旋转炉废气被引导至旋转炉下游连接的设置在旋转炉与煅烧炉之间的反应器，并将燃料加至反应器(8)。在该情况下，相对废气在反应器中的停留时间，燃料以超化学计量量加入，从而废气中包含的二氧化碳被还原为一氧化碳(CO)。一氧化碳(CO)充当氮氧化物(NOX)的还原剂，其在煅烧炉中化学还原，尽管停留时间短暂。
德国未审查的专利申请DE 10 2013 006 236 A1公开又一制备水泥熟料的设备，从物质流动的方向观察包括，用于预热生料的至少一个换热器，用于煅烧生料的至少一个后接煅烧炉，用于烧结煅烧的生料的至少一个旋转炉，和用于冷却烧结的水泥熟料的至少一个熟料冷却器，其中为了所谓的困难燃料设置的燃烧装置显示不可预测的或至少不稳定的点火和烧除行为，并且所述装置任选在生料存在下碳化、热解和/或灼烧困难燃料。根据该申请教导的发明，其中提供燃烧装置，其配置为上游罐式反应器或颠倒U-形状的鹅颈反应器，其出口(5.2)在熟料冷却器的三次空气管线上方开口于煅烧炉内。这使得块状的和/或可燃性低的燃料可以燃烧，其中来自反应器内不完全燃烧的烧除气体以气态形式存在于煅烧炉中，以进一步燃烧。
在两种方法中，燃料气化需要的氧，即燃料裂解为一氧化碳(CO)需要的氧，一方面来自炉入口室(炉燃烧过程的残余氧)以及经由在裂解室中发生的燃料C形成CO的Boudouard反应(CO2还原)间接来自二氧化碳CO2。在该情况下氧供给是稳定常数，并且这使得可能影响气化过程的温度和气化速率。
因此本发明目的是改善燃料的气化控制(检测)。
本发明目的通过实施制备水泥的设备的操作方法来实现：在反应器中的至少一个位置将新鲜空气加至反应器，其中新鲜空气优选来自三次空气管线，其将来自在物质流动方向旋转炉下游连接的熟料冷却器的同流换热空气引导回所述设备中。本发明方法的进一步有利方式在从属权利要求6至10中提供。
相应地提出制备水泥的设备，其中在反应器中的至少一个位置提供至少一个新鲜空气的空气入口管线。制备水泥的设备的其它有利方式提供于从属权利要求2至5中。
因此根据本发明提供的是，在旋转炉与煅烧炉之间与常规的水泥生产设备相比其上游连接的额外的反应器，其中通过超化学计量加入燃料来产生一氧化碳(CO)。具有不可预测的点火和烧除行为的间或困难的燃料气化和/或裂解产生的一氧化碳(CO)，以及Boudouard反应中通过还原旋转炉废气中的二氧化碳(CO2)产生的一氧化碳(CO)在进一步的过程控制中用作还原NOx的气态还原剂，其中再次产生游离的氮(N2)和二氧化碳(CO2)。
与申请DE 102013006236 A1和DE 102013006237 A1中的已知方法相比，在该情况下存在额外的新鲜空气进料，优选来自用于热同流换热的三次空气管线。预热的三次空气携带显著热量以可靠地气化或甚至热解困难燃料，其中气化和裂解发生为吸热过程。吸热过程控制中发生的温度降低通过燃料亚化学计量的且燃烧空气或氧超化学计量的燃烧补偿，所述燃烧发生为放热过程。在理想情况下，过程控制通过调节新鲜空气供给来进行。在自热过程控制中，通过放热过程步骤产生的燃烧热或过程热恰好等于也在过程期间发生的吸热过程步骤的消耗。
为了调节过程控制，提供至少一个控制回路，其中控制装置基于列于下述的参数中的一种或多种来调节加至反应器的新鲜空气：平均反应器温度，反应器下部的反应器温度，反应器上部的反应器温度，NOx发射，和作为CO浓度测量的气化速率。温度能够在发生吸热过程控制的反应器下部测量，和额外地在发生放热过程控制的上部测量。虑及在过程控制期间产生的气体量及其比热容量，能够调节新鲜空气使得过程控制自热地发生，也即气化消耗的热量恰好等于放热过程控制中再生的那些，所述放热过程控制是任选通过新鲜空气或氧供给支持的。自热过程控制的目的和意图是供给尽可能少的新鲜空气或富氧空气或甚至纯氧(O2)，而不抽走制备水泥熟料所必需的热。本发明的目的不是通过在旋转炉与煅烧炉之间的额外燃烧位置将更多的热加至过程，而是首先在困难燃料的最佳可能气化下实现最高浓度的一氧化碳(CO)，使得不希望的氮氧化物(NOx)借助高浓度一氧化碳(CO)而减少。以超化学计量量存在的一氧化碳(CO)在更靠后的过程阶段中由于其增加的反应性而显著更容易氧化。
