CN112408823B

CN112408823B - 工业窑炉设备的燃料供给系统及方法、工业窑炉设备

Info

Publication number: CN112408823B
Application number: CN202010844172.2A
Authority: CN
Inventors: 朱建国; 吕清刚; 蔡军; 任强强; 李百航
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2040-08-20
Also published as: CN111960698A; CN112408823A; CN112408822A

Abstract

本发明涉及一种工业窑炉设备的燃料供给系统，包括：工业窑炉；燃料供给装置；和预处理装置，设置在工业窑炉与燃料供给装置之间，用于对来自燃料供给装置的燃料进行预处理，其中：所述预处理装置为流态化装置，燃料适于在所述流态化装置内热解气化；且燃料在预处理装置内热解气化后形成的流体适于通入到工业窑炉。本发明还涉及一种工业窑炉设备的燃料供给方法以及一种工业窑炉设备。

Description

工业窑炉设备的燃料供给系统及方法、工业窑炉设备

技术领域

本发明的实施例涉及工业窑炉领域，尤其涉及一种工业窑炉设备的燃料供给系统及方法，一种工业窑炉设备。

背景技术

回转窑是工业中金属和无机非金属材料煅烧的主要设备之一，例如水泥是典型的无机非金属材料，目前国内外普遍采用的水泥生产工艺为新型干法水泥生产工艺，水泥熟料在回转窑内完成最终烧成。回转窑内的烧成过程为高温反应过程，其热量由固体燃料，一般是煤，燃烧提供。燃料从回转窑的窑头进入，并在整个狭长的回转窑内完成燃烧，待烧成的物料从回转窑窑尾进入，到窑头时完成烧成，即，燃料和物料是相反方向的移动方向。

受回转窑窑头空间的限制，燃料的燃烧组织一般较为困难，采用复杂的燃烧器难以实现回转窑内高效的燃烧组织，尤其是燃料燃烧的火焰长度和回转窑内的充满度对回转窑中的反应过程存在较大影响，一般的煤粉直接燃烧，火焰火炬短，无法在工业回转窑内形成更加均匀/分布广泛的火焰，制约了窑内物料的反应效果。

此外，如上所述，工业回转窑对燃料的着火和燃烧性能有较为严格的要求，这也不符合我国煤种复杂多样的现状，尤其是对于难燃煤种的应用制约，影响了工业窑炉的经济性。

另外，现有技术中，助燃空气经风机直接进入回转窑中燃烧，其风量的大小完全依靠风机变频调节，与燃料的适配性差；现有技术中的轴流燃烧器，企图通过燃烧器结构的设计，将助燃风和燃料之前的配合关系优化，从而改善燃烧效果，但实际应用中，依然难以解决燃料适应性的问题。

发明内容

为缓解或解决上述问题中的至少一个方面或者至少一点，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种工业窑炉设备的燃料供给系统，包括：

工业窑炉；

燃料供给装置；和

预处理装置，设置在工业窑炉与燃料供给装置之间，用于对来自燃料供给装置的燃料进行预处理，

其中：

所述预处理装置为流态化装置，燃料适于在所述流态化装置内热解气化；且

燃料在预处理装置内热解气化后形成的流体适于通入到工业窑炉。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种工业窑炉设备的燃料供给方法，包括步骤：

提供工业窑炉和燃料供给装置；

在工业窑炉与燃料供给装置之间提供预处理装置，所述预处理装置为流态化装置，用于对来自燃料供给装置的燃料进行预处理；

使得燃料在所述预处理装置内热解气化；和

将热解气化的产物从预处理装置通到工业窑炉内。

根据本发明的实施例的又一方面，提出了一种用于工业窑炉设备，包括：分解炉；上述的燃料供给系统，其中：工业窑炉的窑尾烟气从分解炉的底侧通入所述分解炉。

附图说明

以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明的一个示例性实施例的工业窑炉设备的燃料供给系统的示意图，其中仅设置有一个预处理装置；

