CN108474618A - 用于水泥厂的u形密封件和方法 - Google Patents

Abstract

一种通过利用预热/煅烧的水泥料作为热源来对回路密封反应器内的代用燃料进行热转化的方法，其中代用燃料浸入所述水泥料中，经历干燥，热解并随后被碳化，以及用于实现该方法的设备。

Description

用于水泥厂的U形密封件和方法

技术领域

本发明涉及利用所谓的“代用燃料”来提供热量的设备和方法，该设备和方法用于制造水泥熟料，其中水泥生料在预加热器系统中用煅烧炉预热和煅烧，在窑中烧成熟料并在下游熟料冷却器中冷却。更具体地，本发明涉及通过利用预热/煅烧的水泥料作为反应器内的热源而将回路密封反应器中的代用燃料热转换的方法，其中代用燃料浸在所述水泥料中，经受干燥和热解产生碳化的材料。因此，作为热解的副产品的碳化的代用燃料和水泥生料被从反应器引导到水泥厂的热解系统，优选引导到煅烧炉中，其中碳化的代用燃料被进一步燃烧以提供用作水泥制造过程的燃料。在处理期间，来自热解反应器从燃料释放的可燃产品气体可以引入煅烧炉中的任何位置，或在水泥制造过程中的其他位置，并且作为示例可以引入窑立管中以产生还原区从而减少窑NOx。该气体也可用于窑燃烧器，或可燃产品气体(主要可燃物为H2，CO，CH4和焦油的合成气)的任何外部使用。本发明还涉及在该方法中使用的回路密封反应器。

背景技术

已知使用代用燃料来为水泥制造操作提供热能。在这种用途中，代用燃料被直接注入煅烧炉。然而，这些燃料干燥和随后的脱挥发分所需的时间将取决于燃料的含水量和燃料颗粒的大小和形状以及燃料的化学组成，对于代用燃料，所有这些都广泛地变化。代用燃料的停留时间不足通常会导致代用燃料在煅烧炉中的不完全燃烧，这是由于有限的颗粒停留时间，并且煅烧炉的温度分布。因此，在大多数情况下，煅烧炉可以从代用燃料中获得的热能量是受限的。因此，最大化在煅烧炉内使用代用燃料的方法以及用于这种方法的设备将是有利的。

发明内容

上述和其它目的通过本发明来实现，在本发明中代用燃料材料(或者本文中的“AF”)最初在回路密封反应器内经受热解。在优选实施例中，碳化的材料被引导至煅烧炉。通过使用热解反应器，燃料将获得长的停留时间，这将导致煅烧炉中碳化的材料的更好地整体烧尽。

在反应器中，代用燃料被预热或煅烧(600℃-900℃)的水泥料覆盖并与其充分混合，代用燃料在该水泥料中进行热解。

回路密封反应器被限定为“U形”并且包含将短而强烈的气体脉冲输送到代用燃料/预热的水泥料混合物以促进混合物从反应器入口到其出口的移动的装置。

附图说明

图1示出了本发明中使用的回路密封反应器的一个实施例。

图2是示出本发明的回路密封反应器在水泥制造过程中的布置的示意图。

图3是更详细地示出本发明回路密封反应器在水泥制造过程中的热解区域内的布置的示意图。

具体实施方式

由于回路密封反应器内材料的停留时间增加，可以使用各种可燃性废料，其中一些原料由于它们的性质(例如，高含水量)而不适用于在水泥制造操作中使用的煅烧炉中。从广义上讲，术语“可燃废物”包括含有挥发物的任何固体燃料。

在一个优选实施例中，本发明可以有利地使用具有高含水量(高达约60％水分)的非常低质量(<约10MJ/kg)的燃料，因此理想地适用于燃烧城市固体废物。诸如切碎的轮胎，家具，地毯，木材垃圾，园林垃圾，厨房和其他生活垃圾，造纸污泥，造纸，生物质，石油焦，无烟煤，污泥，废液，漂土，汽车零件，塑料，塑料捆和危险的医疗废物等代用燃料可以用于本发明中。当然，本发明中使用的代用燃料的最大颗粒尺寸将由回路密封反应器的尺寸决定。

