CN108279248A - 一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
涉及研究干法脱硫产物的实验装置，尤其涉及一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置及其实验方法。该实验装置包括用于模拟水泥窑烟气的气体模拟系统、用于投加物料的给料系统、实现物料预热及分解的预热分解系统、用于模拟水泥回转窑的旋转式反应系统和用于提供热量的加热系统；气体模拟系统与给料系统连接，给料系统、预热分解系统和旋转式反应系统沿物料输送方向依次设置，加热系统设在预热分解系统和旋转式反应系统的周向外侧。本发明还公开了该实验装置的实验方法。采用该实验装置及其实验方法能够更好地模拟水泥回转窑的回转加热过程，且物料在回转加热前的初始状态与真实情况吻合度高，使得实验数据更加科学、真实和精确。
Description
技术领域
本发明涉及研究干法脱硫产物的实验装置，尤其涉及一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置及其实验方法。
背景技术
近年来，针对我国水泥行业的二氧化硫(SO2)排放超标问题，多种脱硫技术在水泥行业得到快速应用发展。其中，干法脱硫以其成本低、无二次废弃物排放等优点成为目前最具潜力的水泥窑烟气脱硫技术。
目前，水泥窑主要为新型干法水泥窑，主要组成部分为：五级旋风预热器、分解炉、回转窑、篦冷机。水泥窑烟气的主要成分通常有：O2、N2、CO2、CO、NOx、SOx、H2O等，水泥原料主要为：石灰石、粘土、铁矿粉等。
干法脱硫是将钙基脱硫剂从水泥窑的适当位置(通常为低级旋风预热器)加入，与SO2气体迅速反应生成硫酸钙(CaSO4)从而实现烟气脱硫的目的。但与其它脱硫技术相比，脱硫效率低是干法脱硫进一步发展的最大障碍。主要原因是：脱硫产物CaSO4随水泥生料经旋风预热器、分解炉进入回转窑中，在回转窑1450℃的高温下发生分解反应CaSO4→CaO+SO2↑+1/2O2↑，再次释放出SO2气体。该过程在降低脱硫效率的同时，还会引起回转窑内壁的结皮问题，严重影响工业生产。而研究及工业实践表明，在钙基脱硫剂中掺加少量催化剂(氧化物、碱金属盐等)可促使CaSO4向高温稳定型物质转化，从而降低CaSO4的高温分解率，减少SO2气体的二次释放量。因此研究干法脱硫产物在水泥回转窑中的存在形式及其稳定性对揭示干法脱硫中催化剂的作用机理及推动水泥窑干法脱硫技术的发展具有重要意义。目前，该领域的研究者多采用实验室普通电炉加热物料的方式进行研究。与实际水泥回转窑相比，实验室现有加热方式在物料的初始状态及其与回转窑内壁的接触面积等方面显示出明显差别。因此在现有实验室加热装置及方法的基础上，难以获取对工业脱硫具有指导性的实验数据。因此，亟待研发一种研究干法脱硫产物在水泥回转窑中存在形式及其稳定性的实验装置及方法，以期完善水泥窑干法脱硫技术的理论体系。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置及其实验方法，采用该实验装置及其实验方法能够更好地模拟水泥回转窑的回转加热过程，且物料在回转加热前的初始状态与真实情况吻合度高。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，包括：用于模拟水泥窑烟气的气体模拟系统、用于物料定量投加的给料系统、实现物料预热及分解的预热分解系统、用于模拟水泥回转窑的旋转式反应系统和用于提供热量的加热系统；气体模拟系统与给料系统连接，给料系统、预热分解系统和旋转式反应系统沿物料输送方向依次设置，加热系统设在预热分解系统和旋转式反应系统的外侧。采用这种结构后，能更好地模拟水泥回转窑的回转加热过程，且物料在回转加热前的初始状态与真实情况吻合度高。
