CN1317679A - 用于焚烧含碳物料的方法 - Google Patents

Abstract

在一种用于焚烧含碳物料的方法中，含碳物料在重力作用下以与冷却和燃烧空气逆流的方式穿经一竖窑。借助于燃烧喷枪所供送的燃料以垂直于窑身侧壁的方式被导入颗粒状燃烧物料中。通过利用这种燃料供送方法对颗粒尺寸及滞留时间进行限制，可以达到很高的焚烧温度，甚至适用于深度燃烧并且不会产生任何颗粒状燃烧物料烧结在一起的现象。

Description

用于焚烧含碳物料的方法

本发明涉及一种用于在竖窑中焚烧含碳物料的方法，其借助重力作用依次穿经一个预热区，至少一个焚烧区和一个冷却区，并最后到达一卸料设备中，在焚烧区或者其邻近区域中的燃料供送是借助于若干个穿经窑身侧壁的燃烧喷枪来实现的，而燃烧空气在过压下作为冷却空气进行供送。

尤其是当焚烧小颗粒物料时，即在大部分待焚烧物料的颗粒尺寸小于30mm时，就会产生这样的问题，即需要均匀地向所述物料供送所需热量，以使得各个颗粒均能够充分燃烧，而不会因为局部过热而产生颗粒烧结在一起和在窑中形成固块(solid bridge)的现象。如果需要在轻度燃烧生成物上方和之外进行更深程度焚烧的话，这个问题尤其明显。

对于小颗粒的燃烧物料和均匀焚烧以及其所产生的生成物的质量而言，最适于使用转窑，因为剧烈的物料循环可以确保向各个颗粒或者粉粒传递适宜而均匀的热量。然而，其缺点在于，其结构复杂且成本较高，并且会在由于高度磨损和辐射及废气所致高度热散失而造成的高运转成本基础上相应地增加资金消耗，当诸如用于深度燃烧或者其他生成物的质量，比如中度燃烧、深度燃烧、和烧结物需要利用较高的温度时，其具有十分显著的影响。

另外一种向焚烧制品均匀供送进行燃烧所需热量的方法是在搅拌式烧窑中将燃料，即高炉焦碳混合到待焚烧物料中。然而，搅拌式烧窑并不适合于小颗粒物料。其明显缺点在于，高炉焦碳燃烧后的灰烬会遗留在充分燃烧的生成物中，结果导致生成物的质量较低，颜色灰暗。

利用所谓的MAERZ窑基于平行流动回热方法(regenerativemethods)在复式竖窑中可以实现一种节约能量的工作方式。在这种窑中的燃料供送是通过以悬置方式插入在焚烧物料中的燃烧喷枪来实现的，并且所述喷枪均匀地分布在送料区的窑身横截面上。然而，这种公知的竖窑只适用于轻度燃烧生成物。

US-A-5,460,517中描述了如何在竖窑中进行送料的时间内通过特定的颗粒尺寸分布来对小颗粒燃烧物料进行焚烧的方法，其利用了一种特殊结构的窑身腔室。

如果将适于深度燃烧生成物的燃料量供送到一竖窑的燃烧区域中，为了获得所需的燃烧温度，至今为止，在窑身的横截面上获得均匀温度分布方面，尤其是在避免因为局部过热而产生烧结方面均遇到了不可逾越的困难。

US-A-4,094,629中提出了通过将其构造成环形结构并且在内壁上设置额外的烧嘴口来达到减小窑身横截面宽度的目的。通过这种方式，可以使得燃烧物料在重力作用下均匀地向下移动，而物料流不会受到在窑身中所设装置的干扰。

GB-A-1111746中描述了杆状烧嘴支撑件形式的装置，其是通过在所有情况下接收比如二十个具有相当宽的横截面的液体冷却烧嘴而形成的，从而明显减少了有效的竖窑横截面积，但却伴随着燃烧物料在重力作用下移动时发生局部阻碍现象。

