CN113880468B - 多级悬浮预热器及控制方法、水泥熟料生成设备控制方法 - Google Patents

多级悬浮预热器及控制方法、水泥熟料生成设备控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多级悬浮预热器及其控制方法。该预热器包括末级旋风筒、次末级旋风筒，末级旋风筒的入口接收来自烟气产生装置的烟气、下料出口与烟气产生装置相通；第一和第二级间旋风分离器，第一和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，第一和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一和第二换热管道连通到下级旋风筒出口，第一和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三和第四换热管道连通到上级旋风器入口，第一和第二级间旋风分离器的下料管道分别连通到第二换热管道和烟气产生装置的分离料入口；至少一个预热器给煤点设置在第一换热管道。本发明还涉及多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法。

Description

多级悬浮预热器及控制方法、水泥熟料生成设备控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及氮氧化物排放控制领域，尤其涉及一种多级悬浮预热器及其控制方法，一种水泥熟料生成设备，一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法。
背景技术
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，其中回转窑和分解炉是其工艺环节中的主要设备。
回转窑是水泥熟料最终烧成装置，由于窑内为气固堆积式传热，传热效果较差，为了得到高质量水泥熟料，窑头煅烧气体温度高达1800℃，这造成回转窑热力型NOx排放极高，占到所有热力型NOx排放的80％以上。而且，鉴于回转窑高温煅烧工艺的特点，此部分热力型NOx的生成无法避免。
分解炉是水泥生料分解装置，水泥生料在分解炉内分解需要吸收大量热量，这部分热量依靠煤粉燃烧提供，因此分解炉内燃烧需要的给煤量高于回转窑燃烧所需的给煤量(占所有给煤量的60％左右)，使得分解炉内的燃料型NOx排放较高。
回转窑和分解炉是目前新型干法水泥生产工艺NOx排放的两大主要来源，造成水泥窑炉总体NOx排放处于较高水平，原始排放超过1000mg/Nm3。统计数据显示，水泥工业2017年的NOx排放量占到了全国NOx排放总量的10-12％，是我国雾霾天气的重要成因之一，严重危害大气环境和人类健康。由此可见，实现水泥窑炉低NOx排放对于大气污染治理具有重要战略意义。
水泥窑炉采用的低氮脱硝技术包括低氮燃烧器、选择性非催化还原(SelectiveNon-catalytic Reduction，SNCR)、选择性催化还原(Selective catalytic Reduction，SCR)、燃烧和流场优化、以及分级燃烧等。低NOx燃烧器主要用于回转窑，但由于回转窑固有的高温煅烧工艺(水泥熟料烧成温度在1350℃左右，而煤粉燃烧温度高达1800℃以上，产生大量热力型NOx)，加之回转窑生产工况多变，其NOx减排效果有限，仍然需要与其他低NOx技术配合使用。SNCR是目前水泥工业采用较多的一种脱硝技术，最大脱硝效率可以达到50％左右，主要采用向分解炉或者分解炉出口烟道喷洒氨水或者尿素的形式实现NOx的还原，由于其有效运行温度在800-1100℃范围内，因此喷洒位置只能位于分解炉与C5旋风筒之间的烟道上，极大限制了该技术在其他工艺环节中的应用；另外，SNCR存在氨水消耗量大、运行费用高以及氨逃逸带来的二次环境污染问题。总体看来，脱硝效果强烈依赖于喷氨量的SNCR技术已经无法适应和满足日益严苛的排放标准和环保要求。
SCR技术目前常用的催化剂反应温度在300～400℃之间，而这个温度范围对应的水泥工业环节刚好处于C1旋风筒出口位置，该处烟气含尘量非常高，对催化剂冲刷磨损较大，催化剂堵塞风险也比较大，同时各种有害成分引起的催化剂中毒也较为严重。SCR技术虽然可以达到90％以上的脱硝效率，但其高昂的投资成本，加上催化剂失效后更换带来的巨大运行和维护成本都是企业难以承受的。
优化分解炉内的燃烧和流场分布，是降低NOx排放的另一条技术途径。国内很多科研院所和大学高校都展开了大量的研究工作，取得了很好的研究进展。不过，由于分解炉内部环境非常复杂，涉及煤粉/煤焦/挥发分的燃烧、水泥生料(CaCO3)吸热分解、气固两相流动传热传质以及NOx还原等物理化学过程，使得研究结果很难完全真实反映炉内实际情况，研究结论对实际生产的指导作用有限。
