CN112105880B - 具有特殊氧气添加的氧燃料熟料生产 - Google Patents
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Abstract
用于生产水泥熟料的方法和系统，其中将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉头直接邻接的第一区段引导至回转炉以及任选地还引导至煅烧装置，以及其中总计大于50体积％(优选地大于85体积％)的供应至燃烧过程的气体流包含氧气。
Description
本发明涉及用于生产水泥熟料的方法和设备，其中将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉的顶部直接邻接的第一区段输送至回转炉中以及任选地另外输送至煅烧装置。
其中将空气引入至熟料冷却机中并预热(其中部分所述空气能够流动至炉中)的方法和设备是现有技术已知的。此外，已知CO2和O2的混合物可以代替空气被供应至冷却机。
现有技术的实例是EP 1 037 005 B1、JP 2007-126328 A或DE 100 13 929 C2。另外的实例为WO 99/06778 A1和US 3 162 431 A。
由于在经济和生态方面稳定增长的需求，仍然需要改进的用于生产水泥熟料的设备和方法。
因此，本发明的目的尤其是提供改进的用于生产水泥熟料的设备和方法，其没有现有技术的缺点，并且与现有技术的设备和方法相比在经济和生态方面得到改进。
本发明的另外的实施方案从以下描述中得出。
在一个实施方案中，本发明提供了用于生产水泥熟料的回转炉设备，所述设备包括被配置成用于将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉的顶部直接邻接的第一区段供给至回转炉中以及任选地另外供给至煅烧装置中的装置；以及其中所述设备被配置成用于将总计包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气的气体流供给至燃烧过程中。
在另一个实施方案中，本发明相应地提供了用于生产水泥熟料的方法，其中将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉的顶部直接邻接的第一区段输送至回转炉中以及任选地另外输送至煅烧装置中，其中供给至燃烧过程的总气体流包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气。
因此，可以将本发明的设备或本发明的方法与一种类型的氧燃料(oxyfuel)方法进行比较。
与迄今为止已知的概念相比，本发明的设备的区别尤其还在于以下事实：在炉的顶部处不供应常规的O2/CO2混合物作为二次气体，而是相反地使用非常纯的氧气。由于由回转管式炉中较高的燃烧温度和降低的气体体积流量(即，煅烧装置和预热器区域中的一种或多种气体对固体的较低的承载能力)引起的预期问题，迄今为止尚未对其进行详细探索。然而，这些问题能够通过对方法进行许多针对性的修改来克服，并因此能够导致显著降低的结构高度和降低的设备空间需求，以及排出气体中较高的CO2浓度。
在本发明的优选实施方案中，回转炉设备包括旋风预热器、不具有三次空气管道的直列式(in-line)煅烧装置、回转炉和冷却机。用于中间空气的管道从冷却机行进到预热器中的中间旋风器级(cyclone stage)，然后行进到生料磨机。
在本发明的优选实施方案中，旋风预热器包括使用显著较小量的气体运行的多级旋风器级联(multistage cyclone cascade)。预热器下游的排出气体体积流量为约0.50标准m3/kg熟料至0.70标准m3/kg熟料。因此，施加的量与排出气体的比率可以比迄今为止可能的比率更高，并且在一个变型中为1kg/kg至2kg/kg的固体/气体，优选地1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体。与旋风器级联并联地存在另外的旋风器级，向该另外的旋风器级供应来自冷却机的热空气。在一个优选实施方案中，基于物料(meal)的流动，该另外的旋风器级位于旋风器级联的中心。
如果要将来自冷却机的排出空气用于除物料预热之外的目的，则预热也可以仅通过来自煅烧装置的排出气体来实现。
在本发明的另外的实施方案中，预热器可以被配置为流化床反应器，特别是所谓的气泡形成流化床(bubble-forming fluidized bed)的形式的流化床反应器。
因此，在本发明的一些实施方案中，将预热步骤中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体，优选地大于1.3kg固体/1kg气体，优选地1kg/kg至2kg/kg的固体/气体，特别优选地1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体，或者将所述设备适当地配置成用于在预热器中设定这样的比率(供给量/排出气体流)。
