CN115140957A - 一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，将预处理后的磷石膏与还原剂、矿化剂、硅质原料、铝质原料为原料进行配料混合后与低氧含量的氧化气氛热烟气进行逆流悬浮预热，再与高CO含量的还原性热烟气顺流悬浮预还原分解，得到高氧化钙含量的热生料进入转窑中进一步加热矿化反应生成水泥熟料，换热降温后的烟气经增氧降升华硫降碳除尘净化后去生产硫酸。同时，公开了该方法使用到的装置。本发明可使磷石膏在悬浮状态下完成预热、还原分解反应，既降低了系统能耗，又提高了生产效率，大幅提升了同等规格回转窑的单线产能。

Description

一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法及装置
技术领域
本发明涉及建材行业固废利用、水泥低碳技术领域，尤其涉及一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法及装置。
背景技术
磷石膏是湿法磷酸生产的主要副产物，每生产1吨湿法磷酸产生4～5吨的磷石膏。受多种因素影响，磷石膏资源化利用率仅为30％，处理方式仍以堆存为主。目前我国磷石膏堆存量已超过7亿吨，每年新增约8000万吨。随着经济发展，其堆存量还会持续增加，不但占用大量土地，而且经雨、雪水的浸渍，溶出的酸性及其他有害物质对土壤、地表和地下水均会造成长期污染。因此，磷石膏的排放已经成为制约磷化工等行业可持续发展的重要因素，其资源化综合利用是亟待解决的难题。尽管我国磷石膏的利用途径不断拓宽、规模不断扩大、技术水平不断提高，但利用模式仍以生产低端建筑材料为主，受市场容量和产品销售半径的限制，很难实现大规模消纳。磷石膏制酸联产水泥不但能实现磷酸生产中硫的循环回用和氧化钙的资源化利用，还可以实现产业化和规模化生产，解决磷石膏堆存的环境污染，减少水泥生产的矿山开采，符合磷酸以渣定产、水泥行业低碳发展的产业政策，因此，应用前景广阔。
磷石膏制硫酸联产水泥预热分解工艺目前主要有两种：中空回转窑分解工艺与悬浮预热器窑工艺。中空回转窑分解工艺是将经过粉磨配料的生料在中空回转窑内分解煅烧，磷石膏在窑内受热分解成SO2和CaO，CaO再与SiO2、Al2O3等反应形成水泥熟料。而借鉴了新型干法水泥节能技术的悬浮预热器窑是利用悬浮预热器回收窑尾烟气的热量并预热入窑生料，能有效降低回转窑的长度、高效的换热效率能节约烧成热耗30％，进而降低煤耗，减少尾气量，提高SO2浓度到11％。有利于生产规模向大型化发展。悬浮预热器长窑工艺较中空回转窑工艺有了进一步发展。而窑外分解工艺，把磷石膏的分解与水泥熟料的煅烧过程分开，利用带预热器的专用分解炉装置，使磷石膏在水泥窑外预热分解成CaO，能有效降低回转窑的长度、高效的换热效率能节约烧成热耗，进而降低煤耗，减少尾气量，提高SO2浓度，有利于生产规模向大型化发展。因此，是否可以将窑外分解工艺与悬浮预热器长窑工艺进行结合，提供更加高效的磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，填补本领域的空白，成为亟需解决的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，可使磷石膏在悬浮状态下完成预热、还原分解反应，既降低了系统能耗，又提高了生产效率，大幅提升了同等规格回转窑的单线产能。
技术方案：本发明的一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：将预处理后的磷石膏与还原剂、矿化剂、硅质原料、铝质原料为原料按特定的比例进行配料混合后与低氧含量的氧化气氛热烟气进行逆流悬浮预热，再与高CO含量的还原性热烟气顺流悬浮预还原分解，得到高氧化钙含量的热生料进入转窑中进一步加热矿化反应生成水泥熟料，换热降温后的烟气经增氧降升华硫降碳除尘净化后去生产硫酸。
其中，所述的还原剂为焦炭、高硫煤、无烟煤和硫磺中的一种或二种以上，还原剂的添加重量比例为2％～8％。