气体模拟系统包括沿气体输送方向设置的气瓶、气体流量计和预热管；气瓶、气体流量计和预热管依次通过不锈钢软管连接；给料系统包括微型螺旋给料机、物料仓和加料口；物料仓设在微型螺旋给料机的一侧，加料口通过不锈钢软管连接在微型螺旋给料机的另一侧，微型螺旋给料机将物料仓中的物料匀速输送至加料口；预热分解系统包括水平依次连接的第一螺旋管和第二螺旋管，第一螺旋管和第二螺旋管的温度连续升高；第一螺旋管用于模拟五级旋风预热器，第二螺旋管用于模拟分解炉；旋转式反应系统包括用于模拟水泥回转窑的旋转反应仓、用于支撑旋转反应仓并保证旋转反应仓回转精度的轴承和用于为旋转反应仓提供旋转力的回转驱动装置；旋转反应仓包括仓体和仓盖，仓体的一端设有入料口，仓盖的一端设有出料口；第二螺旋管的尾部直接从入料口插入，轴承套设在旋转反应仓的入料口和出料口外壁上，回转驱动装置连接在出料口的尾部；加热系统包括三温区水平管式炉和管式炉温度控制器，三温区水平管式炉包括为第一螺旋管提供热量的Ⅰ温区、为第二螺旋管提供热量的Ⅱ温区和为旋转反应仓提供热量的Ⅲ温区；Ⅰ温区和Ⅱ温区分别设在第一螺旋管和第二螺旋管周向外侧，Ⅲ温区设在旋转反应仓的外侧；预热管连接在加料口的一侧，加料口的另一侧与第一螺旋管的首部连接，第二螺旋管的尾部与入料口连接。采用这种结构后，通过匹配气体流速及螺旋管长度，确保粉料在螺旋管中悬浮运动的时间与水泥生料在水泥窑旋风预热器及分解炉中运动时间相同。在悬浮加热过程中，物料产生的SO2气体在催化剂的作用下与脱硫剂反应，生成硫酸钙等脱硫产物。
仓体的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的入料口，仓盖的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的出料口，出料口内径大于入料口内径；旋转反应仓绕其轴线做水平回转运动。采用这种结构后，出料口内径较大，保证高速气流顺利流出装置，避免旋转反应仓内的气体紊流。
仓体和仓盖通过螺纹连接方式连接；Ⅲ温区设在旋转反应仓的周向外侧。采用这种结构后，保证旋转反应仓在旋转时仓体和仓盖连接的稳定性及密封性。周向设置的Ⅲ温区加热更加均匀全面。
旋转反应仓和轴承均为刚玉质陶瓷材料。采用这种结构后，在保证实验装置高温稳定的同时，避免旋转反应仓材料对气体及物料组成的影响。
第一螺旋管和第二螺旋管中的温度从第一螺旋管的首部至第二螺旋管的尾部连续升高。采用这种结构后，保证第一螺旋管和第二螺旋管中的温度分布与水泥窑旋风预热器及分解炉中温度分布相同。
第一螺旋管和第二螺旋管均为310s不锈钢螺旋管。采用这种结构后，第一螺旋管和第二螺旋管采用高温稳定的310s不锈钢材质，避免管道内壁在高温下对粉体物料及模拟气体产生影响。
加料口与第一螺旋管首部通过不锈钢软管连接。采用这种结构后，在保证实验安全的前提下，避免了软管材料对气体组成的影响。
一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置的实验方法，包括以下步骤：
(a)运行加热系统，调节管式炉温度控制器，使Ⅰ温区温度与五级旋风预热器中温度相匹配、Ⅱ温区的温度与分解炉的温度相匹配、Ⅲ温区的温度与回转窑窑尾温度相匹配；
(b)当Ⅰ温区、Ⅱ温区和Ⅲ温区的温度稳定一定时间后，运行气体模拟系统并调节气体流量计，使实验所需气体与水泥窑烟气在五级旋风预热器和分解炉内的气体流速相匹配；
(c)运行微型螺旋给料机，将物料仓中的物料匀速输送至加料口；到达加料口的物料在流动气体的带动下悬浮运动并依次通过温度连续升高的第一螺旋管和第二螺旋管，分别实现物料的预热和物料中碳酸钙的分解过程；完成预热和分解后的物料进入静止的旋转反应仓中；
(d)待装置稳定运行一定时间且旋转反应仓中积聚一定量的物料后，停止微型螺旋给料机并同时启动回转驱动装置与Ⅲ温区的加热升温制度，物料在做水平回转运动的旋转反应仓中翻滚运动并完成与旋转反应仓内壁的高效换热；
(e)当升温制度结束后，取出旋转反应仓中的高温物料并将高温物料急速冷却；
(f)停止加热系统、气体模拟系统和旋转反应系统。
(g)根据实验需要，分别改变脱硫剂种类、气体组成、管式炉温度和加热时间，重复(a)～(f)步骤；通过对冷却后的物料进行形貌及成分分析，从而分别建立脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度、加热时间与脱硫产物在回转窑中存在形式及其稳定性之间的关系。