对各种燃烧方法的综述，包括前述在回热复式竖窑中的燃烧方法，均在Robert S.Bynton编辑的1987年第2期“石灰和石灰石化工技术”手册中披露。

本发明目的在于寻找一种前述类型的方法，以使得其能够在竖窑中以经济的方式对尤其是小颗粒的燃烧物料进行不同程度的燃烧，直至彻底燃烧，以便得到高质量的生成物。

根据本发明，该目的是通过一种前述类型的方法而得以解决的，并且其特征在于，燃料的供送借助于许多燃烧喷枪来实现，所述燃烧喷枪可移动到窑身腔室中并且通过选择其喷口的位置、以这样一种方式垂直于窑身侧壁设置，即在各个喷枪处所形成的火焰共同形成一个火焰区，该火焰区至少大致在整个窑身横截面上延伸。

由于各个燃烧喷枪最好只需要形成一个独立的火焰，所以与具有许多烧嘴的烧嘴支撑件来说，其具有一个有限的横截面并且从而使得仅对燃烧物料流产生很小的影响。并且还可以惊奇地发现，喷枪仍然具有足够的抗弯刚度，以吸收其周围流过的颗粒状燃烧物料的压力。燃烧物料的颗粒大小最好被限制到70mm。

由于各个燃烧喷枪垂直于窑身侧壁进行延伸，所以能够确保所述喷枪与窑身侧壁之间不会存在可能积累燃烧物料的间隙。由于对燃烧喷枪所延伸入的窑身横截面的局部限制可以通过在若干个叠置的平面上沿圆周设置燃烧喷枪，这些叠置的平面相对于其他平面偏移，从而能够将所需的燃料量供送并均布到若干个窑身平面上。

本方法的进一步有益改进构成了从属权利要求的主题，并可以从下面的描述和所附附图中得出，其中：

图1图示出了一单独竖窑的轴向剖视图，该竖窑带有在三个平面上以悬置方式延伸入窑身中的燃烧喷枪。

图2一与图1相对应的单独竖窑，但在窑身中设置有热交换管道。

图3一在燃烧喷枪结构的上部平面附近穿经图1或图2中所示竖窑的非按比例径向剖面图。

图4一在燃烧喷枪结构的中间平面附近穿经图1或图2中所示竖窑的径向剖面图。

图5一在燃烧喷枪结构的下部平面附近穿经图1或图2中所示竖窑的径向剖面图。

图6一表示径向温度分布与一具有相对宽度的窑身横截面之间关系的图表。

图7-9分别安置在一用于粉状、液态和气态燃料的竖窑中的燃烧喷枪横截面示意图。

图10一表示在根据图1所示竖窑中纵向温度分布的图表，其中在该竖窑中在三个燃烧平面上供送用于轻度燃烧的燃料。

图11一与图10相对应的图表，但是是在根据图2所示的竖窑中。

图12一表示在根据图1所示竖窑中纵向温度分布的图表，其中在该竖窑中仅在一单一燃烧平面上供送用于深度燃烧的燃料。

图13一与图12相对应的图表，但是是在根据图2所示的竖窑中。

图14一根据回热方法的复式竖窑，该竖窑带有悬置式横向定位的燃烧喷枪。

图15一根据回热方法的复式竖窑，该竖窑仅带有横向定位的燃烧喷枪。

图16一根据回热方法的复式竖窑，该竖窑仅带有横向定位的燃烧喷枪，并且在上部窑身区域设置有热交换管道。

在图1中以纵向剖面图形式所示出的单一竖窑被竖直设置，并且至少自工艺点火点起跨经其长度的大部分区域具有一有恒定横截面的窑身腔室2，它可是圆形、椭圆形或多边形。在对应于图2至4所示横截面的实施例中，其横截面为圆形，具有钢制外壁3，并且由于所需的工艺温度较高，在其内部至少设置有一层砖砌的高熔点衬层4。

