CN109721259A - 一种石灰窑热风循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石灰窑热风循环系统，包括石灰窑、除尘器、烟囱，除尘器与烟囱之间设有热风循环出口，热风循环出口分别连接有助燃气体一次风管路和助燃气体二次风管路；助燃气体一次风管路中设有第一气体混合器，第一气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口；助燃气体二次风管路中设有用于降低烟气温度的第二热交换器，第二气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口。本申请通过将石灰窑产生的高温载热烟气部分循环利用，通过改变助燃空气中的氧气含量，利用载热烟气温度，达到烟气中一氧化碳二次利用，提高石灰窑热利用效率，降低燃料消耗，降低烟气外排总量；氮氧化物和二氧化硫在循环煅烧过程中参与反应，可实现低排放量控制。

Description

一种石灰窑热风循环系统

技术领域

本发明涉及石灰窑的废气处理及热效率改善技术，尤其是一种石灰窑热风循环系统。

背景技术

石灰即氧化钙(CaO)，广泛应用于钢铁工业、电石工业、氧化铝工业、耐火材料等工业，是相关领域所必需的生产原料之一，例如在冶金工业中，每生产1吨的钢就需要约70公斤的石灰。制取石灰的主要原材料是石灰石，石灰石的主要成分是碳酸钙，烧制石灰的基本原理就是借助高温把石灰石中的碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳。

石灰制取工艺过程主要分为预热、煅烧、冷却和卸灰，其工艺方法是：将石灰石和固体燃料装入石灰窑，或者在石灰石装入石灰窑的同时将气体燃料、助燃空气经管道和燃烧器送入窑体燃烧，燃烧与助燃空气混合燃烧后产生的高温烟气用于对石灰石进行加热、煅烧；石灰石被加热到800℃至850℃开始分解，到1200℃完成煅烧，生产石灰成品。

石灰窑根据燃料不同、形式不同有很多不同的分类，但无论哪一种形式的石灰窑，通常都由窑体、上料装置、布料装置、燃烧装置、卸灰装置、电器、仪表控制装置、除尘装置等组成，窑体通常都包括预热段、煅烧段、冷却段。

烟气是石灰窑的主要排放物，是由可燃物在窑体内燃烧产生的，主要成分有CO₂、N₂、CO、SO₂、NO_X和颗粒物等，其中SO₂、氮氧化物如果直接排放到大气中，会对空气造成一定污染，形成光化学烟雾和酸雨，对人体健康、生态系统和建筑设施等都有直接和间接危害，还会对农作物造成减产等影响；烟气中的CO含量也表明燃料燃烧不充分，会增加燃料消耗，降低燃料利用率；此外石灰窑烟气温度偏高，通常在120度-140度，带走一定的热量，造成热量浪费，导致石灰单耗偏高。因此采取措施降低烟气中氮氧化物和SO₂,实现CO的二次利用，对烟气温度进行有效利用，降低石灰生产成本单耗是当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石灰窑热风循环系统，用于解决现有石灰生成过程中烟气排放造成环境污染及石灰生产成本单耗偏高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种石灰窑热风循环系统，包括石灰窑、除尘器、烟囱，所述除尘器分别与所述石灰窑的烟气出口、所述烟囱的烟气进口相连，所述除尘器与所述烟囱之间设有热风循环出口，所述热风循环出口分别连接有助燃气体一次风管路和助燃气体二次风管路；所述助燃气体一次风管路中设有第一气体混合器，所述第一气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口，所述第一气体混合器的出气口与石灰窑的第一助燃气体进气口相连；所述助燃气体二次风管路中设有用于降低烟气温度的第二热交换器，所述第二热交换器的烟气出口与第二气体混合器的进气口相连，所述第二气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口，所述第二气体混合器的出气口与石灰窑的第二助燃气体进气口相连。

本发明提供的石灰窑热风循环系统还具有以下技术特征：

进一步地，所述热风循环出口与引风机的进风口相连，所述引风机的出风口分别与所述助燃气体一次风管路和所述助燃气体二次风管路相连。

进一步地，所述供氧装置包括氧气储气罐和氧气气化装置，所述氧气气化装置的出气口分别与所述第一气体混合器、所述第一气体混合器的氧气输入口相连。

进一步地，所述石灰窑为回转窑，所述除尘器为袋式除尘器，所述石灰窑与所述除尘器之间还设有第一热交换器。

进一步地，所述第一气体混合器的出气口通过罗茨鼓风机与所述石灰窑相连，所述第二气体混合器的出气口通过离心通风机与所述石灰窑相连。

进一步地，所述引风机自所述热风循环出口抽取所述石灰窑的烟气排放总量的22％至35％用于热风循环。

进一步地，所述第二热交换器用于将烟气温度降低至22℃至30℃。

进一步地，所述第一气体混合器、所述第二气体混合器的出气口输出的混合气体中氧气的含量为18％至25％，氧气的含量为体积百分比。

本发明具有如下有益效果：本申请通过将石灰窑产生的高温载热烟气部分循环利用，通过改变助燃空气中的氧气含量，利用载热烟气温度，达到烟气中一氧化碳二次利用，提高石灰窑热利用效率，降低燃料消耗，降低烟气外排总量；氮氧化物和二氧化硫在循环煅烧过程中参与反应，可实现低排放量控制。