在多个实施方案中，煅烧装置与经典设计大体上相对应，其中固体/气体比率显著更高；局部固体负载为大于2kg/kg气体，例如2kg/kg气体至8kg/kg气体。燃料的大部分(大于60％，例如约80％)的热在煅烧装置中发生转换。尽管初始氧气浓度为约75％，但所存在的物料仍提供了足够的冷源(heat sink)以防止过热。如果要使粗的替代燃料(边缘长度>100mm)燃烧，则可能必须提供燃料的停留时间相对长的倾斜区域。这样的倾斜区域的实例为阶梯形台阶、推动式格栅(push grating)、背推式格栅(back-pushing grating)等。
因此，在本发明的一些实施方案中，将煅烧步骤中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体，优选地大于1.3kg固体/1kg气体，优选地1kg/kg至2kg/kg的固体/气体，特别优选地1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体，或者将所述设备适当地配置成用于在煅烧装置中设定这样的比率。
由于出于本发明的目的，该设备优选地在没有“三次空气”或“三次气体”(即，绕过炉并连接至煅烧装置的气体流)的情况下运行，因此例如，可以在与常规结构不同的结构中使用单独的燃烧室，向该单独的燃烧室供应“三次空气”或“三次气体”。
在本发明的上下文中，可能的替代方案是，优选地，作为整合到其煅烧装置中的变型，炉排出气体在煅烧装置的倾斜区域中流经燃料，或者在没有倾斜表面的情况下附接至一个煅烧装置的缩短设计。
根据本发明，从冷却机的最靠近前端的区段向回转炉供应热气体。该热气体为具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体。
在本发明的一个变型中，该气体是非常纯的氧气(大于90％)。
回转炉燃烧器将燃料输送至烧结区域中，为此目的，将再循环的CO2或CO2和氧气的混合物用作燃料的运输气体。
为了本发明的目的，选择燃料的量以实现烧结区域的所需性质。为了生产水泥熟料，通过燃烧提供长度为炉总长度的约1/3的炉的第一热区域，该区域的功能是形成C3S(硅酸三钙或硅酸三钙石)，并且在其最热点处达到大于1450℃的材料温度。为了确保该热区域充分延伸至炉的约第一个三分之一，在一些实施方案中可以想到使用与现有技术相比相对较粗的燃料，因为在热的氧气气氛中发生非常快速的燃烧。同时或作为替代，可以想到降低通常对于在回转炉燃烧器中形成火焰所必需的一次气体量和/或鼓风机侧压力。两者都可以导致节省电能消耗，并且可以用较小的致流机(flow machine)来增加压力和加速一次气体。在烧结区域中转换的燃料量为由燃料提供的总热的20％或更多。由于将燃烧过程所需的全部量的氧气供给至回转炉中，因此烧结区域中的氧气过量为约λ＝5(即，相对于燃烧所需的氧气过量)。
然而，在本发明的上下文中，同样可以烧制具有高C3S含量和低C2S(硅酸二钙)含量的熟料。熟料矿物学通常是通过生料混合物来设定。含有65％C3S、13％C2S等的水泥熟料的通常值为石灰标准95，TM＝2.3(氧化铝模量)，SM＝2.5(硅酸盐模量)。如果在相同的停留时间下在烧结区域中设定更高的温度，则可以提高石灰标准。在这种情况下，在相同的游离石灰含量下，在产品中实现更高的C3S含量。与C3S较低的熟料相比，富含C3S的熟料实现水泥中更好的强度特性。由于C2S组分比C3S组分更难以研磨，因此较高的C3S含量还导致水泥研磨所需的电能消耗减少。
作为替代，也可以减少材料在炉中的停留时间。在变型中，当要在相对高的温度下生产具有上述“标准值”的水泥熟料时，可以缩短在炉中的停留时间。一个优选的实施方案可以是更快地转动炉(例如，大于5rpm)和/或设定更小的炉倾角。
由于在烧结区域中可利用的氧气量大大增加，因此可以预期即使后处理不太好的燃料也快速燃烧。这些可以是更粗的、更潮湿的或具有更低热值的燃料。如果例如将诸如煤的固体燃料用于本发明的方法，则燃料必须研磨得不太细。这节省了否则必须为研磨燃料提供的电能。然而，同样地，可以将燃料以更小的程度干燥的。这节省了热能，其可以在其他地方被利用。因此，本发明的方法和本发明的设备对于被称为替代燃料的废物级分是特别有利的。
为了本发明的目的，烧制炉中的火焰可以通过例如以下三种方法A)、B)和C)或其组合来冷却。当燃烧所需的燃料量或燃烧条件(特别是高度富含氧气的气氛)导致高的火焰温度时，这是特别有利的。
A)使一部分炉排出气体再循环至炉入口，同时针对性地冷却该气体。气体的冷却优选地通过可以在除尘装置之前的热交换器(例如分离型旋风分离器)间接发生。通过间接热交换除去的热量可以整合到废热利用的概念中。
B)通过后接旋风分离器的单独煅烧装置(calcination train)使一部分炉排出气体再循环，同时针对性地冷却该气体。气体的冷却优选地在具有分离型旋风分离器的单独煅烧装置中通过未脱酸的一部分生料能够被引入至气体流中并且能够设定其气体温度而直接发生。
C)将熟料粉引入至供给至炉中的热空气中。这实际上扩展了火焰，使得炉的热区域沿炉中间的方向移动，并且炉入口区域也在较高的温度下运行。这总体上导致煅烧装置区域中的热需求减少。
为了本发明的目的，冷却机或熟料冷却机可以在工艺工程术语中分为至少三个功能不同的部分：
-第一部分，含氧气体被供给至其中，并且在其中氧气被预热并供给至回转炉。该部分与常规的水泥生产方法和已知的氧燃料方法的不同之处在于，不同于常规的水泥生产方法，不引入环境空气，并且与已知的氧燃料方法相比，不进行再循环的预热器排出气体与氧气的预混合并因此较小量的气体被供给至炉中。然而，同时，热从热炉产品中回收并再循环至回转炉中，因此与其他工艺相比，气体流由于其量较小而能够显著更热。在本发明的一个变型中，特别地，将量足够用于炉和煅烧装置中的燃烧的氧气供给至该部分。