分级燃烧技术仅在实验室条件下获得了很好的NOx减排效果。单独应用分级燃烧技术时的脱硝效率仅为15～20％，与SNCR结合后可达到65％。现有分级燃烧技术实际应用效果不佳，主要是受到分解炉本体的限制，分解炉中有物料流、煤粉流、气流，且物料反应与NOx生成与还原反应交织在一起，加之温度场、速度场时刻变化，在实际改造过程中，很难保证物料流、气流的充分混合以及脱硝还原区的稳定。
目前水泥窑炉采用的低氮脱硝技术，从其技术特征、应用效果等方面来看，主要存在以下缺陷：
①低氮燃烧器技术一般仅用于回转窑，但由于回转窑固有的高温煅烧工艺，加之回转窑生产工况多变，其氮氧化物减排效果有限，仍然需要与其他低氮技术配合使用。
②SNCR技术最大脱硝效率仅能达到50％左右，已经无法满足日益严苛的排放标准；另外，SNCR技术存在氨水消耗量大、运行费用高以及氨逃逸带来的二次环境污染问题。
③SCR技术对应用温度窗口有严格要求，过高或者过低温度都会影响脱硝效率；另外，其投资成本也相当昂贵，加之高尘的应用环境使得其易中毒失活，造成运行成本也非常高昂，难以大规模普及应用。
④燃烧和流场优化技术受制于分解炉内复杂的流场分布，氮氧化物减排效果极其有限。
⑤分级燃烧技术，由于受到分解炉本体的限制，其氮氧化物减排效果非常有限。另外，分级策略的通用性和普适性相对较差，脱硝效果不稳定，而且脱硝效率也不高，即使与SNCR技术联合，也很难满足当前严苛的NOx排放要求。
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，提出了一种多级悬浮预热器，包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口；和
设置于至少一个换热管道上的预热器给煤点，适于通过所述预热器给煤点向多级悬浮预热器供煤，
其中：至少一个预热器给煤点设置在第一换热管道。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种水泥熟料生成设备，包括：
用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，所述多级悬浮预热器为上述的多级悬浮预热器；
水泥生料输送管道，与多级悬浮预热器相通，向预热器输送水泥生料；
水泥生料处理装置，所述水泥生料处理装置包括所述的烟气产生装置，经多级悬浮预热器预热的水泥生料适于经由末级旋风筒的下料出口进入到水泥生料处理装置；
给煤装置，用于向预热器给煤点供煤。
根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种多级悬浮预热器的控制方法，其中：
所述预热器包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在第一换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
本发明的实施例还涉及一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，所述水泥窑炉系统包括：回转窑，具有回转窑烟室；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒与次末级旋风筒及两者之间的换热管道，来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；以及第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
本发明的实施例还涉及一种反应装置，包括：
上旋风分离器和下旋风分离器；
第一旋风分离器和第二旋风分离器；以及
给煤管路，
其中：
下旋风分离器的气体出口同时连接第一管道和第二管道，第一管道连通到第一旋风分离器的入口，第二管道连通到第二旋风分离器的入口，第一旋风分离器和第二旋风分离器的气体出口均与上旋风分离器的入口相通；且
第一旋风分离器的下料管道连通到第二管道，所述给煤管路与所述第一管道连通。
本发明的实施例也涉及一种反应系统，包括：
上述的反应装置；和
烟气产生装置，
其中：
烟气产生装置产生的烟气通入到下旋风分离器的入口，第二旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置，且上旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置。
附图说明
图1为根据本发明的一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。
图2为根据本发明的另一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。
图3为根据本发明的还一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。
