PL197303B1 - Sposób mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu pieca i piec do wypalania klinkieru cementowego - Google Patents

Abstract

1. Sposób mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu obrotowym pieca do przetwarzania minera lów dla zmniejszania emisji szkodli- wych zanieczyszcze n w strumieniu gazów piecowych, posiadaj acych wiele sk ladników gazowych sk ladaj acych si e zasadniczo z produktów spalania paliwa spalanego w gazie zawieraj acym tlen, obejmuj acym powietrze do spalania, przy czym naczynie posiada cylindryczn a sciank e, koniec wlotu powietrza do spalania/palnikowy i koniec wylotowy gazów piecowych, znamienny tym, ze wtryskuje si e powie- trze ze zród la o podwy zszonym ci snieniu z energi a wyno- sz ac a 1 do 10 watogodzin na 454 g (1 funt) wtryskiwanego gazu do strumienia gazów piecowych przez ................... 25. Piec do wypalania klinkieru cementowego ze wst epn a kalcynacj a s luzacy do wytwarzania klinkieru ce- mentowego z dostarczanego minera lu, zawieraj acy obro- towe naczynie podgrzewane za pomoc a palnika g lównego oraz stacjonarne naczynie do wst epnej kalcynacji, po laczo- ne poprzez przep lyw gazów i przep lyw minera lu z naczy- niem obrotowym, znamienny tym, ze zawiera stacjonarne naczynie zawieraj ace cylindryczn a sciank e (14) oraz koniec wlotowy (16) powietrza spalania i koniec wylotowy (18) gazów spalania oraz palnik drugorz edowy, i zawiera sys- tem wtrysku powietrza zawieraj acy rur e (32) i dysz e (36) ko ncz ac a si e w otworze wtrysku usytuowanym ............... PL PL PL PL

Description

(19) PL (11) 197303 (13) B1

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 12.09.2001 ⁽⁵¹) ^IntCL

F27B 7/36 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: ^{F27B 7/20} (²⁰⁰⁶°¹)

12.09.2001, PCT/US01/28580 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

21.03.2002, WO02/23110 PCT Gazette nr 12/02

(54) Sposób mieszania strumienia gazów piecowych 0 temperaturze w r^c^c^^y^riui ( ) pieaa i piec ° wy^nmaklinktorucemnnCowego
(30) Pierwszeństwo: 11.09.2000,US,60/231,663 04.12.2000,US,60/251,129 16.03.2001,US,60/276,355	(73) Uprawniony z patentu: CADENCE ENVIRONMENTAL ENERGY, INC., Michigan City,US ASH GROVE CEMENT COMPANY,Overland Parn,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 07.02.2005 BUP 03/05	(72) Twórca(y) wynalazku: Erie R. Hansen,Shawnee,US Ralyh A. Suyelan,Stronesville,US James Ronald Tutt,Texarnana,US Peter F. Way,Boxforg,US
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2008 WUP 03/08	(74) Pełnomocnik: Słomczyńska Elżbieta, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sy. z o.o.

(57) 1. Sposób mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu obrotowym pieca do przetwarzania minerałów dla zmniejszania emisji szkodliwych zanieczyszczeń w strumieniu gazów piecowych, posiadających wiele składników gazowych składających się zasadniczo z produktów spalania paliwa spalanego w gazie zawierającym tlen, obejmującym powietrze do spalania, przy czym naczynie posiada cylindryczną ściankę, koniec wlotu powietrza do spalania/palnikowy i koniec wylotowy gazów piecowych, znamienny tym, że wtryskuje się powietrze ze źródła o podwyższonym ciśnieniu z energią wynoszącą 1 do 10 watogodzin na 454 g (1 funt) wtryskiwanego gazu do strumienia gazów piecowych przez...................

25. Piec do wypalania klinkieru cementowego ze wstępną kalcynacją służący do wytwarzania klinkieru cementowego z dostarczanego minerału, zawierający obrotowe naczynie podgrzewane za pomocą palnika głównego oraz stacjonarne naczynie do wstępnej kalcynacji, połączone poprzez przepływ gazów i przepływ minerału z naczyniem obrotowym, znamienny tym, że zawiera stacjonarne naczynie zawierające cylindryczną ściankę (14) oraz koniec wlotowy (16) powietrza spalania i koniec wylotowy (18) gazów spalania oraz palnik drugorzędowy, i zawiera system wtrysku powietrza zawierający rurę (32) i dyszę (36) kończącą się w otworze wtrysku usytuowanym...............

