CN117889452A - 一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水泥窑协同焚烧处置固体废弃物技术领域的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统和方法，包括阶梯炉台阶的底面和侧面均设置的喷吹机构；底面的所述喷吹机构能够从底面向炉内喷吹气体，以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻；侧面的所述喷吹机构能够从侧面向炉内喷吹气体，以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失；所述喷吹机构连接的气源为富氧气源，能够向炉内喷吹氧气或富氧空气，以提高喷吹气体的助燃能力。
Description
技术领域
本发明涉及水泥窑协同焚烧处置固体废弃物技术领域，具体涉及一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统和方法。
背景技术
在双碳政策下，水泥行业碳减排压力巨大，水泥窑使用替代燃料成为该行业碳减排的一个重要途径。
近些年，水泥窑炉作为处理、处置工业及生活废弃物的一种有效途径，得到了快速的发展。协同处置技术也在不断发展，从最原始的直接进窑炉焚烧，到目前采用各式各样的外挂焚烧炉进行预燃处理后再进窑炉焚烧，替代燃料的使用比例也随着技术的改进而逐步增加。
目前有一种阶梯式外挂预燃炉，替代燃料从预燃炉尾部通过螺旋、溜槽、两道阀板阀进入炉内；半固态废物从预燃炉尾部管道通过柱塞泵全自动、全密封、定量给料进入炉内；三次风从预燃炉正上方进入炉内，热风旋转前进与物料接触过程中预热并干燥物料；热生料从三次风管侧方通过撒料盘进入炉内，迅速充满炉体，吸收预热炉内热量；预燃炉尾部出口与水泥窑分解炉相连，三次风、热生料、物料均由此进入分解炉。
台阶底面设置喷吹机构，以压缩空气为动力的喷吹机构，按照程序设定依次对物料进行喷吹，对燃烧区域的物料形成扰动，增加物料与氧气的接触面，改善燃烧条件，同时形成物料翻动效果，将物料逐级翻动向下送入水泥窑分解炉。
外挂炉燃烧后的烟气都是进入水泥窑分解炉内为生料分解供应热量，而分解炉内温度水平一般为900℃左右，因此对于外挂炉-分解炉这个耦合系统来讲，低于900℃的输入物料就是负能量。
翻动物料的空气炮是常温的远远低于900℃，而且本身不蕴含热量，对该耦合系统来说是负能量，增加了系统的能耗。不仅如此，空气炮中的空气额外进入整个水泥窑系统中，还会破坏整个水泥窑烟风的平衡，需要水泥窑生产操作人员进行配风调整，增加系统调控复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统和方法，以解决现有技术中空气炮中的空气常温的远远低于分解炉内900℃的温度，对该耦合系统来说是负能量，增加了系统的能耗的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，包括设置于阶梯炉台阶的底面和侧面的喷吹机构；
底面的所述喷吹机构能够从底面向炉内喷吹气体，以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻，最终进入分解炉中；
侧面的所述喷吹机构能够从侧面向炉内喷吹气体，以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失；
所述喷吹机构连接的气源为富氧气源，能够向炉内喷吹氧气或富氧空气，以提高喷吹气体的助燃能力。
作为本发明的一种优选方案，所述富氧气源为液氧罐、制氧系统或水泥厂的制氮机排出的富氧空气。
作为本发明的一种优选方案，所述制氮机与所述喷吹机构之间的管路上还连接有提纯装置，用于提高富氧空气中的氧气浓度，以增强富氧空气的助燃能力。
作为本发明的一种优选方案，所述提纯装置与所述喷吹机构之间的主管路上还并联有一个支管路，所述支管路上安装有储气罐；
所述储气罐的进口端和出口端分别安装有进气阀和出气阀，所述主管路在其与所述支管路的两个连接点之间设置有直通阀；
当所述喷吹机构和所述制氮机同时工作时，所述进气阀和所述出气阀关闭，所述直通阀开启，以使富氧空气直接通入所述喷吹机构；
当所述制氮机单独工作时，所述出气阀和所述直通阀关闭，所述进气阀开启，以将富氧空气储存于所述储气罐中备用；
当所述喷吹机构单独工作时，所述进气阀和所述直通阀关闭，所述出气阀开启，以将所述储气罐中的富氧空气输送至所述喷吹机构。
作为本发明的一种优选方案，所述储气罐的进口端处还设置有压缩机，用于将进入所述储气罐中的富氧空气压缩，以提高所述储气罐可容纳的富氧空气量。