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。
图1为根据本发明的一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。
如图1所示，水泥窑炉系统包括回转窑10、分解炉30和各级悬浮预热器，其中，各级悬浮预热器至少包括末级旋风筒40和次末级旋风筒41，在末级旋风筒40和次末级旋风筒41之间设置有级间旋风分离器R1和R2。如本领域技术人员所理解的，旋风筒之间设置有换热管道。
级间旋风分离器R1和R2的入口分别通过烟道(也是换热管道)L1和L2(分别对应于第一换热通道和第二换热通道)与末级旋风筒40的出口烟道相连，级间旋风分离器R1的下料管道P0与烟道L2相连通，级间旋风分离器R2的下料管道与分解炉30相连通，级间旋风分离器R1和R2的出口烟道L3-1和L3-2(分别对应于第三换热通道和第四换热通道)与管道L4连接，并最终与次末级旋风筒41的入口相连。级间旋风分离器R1和R2总体上呈现出气路并联、煤路串联的布局形式。具体的，级间旋风分离器R1和R2在烟气的流动路径上设置在第一汇合位置401与第二汇合位置403之间，从而两者为气路并联；从给煤装置50来的煤在给煤点502进入到烟道L1，然后进入到级间旋风分离器R1，再通过下料管道P0通入到烟道L2，经由烟道L2到级间旋风分离器R2，再经由下料管道P1进入到分解炉30上的分离料入口301，从而在煤的流向上，级间旋风分离器R1和R2彼此串联。
如图1所示，水泥窑炉系统还包括第三末级悬浮预热器，其包括第三末级旋风筒42，其中，第三末级旋风筒42的下料管与级间旋风分离器R1和R2的出口烟道在第二汇合位置403相连通。
如图1所示，水泥窑炉系统还包括给煤装置50，其与烟道L1在给煤点502相连通，用于向烟道L1通入煤粉。
以下以五级悬浮预热水泥窑炉系统为例，结合附图1，详细说明本发明的技术方案。
图1所示的水泥窑炉系统包括悬浮预热单元，用于将水泥生料预热；分解炉单元，用于将水泥生料分解；回转窑单元，用于水泥熟料的烧成。
悬浮预热单元，包括第一、第二、第三、第四和第五级悬浮预热器，分别对应有，一级旋风筒44和45(在某些情况下，一级旋风筒为两个，如图1中44和45所示)、二级旋风筒43、三级旋风筒42(即第三末级旋风筒)、四级旋风筒41(即次末级旋风筒)、五级旋风筒40(即末级旋风筒)。一级、二级、三级和四级旋风筒之间，依次通过连接管道依次连通，管道分别为L7、L6、L5。
在五级旋风筒40(即末级旋风筒)和四级旋风筒41(即次末级旋风筒)之间，还设置有级间旋风分离器R1和R2。级间旋风分离器R1和R2的入口烟道L1和L2汇合于点401后与末级旋风筒40的出口烟道相连，级间旋风分离器R1的煤粉下料管道P0通过连通点402与烟道L2相连通，且连通点402位于点或汇合位置401的下游(沿气体流动方向)，级间旋风分离器R2的煤粉下料管道P2通过点或分离料入口301与分解炉相连通，级间旋风分离器R1的出口烟道L3-1与级间旋风分离器R2的出口烟道L3-2在点或汇合位置403汇合后与烟道L4相连，并最终接到次末级旋风筒41的入口。如上所述，级间旋风分离器R1和R2总体上呈现出气路并联、煤路串联的布局形式。
在烟气连通管道L1上设置有给煤点502，与给煤装置50相连通。将用于水泥生料分解的给煤引出一部分，从五级旋风筒40(即末级旋风筒)出口烟道L1上的给煤点502给入。这部分煤粉被来自五级旋风筒40的烟气携带并分散预热，在管道L1内作为还原剂还原烟气中的氮氧化物，之后进入级间旋风分离器R1。在级间旋风分离器R1内，参与还原反应后的固体颗粒(包括煤粉和煤焦)被捕集，经过下料管道P0以及设置在烟道L2上的下料点402后进入烟道L2，烟气则经过烟道L3-1和汇合点403后进入烟道L4。在烟道L2内，煤焦颗粒被来自五级旋风筒40的另一部分烟气所分散，并在烟道L2内与烟气中的氮氧化物再次发生还原反应，之后进入级间旋风分离器R2。在级间旋风分离器R2内，参与还原反应后的煤焦颗粒被捕集，经过下料管道P1以及设置在分解炉上的下料点或分离料入口301后进入分解炉，而烟气则经过烟道L3-2和汇合点403后进入烟道L4。
烟道L4、L5和L6上均设置生料下料点，用于接收对应的上一级旋风筒分离下来的预热生料，即在烟道L4上，设置有三级旋风筒42的生料下料口，三级旋风筒42内的水泥生料，通过该生料下料口进入到烟道L4中，并被烟道L4中的烟气进一步预热，同时被烟气携带，送入四级旋风筒41，在四级旋风筒41中被捕集后通过下料管道P2和设置在分解炉上的生料下料点302进入分解炉。类似的，烟道L5为四级旋风筒41和三级旋风筒42之间的连接通道，烟道L5上设置有与二级旋风筒43相连的生料下料口；烟道L6为三级旋风筒42和二级旋风筒43之间的连接通道，烟道L6上设置有与一级旋风筒44、45相连的生料下料口，其中旋风筒44和45为并列的一级旋风筒。烟道L7为二级旋风筒43和一级旋风筒44(45)之间的连接通道，常温水泥生料由给料装置60通过管道L8从设置在烟道L7上的给料点601给入到烟道L7内，并在烟气的携带下，进入到一级旋风筒44和45中。