-第二部分，在其中进行供给至回转炉的热气体流与输送通过该炉的气体流之间的分离。分离可以，例如
a)机械地进行，例如通过破碎机(任选地具有在前的材料柱)或定位在熟料床之上并使气体空间分离开的分隔壁，或者
b)通过包括两个或更多个空间分离装置的系统进行，其中中间气体被供应至所产生的中间空间，所述中间气体充当燃烧过程的惰性气体(特别是CO2、Ar、H2O)，或者充当燃烧气体(O2)，或者充当这些气体的混合物。
-第三部分，在其中使用任何期望的介质对熟料进行最终冷却。所述介质常规地可以为空气或内部再循环的气体流，其被供给至冷却机以进行进一步加热，例如用于废热利用系统中的下游利用。
在本发明中，由于从冷却机中排出的作为燃烧空气的气体的量少，例如在使用横流式冷却机时，因此可以产生相当多的过剩热。从热含量不用于燃烧的区域离开的熟料可以具有约1000℃的温度。所述过剩热可以通过熟料从约1000℃冷却至约100℃产生。该热可以用于向预热器中的中间预热阶段供应热并将剩余的热供给至生料磨机。作为替代，该热可以至少部分地用于产生电力。
在经典的蒸汽回路中，与常规运行的水泥设备相比可以实现显著更高的热蒸汽压力，因为在最后的过热器级中的气体温度水平高达900℃，或者在一些变型中甚至比这更高。与通常在预热器下游出现的约350℃至400℃的温度相比，该温度显著更高。因此，该蒸汽轮机也可以实现更高的效率。另外，由于用于移除热的热交换器可以彼此靠近地布置，因此在产生电力时发生的热损失较小。
为了在生料磨机中对生料进行预干燥使得仅需要耗费相对低的加热功率来在预热器中进行干燥，通常关注的是热供应和在较小程度上的可利用温度。为了该目的，可以利用没有用于废热利用的冷却机排出气体，或者可以利用从废热利用中离开的气体流。其通常具有足够高的温度和热含量以实现生料的干燥。
理想地并因此优选的是，将生料磨机定位在冷却机附近以保持用于气体网络的气体路径是短的。在中间废热利用的情况下，例如用于产生电力，将磨机布置在冷却机的下游。
在氧燃料方法中，污染物回路以与用于生产水泥熟料的常规方法类似的方式产生。如果在炉与预热器之间存在内部污染物回路，则与熟料生产中对于硫和氯类似发生地，在此也需要在炉与预热器或者炉与煅烧装置之间的接口处从回路中除去污染物的系统。如果将固体排出并随后在外部进一步处理以降低污染物水平，则相对于常规的熟料生产方法没有变化。如果由于氯回路高而将气体流排出，则其还包含高比例的氧气。在常规的回转炉中，基于炉入口中存在的气体流，目前排出15％的旁路气体量。由于在本发明的情况下含氧气体中的氧气是预先产生的，例如通过空气的分级(即，具有高能量消耗的过程)，因此将该流作为燃烧气体供给回煅烧装置中是有用的。
由于这个原因，在本发明的实施方案中，以下流动方案(flow regime)用于旁路设备。旁路流从炉入口排出，与冷的返回气体混合，随后通过气体-气体热交换器和蒸发式冷却塔进一步冷却至约140℃，随后经受除尘，其中污染物(主要是碱、硫和氯)凝结在过滤器粉尘(filter dust)上并与过滤器粉尘一起沉淀。剩余的气体流被分流并供给至另外的冷却机，该冷却机优选地是间接的并且还任选地冷却至低于露点，使得气体中存在的水分冷凝出来。该部分用于冷却热旁路气体。另一部分是在其可以再循环至煅烧装置中之前有利地至少部分地不含水分，随后通过已经在旁路冷却机中冷却的排出气体在气体-气体热交换器中加热。蒸发式冷却塔中使用的水在从蓄水器中排出之后通过间接热交换器进行预热，以使从喷射式冷却机离开的水冷却。从喷射式冷却机离开的水在空气冷却机中被进一步冷却，随后部分供给至储水器或再循环至喷射式冷却机。
本发明的一个实施方案涉及用于由至少一种起始材料生产水硬性粘结剂(优选水泥熟料)的方法，其包括至少以下步骤：将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，供给至燃烧过程的总气体流包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气。
本发明的一个实施方案涉及用于生产水泥熟料和/或水硬性熟料(其可以是例如波特兰(Portland)熟料)的方法，其包括预热器、(气流床)煅烧装置、回转炉和冷却机，特征在于，从冷却机供给至炉设备(回转炉和煅烧装置)的气体包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性粘结剂的方法，其包括至少以下步骤：将起始材料预热至煅烧温度，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，供给至燃烧过程的气体流包含大于50体积％的氧气并且包含小于50体积％的程度的来自燃烧过程的再循环排出气体，其特征是在潮湿的参考状态下的氮气含量小于8体积％。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性水泥熟料的方法，其包括至少以下步骤：将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，预热在旋风预热器中进行，其中进料的固体与排出气体的比率为大于1kg至2kg固体/1kg气体，优选地1.3kg至1.9kg固体/1kg气体。
