CN116086176A - 一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粘土低温煅烧改性领域，公开了一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置及工艺，该装置包括隧道窑，所述隧道窑包括依次设置的预热带、煅烧带和冷却带，所述隧道窑内设置有载料小车，所述载料小车依次通过所述预热带、所述煅烧带和所述冷却带，所述煅烧带内设置有一个或多个一次燃烧喷嘴和二次还原烧嘴，二者均连通燃料供给系统，所述一次燃烧喷嘴在位于过量的空燃比条件气氛下燃烧，所述二次还原烧嘴用于还原燃烧，本发明的整个煅烧过程中，温度梯度可控，气氛可控，能够使用低碳燃料的组合，能够应对粘土原料批次成分波动，拓宽了产品原燃料的来源范围。

Description

一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置及工艺
技术领域
本发明属于粘土低温煅烧改性领域，具体涉及一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置及工艺。
背景技术
碳达峰碳中和发展背景下，煅烧粘土被认为是一种非常有前途的辅助胶凝材料，利用煅烧粘土和石灰石制备复合胶凝材料体系LC3水泥(Limestone calcined claycement，简称LC3)，熟料含量可以降低到45～50％，与普通硅酸盐水泥性能发展特征相当的前提下，降低了水泥生产过程中的碳排放量(可达30％)，LC3为大规模生产低碳水泥提供了一种可行的解决方案，粘土煅烧主要反应为高岭土受热脱水变为不定型偏高岭土，反应式如下：
Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3·2SiO2+2H2O+Q
典型粘土在室温至1200℃热分解动力学过程主要为，在120℃以下脱去吸附水，600℃至850℃左右高岭石脱去羟基形成偏高岭土，此时得到的产品不仅能够作为制备LC3水泥的胶凝材料满足市场需求，还可以作为填料和填充剂等用于橡胶、造纸、涂料、陶瓷等行业，但是如果继续升温，粘土在950℃至1000℃左右放热，偏高岭土中的Al2O3重新结晶析出，失去活性，因此煅烧粘土有一定的温度窗口，温度太低容易欠烧，高岭土不能充分分解形成偏高岭土，而温度太高容易使偏高岭土过烧失去活性，并且能耗升高，以往需要高品质的高岭石质粘土，然而数量丰富、价格低廉的低等级粘土，在全球范围内数量丰富，比传统辅助胶凝材料多得多，需要一种适应性更广的煅烧改性工艺。
除温度窗口控制以外，低品质的粘土还常受制于颜色问题的受制于终端用户的推广应用，粘土煅烧的颜色主要与其所含的金属氧化物或有机质有关，一般含Fe2O3呈玫瑰红、褐黄色，含Fe2+呈淡蓝、淡绿色，含有机质则呈淡黄、灰、青、黑等色，这些杂质存在，降低了高岭土的自然白度，需要将有机质和羟基煅烧干净，同时将铁控制在Fe2+形态，从而实现颜色控制。
另外对于由于颜色和温度的关系，对燃料的种类有限制，依赖于天然气、油或烟煤等低挥发分、高品质化石燃料，否则含铁煤灰等杂质会影响产品特性。
常用粘土煅烧工艺一般采用回转窑或者悬浮煅烧技术，但本发明人发现上述现有技术存在如下技术问题：
虽然煅烧粘土有很多种方法，但是对于粘土的品质要求高，对于颜色控制的技术比较复杂，对于高品质化石燃料的依赖较大，容易影响热耗和产品合格率，至今没有兼顾低碳环保和产品颜色调控的工业化技术可依。
解决上述问题的难度和意义在于：
由于煅烧粘土市场对于颜色较敏感，当煅烧工艺对于铁和煤灰等成分的处置控制不得当，极易影响产品的市场认可度，提供一种改进的隧道窑煅烧粘土工艺方法，有效调控温度梯度和煅烧气氛，能够解决活性温度窗口控制和产品颜色调控问题，大幅度减少化石燃料的使用，拓展粘土资源化路径并进一步实现粘土煅烧改性的低碳清洁生产具有重要的现实意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置及工艺，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，包括隧道窑，所述隧道窑包括依次设置的预热带、煅烧带和冷却带；