为更好地实现分解炉内水泥生料的分解和氮氧化物的还原，分解炉上设置三次风口31和32，其中分解炉上的三次风口和下料点、给煤点在高度方向上的布置关系为：三次风口31位于分解炉给煤点501的上方，三次风口32位于下料点301的上方。旋风筒41的下料管道P2通过下料点302与分解炉相连，下料点302设置在三次风口31的上方、下料点301的下方。即沿分解炉高度方向自下而上，分别布置有给煤点501、三次风口31、下料点302、下料点301、三次风口32。
来自回转窑10的含大量NOx的窑气通过烟室20后，从分解炉30底部进入分解炉，依次与从给煤点501进入的煤粉、从三次风口31进入的三次风、从下料点302进入的水泥生料、从下料点301进入的煤粉、从三次风口32进入的三次风相遇。通过分解炉底部缩口产生的喷腾效应，使得窑气和从给煤点501给入的煤粉充分掺混，从三次风口31进入的三次风确保从给煤点501进入的煤粉处于欠氧燃烧状态，在给煤点501至三次风口31之间形成还原性气氛区域，窑气中的一部分氮氧化物被还原为氮气。被级间旋风分离器R2捕集的煤焦颗粒从下料点301进入分解炉内，并且在下料点301与三次风口32之间再次形成还原性气氛区域，对烟气中的氮氧化物进行进一步还原，从三次风口32通入的空气确保燃料的燃尽，使其为水泥生料分解提供足够的热量。分解炉内燃烧产生的烟气以及窑气，携带分解后的水泥生料(例如分解率在95％以上)，通过烟道L0进入五级旋风筒40，五级旋风筒40将分解后的水泥生料分离出来并通过下料管道P3进入回转窑，并进而在回转窑内被煅烧为熟料，烟气(例如800-850℃)则从五级旋风筒40的出口流出，并分别进入烟道L1和L2。一部分煤粉从设置在烟道L1上的给煤点502进入，进烟道L1的烟气对从给煤点502给入的煤粉进行预热，煤粉热解/气化形成煤焦和煤气，从而在烟道L1以及级间旋风分离器R1内部区域内形成强还原性气氛，对烟气中的氮氧化物进行还原。级间旋风分离器R1可以延长烟气与还原性煤焦/煤气的接触时间，从而大幅提高氮氧化物的还原效率。高温煤焦参与还原反应后被级间旋风分离器R1分离出来，并通过下料管道P0，经由下料点402进入烟道L2内，烟气则从级间旋风分离器R1的出口流出，进入烟道L3-1。煤焦颗粒进入烟道L2后，被进入烟道L2的烟气(来自五级旋风筒40)再次冲散悬浮，并在烟道L2与级间旋风分离器R2内与烟气中的氮氧化物再次发生还原反应。此后，全部的煤焦颗粒被级间旋风分离器R2所捕集，并通过下料管道P1，经由下料点301后进入分解炉内燃烧，为水泥生料吸热分解反应提供热量，而烟气则从级间旋风分离器R2的出口流出，进入烟道L3-2，并在点403汇合后进入烟道L4。进入烟道L4的烟气对从三级旋风筒42分离下来的水泥生料进行预热，预热后的水泥生料进入四级旋风筒41并被分离下来，通过下料管道P3，经由下料点302进入分解炉内进一步吸热分解，烟气则由四级旋风筒41的出口进入烟道L5，对从二级旋风筒43分离下来的水泥生料进行预热，此后的过程以此类推，最后烟气从一级旋风筒44和45的出口流出，进入后端工艺流程。
生料入口302和分离料入口301可以设置为多点加入，增加物料进入分解炉的均匀性。
需要指出的是，级间旋风分离器R1和R2不仅限于设置在旋风筒40和41之间，只要烟气温度满足氮氧化物还原反应要求，还可以设置在旋风筒41和42之间，或者旋风筒42和43之间，或者其他的旋风筒之间。
还需要指出的是，级间旋风分离器R1和R2不仅限于单组设置，可以多组设置，设置位置如前所述。级间旋风分离器的下料管对应的分离料入口也不仅限于单个点，与此对应的三次风风口也不仅限于图1所示的位置。
在可选的实施例中，如图1所示，次末级旋风筒41的下部出口与分解炉30在分解炉生料入口302连通；且末级旋风筒40的下部出口与回转窑10相通。
需要指出的是，分解炉给煤点501的位置可调整，且不仅限于单点给煤，三次风也不仅限于单点配风，可根据分解炉具体给煤点数目和位置，相应调整三次风的配送点数和位置，以确保燃料的燃尽，降低系统煤耗。
至少一个级间旋风分离器R1的换热管道上设有预热器给煤点(如图1中的预热器给煤点502)，给煤装置50通过预热器给煤点向多级旋风预热器供给煤粉。可选的，给煤装置50还通过分解炉上的给煤点501向分解炉供给煤粉。
在本发明中，自水泥生料输送管首先进入的旋风筒为初级旋风筒。初级旋风筒可以为一个，也可以为并行设置的多个。
在本发明中，多级悬浮预热器中旋风筒的上级与下级，与烟气的流动方向相反：处于烟气流动方向下游的，为上级旋风筒，而处于上游的，为下级旋风筒，处于烟气流动方向最上游的旋风筒为末级旋风筒，处于末级旋风筒下游的旋风筒为次末级旋风筒。