该反应器被定义为该术语最广泛意义上的“U形密封”管状结构。进入反应器的物质将在第一支腿中沿向下路径行进，直到到达反应器的底部，之后它将沿着第二支腿上升直到其到达材料出口。第一支腿和第二支腿将是“基本上竖直的”，这意味着支腿可以从竖直方向偏移多达45°，但优选不超过10°。另外，支腿不必完全直的，而可以是稍微弯曲的。作为两个示例，回路密封件因此可以是U形或V形。此外，在U形反应器中，底部支腿可以是直的或弯曲的，并且当是直的时，底部不必如图1所示的那样是绝对水平的，因为直的部分以与水平方向成向下角度或倾斜的方式延伸，有利于材料在重力作用下从第一支腿移动到第二支腿。第一和第二支腿的尺寸不必相同，因此回路密封件也可以是J形或“反J”形。该反应器可以具有多于一个的下降和/或升高的支腿，因此它可以例如是或W形。该反应器基本上是管状的，但可具有变化的水平横截面形状，例如圆形，椭圆形，正方形或矩形。取决于期望的生产量，可以在本发明的方法中使用多于一个的反应器。例如，反应器可以制造成含有一个或多个并联反应器的模块。

本发明的一个特征是回路密封反应器中的热解热是通过将代用燃料与热的(600℃-900℃)预热或煅烧的水泥料彻底结合而提供的，该水泥料从预加热器的下级旋风分离器或煅烧炉中提取的，并被引导至反应器的材料入口。将利用足以将AF浸入其中的一定量热水泥料。随着AF通过反应器，它将在随后的阶段(stage)中干燥，然后进行热解。在热解阶段之后，可燃挥发性气体已经从AF中释放出来，AF的剩余固体部分由炭和灰分组成，其将被导入煅烧炉。回路密封反应器促进AF的热解，因为它将限制反应器中存在的氧气量，同时使水泥料与AF的混合最大化。

热水泥料表现为粘结性颗粒(cohesive particles)，因为颗粒相互连接并一起形成强结合，阻止材料流过管式反应器。为了解决这个问题，反应器还具有在反应器底部位置附近将少量加压气体脉冲引入反应器内部的装置。来自反应器底部的气体脉冲将像压力波一样向上扩散通过材料床，主要是为了破坏颗粒间粘合，而且还驱除在AF的热处理过程中形成的产品气体，并提供AF和热水泥料之间的最佳接触，产生最佳热传递。所使用的脉冲气体可以是压缩空气，废气，蒸汽或任何其他惰性气体。通过气体脉冲引入反应器的氧量将是最小化的，并且不会干扰AF的热解。

使用U形，即环形，反应器提供了在气密环境中保持AF较长保留时间的能力，从而允许AF的更充分的热解，因此当引入反应器时完全燃烧掉AF残余物。

在离开底部级旋风分离器之前，料将通过密封件，该密封件形成气体屏障，阻碍产品气体和煅烧炉气体到达底部级旋风分离器。在一个实施例中，密封件是U形环密封件。

本方法允许在水泥制造过程中以低价值燃料更好地代替昂贵的矿物燃料，从而降低最终用户的能源成本。

图1示出了本发明的回路密封反应器10的一个实施例。该反应器具有用于接收AF和热水泥料的材料入口11，该材料入口11与基本竖直定向的向下中空管道或支腿1相关联，该管道或支腿1适于使AF和热水泥料从其向下流动通过。底部，即支腿1的最下端经由下部的，基本上水平定位的中空管道或支腿2连接到基本竖直定向的中空向上的管道或支腿7的底部，经由管道或支腿7，AF和热水泥料向上流向材料出口12。因此，通过材料入口11进入的材料将沿着支腿1向下流到支腿1的底部，进入支腿2的第一端并且通过支腿2行进到支腿2的第二相反端，从其进入支腿7的底部，且接着向上行进通过支腿7。下支腿的底部是气体可渗透的，因为在下支腿2下方沿其长度附接有透气性气体分配器3(其由以下部分组成，例如烧结金属板，多孔陶瓷材料和类似的多孔材料，其孔隙度优选为约5微米至约100微米之间，并且能够承受反应器和下方通风腔室的局部操作条件)，气体源(未示出)经由该透气性气体分配器3将加压气体的脉冲引导到下支腿2中，且接着引导到向下支腿1和向上支腿7中的一者或两者中。气体脉冲通过破坏热水泥料中的粘性内部颗粒粘结并且促进水泥料中的局部流化，从而促进AF和热水泥料的从材料入口11移动到材料出口12。引入的气体脉冲的特征在于具有约10至约200ms，优选约10至约100ms的持续时间，且幅度范围从约0.2至约5巴，优选约0.5至约3巴，以及频率范围从约0.1至约10赫兹，优选从约0.2至约10赫兹。这些脉冲由快速作用电磁阀(响应时间<1ms)或任何其他能产生陡峭上升压力的高频脉冲的机械装置产生。将气体脉冲引入本发明的回路密封件中的另一个好处是通过监测通气室(aeration chamber)中的压力峰值，发现脉冲之后的室压力可以与回路密封中的生料水平相关联。在一台冷试验台上发现，生料水平可以以±50毫米的精度预测。然而，这需要校准，并且回路密封件上的压力差也被考虑在内。此外，已经发现，该方法可以用作诊断工具，其可以用于揭示出现故障的通气室。