附图说明

图1为本发明实施例的石灰窑热风循环系统的结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示的本发明的石灰窑热风循环系统的一个实施例中，该石灰窑热风循环系统包括石灰窑10、除尘器20、烟囱30，除尘器30分别与石灰窑10的烟气出口、烟囱30的烟气进口相连，除尘器20与烟囱30之间设有热风循环出口001，热风循环出口002分别连接有助燃气体一次风管路101和助燃气体二次风管路102；助燃气体一次风管路101中设有第一气体混合器41，第一气体混合器41设有与供氧装置连接的氧气输入口，第一气体混合器41的出气口与石灰窑10的第一助燃气体进气口相连；助燃气体二次风管102路中设有用于降低烟气温度的第二热交换器52，第二热交换器52的烟气出口与第二气体混合器42的进气口相连，第二气体混合器42设有与供氧装置连接的氧气输入口，第二气体混合器42的出气口与石灰窑10的第二助燃气体进气口相连。本申请通过将石灰窑产生的高温载热烟气部分循环利用，通过改变助燃空气中的氧气含量，利用载热烟气温度，达到烟气中一氧化碳二次利用，提高石灰窑热利用效率，降低燃料消耗，降低烟气外排总量；氮氧化物和二氧化硫在循环煅烧过程中参与反应，可实现低排放量控制。

在上述实施例中，优选地，石灰窑10为回转窑，除尘器20为袋式除尘器，石灰窑10与除尘器20之间还设有第一热交换器52。本申请的石灰窑热风循环利用技术是对回转窑燃料燃烧的助燃气体(一次风和二次风)成分进行改变，将原助燃气体(空气)置换为由10％氧气(可根据需要进行富氧调节)及氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮气等组成的混合气体作为助燃气体；具体做法是：将煅烧石灰过程中载热烟气在经过除尘器后，利用引风机将约30％的载热烟气截取，一部分作为一次风使用，和氧气通过气体混合器混合，通过富氧工艺再作为一次风，经过罗茨风机加压后，和燃料进行混合参与反应；另一部分通过热交换器，进行二次降温达到室温后，和氧气通过气体混合器充分混匀，通过富氧工艺再作为二次风，经过风机加压后进入回转窑煅烧过程中参与反应，进行循环使用；在本申请中，循环使用的热风经过富氧后再参与到煅烧反应中去，未燃烧充分的一氧化碳会参与燃烧，降低燃料消耗；烟气中二氧化硫会和煅烧好的生石灰在高温下反应可降低烟气中二氧化硫含量；随时烟气的循环利用，助燃气体中氮气减少，氮氧化物增多，可以抑制氮氧化物生成，减少排污费用；作为二次风的烟气，在经过二次换热器时，将换热器中的水加热，可再次对余热进行循环利用；另外，烟气循环利用还可减少烟囱外排烟气总量；本申请不仅可以降低烟气外排量，实现排放物可控，还可以实现对一次风和二次风中氧含量单独控制，为后期实现富氧等煅烧方式探索提供技术支撑。

在本申请的一个实施例中，优选地，热风循环出口001与引风机61的进风口相连，引风机61的出风口分别与助燃气体一次风管路101和助燃气体二次风管路102相连。具体而言，除尘器20与烟囱30之间还设有高温风机53，热风循环出口011设置在风机53的出风口、烟囱30的进风口之间，即循环烟气的引出口位置定于烟气系统高温风机后端烟囱入口处，可以降低烟气中的颗粒物，减少循环风机和后续管路、烧嘴等系统设备的磨损，从烟囱入口处取烟气，整体系统为正压，可以提高引风机截取烟气时的效率。优选地，引风机61的进风口还设有盲板阀54以控制热风循环出口001的启、闭。优选地，助燃气体一次风管路101的进风口、助燃气体二次风管路102的进风口分别设有电动蝶阀62、电动蝶阀63。