窑身腔室2的高度由待处理燃烧物料的滞留时间所决定，燃烧物料的滞留时间又与借助于卸料设备5所设定的输送速率有关。这些滞留时间分布在一与装料区6相连接的上部预热区7，一在其下方紧接的焚烧区8以及一延伸至卸料设备5的冷却区9上。

气态、液态或粉状燃料的供送，最好与一次燃烧空气一起，借助于多个燃烧喷枪13来实现，这些燃烧喷枪13设置在一个或多个平面10-12上，并穿过窑身侧壁3、4延伸到窑身腔室2内。

由于所述燃烧喷枪在大量的物料中垂直穿过砖衬窑身侧壁3、4进行人工轴向移动，所以可以定位喷枪口14，并且在此处所系统形成的火焰，或者在利用探针所测定的温度基础上所形成的火焰，以这种方式分布在窑身的横截面上，即在所述窑身平面内存在一大致均匀的焚烧温度。这种均匀的温度分布在根据图6所示的图表中由中间曲线15的平直部分路径表示。同喷枪口14与窑身侧壁3、4内表面相平齐情况下的温度曲线相比，温度图形将对应于温度曲线16向窑身的中部降低，并且产品的燃烧程度也不相同。窑身侧壁附近的温度将会很高以致于具有烧结在一起的危险，而窑身中部的温度又太低，并且低于由曲线17所指示的最低焚烧温度。可以由图表的横坐标所读出的径向位置仅与特定窑身直径相关，但与特定的窑身直径不成比例。虽然可以利用较大的窑身尺寸，比如直径为3-4米，但是窑身直径可以与1的半径相一致。

由于燃烧腔室8中的高温，至少趋于进一步延伸到窑身2中的燃烧喷枪13在燃烧管道18的周围带有冷却套管19，并且该套管19带有用于冷却液体通过的连接件20,21。在需要较低热应力的燃烧喷枪13处，可以替代冷却套管将耐热材料用于特定的喷枪区域。这样就减少了经由冷却介质所产生的热量扩散。

燃烧管道18有一个连接件22，用于供送一次燃烧空气。在燃烧喷枪13的后端，接入一与其同轴的燃料供送管道23、24或25，并且根据所利用的燃料性质而具有不同的构造。在利用粉状燃料的情况下，所述燃料供送管道被加工成对应于图7中所示的短连接件23。对于液态或气态燃料而言，燃料供送管道24或25恰好延伸到燃烧喷枪13的喷口14之前，其目的是在那儿与流入周围环形管道26中的一次燃烧空气相混合。

燃烧喷枪13穿经窑身侧壁3、4时虽然具有可移动性能，但是相对于竖窑中的过压气体来说却是密闭的，在任何情况下均由一连接在一壁孔27外部的填料箱式密封件28来保证。

图3-5图示出了设置在三个平面上的燃烧喷枪13的不同角度分布，以便燃烧喷枪13能够与另一平面中的其他喷枪成角度地发生移动。由于在附图中结合不同的燃烧平面10,11和12以示例方式所给出的燃烧喷枪13的插入位置不同，即使在仅有小火焰形成的情况下，在各个喷口14处所形成的火焰也会大致覆盖窑身的横截面。这些火焰的大小由几个因素决定，即燃料的量，一次和二次燃烧空气的量，及燃烧物料的颗粒尺寸。小的颗粒尺寸将使得大量物料夯实并减缓火焰的蔓延，然而，颗粒尺寸的限定范围最好小于70mm，这样有利于减少横向突伸于流动的大量物料中的燃料喷枪13的机械应力，并有利于减少对其进行调整的滞留时间，以便通过使得滞留时间缩短来防止燃烧物料烧结在一起。为了燃烧均匀，颗粒尺寸的分布应当在尽可能小的范围内。