本发明的一个实施方案涉及用于生产水硬性水泥熟料的设备，其包括至少一个旋风预热器、气流床煅烧装置、回转炉和熟料冷却机，特征在于，气流床煅烧装置具有非竖直区段，向该非竖直区段中引入边缘长度大于100mm(即，不可夹带的尺寸)的粗燃料，并且热气体在煅烧装置中流经粗燃料。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性水泥熟料的方法，其包括至少以下步骤：将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，将来自位于材料的流动方向上游的设备组件(例如，来自炉入口或煅烧装置下游)的气体子流再循环至炉的顶部/燃烧(即，主燃烧器)。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性水泥熟料的方法，其包括至少以下步骤：将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，将具有85体积％的含量的氧气的气体供给至冷却机的第一区段。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性水泥熟料的方法，其包括至少以下步骤：对原料进行干燥和研磨，将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，供给来自熟料冷却机的热空气以至少部分地用于预热以及随后用于干燥和研磨，其中避免与来自煅烧和烧制过程中的排出气体混合。
本发明的一个实施方案涉及由至少一种起始材料生产水硬性水泥熟料的方法，其包括至少以下步骤：对原料进行干燥和研磨，将起始材料预热，煅烧经预热的起始材料，烧制经煅烧的起始材料以产生水硬性活性矿物相，使水硬性粘结剂冷却，特征在于，使从炉入口区域排出的富含氧气的气体在硫、氯和类似组分被贫化之后再循环至炉系统中。在该实施方案中，通常以昂贵的过程生产的氧气首先被收集并且可以进一步利用，其次实现了废物氯和硫在粉尘上的沉淀。
在本发明的一个实施方案中，含氧气体为贫N2的空气，特别是非常贫N2的空气。
在本发明的一个实施方案中，含氧气体为高度富含O2的空气。
在本发明的一个实施方案中，含氧气体为纯(工业级)氧。
在本发明的一个实施方案中，含氧气体不是O2/CO2混合物。
在本发明的一个实施方案中，供给的气体流不是再循环气体。
在本发明的一个实施方案中，供给的气体流不包含任何再循环气体。
在本发明的一个实施方案中，含氧气体不是空气或者任何经处理或后处理的空气。这是优选的实施方案。
已经考虑到，在设备在减压下运行期间，可能会从外部吸入少量空气。在这种情况下，少量意指小于10体积％，特别是1体积％至5体积％。在含氧气体的定义中没有考虑这种可能从外部吸入的空气。
在本发明的一个实施方案中，仅小比例的含氧气体作为排出气体离开冷却机，优选地，没有含氧气体作为排出气体离开冷却机。
在本发明的一些实施方案中，引入至回转炉(用于粘结剂烧结的二级装置)中的燃料能量总计为小于该方法所需的燃料能量的33％(1/3)。
在本发明的一些实施方案中，引入至回转炉中的热量小于引入至该方法中的热量总量的30％，其中总热能对应于引入至回转炉、煅烧装置、排出气体路径和回转炉气体中的热能之和。
在本发明的一些实施方案中，通过用于粘结剂(水泥熟料)的燃烧和煅烧产生的排出气体的总量小于＜1标准m3/kg熟料。一标准m3的气体对应于在273.15K的温度下在101.325kPa的压力下的1m3气体。
在本发明的一些实施方案中，排出气体中的CO2浓度高于85％或更高。
在本发明的一些实施方案中，排出气体的再循环被限制为小于15％。
在本发明的上下文中，可以在预热器的下游获得纯度大幅提高的CO2，使得与先前的现有技术相比，进一步的后处理更容易或可以更有利地进行。
在本发明的上下文中，可以使气体和燃料的量彼此匹配，使得与现有技术的预期相反，由较高的燃烧温度和减少的气体体积流量引起的问题显著更少或者甚至没有问题。
除此之外，本发明还提供了由罗马数字表示的以下实施方案：
I.用于生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
a)将起始材料预热至煅烧温度，
b)煅烧经预热的起始材料，
c)在炉中烧制经煅烧的起始材料，
d)使水泥熟料冷却，
特征在于以下步骤：
e)将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉的顶部直接邻接的第一区段供给至
i)回转炉，和
ii)任选地，另外地煅烧装置。
Ia.用于生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
a)将起始材料预热至煅烧温度，
b)煅烧经预热的起始材料，
c)在炉中烧制经煅烧的起始材料，
d)使水泥熟料冷却，
e)将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与炉的顶部直接邻接的第一区段供给至
i)回转炉，和
ii)任选地，另外地煅烧装置，
特征在于，供给至燃烧过程的总气体流包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气。