图2为根据本发明的另一个示例性实施例的工业窑炉设备的燃料供给系统的示意图，其中设置有多个并置的预处理装置。

具体实施方式

下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

针对现有工业窑炉设备的低氮技术存在的问题以及煤种适应性问题，本发明从工业窑炉燃烧工艺入手，提出了一种基于燃料预热的工业窑炉设备的低氮燃烧工艺，其技术原理如下：摒弃原有通过气力输送直接将常温煤送入工业窑炉内燃烧方法，而是：采用一台或多台流态化装置对(常温)燃料颗粒进行前处理，通过将燃料颗粒在高温下热解气化，形成细尺度的燃料颗粒，例如煤焦颗粒，以此实现对燃料的提质改性，改性后的细尺度燃料颗粒，连同燃料热解气化产生的煤气从预处理装置的出口流出，并被输送至工业窑炉内燃烧。

流态化的预处理装置加热燃料的热量可由少量燃料颗粒燃烧提供(燃烧份额在11％-30％范围)。具体的，来自燃料供给装置的燃料被送燃料风送入预处理装置，一部分燃料燃烧以维持预处理装置内部温度，对燃料进行自持预热(即通过燃料自身的部分燃烧释放热量，从而实现燃料的加热)，以产生例如煤焦和煤气的热解气化产物(统称高温燃料，需要注意的是，这里的高温燃料仅仅是一个统称，表示热解气化产物，其具体温度为多少，并没有限定，只是表明燃料经过预处理，已经高于被预处理的燃料的燃点温度)。

在一个可选的实施例中，燃料在预处理装置内燃烧的空气过量系数在0.11-0.3的范围内。在一个可选的实施例中，将预热装置内部温度维持在例如800～950℃之间。

通过控制预处理装置中的空气过量系数在0.11～0.3范围内，一方面使得燃料的温度提高至燃料着火点以上，例如在高于燃料的着火点的800～950℃，形成高温燃料，高温燃料进入分解炉后与氧气相遇，即可直接燃烧；另一方面，使得燃料氮大部分脱除成为氮气，减少了后续燃料型NOx的产生。

由于预处理装置内为强还原气氛，燃料中的燃料氮向N₂转化，从而减少了燃料型NO_x的生成。经过流态化预处理装置处理过的燃料颗粒，其理化性质如燃料热值、含碳量、灰分含量、孔隙结构、孔隙度、以及粒径分布等都到明显改善，且燃料氮在还原性气氛下向N₂转化，实现燃料氮的脱除。

此外，由于燃料经预处理后期燃烧特性得到显著改善，无论是高品位的燃料，还是低品位的燃料，均能在进入工业窑炉后快速稳定燃烧，放出热量。尤其是低品位的劣质燃料，经过预处理装置的改性后，成为理化特性改善的高温气固混合燃料，进入例如回转窑的工业窑炉后即可稳定燃烧。预处理装置使得例如回转窑的工业窑炉对燃料的依赖性大大降低。

在本发明的一个实施例中，燃料经预处理装置，发生热解气化反应，形成温度在800℃以上的高温气固混合燃料(即高温燃料流)，并经过回转窑的燃料喷口进入回转窑中。

在一个示例性实施例中，上述高温燃料流的射流方向与回转窑的轴线大致平行，更进一步的，射流速度在30～50m/s，进一步可选的，射流速度在35～50m/s。在本发明的进一步的实施例中，进入到回转窑的二次风与高温燃料流同轴布置或平行布置，且二次风的射流速度在100～200m/s，进一步可选的为120～150m/s。

采用本发明的燃料供给方法，高温燃料进入的着火特性、燃烧特性、火焰传播特性均优于现有技术中使用的煤粉，可以实现火焰火炬长度的延长，火焰向回转窑内延伸，使得回转窑内物料的反应区得到延长，提高了物料的烧成质量。

现有技术中，直接将煤通入回转窑中燃烧，要满足烧成质量，只有选择优质烟煤，即挥发分高于25％且热值高于5500kcal的特定煤种，这严重制约了回转窑的经济性。而且，即使采用优质烟煤，其燃料射流速度在15～25m/s之间，因为如果再提高燃料的射流速度，将可能造成熄火的问题，换言之，燃料射流速度制约了燃料形成火焰的长度。

而本发明的工业窑炉燃料供给方法，在应用于回转窑时，具有突出的技术效果。采用本发明的燃料供给方法，即使是无烟煤、半焦、气化残碳或其他劣质燃料，经预处理装置处理后，也具备优异的着火、燃烧、燃尽特性，可以实现满足回转窑生产需求的反应区间和火焰长度。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的工业窑炉设备的燃料供给系统的示意图。

