CN115259102B - 一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的工艺和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的工艺，包括以工业副产石膏为原料，经过预处理得到石膏生料，将石膏生料经过预热预煅烧和还原氧化煅烧的步骤得到二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料，所述预热预煅烧产生的第一烟气与所述还原氧化煅烧产生的第二烟气进行烟气分流处理，其中，第一烟气用于干燥原料，第二烟气用于硫酸生产。其解决了现有技术中存在的二氧化硫浓度低、硅酸熟料质量不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业副产石膏（含天然石膏）制硫酸联产硅酸盐水泥技术领域，尤其涉及一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的工艺和设备。
背景技术
工业副产石膏是指工业生产中因化学反应生成的以二水硫酸钙为主要成分的副产品或废渣，主要包括磷石膏、脱硫石膏、钛石膏及酸性废水处理形成的石膏等。因其含有少量有机质、可溶磷、氟、氯、硫、酸等有害杂质制约副产石膏广泛应用于建材、建筑等领域，目前我国工业副产石膏利用率不足40%，其余60%被堆放，其累积堆存量已超过500Mt。工业副产石膏堆存占地，污染环境，浪费资源。随着经济发展，其排放量会持续增加。
我国工业副产石膏利用技术模式仍以物理法生产低端建筑材料为主，由于受市场容量和产品销售半径的限制，很难大规模消纳工业副产石膏。因而，采用化学分解石膏法制硫酸联产水泥是解决工业副产石膏堆存污染，实现硫和钙资源循环利用的重要途径。
传统的工业副产石膏制硫酸联产水泥装置流程：采用二水烘干石膏、单级粉磨、生料混化、悬浮预热器、窑分解煅烧、窑尾静电除尘、稀酸洗涤净化、二转二吸制酸工艺。其特点是石膏的分解和水泥熟料的烧成在回转窑一个装置内完成。实践表明，该工艺经常出现石膏在回转窑内结圈现象，分解效率低，水泥熟料质量较差。特别是该工艺能耗很高，产量低，且对石膏分解所学的弱还原气氛难于有效调控，大大地限制了该工艺的推广和应用。针对中空回转窑工艺的缺陷，近年来提出采用水泥窑外分解技术分解磷石膏制硫酸工艺。该工艺提出的主要依据是磷石膏在专用分解炉内分解，有利于还原气氛的控制和分解效率的提高；可以避免磷石膏在回转窑内结圈，影响窑的正常生产。另外由于该工艺中设置了预热器装置，系统换热效率提高，产量将大幅提高。
CN209128036U公开了一种石膏法制硫酸联产水泥装置。该装置包括一级预热器、二级预热器、三级预热器和四级预热器，白生料库通过螺旋输料机与二级预热器进口连接，二级预热器生料出口通过三级预热器与四级预热器生料进口连接，四级预热器生料出口与立筒预热器进口连接，焦沫粉库通过螺旋输料机与立筒预热器进口连接，立筒预热器物料出口与回转窑连接。该装置解决了焦炭粉在入窑分解前燃烧损失问题，又能在入窑前与生料充分混合实现稳定的分解率，C/S比可降至0 .5-0 .55，每吨硫酸焦炭消耗可节约0 .03吨，吨酸成本可降低30元，同时本实用新型在改造中投资很少，不再多占土地。但该装置中工业副产石膏通过多级预热器时，生料中的结晶水、碳酸盐分解产生的烟气；以及消耗的燃料燃烧烟气；预热后的工业副产石膏进入立筒预热器、回转窑产生的还原分解烟气和煅烧燃料产生的烟气；这三种烟气一起进入烟气净化除尘系统，经净化后进入两转两吸制酸系统。该方法存在制硫酸窑气SO2浓度低，酸产量低，投资高；生成的硅酸盐水泥熟料不稳定、生产不稳定，致使工业副产石膏制硫酸成本偏高的问题，加之长期硫磺价格低迷，工业副产石膏制硫酸联产水泥的资源化再利用无法大面积推广。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的工艺和设备，其解决了现有技术中存在的二氧化硫浓度低、硅酸熟料质量不稳定的问题。