通过改变脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度与加热时间，即可研究脱硫产物在回转窑环境中的存在形式及其稳定性。
原理说明：该实验装置主要通过模拟水泥回转窑系统，进而研究水泥行业干法脱硫产物在回转窑中的存在形式及其稳定性。利用气瓶中的混合气体模拟水泥窑烟气、利用微型螺旋给料机模拟水泥窑中物料(依据实验要求按照一定比例混合的水泥生料、含硫矿物、催化剂等)的输送、利用第一螺旋管和第二螺旋管分别模拟水泥窑的五级旋风预热器和分解炉、利用旋转反应仓模拟水泥回转窑；三温区水平管式炉为第一螺旋管、第二螺旋管和旋转反应仓提供热量。通过调节管式炉温度控制器和气体流量计，从而保证气体在第一螺旋管和第二螺旋管中的温度、流速与水泥窑烟气在五级旋风预热器和分解炉内的温度、流速相同。
利用微型螺旋给料机，将物料仓中的物料匀速输送至加料口，到达加料口的物料在流动气体的带动下悬浮运动并依次通过温度连续升高的第一螺旋管和第二螺旋管进行加热，分别实现物料的预热和物料中碳酸钙的分解过程，再进入静止的旋转反应仓中。通过气体的流速控制物料在第一螺旋管和第二螺旋管中的运动时间。
待装置稳定运行一定时间且旋转反应仓中积聚一定量的物料后，停止微型螺旋给料机并同时启动回转驱动装置及Ⅲ温区的加热升温制度(升温制度：初始温度为1000℃，终止温度为1450℃，升温速率为15℃/min)，加热升温制度通过设定初始温度为1000℃，升温速率为15℃/min，当温度到达终止温度1450℃时终止升温而实现。当升温制度结束后，取出旋转反应仓并倾倒出其中的高温物料，使其急速冷却；通过对冷却后的物料进行形貌及成分分析，从而分别建立脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度、加热时间与脱硫产物在回转窑中存在形式及其稳定性之间的关系。
总的说来，本发明具有如下优点：
1、回转式加热提高了物料的受热均匀性及效率，能更好地模拟水泥回转窑的加热过程。
2、物料首先经对应模拟水泥窑中的五级旋风预热器的第一螺旋管和对应模拟水泥窑中分解炉的第二螺旋管的悬浮加热，使其进行回转加热前的初始状态与真实情况吻合度高，实验数据具有科学性、真实性和精确性。
3、本发明中的实验方法通过改变催化剂种类及含量、气体组成和温度等因素，即可研究各种因素对干法脱硫产物在回转窑中存在形式及稳定性的影响，对揭示干法脱硫中催化剂的作用机理及回转窑中硫循环机理具有科学价值和实际意义。
附图说明
图1是本发明实验装置的组成示意图。
图2是本发明的旋转反应仓的俯视图。
图3是图2中A处局部放大图。
图4是本发明的旋转反应仓的结构示意图。
图中的标号和对应的零部件名称为：1、气瓶；2、气体流量计；3、预热管；4、物料仓；5、微型螺旋给料机；6、加料口；7、三温区水平管式炉；8、第一螺旋管；9、第二螺旋管；10、旋转反应仓；11、轴承；12、回转驱动装置；13、入料口；14、出料口；15、仓体；16、仓盖；17、螺纹。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，包括：用于模拟水泥窑烟气的气体模拟系统、用于物料定量投加的给料系统、实现物料预热及分解的预热分解系统、用于模拟水泥回转窑的旋转式反应系统和用于提供热量的加热系统；气体模拟系统与给料系统连接，给料系统、预热分解系统和旋转式反应系统沿物料输送方向依次设置，加热系统设在预热分解系统和旋转式反应系统的外侧。
气体模拟系统包括沿气体输送方向设置的气瓶、气体流量计和预热管；气瓶、气体流量计和预热管依次通过不锈钢软管连接。
给料系统包括微型螺旋给料机、物料仓和加料口；物料仓设在微型螺旋给料机的一侧，加料口通过不锈钢软管连接在微型螺旋给料机的另一侧，微型螺旋给料机将物料仓中的物料匀速输送至加料口。
预热分解系统包括水平依次连接的第一螺旋管和第二螺旋管，第一螺旋管和第二螺旋管均为310s不锈钢螺旋管，第一螺旋管和第二螺旋管的温度从第一螺旋管的首部至第二螺旋管的尾部连续升高；第一螺旋管用于模拟五级旋风预热器，第二螺旋管用于模拟分解炉；加料口与第一螺旋管首部通过不锈钢软管连接。