在旋转炉与煅烧炉之间连接的反应器使得可能选择性地影响过程参数，比如燃料和氧(O2)或空气的化学计量，以及温度和流速和从而燃料在相应条件下的停留时间。反应器能够相应地配置以控制流速。为了控制温度而提供的是，将水蒸气和/或水(H2O)注入反应室。然而，实际上由所伴随的热损失从而能量损失引起的温度下降是为了保持Boudouard反应的条件和防止烧除产生的一氧化碳(CO)形成二氧化碳(CO2)所必需的。作为冷却的备择以及累积可能性，还能够将已加热的但还未脱酸的原料吹送入反应器中。反应器中主要的热被作为吸热过程的脱酸反应吸收，其也使得可能降低源自旋转炉的极热气体的温度。
本发明进一步参照附图详细解释。附图说明如下：
图1显示根据本发明的制备水泥熟料的设备，其反应器配置为鹅颈反应器。
图1显示根据本发明制备水泥熟料的设备1，其中将生料2进料至预热器1.1中。生料2从顶部至底部通过预热器1.1的单独旋流预热段，其与预热器1.1中从煅烧炉3上升的废气逆流。在煅烧炉3中，在加入燃料的情况下产生使生料2脱酸的燃料热，也即在吸热反应中，二氧化碳(CO2)在化学形式上从生料2中包含的石灰(CaCO3)除去，从而煅石灰保持为氧化钙(CaO)形式。在其达到旋流预热段1.2时，预热的生料2经由管线1.3进料至煅烧炉3底部，其中生料2通过来自熟料冷却器11的三次空气4夹带进入三次空气管线4.1。在该位置，生料2与否则逆向流动的气体一起流入设备1而不是逆向流动。在煅烧炉3中一起上升的情况下，来自管线1.3的生料2和来自三次空气管线4.1的三次空气4经过气体出口5.2的流入位置，所述出口用于流自反应器5的劣可燃性燃料6碳化、裂解和/或燃烧产生的废气，其产生在本文显示的设备1中，所述设备1用于在鹅颈反应器中制备水泥熟料ZK。来自反应器5的废气在煅烧炉3中灼烧，其在此产生大量热并被其中发生的吸热脱酸反应吸收。本文显示的煅烧炉3具有位于所述煅烧炉3末端的涡旋器室7，其中烧除的气体和注入煅烧炉3的任何燃料能够在煅烧炉3废气流入换热器1.1之前完全燃尽，原因是应尽可能使得换热器1.1中不发生进一步的物质转化。在经过最下部的旋流换热器段1.4的情况下，生料2分离并经由管线1.5进料至旋转炉入口室9，其中生料2在旋转炉8中进一步加热烧结。为了将气体流分布在三次空气管线4.1和反应器路径之间的煅烧炉3中而提供阀系统10，借助其能够在三次空气管线4.1和反应器5之间分离空气。劣可燃性燃料6在反应器5中的燃烧位置点燃，然而因为其劣可燃性，所述燃料在旋转炉废气加热中仅缓慢地烧除、碳化或热解。
根据本发明的概念，在反应器5中燃料6供给上方的至少一个位置提供用于新鲜空气的至少一个空气入口管线12。预热的三次空气4将大量热量带入反应器5以便可靠地气化或甚至热解其中的燃料，其中气化和裂解作为吸热过程发生。除了燃料6气化之外，来自旋转炉废气8的二氧化碳(CO2)还原为一氧化碳(CO)也发生在所述反应器内的Boudouard反应当中。在吸热过程控制期间在反应器5在燃料6供给与新鲜空气进料管线12.1和12.2之间路径的反应区段内发生温度降低，其被燃料亚化学计量的且燃烧空气或氧超化学计量的燃烧补偿，所述燃烧作为放热过程发生。
为了防止气化"过冲(überschieβt)"或防止反应器废气中的二氧化碳(CO2)还原由于温度过高位于二氧化碳侧而非一氧化碳侧，根据方法的实施方式来提供冷却装置。冷却能够通过经由生料进料管线1.6的生料进料和经由在该位置注射水蒸气或水进行，和任选地在需要温度调节的又一位置。
在理想情况下，过程控制通过调节到达新鲜空气入口管线12.1和12.2的新鲜空气供给而自热地进行。在自热的过程控制中，通过放热过程步骤所产生的燃烧或过程热的量正相当于也在过程期间发生的吸热过程步骤吸收的量。
为了控制在反应器5中发生的气化和与其有关的Boudouard反应，优选将燃料6或困难燃料加料至反应器5底部，其中所述燃料开始来自旋转炉8的旋转炉废气中发生气化。由于在第一新鲜空气进料12.1之前和在第二新鲜空气进料12.2之前吸热气化反应导致的温度降低被新鲜空气进料12.1和12.2补偿，原因是已经产生的一氧化碳(CO)在此燃烧从而在放热过程步骤中形成二氧化碳(CO2)。在此优选提供的是，在新鲜空气进料12.1和12.2的新鲜空气供给恰好足够高以使得反应器5内的过程自热地发生。因为自热的过程控制，反应器5下行分支5.1中的气体流动具有相对旋转炉废气未改变的温度。