在一个可选的实施方式中，具有位于向上支腿7的底部的颗粒提取出口5，重质外来颗粒(例如，大石块或金属件)可以通过部署一个或多个闸阀6而从水泥料/AF混合物分离。此外，如果需要，闸阀可用于从反应器中清空AF和水泥粉。底部出口5可连接到窑入口或连接到单独的容器。

参照图2和图3，示出了用于制造水泥熟料的设备20，其中有利地使用了回路密封反应器10。该设备包括多级旋风预加热器21，其具有煅烧炉23，回转窑25，熟料冷却器27和用于热解被引入到反应器材料入口11中的代用燃料的回路密封反应器10。在所示实施例中，回路密封反应器10位于煅烧炉23和窑立管24附近，并且可选地定位成使热煅烧后的水泥料通过重力从最下级旋风分离器21d移动，可选地通过回路密封件110(图3)，其用作经由管道28到达回路密封反应器10的材料入口11的气体屏障。在该特定构造中，回路密封件110的尺寸小于回路密封件10，因为其尺寸仅被设计为容纳水泥料而不是料/AF混合物，但是在其它方面将包含本发明的回路密封件10的特征，包括将加压气体脉冲引入回路密封件的内部的源和用于过大尺寸的水泥料颗粒的底部出口，该底部出口可以相应地连接到窑入口或单独的容器。

如所述，部分或全部热水泥料可以以煅烧料的形式提供。在这方面，使用煅烧的热水泥料提供了在反应器内产生热量以进一步促进代用燃料燃烧的额外协同效应，因为代用燃料的热解将促进煅烧水泥料的再碳化(再碳酸化)。这种高度放热的反应根据以下等式进行：

因此，热解过程中释放的CO₂被煅烧的热料中的氧化钙组分吸收，并且释放的热量将加速AF的热解并增加产品气体的热值。

可选地，热水泥料可以从预加热器21，如从第三级预加热器21c，转移到反应器中。转移的热水泥料的量，即来自最低级旋风分离器21d的煅烧料和/或来自预加热器21的预热料，将取决于燃料输入。通常，料与AF的重量比将在约0.5至约10(干基)的范围内。未从最低级旋风分离器21d转移的煅烧料的余量，其实际上将是来自最低级旋风分离器21d的大部分煅烧料，将通过管道37引导至窑25。

在操作期间，水泥生料从生料仓(未示出)被引导到最上级预加热器旋风分离器21a的生料入口41。从这一点开始，生料通过预加热器21的旋风分离器和煅烧炉23流向回转窑25，与从回转窑25流出的热废气成逆流关系，从而使生料被加热和煅烧。将煅烧料从煅烧炉23引导至底部旋风分离器21d，其中将煅烧料与煅烧炉排气分离。在回转窑25中，煅烧过的生料被燃烧成水泥熟料，其在后续熟料冷却器27中通过环境空气冷却。由此加热的一些空气从熟料冷却器27经由管道35被引导至煅烧炉23，作为所谓的三次空气。

代用燃料，其可选地可包含全部或部分城市废物，通过反应器10中的废物入口11(例如通过进料螺杆42)引入反应器10中，并浸入在热水泥料中且与其混合。当在向下的支腿1中时，废物首先被干燥，然后当其通过反应器10时，被加热，热解并且至少部分地被碳化，同时在朝向反应器10的材料出口12的方向上被输送。

碳化的AF和预热的水泥生料被引导至设备20的热解系统中，最优选经由管道30进入煅烧炉23。处理气体经由管道34(图3)被引入煅烧炉。在另一个较不优选的实施例中，来自回路密封反应器10的一些或全部副产物，包括一些或全部产品气体，可以被引导到回转窑25中，其中处理气体被用在回转窑炉燃烧器中。在另一个实施例中，将来自反应器10的一些或全部处理气体被单独引入窑立管24中以形成还原区，以减少窑25中产生的NOx。在另一个实施例中，部分或全部处理气体可在水泥处理之外使用，例如在制造可燃气体的过程中。