旋转式反应系统包括用于模拟水泥回转窑的旋转反应仓、用于支撑旋转反应仓并保证旋转反应仓回转精度的轴承和用于为旋转反应仓提供旋转力的回转驱动装置；旋转反应仓包括仓体和仓盖，仓体的一端设有入料口，仓盖的一端设有出料口；第二螺旋管的尾部直接从入料口插入，轴承套设在旋转反应仓的入料口和出料口外壁上，回转驱动装置连接在出料口的尾部；旋转反应仓和轴承均为刚玉质陶瓷材料。
仓体的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的入料口，仓盖的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的出料口，出料口内径大于入料口内径，仓体和仓盖通过螺纹连接方式连接；旋转反应仓绕其轴线做水平回转运动。
加热系统包括三温区水平管式炉和管式炉温度控制器，三温区水平管式炉包括为第一螺旋管提供热量的Ⅰ温区、为第二螺旋管提供热量的Ⅱ温区和为旋转反应仓提供热量的Ⅲ温区；Ⅰ温区、Ⅱ温区和Ⅲ温区分别设在第一螺旋管、第二螺旋管和旋转反应仓的周向外侧。
预热管连接在加料口的一侧，加料口的另一侧与第一螺旋管的首部连接，第二螺旋管的尾部与入料口连接。
本发明研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置的实验方法如下：
(a)运行加热系统，调节管式炉温度控制器，使Ⅰ温区温度与五级旋风预热器中温度相匹配、Ⅱ温区的温度与分解炉的温度相匹配、Ⅲ温区的温度与回转窑窑尾温度相匹配；
(b)当Ⅰ温区、Ⅱ温区和Ⅲ温区的温度稳定一定时间后，运行气体模拟系统并调节气体流量计，使实验所需气体与水泥窑烟气在五级旋风预热器和分解炉内的气体流速相匹配；
(c)运行微型螺旋给料机，将物料仓中的物料匀速输送至加料口；到达加料口的物料在流动气体的带动下悬浮运动并依次通过温度连续升高的第一螺旋管和第二螺旋管，分别实现物料的预热和物料中碳酸钙的分解过程；完成预热和分解后的物料进入静止的旋转反应仓中；
(d)待装置稳定运行一定时间且旋转反应仓中积聚一定量的物料后，停止微型螺旋给料机并同时启动回转驱动装置及Ⅲ温区的加热升温制度(升温制度：初始温度为1000℃，终止温度为1450℃，升温速率为15℃/min)；
(e)当升温制度结束后，取出旋转反应仓中的高温物料并将高温物料急速冷却；
(f)停止加热系统、气体模拟系统和旋转反应系统。
(g)根据实验需要，分别改变脱硫剂种类、气体组成、管式炉温度和加热时间，重复(a)～(f)步骤；通过对冷却后的物料进行形貌及成分分析，从而分别建立脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度、加热时间与脱硫产物在回转窑中存在形式及其稳定性之间的关系。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于，包括：用于模拟水泥窑烟气的气体模拟系统、用于物料定量投加的给料系统、实现物料预热及分解的预热分解系统、用于模拟水泥回转窑的旋转式反应系统和用于提供热量的加热系统；气体模拟系统与给料系统连接，给料系统、预热分解系统和旋转式反应系统沿物料输送方向依次设置，加热系统设在预热分解系统和旋转式反应系统的外侧。
2.按照权利要求1所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：
气体模拟系统包括沿气体输送方向设置的气瓶、气体流量计和预热管；气瓶、气体流量计和预热管依次通过不锈钢软管连接；
给料系统包括微型螺旋给料机、物料仓和加料口；物料仓设在微型螺旋给料机的一侧，加料口通过不锈钢软管连接在微型螺旋给料机的另一侧，微型螺旋给料机将物料仓中的物料匀速输送至加料口；
预热分解系统包括水平依次连接的第一螺旋管和第二螺旋管，第一螺旋管和第二螺旋管的温度连续升高；第一螺旋管用于模拟五级旋风预热器，第二螺旋管用于模拟分解炉；