为解决上述问题，本发明进一步提出了一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃方法，使用上述的水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，包括以下步骤：
在阶梯炉对物料余热干燥过程中，通过底面和侧面的喷吹机构向炉内喷吹富氧空气，富氧空气可以提高喷吹气体的助燃能力；
从底面喷吹的富氧空气可以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻；
从侧面喷吹的富氧空气可以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失。
作为本发明的一种优选方案，当所述喷吹机构和所述制氮机同时工作时，关闭所述进气阀和所述出气阀，开启所述直通阀，以使富氧空气直接通入所述喷吹机构；
当所述制氮机单独工作时，关闭所述出气阀和所述直通阀，开启所述进气阀，以将富氧空气储存于所述储气罐中备用；
当所述喷吹机构单独工作时，关闭所述进气阀和所述直通阀，开启所述出气阀，以将所述储气罐中的富氧空气输送至所述喷吹机构。
作为本发明的一种优选方案，在富氧空气进入储气罐前，通过压缩机先将富氧空气压缩，用于提高储气罐的可容纳富氧空气量。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
将空气炮的空气改为纯氧，对整个燃烧系统的贡献，相当于将常温的空气加热到900℃，空气炮用纯氧来驱动，对该耦合系统来说不是负能量。而且空气炮的全部风量由于少了79％的氮气，体积缩小为原来的21％，大大降低了对整个水泥窑烟风的平衡的破坏作用；而且，在同样通风量的情况下，氧气含量增加，提高了通风的助燃能力，即能够提高炉膛燃烧温度，有助于物料充分燃烧。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明中配氧助燃系统的一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明中配氧助燃系统的另一种实施方式的结构示意图。
图中的标号分别表示如下：
1-阶梯炉，2-喷吹机构，3-制氮机，4-提纯装置，5-储气罐，6-进气阀，7-出气阀，8-直通阀，9-压缩机，10-分解炉，11-回转窑，12-烟室，13-三次风主管道，14-三次风支管道，15-固废进料口，16-推料机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
富氧燃烧技术是工业窑炉一种重要的节能技术，在建材行业的玻璃(纤)窑领域应用效果很好，采用该技术能节约玻璃(纤)窑20～40％的天然气消耗，经济和社会效益显著；而富氧燃烧技术在我国水泥窑上应用效果不太理想，原因是国内水泥熟料生产企业大都采用高挥发份、高热值的优质燃煤作为燃料，本身优质燃煤火焰燃烧温度就高、燃料的燃烧速度也快，富氧燃烧技术助燃效果不明显。
而且在生产过程中原料成份和产品种类的变化比较大，使得富氧燃烧技术带来的节能效果不好计量。
上述因素造成富氧燃烧技术在水泥窑炉推广较慢，不仅水泥企业很难决策投资建设，工程和技术服务类公司对该技术的推广积极性也不高，富氧燃烧项目难以真正落地。
本发明创新性的将替代燃料协同处置与富氧燃烧技术有机结合，能够显著提高水泥窑协同处理替代燃料的使用比例。
具体如下：
如图1所示，本发明具体提供一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，包括设置于阶梯炉1台阶的底面和侧面的喷吹机构2。
底面的喷吹机构2能够从底面向炉内喷吹气体，以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻，最终进入分解炉中。
侧面的喷吹机构2能够从侧面向炉内喷吹气体，以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失。
喷吹机构2连接的气源为富氧气源，能够向炉内喷吹氧气或富氧空气，以提高喷吹气体的助燃能力。
在该系统中，使用富氧气源代替空气，氧气相比空气，少了79％的氮气，氮气从参与燃烧的角度来讲是无用的，排出分解炉系统的时候还会带走大量的余热，这也是富氧或全氧燃烧节能的原理。
通过热力平衡计算发现，将空气炮的空气改为纯氧，对整个燃烧系统的贡献，相当于将常温的空气加热到900℃，这样空气炮用纯氧来驱动，对该耦合系统来说不是负能量。
而且空气炮的全部风量由于少了79％的氮气，体积缩小为原来的21％，大大降低了对整个水泥窑烟风的平衡的破坏作用；而且，在同样通风量的情况下，氧气含量增加，提高了通风的助燃能力，即能够提高炉膛燃烧温度，有助于物料充分燃烧。
当然氧气的浓度可以做调整，只是对原系统在燃烧方面、烟风平衡方面、提高助燃能力方面的贡献大小会有变化，但总体效果是向有利方面改变的。