II.根据实施方案I或Ia所述的方法，特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体，优选地大于1.3kg固体/1kg气体，优选地1kg/kg至2kg/kg的固体/气体，特别优选地1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体，其中预热器优选地为旋风预热器。
III.根据实施方案I、Ia或II所述的方法，特征在于，将步骤b)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体，优选地大于1.3kg固体/1kg气体，优选地1kg/kg至2kg/kg的固体/气体，特别优选地1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体，其中煅烧装置优选地为气流床煅烧装置。
IV.根据实施方案I至III中任一个所述的方法，特征在于，将边缘长度为70mm或更大，优选地100mm或更大的粗燃料引入至煅烧装置中，所述煅烧装置优选地为具有非竖直区段的气流床煅烧装置，以便热气体在煅烧装置中流经粗燃料。
V.根据实施方案I至IV中任一个所述的方法，特征在于，使来自位于材料的流动方向上游的设备组件的气体子流，优选地来自炉入口或煅烧装置的下游的气体子流再循环至炉的顶部以用于燃烧。
VI.根据实施方案I至V中任一个所述的方法，特征在于，
a)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于预热，或者
b)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于干燥和研磨，或者
c)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于预热，并随后用于干燥和研磨，
其中避免与来自煅烧和烧制过程的排出气体混合。
VII.根据实施方案I至VII中任一个所述的方法，特征在于，使从炉入口区域排出的富含氧气的气体在至少硫和氯被贫化之后再循环至炉系统中。
VIII.根据实施方案I至VII中任一个所述的方法，特征在于，所述气体
i)包含75体积％或更多的氧气，优选地85体积％或更多，90体积％或更多，95体积％或更多，98体积％或更多，或者99体积％或更多，
或者
ii)包含10体积％或更少的氮气，优选地8体积％或更少，6体积％或更少，4体积％或更少，或者具有低于检测极限的氮气含量，
或者
iii)包含75体积％或更多的氧气，优选地85体积％或更多，90体积％或更多，95体积％或更多，98体积％或更多，或者99体积％或更多；以及包含10体积％或更少的氮气，优选地8体积％或更少，6体积％或更少，4体积％或更少，或者具有低于检测极限的氮气含量。
IX.根据实施方案I至VIII中任一个所述的方法，特征在于，供给的气体和燃料的量根据燃烧温度和气体体积流量来调节。
根据本发明，所述方法的特征在于，将含氧气体的引入设定为使得在主燃烧器处存在过量的氧气并且剩余量的氧气进入煅烧装置中以用于在煅烧装置中燃烧。
XI.根据实施方案I至X中任一个所述的方法，特征在于，含氧气体的引入仅在气体分离装置的一侧上进行，所述气体分离装置被布置在冷却机中并且与所述炉的顶部直接邻接，
其中气体分离装置为
i)机械气体分离装置，
ii)基于供应阻隔气体的系统，或
iii)组合系统。
XII.用于生产水泥熟料的设备，包括：
预热器、
煅烧装置、
回转炉、和
熟料冷却机，
特征在于，所述设备在冷却机的与炉的顶部直接邻接的区段处具有用于将来自冷却机的气体供给至以下的装置：
i)回转炉，和
ii)任选地，另外地煅烧装置，
其中供给的气体具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例。
XIIa.用于生产水泥熟料的设备，包括：
预热器、
煅烧装置、
回转炉、和
熟料冷却机，
其中所述设备在冷却机的与炉的顶部直接邻接的区段处具有用于将来自冷却机的气体供给至以下的装置：
i)回转炉，和
ii)任选地，另外地煅烧装置，
所述装置被配置成用于供给具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的气体，以及
其中所述设备被配置成用于将总计包含大于50体积％，优选地大于85体积％的程度的氧气的气体流供给至燃烧过程。
本发明的优点尤其由以下方面产生：由于炉和预热器总是根据气体的量来设计，因此从混合物中省去氮气的优点在于，可以使新设备显著更小并因此便宜得多，或者现有的设备可以在转换之后以显著更高的产能运行。
本发明的各个配置、实施方案和变型可以以任何期望的方式彼此组合，只要这样的组合不矛盾即可。
本发明还可以与并行发明“Oxyfuel clinker production withoutrecirculation of the preheater exhaust gases”的具体主题相结合，特别是由罗马数字CI至CXII表示的以下实施方案，其中这些组合显然也是本发明的主题：
实施方案CI.用于生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
a)将起始材料预热至煅烧温度，
b)煅烧经预热的起始材料，
c)在回转炉中烧制经煅烧的起始材料，
d)使水泥熟料冷却，