所述隧道窑内设置有载料小车，所述载料小车依次通过所述预热带、所述煅烧带和所述冷却带；
所述煅烧带内设置有一个或多个一次燃烧喷嘴和二次还原烧嘴，二者均连通燃料供给系统，所述一次燃烧喷嘴在位于过量的空燃比条件气氛下燃烧，所述二次还原烧嘴用于还原燃烧。
进一步的，所述一次燃烧喷嘴通过第一燃料管路连通所述燃料供给系统，所述第一燃料管路上连通一次风机，所述一次风机用于将所述预热带和所述煅烧带产生的部分烟气输入到所述第一燃料管路内，以实现调控空燃比的作用。
进一步的，所述预热带通过第一烟气出口连通废气处理装置，所述废气处理装置通过废气输出管路连通废气输出装置，所述废气输出管路通过第一循环管路连通所述一次风机。
进一步的，所述废气输出管路通过第二循环管路连通所述煅烧带，所述废气输出管路、所述第一循环管路和所述第二循环管路共同形成三通结构。
进一步的，所述二次还原烧嘴通过第二燃料管路连通所述燃料供给系统，所述第二燃料管路连通二次风机。
进一步的，所述冷却带通过第二烟气出口连通废气处理装置，所述废气处理装置连通冷却风机，所述冷却风机与所述冷却带连通，以用于循环利用部分烟气；
所述冷却带上还设置有喷水降温装置，所述喷水降温装置位于所述冷却带靠近所述煅烧带的一端。
进一步的，所述煅烧带的两侧分别设置有燃烧缓冲腔室，所述燃烧缓冲腔室与所述煅烧带连通，所述燃烧缓冲腔室顶部设置有烧嘴，用于引燃生物质燃料的燃烧，并连接有预热器和冷却带出口的烟气，分别用于调控燃烧气氛和补充生物质燃料燃烧需要的氧气。
进一步的，所述燃烧缓冲腔室底部为阶梯结构，其顶部宽度大于底部宽度。
进一步的，所述载料小车在所述隧道窑的长度方向上设置多个。
一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的工艺，包括以下步骤：
步骤一：粘土原料经过破碎筛分除铁、粉磨除铁，得到80μm筛余5～50％的生料细粉；
步骤二：生料细粉装车喂入载料小车上，送入隧道窑；
步骤三：依次经过100～400℃的预热带、400～850℃的煅烧带、800～100℃的冷却带，煅烧时间20～300min，得到产品；
步骤四：预热带和冷却带产生的烟气，经过废气处理后，循环进入煅烧带，利用废气余热及调控燃烧气氛。
本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的整个煅烧过程中，温度梯度可控，通过载料小车的运行速度可以使煅烧改性有充分的反应时间，能够应对粘土原料批次成分波动，拓宽了产品原燃料的来源范围；
(2)、通过二次还原烧嘴进行还原燃烧，控制还原性气氛煅烧以及不接触氧气的极冷，解决了高岭土煅烧的气氛控制问题使Fe离子处于二价状态，避免样品发黑，能够控制粘土的颜色；
(3)、设计了一种隧道窑的煅烧炉膛，煅烧所需的热量来自于绿氢、含氢焦炉气或煤气以及生物质及绿电组成的低碳互补能源系统，使粘土煅烧在清洁环保低碳条件下完成煅烧改性，避免煤灰或其他燃料的灰分进入产品，影响产品质量；
(4)、设计了一种燃烧缓冲腔室，用于使用生物质燃料作为热源，阶梯式底部及推料装置延长了燃料的停留时间，腔体内燃料燃烧产生的热烟气作为煅烧带的热源，达到了减少使用化石燃料的目的，同时其灰分大部分沉降与隧道窑底部，不会随着气流与料粉混合，避免影响产品的白度；
(5)、配置了烟气循环及处理系统，达到了烟气循环利用、空燃比调控和节能环保的生产目的。
附图说明
图1是本发明低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置整体结构示意图；