本发明一方面，提供一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的工艺，包括以工业副产石膏为原料，经过预处理得到石膏生料，将石膏生料经过预热预煅烧和还原氧化煅烧的步骤得到二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料，所述预热预煅烧产生的第一烟气与所述还原氧化煅烧产生的第二烟气进行烟气分流处理，其中，第一烟气用于干燥原料，第二烟气用于硫酸生产。
进一步地，所述预处理包括将工业副产石膏经烘干、混料和均质得到石膏生料；
所述预热预煅烧包括将石膏生料在多级预热器进行预热和在预煅烧炉进行预煅烧，得到温度为900-910℃的半灼烧生料，
其中，所述石膏生料经预热和预煅烧后产生的气体和预煅烧炉中燃料燃烧产生的烟气组成第一烟气。
进一步地，所述还原氧化煅烧包括预还原、弱氧化、深度还原、氧化煅烧的步骤，
所述预还原包括将半灼烧生料与还原剂在预还原分解器中进行反应，得到预还原分解烟气和预还原灼烧生料；
所述深度还原和氧化煅烧包括将预还原灼烧生料在还原氧化煅烧窑进行深度还原分解和氧化煅烧，得到还原氧化煅烧窑气和硅酸盐熟料；
所述弱氧化包括所述预还原分解烟气和所述还原氧化煅烧窑气进入弱氧化装置中进行弱氧化反应；
其中，所述预还原分解烟气和还原氧化煅烧窑气组成第二烟气。
进一步地，所述还原剂为焦炭，其中，C/CaSO4的摩尔比为0.6~0.8，预还原反应温度为800~1000℃，时间为15秒；
深度还原的时间为2~3分钟，温度为1060~1200℃，还原剂为焦炭；
氧化煅烧的时间为10~13分钟，温度为1450℃；
所述弱氧化反应温度为850~900℃，反应时间为3秒，弱氧化反应后氧气浓度为0.5~1.05%。
进一步地，所述第二烟气依次经余热回收系统与空气进行热交换，经过烟气净化系统进行除尘净化、进入制酸系统进行硫酸生产。
进一步地，所述热交换得到的热空气分为三部分，第一部分输入弱氧化装置中对第二烟气进行弱氧化反应，第二部分输入预煅烧炉内用作燃料燃烧，第三部分用于对石膏原料进行预处理。
本发明另一方面，提供一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的设备，包括预煅烧系统、预还原弱氧化系统、还原氧化煅烧系统和冷却系统，所述预煅烧系统包括多级预热器和预煅烧炉，所述预还原弱氧化系统包括预还原分解器、预还原分离器和弱氧化装置；
多级预热器之间为串联结构，第一级预热器的进料口处设有回转锁风阀，最下一级预热器的进口与预煅烧炉连接，最下一级预热器的下料管与预还原分解器的撒料装置连接；预还原分解器出口与预还原分离器连接，预还原分解器进口与还原氧化煅烧系统的烟气出口连接；所述预还原分离器的下料管与所述还原氧化煅烧系统的进料口连接，所述预还原分离器的出口与弱氧化装置进口连接，所述还原氧化煅烧系统的固体出口与冷却系统进口连接，所述预煅烧炉燃烧室设有燃料入口，所述预还原分解器的进口端设有还原剂入口。
进一步地，还包括余热回收系统、烟气净化系统和制酸系统，按气体流向所述弱氧化装置出口依次与余热回收系统、烟气净化系统、制酸系统连接。
进一步地，还包括生料均化系统，所述生料均化系统的出料口与所述第一级预热器的进料口连接。
有益效果：均质系统可使生料均化，起着稳定入窑生料成分的作用，从而保证高气浓二氧化硫制硫酸烟气和质量稳定的硅酸盐熟料，为系统稳定运行提供有力保障。
本发明再一方面，提供一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的设备在工业副产石膏制备盐二氧化硫浓烟气和硅酸熟料中的应用。
本发明的技术原理：