在本申请的一个实施例中，优选地，所述供氧装置包括氧气储气罐71和氧气气化装置72，氧气气化装置72的出气口分别与第一气体混合器41、第一气体混合器42的氧气输入口相连；优选地，氧气气化装置72的出气口与第一气体混合器41的氧气输入口还设有电动蝶阀73，氧气气化装置72的出气口与第二气体混合器42的氧气输入口还设有电动蝶阀74。供氧装置可根据需要为助燃气体一次风管路101和助燃气体二次风管路102补充氧气；气体混合器作用是将循环烟气和氧气进行充分混合均匀，不仅要实现烟气的充分混合，减少两股气流混个过程中的阻力消耗，还需降低因气体混合造成的烟气温度消耗。以石灰回转窑为例，其生产过程中一次风和二次风调整比较频繁，且根据窑况及设备漏风等影响，烟气中氧含量存在变化，为保证煅烧效果和稳定性，必须确保一次风和二次风中氧含量稳定，需在一次风和二次风气体混合过程中，实现烟气和氧气混合的快速响应和调节，保证生产过程中氧气量的稳定；供氧装置、气体混合器的结构、控制过程在此不再赘述；供氧装置还可以为制氧设备，能保证所需氧气量即可，以石灰回转窑为例，根据回转窑生产工艺和要求，满足生产运行共需要一次风风量约6000m³/H，二次风风量月40000m³/H；按照设计方案，对一次风和二次风实现烟气循环，循环率约为34％，减少外排总量46000m³/H，即自热风循环出口001引出的烟气量为46000m³/H；回转窑外排烟气中氧含量在10％左右，为保证一次风和二次风助燃效果，需对循环烟气进行富氧工艺处理，补充氧气后经气体混合器充分混匀，经风机加压后，鼓入窑内参与燃烧氧气补充量为6000m³/H(暂按空气中氧含量成分计算)。优选地，第一气体混合器41的出气口通过罗茨鼓风机81与石灰窑10相连，第二气体混合器42的出气口通过离心通风机82与石灰窑10相连。

在本申请的一个实施例中，优选地，第二热交换器52用于将烟气温度降低至22℃至30℃，优选地，第二热交换器52用于将烟气温度降低至25℃。具体而言，二次风主要作用是先冷却烧成物料，再提供助燃风，为保证良好冷却效果，需将入窑时温度需从烟气温度120度降为室温25度，满足工艺要求，实现对成品石灰充分冷却的作用。

在本申请的一个实施例中，引风机61自热风循环出口001抽取石灰窑100的烟气排放总量的22％至35％用于热风循环。优选地，引风机61自热风循环出口001抽取石灰窑100的烟气排放总量的25％至30％用于热风循环。优选地，第一气体混合器41、第二气体混合器42的出气口输出的混合气体中氧气的含量为18％至25％，氧气的含量采用体积百分比；混合气体中氧气的含量优选21％。

以回转窑石灰生产抽取25％的烟气用于热风循环且混合气体中氧气含量为21％为例，理论数据推演如下表：

回转窑石灰生产尾气中氮氧化物的排放控制，一直是石灰行业内生产中的难题，为了达标排放，一些企业不惜花费巨资上脱硝设备，但还是远远赶不上越来越严的国控排放标准；近几年，国控氮氧化物排放标准由2016年以前的800mg/m³降到2017年400mg/m³，进一步还会降低到100mg/m³甚至更低。但在回转窑石灰生产中，氮氧化物的生成主要和温度、氧气、氮气的含量有关，没有氧气，燃料不会燃烧，产生不了温度，没有温度就不可能让石灰石分解成石灰，甚至温度低了都生产不出合格的产品，但氮氧化物的生成又主要和温度有关，并且温度越高生成的氮氧化物越快、越多，且在温度到1100℃以上生成速度成平方性增长，而回转窑生产中煅烧带温度最低都在1200℃以上，这就成了生产中控制氮氧化物排量的焦点和难点。

石灰号称“化工之母”，冶金行业、化工行业生产都离不开它，因它的制造成本较低而且价格低廉，目前还没有合适的替代品，石灰的生产和达标排放就成了回转窑生产的难题；为此，一些企业不惜花费巨资上了脱硝设备，但脱硝设备的更新远远满足不了国控指标的逐步从严的要求，而且脱硝过程中产生的废水、废气、废渣、逃逸氨又可能成为新的污染点，导致每年脱硝设备运行费用不菲，几乎剥夺了石灰生产的全部利润空间。回转窑石灰生产中，烟气废气中的成分主要是：氮气78％、氧含量12％、二氧化碳10％，能够影响氮氧化物生成的元素主要有：温度、氮气含量、氧气含量，缺一都不会生产氮氧化物，但氧气和温度是煅烧石灰必须的条件，而氮气是多余的，而且是生产氮氧化物的必要条件之一。通过烟气循环系统变相控制助燃空气中的氮气含量，即可以控制氮氧化物的生成量。在回转窑生产中，由于石灰石的分解和燃料燃烧会产生大量的二氧化碳气体，而且是一个增量的变化，如果把回转窑尾气加以循环，能逐步改变助燃空气中氮气的含量，用回转窑尾气中二氧化碳气体置换氮气，从而降低生产中氮氧化物的生成几率，理论数据推演如上表所示。