编号列表
1 设备 5.1 下行分支
1.1 预热器 5.2 流入位置/气体出口
1.2 旋流换热器段 6 燃料
1.3 管线 7 涡旋器室
1.4 旋流换热器段 8 旋转炉
1.5 管线 9 旋转炉入口室
1.6 生料进料 10 阀系统
2 生料 11 熟料冷却器
3 煅烧炉 12 空气入口管线
4 三次空气 12.1 新鲜空气进料
4.1 三次空气管线 12.2 新鲜空气进料
5 反应器 ZK 水泥熟料

Claims (10)

1.用于从生料(2)制备水泥熟料(ZK)的设备(1)，从物质流动的方向观察包括，
-至少一个煅烧炉(3)，用于生料(2)脱酸，和
-至少一个旋转炉(8)，用于将脱酸的生料(2)烧结为水泥熟料(ZK)，
其中脱酸的生料(2)在通过煅烧炉(3)之后经过旋流预热段(1.1)流入旋转炉(8)中，并且其中设置反应器(5)，其在旋转炉(8)废气流至煅烧炉(3)的流动路径上连接于煅烧炉(3)上游，旋转炉(8)废气的入口管线引导至该反应器，
其特征在于，
在反应器(5)中的至少一个位置提供用于供给新鲜空气的至少一个空气入口管线(12)。
2.根据权利要求1的设备(1)，
其特征在于，
新鲜空气来自三次空气管线(4.1)，其将来自在物质流动方向上旋转炉(8)下游连接的熟料冷却器(11)的同流换热空气引导回所述设备当中。
3.根据权利要求1的设备(1)，
其特征在于，
提供控制装置，其基于下述参数中的一种或多种调节供给至反应器(5)的新鲜空气：平均反应器温度，反应器下部的反应器温度，反应器上部的反应器温度，NOx排放，和作为CO浓度测量的气化速率。
4.根据上述权利要求1至3中任一项的设备(1)，
其特征在于，
提供水或水蒸气进入反应器(5)的进料和/或富氧空气或纯氧的进料。
5.根据上述权利要求1至3中任一项的设备(1)，
其特征在于，
提供生料(2)的至少一个进料(1.6)，其是加热的但还未经过煅烧炉流至反应器(5)。
6.用于从生料(2)制备水泥熟料的设备(1)的操作方法，所述设备(1)从物质流动的方向观察包含，
-至少一个煅烧炉(3)，用于生料(2)脱酸，和
-至少一个旋转炉(8)，用于将脱酸的生料(2)烧结为水泥熟料(ZK)，其中
脱酸的生料(2)在通过煅烧炉(3)之后经过旋流预热段(1.1)流入旋转炉(8)中，
-将旋转炉(8)废气引导至反应器(5)，其在旋转炉(8)废气流至煅烧炉(3)的流动路径上于煅烧炉(3)上游连接，其中
-相对废气在反应器(5)中的停留时间，将燃料(6)以超化学计量量加至反应器(5)，从而包含于废气中的二氧化碳(CO2)被还原为一氧化碳(CO)，
其特征在于
-在反应器(5)中的至少一个位置将新鲜空气引至反应器(5)，其中新鲜空气优选来自三次空气管线(4.1)，其将来自在物质流动方向上旋转炉(8)下游连接的熟料冷却器(11)的同流换热空气引导回所述设备(1)中。
7.根据权利要求5或6的用于制备水泥熟料的设备(1)的操作方法，
其特征在于
基于下述参数中的一种或多种控制供给至反应器(5)的新鲜空气：平均反应器温度，反应器下部的反应器温度，反应器上部的反应器温度，NOx排放，和作为CO浓度测量的气化速率。
8.根据权利要求5至7的用于制备水泥熟料的设备(1)的操作方法，
其特征在于
水和/或水蒸气的进料和/或特征在于富氧空气或纯氧在至少一个位置向反应器(5)中的进料。
9.根据权利要求5至8的用于制备水泥熟料的设备(1)的操作方法，
其特征在于
通过进料管线(1.6)的至少一个生料进料，所述生料是加热的但还未流经煅烧炉。
10.根据权利要求5至8的用于制备水泥熟料的设备(1)的操作方法，
其特征在于
自热过程控制，其中为了燃料吸热气化为一氧化碳(CO)过程而吸收的热通过一氧化碳(CO)燃烧为二氧化碳(CO2)的过程所释放的热来补偿。
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