本发明以工业副产石膏为主制得的石膏生料经预热预煅烧系统后石膏生料附着水脱出、结晶水脱出、碳酸盐分解、有机质燃烧产生的烟气与预煅烧燃料燃烧的烟气一起进入工业副产石膏烘干系统作为副产石膏烘干热源，出烘干系统的烟气进预煅烧烟气净化除尘系统，净化后烟气单独排入大气；预煅烧后的半灼烧生料CaSO4(温度900℃以上)与还原剂一起进入预还原系统，完成部分还原分解，之后在还原氧化煅烧系统中进行深度还原和氧化煅烧。预还原分解的烟气、还原氧化煅烧窑气和煅烧燃料燃烧的烟气经弱氧化装置氧化处理，进入余热回收系统，出余热回收系统的烟气进入烟气净化系统除尘净化，净化后的烟气经风机送入两转两吸制酸系统。氧化煅烧得到的硅酸盐熟料经冷却系统冷却后送入熟料储存库。
具体过程如下：
(1)预热和预煅烧
以工业副产石膏主要原料制得的石膏生料喂入多级预热器，和多级预热器内上升的气流在上升换热风管内混合，迅速发生热传递，高温的气流将热量传递给低温的石膏生料，对石膏石膏生料进行加热，使石膏生料的温度升高。之后气流携带石膏生料进入旋风筒后，在旋风筒筒体与内筒之间做旋转流动，并且一边旋转一边向下运动，之后气体由多级预热器顶部的排气管排出，固体由旋风筒下料管排出，并在在预煅烧炉内对石膏生料进一步加热，由此可见，石膏生料被分散与悬浮，并与气流进行换热；最后气流被排走，石膏生料被收集，并进一步预煅烧提高温度。
(2)预还原和弱氧化
预还原弱氧化系统包括预还原分解器、预还原分离器和弱氧化装置。经过预煅烧系统煅烧制得的半灼烧生料与还原剂一起进入到预还原分解器内，在悬浮状态下还原剂与还原氧化煅烧系统来的窑气中氧反应生成一氧化碳，一氧化碳、碳与半灼烧生料中的硫酸钙反应生产硫化钙、二氧化碳和二氧化硫。预还原分离器收集下来的粉料经下料管喂入还原氧化煅烧系统进一步的还原氧化煅烧，出预还原分离器烟气进入弱氧化装置进行氧化处理，出弱氧化装置的烟气进入余热回收系统进行余热回收利用。
(3)深度还原和氧化煅烧
预还原灼烧生料在还原氧化煅烧窑内继续还原分解、氧化煅烧的固相反应，继续升温煅烧形成硅酸盐水泥熟料。生成的二氧化硫从窑尾进入预还原弱氧化系统、余热回收系统及烟气净化系统后用于制酸。熟料烧成后，温度开始下降，最后由水泥熟料冷却系统将还原氧化煅烧窑卸出的高温熟料冷却至常温+65℃后，由输送设备送至熟料储存库储存，同时回收高温熟料的余热，提高系统的热效率和熟料质量。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明改变了传统工艺中将工业副产石膏中结晶水、碳酸盐分解产生的烟气；石膏生料制得半灼烧生料消耗的燃料燃烧烟气；半灼烧生料还原分解烟气、煅烧燃料产生的烟气；这三个烟气一起进入烟气净化除尘系统进而制酸的步骤。而是将工业副产石膏中结晶水、碳酸盐分解产生的烟气；石膏生料制得半灼烧生料消耗的燃料燃烧烟气，这两个烟气和还原氧化煅烧系统中半灼烧生料还原分解烟气、煅烧燃料产生的烟气进行烟气分流，分流后用于制酸烟气体积较现有工艺制酸烟气体积降低约20%以上，从而获得高气浓二氧化硫烟气，为制硫酸系统提供优质、稳定气源，提高脱硫效果。
(2)本发明节约耗能20%，SO2浓度提高到12~15%，硅酸盐熟料的稳定性提高，28天强度达到65MPa，使硫酸装置实现了两转两吸，具有优质、高效、低耗等优良性能。
(3)本发明中预煅烧工艺为悬浮态高温预煅烧，提高生料的温度，有利于生料中附着水脱出、结晶水脱出、碳酸盐分解、有机质燃烧及有害杂质的高温处置，出预煅烧装置的半灼烧生料温度达900℃以上，降低了还原氧化煅烧窑升温所需燃料燃烧的烟气量，减少还原煅烧烟气及分流制得半灼烧生料产生的烟气，从而有利于制得高气浓二氧化硫烟气。
(4)本发明中设置预还原分解器，并设置有还原剂喷入口，半灼烧生料与还原剂一起进入到预还原分解器内，在悬浮状态下还原剂与还原氧化煅烧窑来的窑气中的氧反应形成一氧化碳，一氧化碳、碳与半灼烧生料中的硫酸钙反应生产硫化钙和二氧化碳、硫化钙、二氧化硫，使入窑生料的还原率达到30%以上。将原来在窑内进行的硫酸盐还原分解过程，部分移至预还原分解器内进行；减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了材料寿命，有利于生产大型化。由于半灼烧生料与还原剂混合均匀，使还原剂与硫酸钙还原分解过程得到优化，因此预还原是该工艺的一次技术飞跃。