如果在实施这个方法时，所利用的燃烧物料的颗粒尺寸远大于最大值70mm，那么就必须采取特殊的措施来防止延伸到窑身腔室2内的燃烧喷枪13发生过载或过应力现象。例如，特定的燃烧喷枪可以以移动杆方式进行夹持，在窑身侧壁3之外设置一测力点并设置一能够产生机械震动的装置，当超过允许的力时，该机械震动装置自动起动。利用这种方式，如果其上产生了物料堆积，那么燃烧喷枪将发生自由振动。喷枪的这种振动有利于使得其插入到填满的窑身腔室2中。

在各个独立的燃烧平面10、11、12上的燃料供送可以独立地减小为零，从而作为预定燃烧程度和在一具体温度范围内滞留时间的函数，可以在窑身的纵向或者自下向上的空气流动方向上获得特定的温度分布图形。

所述空气由至少一个在图中未示出的吹风机在卸料设备5的附近进行高压供送，其中所述卸料设备5比如可以被构造成滑动工作台，以便与大量物料柱逆向向上流动，所述大量物料由于颗粒的重力作用而向下移动。在冷却区9中，其首先用作冷却空气，并且随后在焚烧区8中比如用作二次燃烧空气，并最终在竖窑的上部预热区7中对待焚烧的物料进行预热。根据本发明的一优选实施例，它用于对从被设置成悬置形式的热交换管道29流向燃烧喷枪13的一次燃烧空气进行预热。

燃烧喷枪13或它们的喷口14的主要创造性结构在于，其分布在窑身的横截面上，这样就可以形成一种新颖的工艺控制方式，尤其是在很短的滞留时间内可使得火焰温度高达1800℃，并且不会发生在这种温度下将会发生的物料烧结在一起的现象，即形成块状，以便带来一个至今在利用气态、液态及粉状燃料的竖窑中所从未达到过的深度燃烧。

图10-13中的图表示出了在一特定滞留时间下用于燃烧物料-石灰石(CaCO₃)的温度分布图，该温度分布图以竖窑的纵向剖面为基础，所述纵向剖面是对燃料进行控制的结果，所述燃料又与经由燃烧喷枪13所供送的适用一次空气及以逆流形式供送的二次燃烧空气一起进行供送。连续的实线30表示了燃烧物料的温度，而由于燃烧和冷却或者二次燃烧空气所形成的燃烧气体的温度由虚线31示出。

为了产生如图10至11中所示的轻度燃烧生成物，燃料由设置在三个燃烧平面10至12上的燃料喷枪13进行间断式供送，并且所供送的量远小于用于深度燃烧生成物所需的量，以便使得火焰温度与三个温度峰值32至34相一致，其中在第一燃烧平面上约为1200℃，在第三燃烧平面上约为1400℃。自顶部向底部流动的燃烧物料依次穿经第一焚烧区30，首先接触到温度达1200℃的燃烧气体，并在下一燃烧平面上接触到高达1400℃的更热燃烧气体。以逆流方式向上穿经燃烧气体的小颗粒燃烧物料将在到达第一燃烧平面时已经被预热到约1000℃，并且在到达第三燃烧平面时温度达到1200℃。由于在三个燃烧平面10,11,12上分布了所需量的燃料，所以焚烧区8在窑身方向上相应伸长，并且燃烧物料在焚烧区域8中的滞留时间也相应增加。

到目前为止，除了搅拌式窑炉外，对石灰石的焚烧均不可在竖窑中进行，根据图12所示实施例，其在单一平面12上供送燃料和一次燃烧空气，并且火焰温度约为1800℃。所述燃烧物料的颗粒大小为5至70mm。令人惊奇的是在高达1400℃的焚烧温度下不会导致燃烧物料的颗粒烧结在一起而形成团块和固块。这是因为在最高温度下的滞留时间很短，这与图12所示图表中燃烧物料的温度曲线31的尖顶图形相对应。这个温度分布的形成源于这样一个事实，即没有利用额外的燃烧平面，并且燃烧物料只沿窑身方向穿经了焚烧区8的相应较短的延展区。