旋转式反应系统包括用于模拟水泥回转窑的旋转反应仓、用于支撑旋转反应仓并保证旋转反应仓回转精度的轴承和用于为旋转反应仓提供旋转力的回转驱动装置；旋转反应仓包括仓体和仓盖，仓体的一端设有入料口，仓盖的一端设有出料口；第二螺旋管的尾部直接从入料口插入，轴承套设在旋转反应仓的入料口和出料口外壁上，回转驱动装置连接在出料口的尾部；
加热系统包括三温区水平管式炉和管式炉温度控制器，三温区水平管式炉包括为第一螺旋管提供热量的Ⅰ温区、为第二螺旋管提供热量的Ⅱ温区和为旋转反应仓提供热量的Ⅲ温区；Ⅰ温区和Ⅱ温区分别设在第一螺旋管和第二螺旋管周向外侧，Ⅲ温区设在旋转反应仓的外侧；
预热管连接在加料口的一侧，加料口的另一侧与第一螺旋管的首部连接，第二螺旋管的尾部与入料口连接。
3.按照权利要求2所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：仓体的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的入料口，仓盖的一端为圆筒形，另一端为圆锥筒形，圆锥筒的上端部设有圆筒形的出料口，出料口内径大于入料口内径；旋转反应仓绕其轴线做水平回转运动。
4.按照权利要求3所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：仓体和仓盖通过螺纹连接方式连接；Ⅲ温区设在旋转反应仓的周向外侧。
5.按照权利要求2所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：旋转反应仓和轴承均为刚玉质陶瓷材料。
6.按照权利要求2所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：第一螺旋管和第二螺旋管中的温度从第一螺旋管的首部至第二螺旋管的尾部连续升高。
7.按照权利要求2所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：第一螺旋管和第二螺旋管均为310s不锈钢螺旋管。
8.按照权利要求2所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置，其特征在于：加料口与第一螺旋管首部通过不锈钢软管连接。
9.按照权利要求1-8中任一项所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)运行加热系统，调节管式炉温度控制器，使Ⅰ温区温度与五级旋风预热器中温度相匹配、Ⅱ温区的温度与分解炉的温度相匹配、Ⅲ温区的温度与回转窑窑尾温度相匹配；
(b)当Ⅰ温区、Ⅱ温区和Ⅲ温区的温度稳定一定时间后，运行气体模拟系统并调节气体流量计，使实验所需气体与水泥窑烟气在五级旋风预热器和分解炉内的气体流速相匹配；
(c)运行微型螺旋给料机，将物料仓中的物料匀速输送至加料口；到达加料口的物料在流动气体的带动下悬浮运动并依次通过温度连续升高的第一螺旋管和第二螺旋管，分别实现物料的预热和物料中碳酸钙的分解过程；完成预热和分解后的物料进入静止的旋转反应仓中；
(d)待装置稳定运行一定时间且旋转反应仓中积聚一定量的物料后，停止微型螺旋给料机并同时启动回转驱动装置与Ⅲ温区的加热升温制度，物料在做水平回转运动的旋转反应仓中翻滚运动并完成与旋转反应仓内壁的高效换热；
(e)当升温制度结束后，取出旋转反应仓中的高温物料并将高温物料急速冷却；
(f)停止加热系统、气体模拟系统和旋转反应系统；
(g)根据实验需要，分别改变脱硫剂种类、气体组成、管式炉温度和加热时间，重复(a)～(f)步骤；通过对冷却后的物料进行形貌及成分分析，从而分别建立脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度、加热时间与脱硫产物在回转窑中存在形式及其稳定性之间的关系。
10.按照权利要求9所述的研究脱硫产物在回转窑中稳定性的实验装置的实验方法，其特征在于：通过改变脱硫剂种类及粒径、气体组成、管式炉温度与加热时间，即可研究脱硫产物在回转窑环境中的存在形式及其稳定性。
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