可选的，预热器给煤点在特定换热管道上的具体位置邻近对应的下级旋风筒的烟气出口，而相对远离上级旋风筒入口，如图1中示出的预热器给煤点502邻近旋风筒40的烟气出口、远离级间旋风分离器R1和R2，当然也远离旋风筒41。这样煤粉在换热管道中的停留时间较长，预热更加充分。
在如图1所示的示例中，预热器给煤点502设置于换热管道L1上。需要指出的是，预热器给煤点不仅限于设置于换热管道L1上，只要温度合适，预热器给煤点可以位于二级旋风筒43、三级旋风筒42或者是四级旋风筒(次末级旋风筒)41的烟气出口换热管道上。此外，在温度允许条件下，还可以在各级旋风筒烟气出口换热管道(初级旋风筒44和45除外)同时设置多个预热器给煤点，形成组合式高位给煤，多级强化NOx还原。
可选的，所述给煤装置向换热管道的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％，例如，5％、15％、35％、50％；进一步的实施例中，所述给煤装置向换热管道给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％，例如20％、25％、30％。
图2为根据本发明的另一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。如图2所示，水泥窑炉系统还可包括设置在级间旋风分离器R1出口的补燃风加入口404，用于向换热管道L3-1和L4提供补燃风。
图3为根据本发明的再一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。如图3所示，水泥窑炉系统还可包括设置在汇合点403烟气下游的管道L4上的补燃风加入口404，用于向换热管道L4提供补燃风。
补燃风用于将从级间旋风分离器R1和R2流出的烟气中残存的煤气燃尽，减小系统煤耗。本发明中，也可以不设置补燃风。
如本领域技术人员能够理解的，在换热管道的给煤点变化的情况下，补燃风的位置也做相应的变化。
需要指出的是，在本发明中，虽然采用了给煤装置的表述，但是，如本领域技术人员能够理解的，给煤装置可以供给能够实现技术目的的其他燃料，例如生物质燃料，这些均在本发明的保护范围之内。
需要指出的是，在本发明的上述实施例中，以多级悬浮预热水泥窑炉系统为例进行说明，但是，其中包含的多级悬浮预热器也可以与其他的烟气产生装置配合，以减少NOx的产生。在本发明的一个实施例中，回转窑10、烟室20、分解炉30共同构成烟气产生装置。如本领域技术人员能够理解，烟气产生装置还可以是其他的装置。
基于本发明所提出的技术方案，至少可以获得如下技术效果之一：
a、在本发明中，通过在旋风筒的烟气出口管道上设置预热器给煤点来降低NOx排放，原理简单，也容易实施，对现有水泥生产工艺影响较小，改造成本低。
b、本发明采用煤粉燃料高(五级旋风筒出口)、低(分解炉内部)位两级分级思路，多次形成还原性气氛，对烟气中的氮氧化物进行多级还原，相比传统的燃料分级燃烧技术，具有更好的NOx减排效果。另外，相对于向烟室分级给煤的方法，避免了煤粉颗粒落入回转窑尾部，引起回转窑局部高温结皮的风险。
c、本发明通过在各级悬浮预热器的旋风筒之间增加级间旋风分离器组合的方法，实现了煤粉高位还原氮氧化物过程中，煤粉与水泥生料的分离，避免了水泥生料对NOx还原产生的负面影响。
d、级间旋风分离器组合采用气路并联、煤路串联的布局形式，延长了煤粉与烟气的接触时间，另外，煤粉经过第一次还原反应后形成的半焦具有更强的还原性，因此可在较少的还原煤粉用量情况下，取得较好的还原效果。
e、相比于传统的分级燃烧技术，本发明提出的煤粉燃料高位分级方案跳出了分解炉本体的限制，将NOx的生成与还原过程进行了剥离，避开了分解炉内部复杂物理化学过程对NOx还原的影响，进一步增强了NOx的还原效果。
f、在本发明提出的方案中，高位分级的煤粉燃料最终会回到分解炉内燃烧，为水泥生料的分解提供热量，避免了燃料向分解炉上部分级带来的燃烧不完全的问题，在实现烟气中NOx高效还原的同时，并没有明显增加系统煤耗(热耗)，有效控制了运行成本。
g、通过设置补燃风，可以将对应换热管道内残存的煤气燃尽，减小系统煤耗。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种多级悬浮预热器，包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口；和
设置于至少一个换热管道上的预热器给煤点，适于通过所述预热器给煤点向多级悬浮预热器供煤，
其中：至少一个预热器给煤点设置在第一换热管道。
2、根据权利求1所述的预热器，其中：
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器所在的上下两级旋风筒包括末级旋风筒和次末级旋风筒。
3、根据1或2所述的预热器，还包括：
补燃风供给装置，用于向第一级间旋风分离器的出口烟道或第三换热管道提供补燃风，或者用于向第二汇合位置下游的换热管道提供补燃风。