还需要说明的是，替代燃料主要使用的是生活垃圾，生活垃圾中含水率较高(40～50％)，使得在外挂炉内焚烧时，蒸发出来了大量的水份。
水份的蒸发不仅增加了水泥熟料锻造的能耗，而且水蒸汽以气体形式存在占据了整个窑炉的不小烟气量比例，使得高温风机真正出力降低，限制了水泥窑的正常产量。
这样将空气炮的空气改为纯氧，会抑制由于生活垃圾中含水率较高造成的系统通风量减少的缺陷。
图1中还示出了分解炉10、回转窑11、烟室12、三次风主管13、三次风支管14、固废料进口15，及推料机构16。
进一步地，富氧空气的气源是多样化的，例如液氧罐、制氧系统或水泥厂的制氮机3排出的富氧空气。
进一步地，制氮机3与喷吹机构2之间的管路上还连接有提纯装置4，用于提高富氧空气中的氧气浓度，以增强富氧空气的助燃能力。
制氮机3和提纯装置4相当于两级制氧系统的第一级和第二级，第一级是将空气变成富氧空气，第二级是将富氧空气进一步提纯氧气浓度。
而第一级的制氮机3为水泥熟料生产厂自有的常规设备，富氧空气为制氮机3在工作过程中生成的副产物。即，相当于本系统只需要额外提供一个第二级的提纯装置4即可，可以降低制氧系统的能耗，节约供氧成本。
具体的，提纯装置4可以采用膜法或分子筛法，过滤掉多余的氮气，将氧气浓度提纯。
进一步地，所述喷吹机构2设置多个进气口，进气口的启停有一定的次序，可以通过提前编制启停逻辑的进行控制，也可以通过现场运行情况进行反馈控制。
所述喷吹机构2设置多个进气口，根据炉膛工况确定某些进气口喷吹富氧空气，而非全部进气口都喷吹富氧空气，这样会节约供氧成本。
进一步地，由于制氮机3和喷吹机构2并不是一定同时使用，为保障制氮机3不工作时，喷吹机构2仍有富氧空气可用，以及喷吹机构2不工作时，制氮机3排出的富氧空气不会无效浪费。
如图2所示，在提纯装置4与喷吹机构2之间的主管路上还并联有一个支管路，支管路上安装有储气罐5。
储气罐5的进口端和出口端分别安装有进气阀6和出气阀7，主管路在其与支管路的两个连接点之间设置有直通阀8。
当喷吹机构2和制氮机3同时工作时，进气阀6和出气阀7关闭，直通阀8开启，以使富氧空气直接通入喷吹机构2。
当制氮机3单独工作时，出气阀7和直通阀8关闭，进气阀6开启，以将富氧空气储存于储气罐5中备用。
当喷吹机构2单独工作时，进气阀6和直通阀8关闭，出气阀7开启，以将储气罐5中的富氧空气输送至喷吹机构2。
进一步地，储气罐5的进口端处还设置有压缩机9，用于将进入储气罐5中的富氧空气压缩，以提高储气罐5可容纳的富氧空气量。
综上，喷吹机构2和制氮机3同时工作时，将富氧空气直接供给喷吹机构2，富氧空气不被压缩储存，降低能耗。在当制氮机3单独工作时，将富氧空气压缩储存在储气罐5中备用，避免富氧空气被无效浪费。当喷吹机构2单独工作时，将储气罐5中储存的富氧空气供给喷吹机构2，保障喷吹机构2气源稳定。
为解决上述问题，本发明进一步提出了一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃方法，使用上述的水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，包括以下步骤：
在阶梯炉1对物料余热干燥过程中，通过底面和侧面的喷吹机构2向炉内喷吹富氧空气，富氧空气可以提高喷吹气体的助燃能力；
从底面喷吹的富氧空气可以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻；
从侧面喷吹的富氧空气可以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失。
该方法采用富氧空气代替空气，氧气相比空气，少了79％的氮气，氮气从参与燃烧的角度来讲是无用的，排出分解炉系统的时候还会带走大量的余热，这也是富氧或全氧燃烧节能的原理；通过热力平衡计算发现，将空气炮的空气改为纯氧，对整个燃烧系统的贡献，相当于将常温的空气加热到900℃，这样空气炮用纯氧来驱动，对该耦合系统来说不是负能量。而且空气炮的全部风量由于少了79％的氮气，缩小为原来的21％，大大降低了对整个水泥窑烟风的平衡的破坏作用；而且，在同样通风量的情况下，氧气含量增加，提高了通风的助燃能力，即能够提高炉膛燃烧温度，有助于物料充分燃烧。
氧气的浓度可以做调整，只是对原系统在燃烧方面、烟风平衡方面、提高助燃能力方面的贡献大小会有变化，但总体效果是向有利方面改变的。
进一步地，当喷吹机构2和制氮机3同时工作时，关闭进气阀6和出气阀7，开启直通阀8，以使富氧空气直接通入喷吹机构2；
当制氮机3单独工作时，关闭出气阀7和直通阀8，开启进气阀6，以将富氧空气储存于储气罐5中备用；
当喷吹机构2单独工作时，关闭进气阀6和直通阀8，开启出气阀7，以将储气罐5中的富氧空气输送至喷吹机构2。