e)将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体引入至i)煅烧装置中，
特征在于，
-没有来自回转炉的气体供给至煅烧，
-使用其各个旋风分离器以类级联方式彼此连接的多列(multitrain)旋风预热器或单列(one-train)旋风预热器进行预热，
-可以在各个旋风预热器之间进行材料转移和/或气体转移，以及
-不发生预热器排出气体的再循环。
实施方案CIa.用于生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
a)将起始材料预热至煅烧温度，
b)煅烧经预热的起始材料，
c)在回转炉中烧制经煅烧的起始材料，
d)使水泥熟料冷却，
e)将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体引入至i)煅烧装置中，
特征在于，
-没有来自回转炉的气体供给至煅烧，
-使用其各个旋风分离器以类级联方式彼此连接的多列旋风预热器或单列旋风预热器进行预热，
-可以在各个旋风预热器之间进行材料转移和/或气体转移，以及
-不发生预热器排出气体的再循环，以及
特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg的固体/气体。
实施方案CII.根据实施方案CI或CIa所述的方法，特征在于，使用多级的单列旋风预热器或多列旋风预热器。
实施方案CIII.根据实施方案CI、CIa或CII中任一个所述的方法，特征在于，使用具有两个至六个级，优选五个级的两列旋风预热器。
实施方案CIV.根据实施方案CI至CIII中任一个所述的方法，特征在于，在多列旋风预热器的预热器之间的每个级之后，发生物料流的交叉但不发生气体流的交叉。
实施方案CV.根据实施方案CI至CIV中任一个所述的方法，特征在于，预热在至少一个碳酸化器的参与下进行。
实施方案CVI.根据实施方案CI至CV中任一个所述的方法，特征在于，向第二预热器列的具有碳酸化器的预热器供应来自回转炉的排出气体，其中所述排出气体在干燥的参考状态下具有小于35％的小比例的CO2。
实施方案CVII.根据实施方案CV至CVI中任一个所述的方法，特征在于，碳酸化温度通过具有冷却机的碳酸化器来设定。
实施方案CVIII.根据实施方案CI至CVII中任一个所述的方法，特征在于，通过气体的部分再循环来调节煅烧装置中的温度或者煅烧装置中的气体量或者煅烧装置中的温度和气体量，其中再循环气体是来自在煅烧装置之后的预热器级之一的排出气体，优选地是来自在煅烧装置之后的第一预热器级的排出气体。
实施方案CIX.根据实施方案CVIII所述的方法，特征在于，再循环气体的供给在第一分离型旋风分离器之后、或者在第一分离型旋风分离器与倒数第二分离型旋风分离器之间、或者在复数个分离型旋风分离器之后发生。
实施方案CX.根据实施方案CI至CVII中任一个所述的方法，特征在于，供给至煅烧装置中的含氧气体和燃料的量根据煅烧温度和预热器中的温度来调节
实施方案CXI.根据实施方案CI至CX中任一个所述的方法，特征在于，另外地进行煅烧装置排出气体的再循环。
实施方案CXII.用于生产水泥熟料的设备，其包括预热器、煅烧装置、回转炉和熟料冷却机，其中所述设备具有用于将气体供给至i)煅烧装置中的装置，其中供给的气体具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气，特征在于，没有来自回转炉的空气供给至煅烧装置，使用其各个旋风分离器以类级联方式彼此连接的旋风预热器作为预热器，可以在各个旋风预热器之间进行材料转移和/或气体转移，以及不存在用于预热器排出气体的再循环装置。
实施方案CXIIa.用于生产水泥熟料的设备，其包括预热器、煅烧装置、回转炉和熟料冷却机，其中所述设备具有用于将气体供给至i)煅烧装置中的装置，其中供给的气体具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气，特征在于，没有来自回转炉的空气供给至煅烧装置，使用其各个旋风分离器以类级联方式彼此连接的旋风预热器作为预热器，以及可以在各个旋风预热器之间进行材料转移和/或气体转移，以及不存在用于预热器排出气体的再循环装置；以及特征在于，所述设备被配置成将预热器中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg的固体/气体。
以下将参照附图更详细地说明本发明。附图不应被解释为是限制性的并且不是按比例绘制的。此外，附图没有包括常规设备中存在的所有特征，而是简化为本发明及其理解所必需的特征。
附图说明
在图4和图5中，固体的转移描绘为实心箭头，气态材料的转移描绘为虚线箭头。
图1说明性地描绘了冷却机(熟料冷却机)K，其被分成五个不同的冷却区域K1至K5。此处，气体通过各个鼓风机G适当地供给。用于熟料(而不是供应至炉的燃烧空气)的冷却空气通过分配给区域K3至K5的鼓风机G供给。作为燃烧空气输送至炉中的含氧气体A通过分配给区域K1的鼓风机供给。阻隔气体B通过分配给区域K2的鼓风机供给。该阻隔气体可以例如包含85体积％或更多的程度的二氧化碳，其余为惰性气体；或者例如包含85体积％或更多的程度的氧气，其余为惰性气体。出于本发明的目的，术语惰性气体优选地指诸如水蒸气、氩气等的组分。在这两种情况下，气体B用作用于将冷却机的氧气区域与空气区域密封隔离的阻隔气体。此外，图1中描绘了由于阻隔气体的供应而起作用的CO2分隔器Ta。