在对应于图1所示单一竖窑1的结构中，在预热区7进行冷却的燃烧气体离开竖窑时的温度大约为330℃，从而相应地散失掉了大量热能。由于在废气流中有大量的尘埃，所以在接下来的热交换器中所进行的回收操作将快速地形成沉淀，以阻碍热传递的进行。在如图2所示对本发明所作的一优选改进中，燃烧气体中的部分热能通过一管道39被用于对向燃烧喷枪13供送的一次燃烧空气进行预热。这种加热在竖窑1’中进行，燃烧空气穿经热交换管36，而该热交换管36又通过一个输送和返回部件37、38而埋设于预热区域7内的燃烧物料中，所述输送和返回部件以垂直悬置的方式分布在窑身2的圆周上或者均布在该窑身的横截面上。由于热交换管道36在竖窑1’中被设置成能够直接与被燃烧物料和燃烧气体相接触，所以通过热传导、对流和辐射可以得到一非常好的热传递。另外，管道36的热交换表面由于燃烧物料在重力作用下沿它们流下而得到自动清洁。与一没有对一次燃烧空气进行任何预热的竖窑相比，所节约的热能大约为7-10％，废气温度也从大约330℃降到了大约190℃。

图11和13示出了在窑身方向上由于管道36中额外的热交换所产生的不同温度分布图。

如图14至16所示实施例中的双竖窑40、40’和40”均以公知的MAERZ竖窑那样利用回热方法进行工作。这意味着两个窑身41、42在焚烧区下方的过渡区43处彼此横向连通，来自于卸料区45中的冷却空气以逆流方式被连续供送，来自于装料区46的燃烧空气以平行流的方式选择性地流入窑身41、42的一个或另一个中，同时从竖窑40、40’和40”所排出的废气穿经相邻的窑身42或41的预热区。在竖窑中这些流动状态的转换可以以一定的时间间隔发生，比如每隔10至15分钟。图14至16利用方向箭头示出了气体的工作状态，其中，经由管道47向窑身41中提供燃烧空气，而通过管道48从另外一窑身42中排出气体。利用同样的转换原理，可以对超过两个平行窑身41、42的竖窑选择性地进行工作状态转换。

与被称为MAERZ窑炉的平行流动回热竖窑(parallelflow-regenerative kiln)不同，其中与操作间隔相对应，燃料被以平行流的方式与燃烧物料一起被选择性地仅送入一个或者其余窑身中，燃料的供送在两个窑身41、42中同时发生，以便在所述窑身之一中燃烧空气可以平行地导入燃烧物料中，而在其余窑身中以逆流方式进行。因此，所有所需的燃料供应被分配在两个窑身41,42中的燃烧喷枪装置上。与在单一窑身41或42中平行流动燃烧操作的情况不同，在另一窑身41或42中进行燃烧的同时在冷却区49中燃烧空气被预热，并且从而减少了废气量，又相应地提高了能量利用率。与平行流动相比，回热MAERZ型窑炉在焚烧石灰石时，废气减少25％。这就提高了二氧化碳的浓度，从而可以将废气有益地用于需要含高浓度二氧化碳成分的气体的化学工艺中。

在如图14所示的双竖窑中，除了燃烧喷枪51从燃烧物料50上方插入外，在过渡区43附近燃烧喷枪52也横向插入燃烧物料50中。在转换燃烧操作之后，紧接着在同一窑身中替代悬置的燃烧喷枪51将横向插入的燃烧喷枪52置于工作状态，同时在另一窑身中同时反向转换燃烧喷枪52和51的工作状态。沿窑身方向在燃烧喷枪51,52的喷口处所形成的火焰方向由火焰53、54进行表示。它们还清楚地表示出窑身41中的横向燃烧喷枪52在悬置在所述窑身41中的喷枪51工作期间内被关闭，而在另一窑身42中喷枪52被接通进行工作。