4、根据1所述的预热器，其中：
所述预热器给煤点邻近对应的下级旋风筒的烟气出口。
5、根据1-4中任一项所述的预热器，其中：
所述第二换热管道设置有流动阻力调整装置，用于调整来自下级旋风筒的烟气在第二换热管道内朝向第二级间旋风分离器流动的阻力。
6、一种水泥熟料生成设备，包括：
用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，所述多级悬浮预热器为根据1-5中任一项所述的多级悬浮预热器；
水泥生料输送管道，与多级悬浮预热器相通，向预热器输送水泥生料；
水泥生料处理装置，所述水泥生料处理装置包括所述的烟气产生装置，经多级悬浮预热器预热的水泥生料适于经由末级旋风筒的下料出口进入到水泥生料处理装置；
给煤装置，用于向预热器给煤点供煤。
7、根据6所述的设备，其中：
所述烟气产生装置包括：
回转窑，具有回转窑烟室；
分解炉，与回转窑烟室连通，
其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道通入上级旋风筒。
8、根据7所述的设备，其中：
所述给煤装置还适于经由分解炉上的分解炉给煤点(501)向分解炉供给煤粉。
9、根据8所述的设备，其中：
通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％。
10、根据9所述的设备，其中：
通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％。
11、根据8所述的设备，其中：
所述分解炉还设置有第一三次风入口(31)与第二三次风入口(32)；
所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置。
12、根据11所述的设备，其中：
所述次末级旋风筒的下部出口与分解炉的分解炉生料入口(302)连通。
13、根据12所述的设备，其中：
所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、分解炉生料入口(302)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置。
14、根据10所述的设备，还包括：
三次风供风控制装置，适于控制三次风的风量，以在分解炉给煤点与第一三次风口之间形成第一还原性气氛，在分离料入口与第二三次风口之间形成第二还原性气氛，且在第二三次风口上方形成氧化性气氛。
15、根据7所述的设备，其中：
所述末级旋风筒的下料管道与回转窑的回转窑生料入口连通。
16、一种多级悬浮预热器的控制方法，其中：
所述预热器包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在第一换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
17、根据16所述的方法，还包括步骤：
向第一级间旋风分离器的出口烟道或第三换热通道提供补燃风，或者向第二汇合位置下游的换热管道提供补燃风。
18、一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，所述水泥窑炉系统包括：回转窑，具有回转窑烟室；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒与次末级旋风筒及两者之间的换热管道，来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；以及第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风器的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
19、根据18所述的方法，其中：
向第一换热管道供给煤粉包括步骤：向位于末级旋风筒以及次末级旋风筒之间的第一换热管道供给煤粉。
20、根据18所述的方法，其中：
向所述第一换热管道的给煤量为向分解炉和第一换热管道加入的总给煤量的5％-50％。
21、根据20所述的方法，其中：
向所述第一换热管道的给煤量为向分解炉和第一换热管道加入的总给煤量的20％-30％。
22、根据18所述的方法，其中：
所述方法还包括步骤：经由分解炉上的分解炉给煤点(501)向分解炉供给煤粉；
所述分解炉还设置有第一三次风入口(31)与第二三次风入口(32)，所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、生料入口(302)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置；
所述方法还包括步骤：
使得分解炉中在分解炉给煤点(501)与第一三次风入口(31)之间的区域形成还原性气氛区域；