其中，所述的矿化剂为CaF2、硫酸钠、硫酸钡中的一种或二种以上，矿化剂的添加重量比例为1％～3％。能有效降低硫酸钡的还原温度约100℃。
其中，所述的低氧含量的氧化气氛热烟气中氧体积含量为1.5％～2.5％，CO体积含量小于0.05％。
其中，所述的高CO含量的还原性热烟气中CO体积含量为1％～2.5％，O2体积含量小于1％。
一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：包括依次连接的悬浮预热器、还原分解炉、在线还原剂发生炉与回转窑；所述悬浮预热器包括N个旋风筒，旋风筒分别设置有下料管、撒料箱、翻板阀与连接风管；所述N为4、5或6。
生料粉由提升机送入C2旋风筒出气管，在气流作用下分散、悬浮在气流中，并随气流进入C1旋风筒。气料分离后，料粉通过翻板阀进入C3旋风筒气体出口管道，并随气流进入C2旋风筒。以这样类似的方式，石灰石粉分别经过C1、C2、C3、C4……CN-1级旋风筒连接管道N-1级热交换后，得到了充分预热，随之进入分解炉。预热系统C1出口废气经除尘净化后去硫酸制备车间。
其中，所述的悬浮预热器设有升华硫及还原剂燃烧炉，升华硫及还原剂燃烧炉上部设置有带料气流出口，与上一级预热旋风筒相接；升华硫及还原剂燃烧炉底部设置有喷氧的喷管，与下一级预热旋风筒出口相接。
升华硫及还原剂燃烧炉内发生分解炉内生成的升华硫、多余的还原性气体的氧化燃烧反应。炉内温度为500℃～650℃，炉内反应为：
S+O2→2SO2；
2CO+O2→2CO2；
2H2+O2＝2H2O。
其中，所述的还原分解炉上部出口与第N级旋风筒相接，底部设置有热生料排料管用于与第N级旋风筒的下料管相接，下部设置有气化还原炉接入口，中部设置有N-1级旋风筒下料管接入口；硫酸钙与C、CO、H2等还原性气体在还原分解炉内发生还原反应，生成CaO。炉内温度为900℃～1000℃，炉内反应为：
CaSO4+CO→CaO+SO2+CO2；
CaSO4+H2→CaO+SO2+H2O；
可能发生的副反应主要有：
3CaS+CaSO4→4CaO+2S2；
CaS+H2O→CaO+H2S；
SO2+3CO→COS+2CO2。
其中，所述的在线还原剂发生炉下部与回转窑的烟室出口相接，在线还原剂发生炉出口与还原分解炉下部相接，在线还原剂发生炉设置有煤粉喷嘴及热生料接入口。炉内发生CO及H2等还原性气体的生成反应。炉内温度为1000℃～1100℃，炉内反应为：
C+0.5O2→CO；
C+CO2→2CO；
C+H2O→CO+H2。
其中，所述的回转窑窑头连接窑头罩及燃烧器，窑头罩与熟料冷却装置相接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明提供的工艺通过在线还原剂发生炉产生气体还原剂CO/H2等，将传统工艺回转窑内固固还原反应(CaSO4+C)转为气固(CaSO4+CO/H2)还原反应，既提高了换热效率，又降低了还原温度，使得还原反应能充分彻底。本发明通过燃烧炉工艺有效解决了副反应产生的升华硫及过剩还原剂在后续硫酸制备车间发生硫冷凝粘黏、CO毒化催化剂的影响。本发明的预热、预还原分解、在线还原剂发生炉均在悬浮状态下完成，热交换效率高，系统热耗低。本发明提供的方法能有效扩大同等规格回转窑的产能。经检测，以1000t/d熟料生产线为例，热耗为预热器窑的80％～90％，产能为预热器窑的120％～140％。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图中1为C1旋风筒；2为C2旋风筒；3为C3旋风筒；4为C4旋风筒；5为C5旋风筒；6为还原分解炉；7为在线还原剂发生炉；8为升华硫及还原剂燃烧炉；9为回转窑。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，包括依次连接的悬浮预热器、还原分解炉6、在线还原剂发生炉7与回转窑9；悬浮预热器包括N个旋风筒，旋风筒分别设置有下料管、撒料箱、翻板阀与连接风管；N为4、5或6。生料粉由提升机送入C2旋风筒出气管，在气流作用下分散、悬浮在气流中，并随气流进入C1旋风筒。气料分离后，料粉通过翻板阀进入C3旋风筒气体出口管道，并随气流进入C2旋风筒。以这样类似的方式，石灰石粉分别经过C1、C2、C3、C4……CN-1级旋风筒连接管道N-1级热交换后，得到了充分预热，随之进入分解炉。预热系统C1出口废气经除尘净化后去硫酸制备车间。