PL 197 303 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu pieca i piec do wypalania klinkieru cementowego zmniejszający emisje pochodzące z pieców do przetwarzania minerałów, a zwłaszcza tych pieców, w których przetwarzany minerał uwalnia podczas obróbki termicznej gazy, i równocześnie zmniejszający zawartość zanieczyszczeń w strumieniu gazów wypływającym z pieca.

W szeroko stosowanym komercyjnym procesie wytwarzania klinkieru cementowego etapy suszenia, kalcynacji i klinkierowania surowych materiałów cementowych są realizowane poprzez przechodzenie rozdrobnionych materiałów surowych, obejmujących materiały wapienne, krzem i tlenek glinowy, przez podgrzewane pochylone obrotowe naczynie albo piec. W urządzeniach znanych pod nazwą tradycyjnych długich pieców suchych lub mokrych, cały proces podgrzewania minerału przebiega w podgrzewanym obracającym się cylindrze pieca, powszechnie nazywanym naczyniem obrotowym. Naczynie obrotowe ma typowo 3,05 m - 4,575 m (10 do 15 stóp) średnicy i 61 m - 213,5 m (200-700 stóp) długości, oraz jest tak pochylone, że kiedy naczynie się obraca, to materiały surowe dostarczane do górnego końca cylindra pieca przemieszczają się pod wpływem siły ciążenia w kierunku dolnego opalanego końca, gdzie przebiega finalny proces klinkierowania i gdzie wytworzony cement klinkierowy jest wyładowywany w celu ochłodzenia i dalszej obróbki. Temperatury gazów piecowych w opalanej strefie klinkierowania pieca mieszczą się w zakresie od 1300°C (2400°F) do 2200°C (4000°F). Temperatury wyjściowe gazów piecowych na górnym, przyjmującym minerały, końcu tak zwanych pieców mokrych są na niskim poziomie 250°C (400°F) do 350°C (650°F). Na górnym końcu pieców obrotowych suchych występują temperatury gazów piecowych do 1100°C (2000°F).

Generalnie, doświadczeni praktycy rozpatrują proces wytwarzania klinkieru cementowego wewnątrz pieca obrotowego, kiedy materiał surowy przepływa z końca wyjściowego chłodniejszych gazów, służącego do wprowadzania minerałów do opalanego/klinkierowego dolnego końca wyjściowego obrotowego naczynia piecowego, jako przebiegający w kilku etapach. Kiedy materiał mineralny przemieszcza się do dołu wzdłuż długości pieca, jest on poddawany oddziaływaniu zwiększającej się temperatury gazów piecowych. Tak więc, w górnej części cylindra pieca, gdzie temperatury gazów piecowych są najniższe, przetwarzane materiały mineralne po pierwsze są poddawane procesowi osuszania/podgrzewania wstępnego, a następnie przemieszczają się w dół cylindra pieca, do czasu aż temperatura wzrośnie do temperatury kalcynacji. Długość pieca, w którym minerał jest poddawany procesowi kalcynacji (uwalniania dwutlenku węgla), jest nazwana strefą kalcynacji. Minerał przetwarzany na koniec przemieszcza się na dół pieca do strefy, w której temperatury gazów są najwyższe, czyli do strefy klinkierowania na opalanym dolnym końcu cylindra pieca. Strumień gazów piecowych przepływa w przeciwprądzie do przepływu przetwarzanego materiału mineralnego ze strefy klinkierowania, poprzez pośrednią strefę kalcynacji oraz osuszania/wstępnego podgrzewania minerału, oraz na zewnątrz górnego końca wyjściowego gazów pieca, do układu odpylającego pieca. Przepływ gazów piecowych przez piec może być do pewnego stopnia regulowany za pomocą wentylatora wzbudzającego ciąg, umieszczonego w strumieniu wylotowym gazów piecowych. Na przestrzeni ostatnich 10-20 lat piece do wypalania klinkieru cementowego z wstępnym podgrzewaniem/wstępnym kalcynowaniem wyraźnie dowiodły, że są bardziej sprawne energetycznie niż tradycyjne długie piece. W piecach ze wstępnym kalcynowaniem, surowy minerał wejściowy jest podgrzewany do temperatury kalcynacji w stacjonarnym przeciwprądowym naczyniu do wstępnej kalcynacji, zanim wpadnie on do podgrzewanego obrotowego naczynia dla reakcji klinkierowania o wyższej temperaturze.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu pieca i piec do wypalania klinkieru cementowego, o lepszej sprawności termicznej i zmniejszonej emisji zanieczyszczeń gazowych podczas wytwarzania produktów mineralnych poddawanych obróbce termicznej, takich jak cement i kamień wapienny.