在图1以及后续的图2中，均以煤为例作为燃料，如本领域技术人员能够理解的，也可以是其他合适的燃料类型。

在图1-2中，以水泥窑炉作为工业窑炉设备的一种示例，而且水泥窑炉包括回转窑。如本领域技术人员能够理解的，工业窑炉设备还可以是其他类型的窑炉设备，水泥窑炉的回转窑也可以是其他类型的工业窑炉。

下面参照附图1对本发明的工业窑炉设备的燃料供给系统做示例性说明。分解炉供煤系统包括预处理装置PH1、给煤装置4和回转窑1。

如图1所示，预处理装置PH1的出口管道与回转窑1相连通。

预处理装置PH1为流态化预处理装置，其底部设置有进气或者布风装置，用于向流态化预处理装置通入流化风，煤颗粒从流态化预处理装置下部给入，若燃料煤为颗粒较细的煤时，可采用气力输送的方式，利用送煤风将煤颗粒送入流态化预处理装置，若燃料煤为粒径较大的毫米级的碎煤，则可利用螺旋给料机等将煤送入流态化预处理装置，所需的送煤风与流化风由鼓风机3提供，并且通过各风路上设置的阀门进行风量控制与调节。进入流态化预处理装置的气体统称为预处理风。

鼓风机3提供的空气通过阀门VF通往流态化预处理装置PH1，被称为PH1的预处理风。基于送入流态化预处理装置中的煤量，控制流态化预处理装PH1中预处理风的空气过量系数α_ph1在0.11-0.3的范围内，具体的，通过预处理风管道上的阀门实现预处理风的空气过量系数的控制。

如图1所示，水泥窑炉包括了分解炉2。回转窑1内高温燃料完全燃烧产生的高温窑气从窑尾流出，通入分解炉2的底部。

在回转窑窑头设置有二次风入口，从预处理装置PH1出来的高温燃料通入回转窑1的窑头，与二次风相遇，完全燃烧，为水泥熟料的烧成提供热量。在回转窑的空气当量系数大于1(相对于回转窑的全部给煤量)。回转窑1内高温燃料完全燃烧产生的高温窑气从窑尾流出。

进入回转窑1的二次风可源自篦冷机熟料的冷却风，其风量会随着篦冷机的调节而发生变化，使得回转窑内空气过量系数(第一空气过量系数)发生改变(一般控制在1.16～1.4范围内)，从而影响到窑气的氧含量，进而影响分解炉内空气过量系数。分解炉2内空气过量系数(第二空气过量系数)控制在0.70-1.2的范围内,其也随着回转窑内空气过量系数的变化而变化，回转窑1内空气过量系数增大，分解炉2内空气过量系数则减小，反之亦然。在本发明中，第二空气过量系数对应于基于纯从分解炉2进入到分解炉内的空气(不包括窑气中的空气)对应的空气过量系数。

在本发明的一个实施例中，总体上，分解炉内空气过量系数(第二空气过量系数)与工业窑炉内空气过量系数(第一空气过量系数)之和控制在1.05～1.3之间。

在可选的实施例中，预处理风被分成两路，一路作为送煤风，将给煤装置给入的煤颗粒输送至预处理装置PH1的下部，另一路作为流化风从流态化预处理装置PH1的底部通入，通过底部的进气或者布风装置进入流态化预热装置内，对给入的煤颗粒进行流化，通过阀门控制送煤风和流化风的风量。在流化环境下，毫米级煤颗粒在0.11-0.3的空气过量系数条件下进行预处理，通过部分燃烧/气化反应，产生含有大量可燃气体(CO、CH₄等)的高温烟气，在高温下煤颗粒互相撞击、发生气化/燃烧反应而破碎，形成细小尺度的煤焦颗粒，并随高温烟气从预处理装置PH1的出口离开。高温可燃气体和高温煤焦统称为高温燃料。