图2说明性地描绘了大体如图1所示的冷却机(熟料冷却机)K。与图1的唯一区别在于CO2分隔器Tb被配置为机械分隔器，在此处含氧气体的分离通过阻隔气体的供应和机械手段(例如，可移动地搁置在床上的钟摆状分隔壁)来实现。尽管在图2中未示出，但是当机械CO2分隔器足够有效时，可以任选地省略区域K2。
图3示出了说明本发明的两种可能变型的两个流程图，其中来自炉的热熟料进入冷却机部分1中，同时含氧气体被从冷却机部分1输送至炉中(燃烧气体至炉中的余热利用(recuperation))。气体分离装置被布置成与冷却机部分1邻接，并且该装置又与冷却机部分2邻接。在冷却机部分2处，熟料然后离开该设备并被送入贮藏库(silo)。在该图的上部中，描绘了在冷却机部分1(对应于冷却区域K1)与冷却机部分2(对应于冷却区域K3至K5)之间的机械气体分离装置2b，而在下部中示出了基于阻隔气体的分离装置2a。关于冷却机部分2，在这两种变型中都发生除用于燃烧之外的目的的热回收，其中热载体为燃烧空气、CO2等。在这两种情况下，冷却机部分2首先与可以基于直接热交换或间接热交换的热交换器系统邻接。随后，针对这两种变型描绘了废气处理，其可以涵盖除尘和/或烟道(stack)。
图4示出了用于熟料生产的设备，其中描绘了冷却机排出空气参与预热。与图1和图2相比，该冷却机以简化的形式示出，其中在左侧仅描绘了一个鼓风机用于引入根据本发明的含氧气体，并且示出了另外四个鼓风机用于引入空气。在该图所描绘的实施方案中，冷却机排出空气通过用于除去固体颗粒的旋风分离器输送至预热器中。
图5描述了与图4中的实施方案相似的实施方案，但是废热的利用不同于图4所示。在此，同样地，冷却机排出空气通过旋风分离器输送，但是然后不进入预热器级，而是相反地被输送通过热交换器，然后进入生料研磨设备以干燥生料。
附图标记列表：
K 冷却机(熟料冷却机)
Ta 具有阻隔气体的气体分离装置(CO2分隔器(阻隔气体))
Tb 机械气体分离装置或与阻隔气体组合的机械气体分离装置(CO2分隔器(机械或机械/阻隔气体组合))
G 鼓风机
K1 冷却区域1(第一冷却区域)
K2 冷却区域2(第二冷却区域)
K3 冷却区域3(第三冷却区域)
K4 冷却区域3(第四冷却区域)
K5 冷却区域5(第五冷却区域)
A 含氧气体
B 阻隔气体
hV 热燃烧空气
Al 排出空气
O 炉
KT1 散热器，部分1
KT2 散热器，部分2
AB 排出气体处理
W 热交换器系统
S 贮藏库
1 预热器
1a 预热器(上部区段)
1b 预热器(下部区段)
1c 供应有冷却机排出空气的预热旋风分离器
2 煅烧装置
3 回转炉
4a 使用氧气作为冷却介质的冷却机
4b 使用空气作为冷却介质的冷却机
5 空气-空气热交换器
100 原料
100a、100b 热物料
101 热物料至煅烧装置
102 热物料至回转炉
103 热熟料
104 热熟料(约1000℃)
105 冷熟料
200 氧气(>85％)
201 二次气体
202 炉排出气体
203 煅烧装置排出气体
203a 来自下部预热器区段的排出气体
204 预热器排出气体
300 冷却机供给空气
301 冷却机排出空气
302 冷却机排出空气至生料磨机
400 空气至热交换器
401 加热的空气至生料磨机
500 用于主烧制的燃料
501 用于煅烧装置的燃料
Claims (30)
1.一种用于生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
a)将起始材料预热至煅烧温度，
b)在煅烧装置中煅烧经预热的起始材料，
c)在回转炉中烧制经煅烧的起始材料，
d)使所述水泥熟料冷却，
e)将具有15体积％或更小比例的氮气和50体积％或更大比例的氧气的含氧气体从冷却机的与所述炉的顶部直接邻接的第一区段供给至i)所述回转炉，
特征在于，供给至燃烧过程的总气体流包含大于50体积％的程度的氧气，
特征在于，将所述含氧气体的引入设定为使得在主燃烧器处存在过量的氧气并且剩余量的氧气进入煅烧装置中以用于在所述煅烧装置中燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于，步骤e)另外包括：
ii)将所述含氧气体供给至所述煅烧装置中。
3.根据权利要求1所述的方法，特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体。
4.根据权利要求3所述的方法，特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.3kg固体/1kg气体。
5.根据权利要求3所述的方法，特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为1kg/kg至2kg/kg的固体/气体。
6.根据权利要求3所述的方法，特征在于，将步骤a)中的供给的固体与排出气体的比率设定为1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体。
7.根据权利要求3所述的方法，特征在于，步骤a)中使用至少一个旋风预热器进行预热。