进一步地，在富氧空气进入储气罐5前，通过压缩机9先将富氧空气压缩，用于提高储气罐5的可容纳富氧空气量。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (8)
1.一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，其特征在于，
包括设置于阶梯炉(1)台阶的底面和侧面的喷吹机构(2)；
底面的所述喷吹机构(2)能够从底面向炉内喷吹气体，以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻；
侧面的所述喷吹机构(2)能够从侧面向炉内喷吹气体，以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失；
所述喷吹机构(2)连接的气源为富氧气源，能够向炉内喷吹氧气或富氧空气，以提高喷吹气体的助燃能力。
2.根据权利要求1所述的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，其特征在于，
所述富氧气源为液氧罐、制氧系统或水泥厂的制氮机(3)排出的富氧空气。
3.根据权利要求2所述的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，其特征在于，
所述制氮机(3)与所述喷吹机构(2)之间的管路上还连接有提纯装置(4)，用于提高富氧空气中的氧气浓度，以增强富氧空气的助燃能力。
4.根据权利要求3所述的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，其特征在于，
所述提纯装置(4)与所述喷吹机构(2)之间的主管路上还并联有一个支管路，所述支管路上安装有储气罐(5)；
所述储气罐(5)的进口端和出口端分别安装有进气阀(6)和出气阀(7)，所述主管路在其与所述支管路的两个连接点之间设置有直通阀(8)；
当所述喷吹机构(2)和所述制氮机(3)同时工作时，所述进气阀(6)和所述出气阀(7)关闭，所述直通阀(8)开启，以使富氧空气直接通入所述喷吹机构(2)；
当所述制氮机(3)单独工作时，所述出气阀(7)和所述直通阀(8)关闭，所述进气阀(6)开启，以将富氧空气储存于所述储气罐(5)中备用；
当所述喷吹机构(2)单独工作时，所述进气阀(6)和所述直通阀(8)关闭，所述出气阀(7)开启，以将所述储气罐(5)中的富氧空气输送至所述喷吹机构(2)。
5.根据权利要求4所述的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，其特征在于，
所述储气罐(5)的进口端处还设置有压缩机(9)，用于将进入所述储气罐(5)中的富氧空气压缩，以提高所述储气罐(5)可容纳的富氧空气量。
6.一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃方法，其特征在于，
使用权利要求5所述的水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统，包括以下步骤：
在阶梯炉(1)对物料余热干燥过程中，通过底面和侧面的喷吹机构(2)向炉内喷吹富氧空气，富氧空气可以提高喷吹气体的助燃能力；
从底面喷吹的富氧空气可以扰动物料使其被三次风充分预热干燥，并在阶梯上逐级下翻；
从侧面喷吹的富氧空气可以调节炉内燃烧气氛，促进物料充分燃烧，降低化学不完全燃烧损失。
7.根据权利要求6的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃方法，其特征在于，
当喷吹机构(2)和制氮机(3)同时工作时，关闭进气阀(6)和出气阀(7)，开启直通阀(8)，以使富氧空气直接通入喷吹机构(2)；
当制氮机(3)单独工作时，关闭出气阀(7)和直通阀(8)，开启进气阀(6)，以将富氧空气储存于储气罐(5)中备用；
当喷吹机构(2)单独工作时，关闭进气阀(6)和直通阀(8)，开启出气阀(7)，以将储气罐(5)中的富氧空气输送至喷吹机构(2)。
8.根据权利要求7的一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃方法，其特征在于，
在富氧空气进入储气罐(5)前，通过压缩机(9)先将富氧空气压缩，用于提高储气罐(5)的可容纳富氧空气量。
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| CN202410206522.0A CN117889452A (zh) | 2024-02-26 | 2024-02-26 | 一种水泥窑阶梯式外挂炉的配氧助燃系统和方法 |
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