Sposób mieszania strumienia gazów piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu obrotowym pieca do przetwarzania minerałów dla zmniejszania emisji szkodliwych zanieczyszczeń w strumieniu gazów piecowych, posiadających wiele składników gazowych składających się zasadniczo z produktów spalania paliwa spalanego w gazie zawierającym tlen, obejmującym powietrze do spalania, przy czym naczynie posiada cylindryczną ściankę, koniec wlotu powietrza do spalania/palnikowy i koniec wylotowy gazów piecowych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wtryskuje się powietrze ze źródła o podwyższonym ciśnieniu z energią wynoszącą 1 do 10 watogodzin na 454 g (1 funt) wtryskiwanego gazu do strumienia gazów piecowych przez system wtrysku, przy czym wtryPL 197 303 B1 skiwane powietrze dostarcza się poprzez wlot z wielkością przepływu masowego mniejszą niż 15% przepływu masowego zużycia powietrza spalania, i strumieniowi gazów piecowych w piecu nadaje się moment obrotowego, oraz ogrzewa się gaz piecowy do temperatury większej niż 1255°K (1800°F).

Korzystnie, powietrze wtryskuje się z ciśnieniowego źródła zapewniającego ciśnienie statyczne większe niż 0,20 bara (0,20 atm).

Korzystnie, wtryskiwane powietrze kieruje się na strumień gazów piecowych, nadając większości składowych wektora kierunkowego wtryskiwanego powietrza kierunek prostopadły do linii równoległej do osi obrotu naczynia.

Korzystnie, wtryskuje się powietrze o prędkości 30,4 m/sek do 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) przez rurę wtryskującą powietrze, od otworu w naczyniu znajdującym się w punkcie zlokalizowanym poniżej przepływu gazów piecowych w strefie klinkierowania, oraz powyżej przepływu gazów piecowych w górnym końcu strefy kalcynowania, do dyszy umieszczonej w naczyniu w odległości od H do 2H, gdzie H stanowi wysokość złoża minerału (22), od ścianki naczynia, korzystnie pod kątem większym niż 45° względem segmentu linii równoległej do osi obrotu i rozciągającej się od punktu wtryskiwania poprzez koniec naczynia dostarczający minerał.

Korzystnie, powietrze wtryskuje się z ciśnieniowego źródła zapewniającego różnicę ciśnienia statycznego większą niż 0,15 bara (0,15 atm).

Korzystnie, powietrze wtryskuje się w ilości wynoszącej 1% do 10% masy całkowitej powietrza do spalania wykorzystywanego podczas pracy pieca.

Korzystnie, wtryskuje się sprężone powietrze do części do wstępnej kalcynacji pieca w punkcie przed pierwszym cyklonem, z wielkością przepływu masowego odpowiadającą 1% do 7% całkowitego powietrza do spalania, oraz z prędkością 30,4 m/sek do 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) i nadaje się moment obrotowy strumieniowi gazów spalania pieca do wstępnej kalcynacji.

Korzystnie, wtryskiwane przez otwór wtryskujący powietrze kieruje się wzdłuż toru ruchu tworzącego kąt większy niż 45 stopni z linią przechodzącą przez otwór i równoległą do osi obrotu naczynia, oraz przechodzącą przez koniec wylotowy gazów.

Korzystnie, powietrze wtryskuje się do naczynia obrotowego w punkcie mieszczącym się w obrębie dwóch średnic pieca od końca wylotowego gazów piecowych naczynia obrotowego.

Korzystnie, powietrze wtryskuje się z prędkością liniową wynoszącą 30,4 m/sek do 304 m/sek (od 100 do 1000 stóp na sekundę).

Korzystnie, do gazu zawierającego tlen dodaje się parę, dla zapewnienia obciążenia termicznego strumienia gazów piecowych.

Korzystnie, do gazu zawierającego tlen dodaje się spaliny, dla zapewnienia obciążenia termicznego strumienia gazów piecowych.

Korzystnie, monitoruje się skład strumienia gazów piecowych wychodzącego z naczynia obrotowego.

Korzystnie, reguluje się skład gazu zawierającego tlen i/lub zmienia się prędkości wtryskiwania powietrza do strumienia gazów piecowych, dla minimalizacji zawartości NO_X w strumieniu gazów piecowych.

Korzystnie, do strumienia gazów piecowych wprowadza się paliwo uzupełniające w pobliżu końca wylotowego gazów piecowych naczynia obrotowego.

Korzystnie, jako paliwo uzupełniające stosuje się odpad spalania, który dostarcza się przez otwór w ściance naczynia do obszaru kalcynowania.

Korzystnie, spala się paliwo uzupełniające dostarczane przez otwór przelotowy w naczyniu obrotowym umieszczony poniżej, względem przepływu gazu w piecu, miejsca w którym powietrze jest wtryskiwane do pieca.