在图15所示的双竖窑中均在两个窑身41、42中横向设置有燃烧喷枪55。图16所示的双竖窑中在预热区56中也以悬置方式设置有热交换管道58，用于对一次燃烧空气进行预热，所述预热利用与图2所示单一竖窑相结合的前述方式进行。

通过将燃料同时在第二窑身中以逆流方式穿经燃烧喷枪52、55而导入燃烧物料中，在保证高热效率前提下，公知的回热方法也能够有利地适用于对中度和深度焚烧的生成物进行制备。

Claims (11)

1．一种在竖窑中焚烧含碳物料的方法，其借助于重力作用依次穿经一个预热区，至少一个焚烧区和一个冷却区，最后到达一卸料设备中，其中在焚烧区或者其邻近区域中的燃料供送借助于若干个穿经窑身侧壁的燃烧喷枪来实现，而燃烧空气在过压下被作为冷却空气进行供送，其特征在于：所述燃料的供送借助于多个燃烧喷枪来实现，这些燃烧喷枪可垂直于窑身侧壁、通过选择其喷口的位置而以这种方式移动到窑身腔室中，即在燃烧喷枪上所形成的各个独立火焰共同形成一个火焰区域，该火焰区域至少基本在整个窑身横截面上延伸。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料的供送是借助于若干个叠置的燃烧喷枪组来实现的，每组中的这些燃烧喷枪在所有情况下均至少近似地被设置在同一平面上，并且与焚烧区域中所需焚烧程度成函数关系的所述竖窑纵向上的温度曲线可以通过调整向一个或者多个独立喷枪组所供送的燃料来对其进行控制。

3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述窑身横截面上的温度分布是通过移动焚烧喷枪来进行调整的，并且从而在竖窑工作过程中燃烧喷枪孔喷口的径向位置是由探测头或者由制品质量所决定的温度值的函数。

4．根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：为了由各个独立的叠置火焰区域在窑身横截面上形成一均匀统一的覆盖区域，所述叠置喷枪的移动方向沿窑身的圆周方向相互交替排列。

5．根据权利要求1到4之一所述的方法，其特征在于：所述焚烧喷枪除了供送燃料外还供送燃烧空气，所供送的燃烧空气量是可以调整的，并可以根据需要减小到零。

6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于：借助于所述焚烧喷枪所供送的燃烧空气通过流经热交换管道而在预热区域中被加热，所述热交换管道与所述窑身侧壁平行设置，并且分布在竖窑横截面上且悬置在该竖窑中的预热区域内。

7．根据权利要求1到6之一所述用于在一复式竖窑中利用回热方式进行焚烧的方法，该方法是通过在窑身之间以平行流方式间隔地供送燃烧空气，并且在所述窑身的下部区域中以逆流方式连续供送冷却空气而实现的，其特征在于：在一个窑身中以平行流方式供送燃料时，在一个或多个与该窑身横向连通的窑身内带有或者没有燃烧空气的燃料借助于燃烧喷枪供送，所述燃烧喷枪设置在焚烧区域中并且可以横向移入窑身侧壁中。

8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所有情况下，在所述窑身之一中进行回热操作的一个周期内，燃料的供送是借助于悬置的燃烧喷枪以平行流方式进行的。

9．根据权利要求1到8之一所述的方法，其特征在于：焚烧喷枪的最大插入深度接近于所述窑身横截面的中心处，以便由其所产生的火焰可以达到所述中心处并且窑身腔室的内直径可以被缩小到3米。

10．根据权利要求1到9之一所述的方法，其特征在于：为了进行焚烧，焚烧物料的颗粒尺寸被选定在5至70毫米的范围内。

11．根据权利要求1到10之一所述的方法，其特征在于：经焚烧喷枪喷射出的冷却介质流至少最远能够进入所述窑身腔室中。

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