图2是隧道窑横截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的图1-图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
参考图1，一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，包括隧道窑1，所述隧道窑1包括依次设置的预热带、煅烧带1-1和冷却带；
所述隧道窑1内设置有载料小车2-1，所述载料小车2-1依次通过所述预热带、所述煅烧带1-1和所述冷却带；
所述煅烧带1-1内设置有一个或多个一次燃烧喷嘴3-1和二次还原烧嘴3-3，二者均连通燃料供给系统3，所述一次燃烧喷嘴3-1在位于过量的空燃比条件气氛下燃烧，所述二次还原烧嘴3-3用于还原燃烧。
具体地，预热带、煅烧带1-1和冷却带在隧道窑1的长度方向分布，可以为一体化成型或分段式固定，喷嘴、还原燃烧、空燃比条件气氛的控制均为本领域技术人员知晓的现有技术。
煅烧带1-1耐火材料配置从内到外依次为耐火涂层、耐火砖、隔热保温材料、钢板，隧道窑1内可设置多个温度计和氢/CO泄露报警，能够及时表征温度变化和燃料燃烧状态变化。
此外，载料小车2-1为现有技术，可以设置在轨道上，并配备电机、行走轮等机构，以实现载料小车2-1沿隧道窑1长度方向行驶的目的，载料小车2-1也可以为自动行驶小车，载料小车2-1在所述隧道窑1的长度方向上设置多个，以实现自动化、连续的生产。
在煅烧带1-1的顶部内壁上还设置有加热电阻丝5，加热电阻丝5的电源来自于光伏风电或用电波谷时接入廉价电力，加热电阻丝5的目的是补充热源，替代化石燃料的同时有效调控温度梯度分布。
具体实施时，先将高岭土原矿进行筛选除铁、粉磨得到80μm筛余20～60％的粉状生料，然后喂入载料小车2-1上，依次进入隧道窑的预热带、煅烧带1-1、冷却带，整体停留时间依据料粉的特性可以通过调节轨道的运行速度使其煅烧时间在20～300min范围内，煅烧带1-1的温度根据原料特性可以控制在650～850℃范围内。
隧道窑1整体处于微负压状态，整体烟气流速为0～2m/s，窑内处于低流速状态，利于反应进行，利于热量保存和低阻节能，并且燃烧温度梯度可控，少量生物质的灰分大部分沉降于隧道窑1两侧不会进入产品，相对于回转窑和悬浮煅烧工艺创造了干净的煅烧环境，为粘土颜色和产品质量调控创造了必要条件。
本发明的整个煅烧过程中，温度梯度可控，通过载料小车2-1的运行速度可以使煅烧改性有充分的反应时间，能够应对粘土原料批次成分波动，拓宽了产品原燃料的来源范围；通过二次还原烧嘴3-3进行还原燃烧，控制还原性气氛煅烧以及不接触氧气的极冷，解决了高岭土煅烧的气氛控制问题使Fe离子处于二价状态，避免样品发黑，能够控制粘土的颜色。
进一步的，所述一次燃烧喷嘴3-1通过第一燃料管路连通所述燃料供给系统3，所述第一燃料管路上连通一次风机3-2，所述一次风机3-2用于将所述预热带和所述煅烧带1-1产生的部分烟气输入到所述第一燃料管路内，以实现调控空燃比的作用。
具体地，燃料供给系统3中的燃料为氢气或含氢焦炉气、煤气等燃料中的一种或几种的组合，燃料供给系统3通过泵体分别与一次燃烧喷嘴3-1、二次还原烧嘴3-3连通，具体实施时，通过控制一次风机3-2的转速、风力，来调控过剩空气的比例。
其中，一次燃烧喷嘴3-1燃烧的燃料为一次燃料，位于过量的空燃比条件气氛下燃烧，二次还原烧嘴3-3燃烧的为二次还原燃料，可采用绿氢或含氢焦炉气、煤气等易于燃烧的气体燃料作为还原燃料，创造近似缺氧的条件下，调节窑膛的气氛，进而调控产品的颜色。
进一步的，所述预热带通过第一烟气出口9连通废气处理装置10，所述废气处理装置10通过废气输出管路连通废气输出装置，所述废气输出管路通过第一循环管路连通所述一次风机3-2。
进一步的，所述废气输出管路通过第二循环管路连通所述煅烧带1-1，所述废气输出管路、所述第一循环管路和所述第二循环管路共同形成三通结构。