8.根据权利要求3所述的方法，特征在于，将步骤b)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.0kg固体/1kg气体。
9.根据权利要求8所述的方法，特征在于，将步骤b)中的供给的固体与排出气体的比率设定为大于1.3kg固体/1kg气体。
10.根据权利要求8所述的方法，特征在于，将步骤b)中的供给的固体与排出气体的比率设定为1kg/kg至2kg/kg的固体/气体。
11.根据权利要求8所述的方法，特征在于，将步骤b)中的供给的固体与排出气体的比率设定为1.3kg/kg至1.9kg/kg的固体/气体。
12.根据权利要求3所述的方法，特征在于，所述煅烧装置为气流床煅烧装置。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，将边缘长度为70mm或更大的粗燃料引入至所述煅烧装置中。
14.根据权利要求13所述的方法，特征在于，将边缘长度为100mm或更大的粗燃料引入至所述煅烧装置中。
15.根据权利要求13所述的方法，特征在于，所述煅烧装置为具有非竖直区段的气流床煅烧装置，以便热气体在所述煅烧装置中流经所述粗燃料。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，使来自位于材料的流动方向上游的设备组件的气体子流再循环至所述炉的顶部以用于燃烧。
17.根据权利要求16所述的方法，特征在于，使来自所述煅烧装置的下游或炉入口的气体子流再循环至所述炉的顶部以用于燃烧。
18.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，
a)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于预热，
或者
b)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于干燥和研磨，或者
c)供给来自熟料冷却机的热排出空气以至少部分地用于预热以及随后用于干燥和研磨，
其中避免与来自煅烧和烧制过程的排出气体混合。
19.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，使取自炉入口区域的富含氧气的气体在至少硫和氯被贫化之后再循环至炉系统中。
20.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，所述含氧气体
i)包含75体积％或更多的氧气，
或者
ii)包含10体积％或更少的氮气，
或者
iii)包含75体积％或更多的氧气；以及包含10体积％或更少的氮气。
21.根据权利要求20所述的方法，特征在于，所述气体
i)包含85体积％或更多的氧气，
或者
ii)包含8体积％或更少的氮气，
或者
iii)包含85体积％或更多的氧气；以及包含8体积％或更少的氮气。
22.根据权利要求20所述的方法，特征在于，所述气体
i)包含90体积％或更多的氧气，
或者
ii)包含6体积％或更少的氮气，
或者
iii)包含90体积％或更多的氧气；以及包含6体积％或更少的氮气。
23.根据权利要求20所述的方法，特征在于，所述气体
i)包含95体积％或更多的氧气，
或者
ii)包含4体积％或更少的氮气，
或者
iii)包含95体积％或更多的氧气；以及包含4体积％或更少的氮气。
24.根据权利要求20所述的方法，特征在于，所述气体
i)包含98体积％或更多的氧气，
或者
ii)具有低于检测极限的氮气含量，
或者
iii)包含98体积％或更多的氧气；以及具有低于检测极限的氮气含量。
25.根据权利要求24所述的方法，特征在于，所述气体
包含99体积％或更多的氧气。
26.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，供给的气体和燃料的量根据燃烧温度和气体体积流量来调节。
27.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，将所述含氧气体的引入设定为使得供给的氧气足够用于在主燃烧器和所述煅烧装置中完全燃烧。
28.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，特征在于，所述含氧气体的引入仅在气体分离装置的一侧上进行，所述气体分离装置被布置在所述冷却机中并且与所述炉的顶部直接邻接，
其中所述气体分离装置为
i)机械气体分离装置，
ii)基于供应阻隔气体的系统，或
iii)组合系统。
29.一种用于生产水泥熟料的设备，包括：
预热器、
煅烧装置、
回转炉、和
熟料冷却机，
其中所述设备在所述冷却机的与所述炉的顶部直接邻接的区段处具有用于将来自所述冷却机的气体供给至i)所述回转炉的装置，
所述装置被配置成用于供给具有15体积％或更小的比例氮气和50体积％或更大比例的氧气的气体，以及
其中所述设备被配置成用于将总计包含大于50体积％的程度的氧气的气体流供给至燃烧过程，
特征在于，将含氧气体的引入设定为使得在主燃烧器处存在过量的氧气并且剩余量的氧气进入所述煅烧装置中以用于在所述煅烧装置中燃烧。
30.根据权利要求29所述的设备，特征在于，所述设备另外具有
ii)用于将含氧气体供给至所述煅烧装置中的装置。
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