其中，悬浮预热器设有升华硫及还原剂燃烧炉8，升华硫及还原剂燃烧炉8上部设置有带料气流出口，与上一级预热旋风筒相接；升华硫及还原剂燃烧炉8底部设置有喷氧的喷管，与下一级预热旋风筒出口相接。还原分解炉6上部出口与第N级旋风筒相接，底部设置有热生料排料管用于与第N级旋风筒的下料管相接，下部设置有气化还原炉接入口，中部设置有N-1级旋风筒下料管接入口。在线还原剂发生炉7下部与回转窑9的烟室出口相接，在线还原剂发生炉7出口与还原分解炉6下部相接，在线还原剂发生炉7设置有煤粉喷嘴及热生料接入口。回转窑9窑头连接窑头罩及燃烧器，窑头罩与熟料冷却装置相接。
使用时，将预处理后的磷石膏与还原剂、矿化剂、硅质原料、铝质原料为原料按特定的比例进行配料混合后与低氧含量的氧化气氛热烟气进行逆流悬浮预热，再与高CO含量的还原性热烟气顺流悬浮预还原分解，得到高氧化钙含量的热生料进入转窑中进一步加热矿化反应生成水泥熟料，换热降温后的烟气经增氧降升华硫降碳除尘净化后去生产硫酸。其中，还原剂为焦炭、高硫煤、无烟煤和硫磺中的一种或二种以上，还原剂的添加重量比例为2％～8％。矿化剂为CaF2、硫酸钠、硫酸钡中的一种或二种以上，矿化剂的添加重量比例为1％～3％。能有效降低硫酸钡的还原温度约100℃。低氧含量的氧化气氛热烟气中氧体积含量为1.5％～2.5％，CO体积含量小于0.05％。高CO含量的还原性热烟气中CO体积含量为1％～2.5％，O2体积含量小于1％。
本发明的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法及装置既解决了窑内气氛难以控制，频繁结圈、熟料质量难以控制的技术问题，又降低了能耗、提高了制酸气体中SO2浓度。可有效提高磷石膏制酸联产水泥的经济效益。与现有的技术相比，本发明提供的方法，可使磷石膏在悬浮状态下完成预热、还原分解反应，既降低了系统能耗，又提高了生产效率，大幅提升了同等规格回转窑的单线产能，降低生产投资和占地。同时，还提高了磷石膏中S的回收率，保障了水泥熟料质量。本发明将窑外分解工艺与悬浮预热器长窑工艺进行结合，提供更加高效的磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，填补本领域的空白。
如附图1所示，以悬浮预热器包括5个旋风筒为例。将粒度80um筛余10％-20％的磷石膏、焦炭、硅砂岩、铝矾土、矿化剂按89：2：6：2:1比例混合均匀后由提升机送入C2旋风筒2出气管，在气流作用下分散、悬浮在气流中，并随气流进入C1旋风筒1。气料分离后，料粉通过翻板阀进入C3旋风筒3气体出口管道，并随气流进入C2旋风筒2。以这样类似的方式，生料粉分别经过C1旋风筒1、C2旋风筒2、C3旋风筒3、C4级旋风筒4的连接管道4级热交换后，随之部分进入还原分解炉6(部分进入在线还原剂发生炉7控制炉内温度)，在其内与在线还原剂发生炉7过来的1000℃的热烟气进行接触，发生还原分解反应后随气流进入C5旋风筒5进行料气分离，分离得到高氧化钙含量的热生料进入回转窑9中进一步加热矿化反应生成水泥熟料。C5旋风筒5出口热烟气裹挟C3旋风筒3下料后进入C4旋风筒4进行料气分离，C4旋风筒4出口热烟气进入升华硫及还原剂燃烧炉8完成升华硫及剩余还原剂的氧化燃烧反应后依次进入C3旋风筒3、C2旋风筒2、C1旋风筒1预热器进行换热后去高温除尘器除尘后去硫酸制备车间。
升华硫及还原剂燃烧炉8内发生分解炉内生成的升华硫、多余的还原性气体的氧化燃烧反应；炉内温度为500℃～650℃，炉内反应为：S+O2→2SO2；2CO+O2→2CO2；2H2+O2＝2H2O。硫酸钙与C、CO、H2等还原性气体在还原分解炉6内发生还原反应，生成CaO；炉内温度为900℃～1000℃，炉内反应为：CaSO4+CO→CaO+SO2+CO2；CaSO4+H2→CaO+SO2+H2O。在线还原剂发生炉7炉内发生CO及H2等还原性气体的生成反应；炉内温度为1000℃～1100℃，炉内反应为：C+0.5O2→CO；C+CO2→2CO；C+H2O→CO+H2。