废气处理装置10和废气输出装置为现有技术，废气输出装置可以为脱硫塔，预热带和煅烧带1-1产生的烟气分为两部分，一部分进入到冷却带中，另外一部分进入到第一烟气出口9中。
第一烟气出口9中的烟气经过废气处理装置10和废气输出管路，分为三部分流动，一部分进入废气输出装置中，一部分进入第一循环管路中输送到一次风机3-2，一部分进入第二循环管路重新回到煅烧带1-1。
第一烟气出口9与废气处理装置10之间可通过第一接力风机11和对应的管路连通，废气输出管路上设置第二接力风机12，第一循环管路上设置第三接力风机13，第二循环管路上设置第四接力风机14，以提示流速。
进一步的，所述二次还原烧嘴3-3通过第二燃料管路连通所述燃料供给系统3，所述第二燃料管路连通二次风机3-4。
第二燃料管路与第一燃料管路形成并联的结构，二次风机3-4引入外界空气到第二燃料管路中。
此外，一次燃烧喷嘴3-1可设置多个，围绕隧道窑1的横截面周向分布，而第一燃料管路对应的为歧管结构。
进一步的，所述冷却带通过第二烟气出口6连通废气处理装置10，所述废气处理装置10连通冷却风机7-1，所述冷却风机7-1与所述冷却带连通，以用于循环利用部分烟气；
所述冷却带上还设置有喷水降温装置7-2，所述喷水降温装置7-2位于所述冷却带靠近所述煅烧带1-1的一端。
废气处理装置10总共设置两个，分别连通第一烟气出口9和第二烟气出口6，从第二烟气出口6输送到废气处理装置10的烟气分别两个部分，一部分通过第五接力风机8和对应的管路进入到另外一个脱硫塔内，另外一部分通过对应的管路、冷却风机7-1循环回到冷却带中。
喷水降温装置7-2为现有技术，可以为连接泵体的喷嘴，用于喷出冷却水来实现降温、净化的目的。
参考图2，进一步的，所述煅烧带1-1的两侧分别设置有燃烧缓冲腔室4，所述燃烧缓冲腔室4与所述煅烧带1-1连通，所述燃烧缓冲腔室4顶部设置有烧嘴4-1，用于引燃生物质燃料的燃烧，并连接有预热器和冷却带出口的烟气，分别用于调控燃烧气氛和补充生物质燃料燃烧需要的氧气。
进一步的，所述燃烧缓冲腔室4底部为阶梯结构，其顶部宽度大于底部宽度，宽度即指图2中的左右方向的宽度，也就是隧道窑1的横向宽度。
燃烧过渡腔室4顶部烧嘴4-1用于点燃替代燃料，4-2为替代燃料入口，腔室底部采用阶梯状，燃烧缓冲腔室为一个或几个，位于煅烧带，根据燃料特性、灰分含量和用量设置容积大小，截面风速在0.5～2m/s，通过腔体设置尽可能减少不完全燃烧的燃料颗粒和灰分沉降入隧道小车的物料中，以保证产品性能。
燃烧缓冲腔室4使用生物质燃料作为热源，腔体内燃料燃烧产生的热烟气作为煅烧带1-1的一部分热源，达到了减少使用化石燃料的目的，同时其阶梯结构，使灰分大部分沉降与隧道窑底部，不随着气流与料粉混合，避免影响产品的白度及性能。
此外，燃烧缓冲腔室4设有推料装置，推料装置采用气动或机械推动形式，生物质等替代燃料在腔室内的停留时间可以达到20～300min，适用于尺寸0.5～200mm各种不同尺寸的替代燃料。
一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的工艺，包括以下步骤：
步骤一：粘土原料经过破碎筛分除铁、粉磨除铁，得到80μm筛余5～50％的生料细粉；
步骤二：生料细粉装车喂入载料小车2-1上，送入隧道窑1；
步骤三：依次经过100～400℃的预热带、400～850℃的煅烧带1-1、800～100℃的冷却带，煅烧时间20～300min，得到产品；
其中，产品煅烧所需热量来自于煅烧带进入的低碳燃料，包括焦炉气等工业废气、绿氢、生物质燃料等一种或几种的组合。
步骤四：预热带和冷却带产生的烟气，经过废气处理后，循环进入煅烧带，利用废气余热及调控燃烧气氛。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，包括隧道窑(1)，所述隧道窑(1)包括依次设置的预热带、煅烧带(1-1)和冷却带；