(5)本发明中还原氧化煅烧窑气、预还原分解烟气进入弱氧化装置进行氧化处置，防止了单质硫的形成，从而进一步提高了二氧化硫的浓度；减少了一氧化碳的含量，从而减少了一氧化碳对制酸系统的影响。
(6)本发明中余热回收系统可提高热量利用率，降低系统能耗，节约了成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中工业石膏制硫酸联产水泥装置的示意图。
上述附图中：1-1为第一气固分离器，1-2为第二气固分离器，1-3为第三气固分离器，1-4为第四气固分离器，1-5预煅烧炉，1-6第一回转锁风阀，1-7气动闸阀，1-8第一重锤锁风阀，1-9第二重锤锁风阀，1-10第三重锤锁风阀，1-11第四重锤锁风阀，1-12第四上升换热风管，1-13第三上升换热风管，1-14第二上升换热风管，1-15第一上升换热风管，2-1预还原分解器，2-2预还原分离器，2-3弱氧化装置，2-4第二回转锁风阀，3-1换热器，3-2第一管道，3-3余热锅炉，3-4第二管道，3-5重锤阀，3-6第三回转锁风阀，4-1窑尾喂料烟室，4-2还原氧化煅烧窑，4-3窑头，4-4煤粉燃烧器，5-1篦冷机，5-2齿辊破碎机，5-3排风机，5-4第一风管，5-5第一袋除尘器，5-6第一排风机，6-1第二袋除尘器，6-2第二风管、6-3第二排风机，6-4第四回转锁风阀
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
实施例1 工业副产石膏制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料
将原料工业副产石膏通过生料均化系统得到石膏生料，从生料均化系统排出的石膏生料经计量、提升、输送至第一回转锁风阀1-6，经气动闸阀1-7锁风喂料喂入第一上升换热风管1-15，石膏生料和第一上升换热风管1-15内的热烟气进行气固换热，石膏生料的温度升至300℃，经气固分离器1-1进行气固分离，分离后的烟气经第一气固分离器1-1顶部的排气管进入烘干破碎系统对工业副产石膏进行烘干脱水，收集下来的石膏生料经第一重锤锁风阀1-8进入第二上升换热风管1-14进行气固换热，石膏生料的温度再次升至510℃，经第二气固分离器1-2进行气固分离；分离后的生料经第二重锤锁风阀1-9进入上第三升换热风管1-13再次进行气固换热，石膏生料的温度再次升至670℃，加热的石膏生料在第三气固分离器1-3再次进行气固分离，分离后的石膏生料经第三重锤锁风阀1-10进入预煅烧炉1-5进行气固混合加热，石膏生料的温度再次升至900-910℃，加热的石膏生料经第四上升换热风管1-12在第四气固分离器1-4再次进行气固分离。通过计量后的煤粉经侧壁的燃料入口输送到预煅烧炉1-5进行燃烧，得到的热烟气通过1-12、1-13、1-14、1-15，最后送到烘干破碎系统作为工业副产石膏烘干脱水的热源。
分离的石膏生料通过第四重锤锁风阀1-11进入到预还原分解器2-1的撒料装置中再次与还原氧化煅烧窑4-2产生的从烟气出口排出的窑气进行气固混合，并与经预还原分解器2-1进口端的还原剂入口输入的反应煤(或称为焦炭)进行部分还原分解生成SO2，并控制反应过程中原料C/CaSO4的摩尔比为0.6~0.8，反应温度为800~1000℃，时间为15秒；石膏生料经预还原反应产生的物料在预还原分离器2-2处进行气固分离，分离后的SO2气体经弱氧化装置2-3进行弱氧化反应，并控制反应过程中反应温度为850~900℃，反应时间为3秒，反应后弱氧化装置2-3出口处氧气浓度为0.5~1.05%。