经检测，以1000t/d熟料生产线为例，热耗为预热器窑的80％～90％，产能为预热器窑的120％～140％。通过燃烧炉工艺有效解决了副反应产生的升华硫及过剩还原剂在后续硫酸制备车间发生硫冷凝粘黏、CO毒化催化剂的影响。预热、预还原分解、在线还原剂发生炉均在悬浮状态下完成，热交换效率高，系统热耗低。能有效扩大同等规格回转窑9的产能。其原理是本发明提供的工艺通过在线还原剂发生炉产生气体还原剂CO/H2，将传统工艺回转窑内固固还原反应(CaSO4+C)转为气固(CaSO4+CO/H2)还原反应，既提高了换热效率，又降低了还原温度，使得还原反应能充分彻底。

Claims (10)

1.一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：将预处理后的磷石膏与还原剂、矿化剂、硅质原料、铝质原料为原料进行配料混合后与低氧含量的氧化气氛热烟气进行逆流悬浮预热，再与高CO含量的还原性热烟气顺流悬浮预还原分解，得到高氧化钙含量的热生料进入转窑中进一步加热矿化反应生成水泥熟料，换热降温后的烟气经增氧降升华硫降碳除尘净化后去生产硫酸。
2.根据权利要求1所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：所述的还原剂为焦炭、高硫煤、无烟煤和硫磺中的一种或二种以上，还原剂的添加重量比例为2％～8％。
3.根据权利要求1所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：所述的矿化剂为CaF2、硫酸钠、硫酸钡中的一种或二种以上，矿化剂的添加重量比例为1％～3％。
4.根据权利要求1所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：所述的低氧含量的氧化气氛热烟气中氧体积含量为1.5％～2.5％，CO体积含量小于0.05％。
5.根据权利要求1所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解方法，其特征在于：所述的高CO含量的还原性热烟气中CO体积含量为1％～2.5％，O2体积含量小于1％。
6.一种高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：包括依次连接的悬浮预热器、还原分解炉(6)、在线还原剂发生炉(7)与回转窑(9)；所述悬浮预热器包括N个旋风筒，旋风筒分别设置有下料管、撒料箱、翻板阀与连接风管；所述N为4、5或6。
7.根据权利要求6所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：所述的悬浮预热器设有升华硫及还原剂燃烧炉(8)，升华硫及还原剂燃烧炉(8)上部设置有带料气流出口，与上一级预热旋风筒相接；升华硫及还原剂燃烧炉(8)底部设置有喷氧的喷管，与下一级预热旋风筒出口相接。
8.根据权利要求6所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：所述的还原分解炉(6)上部出口与第N级旋风筒相接，底部设置有热生料排料管用于与第N级旋风筒的下料管相接，下部设置有气化还原炉接入口，中部设置有N-1级旋风筒下料管接入口；硫酸钙与还原性气体在还原分解炉(6)内发生还原反应，生成CaO。
9.根据权利要求6所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：所述的在线还原剂发生炉(7)下部与回转窑(9)的烟室出口相接，在线还原剂发生炉(7)出口与还原分解炉(6)下部相接，在线还原剂发生炉(7)设置有煤粉喷嘴及热生料接入口。
10.根据权利要求6所述的高效磷石膏制酸联产水泥预热预分解装置，其特征在于：所述的回转窑(9)窑头连接窑头罩及燃烧器，窑头罩与熟料冷却装置相接。
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