在将AF直接引入煅烧炉中的现有技术系统中，煅烧炉内的大部分停留时间专用于材料的干燥和热解，从而有充分的停留时间以完全燃烧碳质。在本系统中，干燥和热解在回路密封反应器中完成，因此基本上留下整个停留时间专用于消耗碳质。

图2和3所示的煅烧炉配置是所谓的“内联式(inline)煅烧炉”系统，其中煅烧炉相对于窑立管设置，从而所有的窑尾气都通过煅烧炉。本发明的方法还可以有效地用于其他构造，包括“分线式(separate line)煅烧炉”系统，其中煅烧室至少部分地偏离窑立管，使得窑燃烧气体不通过煅烧炉，并且其中煅烧炉的助燃空气通过单独的三次风管道抽出。

由于材料添加进入反应器时材料的推力与流化效果的组合，使得AF和热水泥料的混合物移动通过反应器，该流化效果由(i)处理气体在反应器内释放，(ii)以所述的方式将脉冲气体引入反应器中引起。在一个实施例中，反应器的支腿将被尺寸设置成使得热解主要地或仅在向下支腿1中发生，从而产品气体可以从AF碳/料混合物中分离，进而经由向下的支腿1离开反应器，因此支腿7仅将混合物输送到煅烧炉23。

尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (15)

1.一种用于固体可燃燃料的热处理的设备，包括中空管状结构，该中空管状结构具有至少两个基本竖直延伸的中空管道(1、7)，包括被配置成使颗粒材料向下通过的第一管道(1)和被配置成使颗粒材料向上通过的第二管道(7)，第一和第二管道各具有下端，其中各下端附接到底部中空第三管道(2)的相反端，底部中空第三管道被配置成让颗粒材料通过，从所述第一管道的下端到所述第二管道的下端，其特征在于，所述管状结构还包括用于将脉冲气体从第三管道(2)下方，向上引导到竖直延伸的管道(1、7)的至少一个的内部的装置(3)，所述脉冲气体持续时间范围从约10至约200毫秒，幅度范围从约0.2至约5巴且频率范围从约0.1至约10赫兹。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三管道(2)是直管道，从第一管道(1)的下端向下倾斜延伸至第二管道(7)的下端。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第三管道(2)还包括用于在所述第三管道的底部分离重质物体的装置(5、6)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括煅烧炉(23)，所述煅烧炉(23)用于煅烧被提供至所述中空管状结构(10)的水泥料，并用于从所述中空管状结构(10)接收碳化的可燃废物。

5.一种在水泥熟料的制造过程中对可燃废物的热处理的方法，其中将水泥生料在具有煅烧炉的预加热器中预热并煅烧，在窑中被烧成熟料并在后续的熟料冷却器中冷却，其中废物在具有材料入口和材料出口的单独隔室中进行热处理，其特征在于将废物添加进入隔室并浸入从水泥熟料制造过程中提取的热水泥料中，且在这样浸入时可燃废物经历干燥和热解，并且在移动的同时产生碳化，与热水泥料一起从材料入口通过所述隔室到材料出口，碳化的废料和热水泥料从该材料出口输送到煅烧炉或窑。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，隔室的材料入口和材料出口被密封而不从水泥制造过程接收处理气体。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，至少一些所述水泥料已经被煅烧，并且其中通过使这些煅烧过的热水泥料与可燃废物热解期间释放的二氧化碳气体反应而经历放热再碳酸化，从而在所述隔室中产生热量。

8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，添加进入所述隔室的可燃废物是城市垃圾。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在废物热处理方法期间产生的气体进一步用于水泥制造过程。

10.根据权利要求5或9所述的方法，其特征在于，在所述废物热处理方法期间产生的至少一些气体与窑废气结合以减少水泥制造过程中的NOx。

11.如权利要求5或9所述的方法，其特征在于，在废物热处理方法期间产生的至少一些气体进一步用于回转窑燃烧器中。

12.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，脉冲气体被引入所述隔室中以促进所述可燃废物和所述水泥料从所述材料入口到所述材料出口的移动。

13.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于至少一些所述热水泥料是从所述预加热器中提取的。

14.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，碳化的废物和热水泥料仅被输送到所述煅烧炉。

15.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在废物热处理方法期间产生的气体进一步用于制造可燃气体的处理中。