所述隧道窑(1)内设置有载料小车(2-1)，所述载料小车(2-1)依次通过所述预热带、所述煅烧带(1-1)和所述冷却带；
所述煅烧带(1-1)内设置有一个或多个一次燃烧喷嘴(3-1)和二次还原烧嘴(3-3)，二者均连通燃料供给系统(3)，所述一次燃烧喷嘴(3-1)在位于过量的空燃比条件气氛下燃烧，所述二次还原烧嘴(3-3)用于还原燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述一次燃烧喷嘴(3-1)通过第一燃料管路连通所述燃料供给系统(3)，所述第一燃料管路上连通一次风机(3-2)，所述一次风机(3-2)用于将所述预热带和所述煅烧带(1-1)产生的部分烟气输入到所述第一燃料管路内，以实现调控空燃比的作用。
3.根据权利要求2所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述预热带通过第一烟气出口(9)连通废气处理装置(10)，所述废气处理装置(10)通过废气输出管路连通废气输出装置，所述废气输出管路通过第一循环管路连通所述一次风机(3-2)。
4.根据权利要求3所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述废气输出管路通过第二循环管路连通所述煅烧带(1-1)，所述废气输出管路、所述第一循环管路和所述第二循环管路共同形成三通结构。
5.根据权利要求3所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述二次还原烧嘴(3-3)通过第二燃料管路连通所述燃料供给系统(3)，所述第二燃料管路连通二次风机(3-4)。
6.根据权利要求1所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述冷却带通过第二烟气出口(6)连通废气处理装置(10)，所述废气处理装置(10)连通冷却风机(7-1)，所述冷却风机(7-1)与所述冷却带连通，以用于循环利用部分烟气；
所述冷却带上还设置有喷水降温装置(7-2)，所述喷水降温装置(7-2)位于所述冷却带靠近所述煅烧带(1-1)的一端。
7.根据权利要求1所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述煅烧带(1-1)的两侧分别设置有燃烧缓冲腔室(4)，所述燃烧缓冲腔室(4)与所述煅烧带(1-1)连通，所述燃烧缓冲腔室(4)顶部设置有烧嘴(4-1)，用于引燃生物质燃料的燃烧，并连接有预热器和冷却带出口的烟气，分别用于调控燃烧气氛和补充生物质燃料燃烧需要的氧气。
8.根据权利要求7所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述燃烧缓冲腔室(4)底部为阶梯结构，其顶部宽度大于底部宽度。
9.根据权利要求1所述的一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的装置，其特征在于，所述载料小车(2-1)在所述隧道窑(1)的长度方向上设置多个。
10.一种低碳环保型隧道窑煅烧粘土改性的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：粘土原料经过破碎筛分除铁、粉磨除铁，得到80μm筛余5～50％的生料细粉；
步骤二：生料细粉装车喂入载料小车(2-1)上，送入隧道窑(1)；
步骤三：依次经过100～400℃的预热带、400～850℃的煅烧带(1-1)、800～100℃的冷却带，煅烧时间20～300min，得到产品；
步骤四：预热带和冷却带产生的烟气，经过废气处理后，循环进入煅烧带，利用废气余热及调控燃烧气氛。
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