使得分解炉中在分离料入口(301)与第二三次风入口(32)之间的区域形成还原性气氛区域；以及
使得分解炉中在第二三次风入口(32)下游的区域形成氧化气氛区域。
23、一种反应装置，包括：
上旋风分离器和下旋风分离器；
第一旋风分离器和第二旋风分离器；以及
给煤管路，
其中：
下旋风分离器的气体出口同时连接第一管道和第二管道，第一管道连通到第一旋风分离器的入口，第二管道连通到第二旋风分离器的入口，第一旋风分离器和第二旋风分离器的气体出口均与上旋风分离器的入口相通；且
第一旋风分离器的下料管道连通到第二管道，所述给煤管路与所述第一管道连通。
24、一种反应系统，包括：
根据23所述的反应装置；和
烟气产生装置，
其中：
烟气产生装置产生的烟气通入到下旋风分离器的入口，第二旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置，且上旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置。
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 (23)

1.一种多级悬浮预热器，包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风筒的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口；和
设置于至少一个换热管道上的预热器给煤点，适于通过所述预热器给煤点向多级悬浮预热器供煤，
其中：至少一个预热器给煤点设置在第一换热管道；
所述第一换热管道和所述第一级间旋风分离器内适于发生对烟气中的氮氧化物进行还原的还原反应；和/或
所述第二换热管道和所述第二级间旋风分离器内适于发生对烟气中的氮氧化物进行还原的还原反应。
2.根据权利求1所述的预热器，其中：
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器所在的上下两级旋风筒包括末级旋风筒和次末级旋风筒。
3.根据权利要求1或2所述的预热器，还包括：
补燃风供给装置，用于向第一级间旋风分离器的出口烟道或第三换热管道提供补燃风，或者用于向第二汇合位置下游的换热管道提供补燃风。
4.根据权利要求1所述的预热器，其中：
所述预热器给煤点邻近对应的下级旋风筒的烟气出口。
5.根据权利要求1、2、或4中任一项所述的预热器，其中：
所述第二换热管道设置有流动阻力调整装置，用于调整来自下级旋风筒的烟气在第二换热管道内朝向第二级间旋风分离器流动的阻力。
6.一种水泥熟料生成设备，包括：
用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，所述多级悬浮预热器为根据权利要求1-5中任一项所述的多级悬浮预热器；
水泥生料输送管道，与多级悬浮预热器相通，向预热器输送水泥生料；
水泥生料处理装置，所述水泥生料处理装置包括所述的烟气产生装置，经多级悬浮预热器预热的水泥生料适于经由末级旋风筒的下料出口进入到水泥生料处理装置；
给煤装置，用于向预热器给煤点供煤。
7.根据权利要求6所述的设备，其中：
所述烟气产生装置包括：
回转窑，具有回转窑烟室；
分解炉，与回转窑烟室连通，
其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道通入上级旋风筒。
8.根据权利要求7所述的设备，其中：
所述给煤装置还适于经由分解炉上的分解炉给煤点(501)向分解炉供给煤粉。
9.根据权利要求8所述的设备，其中：
通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％。
10.根据权利要求9所述的设备，其中：
通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％。
11.根据权利要求8所述的设备，其中：
所述分解炉还设置有第一三次风入口(31)与第二三次风入口(32)；
所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述次末级旋风筒的下部出口与分解炉的分解炉生料入口(302)连通。
13.根据权利要求12所述的设备，其中：
所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、分解炉生料入口(302)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置。
14.根据权利要求10所述的设备，还包括：
三次风供风控制装置，适于控制三次风的风量，以在分解炉给煤点与第一三次风口之间形成第一还原性气氛，在分离料入口与第二三次风口之间形成第二还原性气氛，且在第二三次风口上方形成氧化性气氛。
15.根据权利要求7所述的设备，其中：
所述末级旋风筒的下料管道与回转窑的回转窑生料入口连通。