对于图1所示水泥窑炉系统，由于常温煤颗粒在通入回转窑1之前，经过流态化预处理装置的预处理，其物理化学性质发生明显变化，提高了系统的煤种适应性。

本发明提供的一种工业窑炉设备，可以燃用烟煤、无烟煤、半焦、气化残炭等多种不同品位燃料。预处理装置内的温度可以根据预处理的燃料的着火点来确定，例如，高于燃料着火点50～200℃。对于图1所示的实施例，也可以进行变换，具体的变换可以为例如：

(1)图1中所示的流态化预处理装置可采用鼓泡床、循环流化床、喷动床、悬浮床以及其它类似装置，不仅限于某种具体的床层形式。在流态化预处理装置为循环流化床形式的情况下，通过燃料在循环流化床内的大量循环和返混，可实现有效的燃料氮脱除。采用不同床层形式，如本领域技术人员能够理解的，需要选择燃料在预处理装置内的停留时间。

(2)根据应用工业回转窑的生产线规模以及给煤量，预处理装置的数量可以灵活调整，比如，不仅限于图1中所示的一台流态化预处理装置，比如，回转窑1可以分别采用多台流态化预处理装置并联的形式，如图2所示，在图2中，示例性的，还设置有预处理装置PH3和PH4。

(3)回转窑1的流态化预处理装置的一次风和流化风，可以共用一台鼓风机，也可以分别单独采用鼓风机提供一次风和流化风。

以上都在本发明的保护范围之内。

本发明提出的上述技术方案，除了上面已经提及的技术效果之外，至少具有以下优点之一：

a、煤进入回转窑之前，通过流态化预处理装置对煤燃料进行提质改性，使得例如工业回转窑的工业窑炉可以燃用劣质煤，降低了工业窑炉对燃煤品质的要求，增强了燃料的适应性。

b、毫米级的原始煤颗粒经过流态化预处理装置处理后，变成微米级的高温煤焦颗粒，然后再进入回转窑内燃烧，降低了工业窑炉对煤颗粒粒径的要求，煤颗粒粒径分布可以更加宽泛，大幅降低了煤磨的能耗。

c、经过处理后的燃料，燃烧特性得到显著改善，可以在以更大的射流速度进入回转窑中燃烧，从而使窑内的温度分布更加均匀，物料反应更加充分，显著提高回转窑的烧成效果和经济性。

需要指出的是，在本发明中，对于数值范围，如没有明确说明不包括端点值，则包括数值范围的端点值。此外，如本领域技术人员能够理解的，对于数值范围内的取值，例如可以为该数值范围的中值、三分之一值或者三分之二值或者其他的数值。