如上表所示，如果在回转窑生产中采取废气循环利用，另补氧气助燃操作，二氧化碳浓度是呈叠加增长的过程，并且每循环一次可以提升废气中二氧化碳浓度3％，而且废气中二氧化碳浓度越高置换氮气越快，系统中的氮气含量会呈下降状态，理论上完全可以由浓度呈不断增长的二氧化碳气体置换代替空气中的氮气冷却物料参与燃烧。从理论上分析：实施该废气循环利用可以降低系统中降低或去除系统生产的氮气成分，没有了氮气，自然也就消失了氮氧化物的生成几率，可以每年省去二千万的脱硝成本投入，而且达到国控氮氧化物达标排放的目的，保障回转窑可持续性生产；该废气循环利用可以把废气中的部分二氧化硫气体抽回到回转窑系统中进一步脱硫处理，降低外排二氧化硫的含量；该废气循环利用技术可以把回转窑废气中部分一氧化碳抽回参与燃烧，实现回转窑生产节能降耗的目的；该废气循环技术中经过N次废气循环后可大大提纯废气中的二氧化碳浓度，为回转窑尾气二氧化碳的回收创造了良好的条件。

本申请中的石灰窑热风循环系统还可以降低烟气排放中的二氧化硫含量，仍以回转窑石灰生产过程为例，回转窑煅烧排放的烟气中二氧化硫含量约在60至200mg/m³之间，二氧化硫主要来源为燃料中的可燃硫磺在600至800℃成为二氧化硫，以燃烧废气的形式排放。生石灰在常温条件下不吸收二氧化硫，但在300至400℃时吸收，在400℃以上则快速反应，生成CaSO₃，温度升高到400至800℃时，CaSO₃部分分解而成为CaS和CaSO₄。在800℃以上CaSO₃和CaS被氧化成为CaSO₄和CaO，一般认为在1000℃以上，CaO几乎失去固定二氧化硫的能力；在回转窑上如果将烟气循环利用，其中40000m³/H作为二次风参与烧成石灰的冷却后，再作为助燃空气参与燃料燃烧，携带二氧化硫的二次风在竖式冷却器内被加热的同时，遇到100℃到900℃的CaO，其中SO₂会和CaO发生反应，生成CaSO3、CaSO4及CaS，固定烟气中的SO₂，降低循环烟气中的二氧化硫的含量,达到降低污染物总量的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种石灰窑热风循环系统，包括石灰窑、除尘器、烟囱，所述除尘器分别与所述石灰窑的烟气出口、所述烟囱的烟气进口相连，其特征在于，所述除尘器与所述烟囱之间设有热风循环出口，所述热风循环出口分别连接有助燃气体一次风管路和助燃气体二次风管路；所述助燃气体一次风管路中设有第一气体混合器，所述第一气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口，所述第一气体混合器的出气口与石灰窑的第一助燃气体进气口相连；所述助燃气体二次风管路中设有用于降低烟气温度的第二热交换器，所述第二热交换器的烟气出口与第二气体混合器的进气口相连，所述第二气体混合器设有与供氧装置连接的氧气输入口，所述第二气体混合器的出气口与石灰窑的第二助燃气体进气口相连。

2.根据权利要求1所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述热风循环出口与引风机的进风口相连，所述引风机的出风口分别与所述助燃气体一次风管路和所述助燃气体二次风管路相连。

3.根据权利要求2所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述供氧装置包括氧气储气罐和氧气气化装置，所述氧气气化装置的出气口分别与所述第一气体混合器、所述第一气体混合器的氧气输入口相连。

4.根据权利要求1所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述石灰窑为回转窑，所述除尘器为袋式除尘器，所述石灰窑与所述除尘器之间还设有第一热交换器。

5.根据权利要求1所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述第一气体混合器的出气口通过罗茨鼓风机与所述石灰窑相连，所述第二气体混合器的出气口通过离心通风机与所述石灰窑相连。

6.根据权利要求3所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述引风机自所述热风循环出口抽取所述石灰窑的烟气排放总量的22％至35％用于热风循环。

7.根据权利要求3所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述第二热交换器用于将烟气温度降低至22℃至30℃。

8.根据权利要求3所述的石灰窑热风循环系统，其特征在于：所述第一气体混合器、所述第二气体混合器的出气口输出的混合气体中氧气的含量为18％至25％，氧气的含量为体积百分比。