16.一种多级悬浮预热器的控制方法，其中：
所述预热器包括：
多级旋风筒装置，所述多级旋风筒装置至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：末级旋风筒的入口适于接收来自烟气产生装置的烟气，末级旋风筒的下料出口与烟气产生装置相通，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；
第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风筒的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在第一换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括步骤：
向第一级间旋风分离器的出口烟道或第三换热通道提供补燃风，或者向第二汇合位置下游的换热管道提供补燃风。
18.一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，所述水泥窑炉系统包括：回转窑，具有回转窑烟室；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒与次末级旋风筒及两者之间的换热管道，来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒出口的烟气通过换热管道通入上级旋风筒；以及第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器设置在对应的上下两级旋风筒之间，所述第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的入口分别通过第一换热管道和第二换热管道在第一汇合位置连通到下级旋风筒出口，第一级间旋风分离器和第二级间旋风分离器的出口分别通过第三换热管道和第四换热管道在第二汇合位置连通到上级旋风筒的入口，第一级间旋风分离器的下料管道连通到第二换热管道，第二级间旋风分离器的下料管道连通到烟气产生装置的分离料入口，
所述方法包括步骤：
向第一换热管道供给煤粉，进入所述第一换热管道的煤粉在换热管道内预热，部分煤粉被热解或者气化而形成煤焦和煤气；或者
向第一换热管道供给煤粉，使得所述第一换热管道及所述第一级间旋风分离器的内部区域形成还原性气氛。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
向第一换热管道供给煤粉包括步骤：向位于末级旋风筒以及次末级旋风筒之间的第一换热管道供给煤粉。
20.根据权利要求18所述的方法，其中：
向所述第一换热管道的给煤量为向分解炉和第一换热管道加入的总给煤量的5％-50％。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：
向所述第一换热管道的给煤量为向分解炉和第一换热管道加入的总给煤量的20％-30％。
22.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述方法还包括步骤：经由分解炉上的分解炉给煤点(501)向分解炉供给煤粉；
所述分解炉还设置有第一三次风入口(31)与第二三次风入口(32)，所述分解炉给煤点(501)、第一三次风入口(31)、生料入口(302)、分离料入口(301)、第二三次风入口(32)沿分解炉内烟气流动方向依次布置；
所述方法还包括步骤：
使得分解炉中在分解炉给煤点(501)与第一三次风入口(31)之间的区域形成还原性气氛区域；
使得分解炉中在分离料入口(301)与第二三次风入口(32)之间的区域形成还原性气氛区域；以及
使得分解炉中在第二三次风入口(32)下游的区域形成氧化气氛区域。
23.一种反应系统，包括：
反应装置和烟气产生装置，
其中：
所述反应装置包括：上旋风分离器和下旋风分离器；
第一旋风分离器和第二旋风分离器；以及
给煤管路，
其中：
下旋风分离器的气体出口同时连接第一管道和第二管道，第一管道连通到第一旋风分离器的入口，第二管道连通到第二旋风分离器的入口，第一旋风分离器和第二旋风分离器的气体出口均与上旋风分离器的入口相通；且
第一旋风分离器的下料管道连通到第二管道，所述给煤管路与所述第一管道连通；
所述第一管道和所述第一旋风分离器内适于发生对烟气中的氮氧化物进行还原的还原反应；
所述第二管道和所述第二旋风分离器内适于发生对烟气中的氮氧化物进行还原的还原反应；
烟气产生装置产生的烟气通入到下旋风分离器的入口，第二旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置，且上旋风分离器的下料管道连通到所述烟气产生装置。
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