基于以上，如图1-2所示，本发明的实施例提出了如下技术方案：

1、一种工业窑炉设备的燃料供给系统，包括：

工业窑炉；

燃料供给装置；和

其中：

2、根据1所述的工业窑炉燃料供给系统，其中：

预处理装置连接有流化风管道与送燃料风管道，其中流化风与送燃料风共同形成一次风。

4、根据1所述的燃料供给系统，其中：

所述预处理装置为单个流态化装置，在该单个流态化装置内热解气化后形成的流体分别各自通入所述工业窑炉；或者

所述预处理装置为多个并联的子流态化装置，在该并联的子流态化装置内热解气化后形成的流体汇总后通入所述工业窑炉。

5、根据1所述的燃料供给系统，其中：

所述流态化装置包括鼓泡床或循环流化床或喷动床或悬浮床。

6、根据1所述的燃料供给系统，其中：

所述工业窑炉燃料供给系统包括鼓风机，所述鼓风机为预处理装置提供送燃料风与流化风。

7、根据1所述的燃料供给系统，其中：

预处理装置的燃料供给口设置在预处理装置的下部侧面，而预处理装置的流化风风口设置在预处理装置的底侧。

8、根据1所述的燃料供给系统，其中：

工业窑炉在窑头设置有窑炉入口，预处理装置内热解气化后形成的流体经由窑炉入口进入工业窑炉；

所述窑炉入口的入口轴线与工业窑炉的纵向轴线大体平行。

9、根据8所述的燃料供给系统，其中：

所述工业窑炉在窑头设置有二次风口，所述二次风口的入口轴线与工业窑炉的纵向轴线大体平行。

10、根据1所述的燃料供给系统，其中：

所述工业窑炉设备为水泥窑炉，所述燃料包括煤。

11、根据1-10中任一项所述的燃料供给系统，其中：

工业窑炉在窑头部分设置有窑炉入口，预处理装置内热解气化后形成的流体经由窑炉入口进入工业窑炉；

预处理装置的流体出口具有第一横截面积，窑炉入口具有第二横截面积，第二横截面积与第一横截面积的比值在0.3-0.8的范围内。

12、一种工业窑炉设备的燃料供给方法，包括步骤：

提供工业窑炉和燃料供给装置；

使得燃料在所述预处理装置内热解气化；和

将热解气化的产物从预处理装置通到工业窑炉内。

13、根据12所述的方法，还包括步骤：

在所述预处理装置中，将毫米级的煤颗粒加热至800-950℃并进行预处理以获得粒径为微米级的煤焦颗粒。

14、根据12所述的方法，其中：

预处理装置连接有流化风管道与送燃料风管道，其中流化风与送燃料风共同形成一次风；且

所述一次风的空气过量系数在0.11-0.3的范围内。

15、根据12所述的方法，其中：

所述工业窑炉设备包括分解炉，工业窑炉的窑尾烟气从所述分解炉的底侧通入分解炉；

所述方法还包括步骤：控制所述工业窑炉中的第一空气过量系数在1.16～1.4的范围内，且控制自所述分解炉进入所述分解炉内的第二空气过量系数在0.70-1.2的范围内。

16、根据15所述的方法，其中：

控制第一空气过量系数与第二空气过量系数之和在1.05～1.3的范围内。

17、根据12-16中任一项所述的方法，其中：

所述工业窑炉设备为水泥窑炉，所述燃料包括煤。

18、根据17所述的方法，其中：

所述方法包括步骤：使得所述预处理装置内的温度比通入到预处理装置内的燃料的着火点高50-200℃。

19、根据17所述的方法，其中：

所述方法包括步骤：使得热解气化的产物以30-50m/s的速度从预处理装置通到工业窑炉内。

20、一种工业窑炉设备，包括：

分解炉；和

根据1-11中任一项所述的燃料供给系统，

其中：

工业窑炉的窑尾烟气从分解炉的底侧通入所述分解炉。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种工业窑炉设备的燃料供给系统，包括：

工业窑炉，所述工业窑炉为回转窑；

燃料供给装置；和

其中：

燃料在预处理装置内热解气化后形成的流体适于通入到工业窑炉；

所述燃料供给系统设置有预处理风管道以及分别与预处理风管道连通的流化风管道与送燃料风管道，其中流化风与送燃料风共同形成一次风，且所述燃料供给装置适于经由所述送燃料风管道将燃料供给到预处理装置内。

2.根据权利要求1所述的工业窑炉燃料供给系统，其中：

所述燃料供给装置适于经由所述送燃料风管道将毫米级煤颗粒供给到预处理装置内；且

所述一次风的空气过量系数在0.11-0.3的范围内。

3.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

4.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

5.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

所述工业窑炉燃料供给系统包括鼓风机，所述鼓风机与预处理风管道连通为预处理装置提供送燃料风与流化风。

6.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

7.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

所述窑炉入口的入口轴线与工业窑炉的纵向轴线大体平行。

8.根据权利要求7所述的燃料供给系统，其中：

9.根据权利要求1所述的燃料供给系统，其中：

所述工业窑炉设备为水泥窑炉，所述燃料包括煤。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃料供给系统，其中：

11.一种工业窑炉设备的燃料供给方法，包括步骤：

提供工业窑炉和燃料供给装置，所述工业窑炉为回转窑；

使得燃料在所述预处理装置内热解气化；和

将热解气化的产物从预处理装置通到工业窑炉内，工业窑炉的窑尾烟气从所述分解炉的底侧通入分解炉，工业窑炉与分解炉彼此独立设置，

其中：

12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

13.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述一次风的空气过量系数在0.11-0.3的范围内。

14.根据权利要求11所述的方法，其中：

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中：

所述工业窑炉设备为水泥窑炉，所述燃料包括煤。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

18.根据权利要求16所述的方法，其中：

19.一种工业窑炉设备，包括：

分解炉；和

根据权利要求1-10中任一项所述的燃料供给系统，

其中：

工业窑炉的窑尾烟气从分解炉的底侧通入所述分解炉。