之后进入换热器3-1与空气进行热交换，经换热器3-1加热的热空气分成三部分，一部分通过管道回输入弱氧化装置2-3中对预还原分解烟气和还原氧化煅烧窑气组成的第二烟气进行弱氧化反应；一部分通过管道输入预煅烧炉1-5作为预煅烧炉1-5的燃烧空气，以助于燃料燃烧；一部分通过管道输入辅料磨作为辅料粉磨的热源。换热器3-1收集下来的粉料，可通过重锤阀3-5送入窑尾喂料烟室4-1。经过热交换后，SO2气体之后通过第一管道3-2进入余热锅炉3-3，余热锅炉3-3产生的蒸汽经管道送至相应的蒸汽使用点；出余热锅炉3-3的SO2气体经第二管道3-4进入第二袋除尘器6-1进行净化除尘；之后通过第二风管6-2、第二排风机6-3送至制酸系统。余热锅炉3-3收集下来的粉料经第三回转锁风阀3-6卸至输送设备；第二袋除尘器6-1收集下来的粉料经第四回转锁风阀6-4卸至输送设备；粉料经输送设备送至窑灰仓储存和喂料。
经预还原分离器2-2分离后的固体物料通过下料管经过第二回转锁风阀2-4经进料口送入窑尾喂料烟室4-1，经窑尾喂料烟室4-1斜坡喂入到还原氧化煅烧窑4-2，还原氧化煅烧窑4-2的窑头4-3设置有煤粉燃烧器4-4，对固体物料进一步加热进行深度还原和氧化煅烧，并控制深度还原的时间为2~3分钟，温度为1060~1200℃；氧化煅烧的时间为10~13分钟，温度为1450℃，从而生成高浓度的二氧化硫烟气和稳定的硅酸盐熟料。
从还原氧化煅烧窑4-2的固体出口排出的硅酸盐熟料落入篦冷机5-1内，经齿辊破碎机5-2，与排风机5-3鼓入的冷空气进行气固换热，换热产生的热风一部分作为煤粉燃烧器4-4煤粉燃烧的二次风，剩余的热空气经第一风管5-4进入第一袋除尘器5-5进行除尘净化，净化后的空气经风管、第一排风机5-6、风管送至换热器3-1进行加热。
本发明的工业副产石膏制高气浓二氧化硫和硅酸盐熟料的物理性能指标如表1所示，并与现有工业副产石膏制硫酸联产水泥的方法(参考鲁北化工)进行比较，现有生产方法中未进行烟气分流：
表1 二氧化硫和硅酸盐熟料的物理性能
| 项目 | 二氧化硫浓度(%) | 硅酸盐28天强度(MPa) | 单位能耗标煤(kg) |
| 现有生产指标 | 6.5 | 52 | 430 |
| 实施例1的生产指标 | 14.3 | 65 | 350 |
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的设备，其特征在于：包括预煅烧系统、预还原弱氧化系统、还原氧化煅烧系统和冷却系统，所述预煅烧系统包括多级预热器和预煅烧炉，所述预还原弱氧化系统包括预还原分解器、预还原分离器和弱氧化装置；
多级预热器之间为串联结构，第一级预热器的进料口处设有回转锁风阀，最下一级预热器的进口与预煅烧炉连接，最下一级预热器的下料管与预还原分解器的撒料装置连接；预还原分解器出口与预还原分离器连接，预还原分解器进口与还原氧化煅烧系统的烟气出口连接；所述预还原分离器的下料管与所述还原氧化煅烧系统的进料口连接，所述预还原分离器的出口与弱氧化装置进口连接，所述还原氧化煅烧系统的固体出口与冷却系统进口连接，所述预煅烧炉燃烧室设有燃料入口，所述预还原分解器的进口端设有还原剂入口；
还包括余热回收系统、烟气净化系统和制酸系统，按气体流向所述弱氧化装置出口依次与余热回收系统、烟气净化系统、制酸系统连接。
2.如权利要求1所述的一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的设备，其特征在于：还包括生料均化系统，所述生料均化系统的出料口与所述第一级预热器的进料口连接。
3.权利要求1-2任一项所述的一种烟气分流制二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料的设备在工业副产石膏制备二氧化硫浓烟气和硅酸盐熟料中的应用。
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