Korzystnie, powietrze wtryskuje się z ciśnieniowego źródła zapewniającego różnicę ciśnienia statycznego większą niż 0,15 bara (0,15 atm).

Korzystnie, powietrze wtryskuje się do naczynia obrotowego przez rurę wtryskującą powietrze, rozciągającą się od otworu przelotowego w ściance naczynia obrotowego w głąb naczynia obrotowego, oraz kończącą się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu obrotowym.

Korzystnie, powietrze wtryskuje się do naczynia obrotowego przez co najmniej dwie dysze.

Korzystnie, wtryskiwanym powietrzem nadaje się gazom spalinowym, przepływającym przez naczynie obrotowe, moment obrotowy.

Korzystnie, wywołuje się turbulentny przepływ w naczyniu.

PL 197 303 B1

Korzystnie, wywołuje się przepływ obrotowy w naczyniu.

Korzystnie, powietrze z otoczenia przed wtryśnięciem do naczynia spręża się do ciśnienia od 2,76 bara do 10,35 bara (od 40 do 150 funtów na cal kwadratowy).

Piec do wypalania klinkieru cementowego ze wstępną kalcynacją służący do wytwarzania klinkieru cementowego z dostarczanego minerału, zawierający obrotowe naczynie podgrzewane za pomocą palnika głównego oraz stacjonarne naczynie do wstępnej kalcynacji, połączone poprzez przepływ gazów i przepływ minerału z naczyniem obrotowym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera stacjonarne naczynie zawierające cylindryczną ściankę oraz koniec wlotowy powietrza spalania i koniec wylotowy gazów spalania oraz palnik drugorzędowy, i zawiera system wtrysku powietrza zawierający rurę i dyszę kończącą się w otworze wtrysku usytuowanym w naczyniu stacjonarnym, oddalonym zarówno od ścianki naczynia i osi obrotu pieca.

Korzystnie, piec zawiera elementy do dostarczania powietrza pod ciśnieniem do dyszy i do naczynia.

Korzystnie, piec zawiera wiele dysz mających wylot w naczyniu do wstępnej kalcynacji.

Korzystnie, piec zawiera pochylone naczynie obrotowe posiadające palnik główny i wlot powietrza do spalania na jego dolnym końcu oraz rurę wtryskującą powietrze, rozciągającą się od otworu przelotowego w ściance naczynia w głąb naczynia obrotowego, i kończącą się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu, przy czym otwór przelotowy jest zlokalizowany w takim punkcie wzdłuż dolnej połowy długości naczynia obrotowego, aby mieszać gaz uwolniony ze złoża minerału z gazami spalinowymi z palnika głównego oraz wentylator albo sprężarkę komunikującą się poprzez przepływ powietrza z rurą wtryskującą powietrze, oraz regulator dla wentylatora albo sprężarki, do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca.

Korzystnie, piec zawiera co najmniej dwie rury wtryskujące powietrze do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego, przy czym każda rura wtryskująca jest zakończona dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż wcześniej określonego toru ruchu w naczyniu.

Korzystnie, jeżeli piec zawiera złoże minerału o wysokości H, to otwór wtryskujący powietrze jest oddalony od ścianki naczynia przynajmniej o odcinek o długości H.

Korzystnie, jeżeli głębokość złoża minerału wynosi H, to dysza jest umieszczona w naczyniu obrotowym w odległości H do 2H od ścianki naczynia obrotowego.

Korzystnie, piec zawiera otwór dostarczający paliwo uzupełniające i rurę zrzutową rozciągającą się od otworu dostarczającego paliwo uzupełniające w głąb naczynia obrotowego, w punkcie naczynia obrotowego znajdującym się względem przepływu gazów piecowych, poniżej lokalizacji rury wtryskującej powietrze.

Korzystnie, dysza posiada otwór o przekroju prostokątnym albo eliptycznym.

Korzystnie, dysza albo dysze są skierowane w głąb naczynia, dla optymalizacji mieszania poprzecznego gazów w naczyniu.

Korzystnie, piec zawiera dodatkową rurę wtryskującą powietrze do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego, przy czym dodatkowa rura wtryskująca rozciąga się od otworu przelotowego w ściance naczynia w głąb naczynia obrotowego, oraz kończy się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu, przy czym dodatkowa rura wtryskująca powietrze jest umieszczona w punkcie naczynia obrotowego znajdującym się poniżej, względem przepływu gazu w piecu, otworu dostarczającego paliwo uzupełniające, wentylator albo sprężarkę komunikującą się poprzez przepływ powietrza ze znajdującą się poniżej rurą wtryskującą powietrze, oraz regulator dla wentylatora albo sprężarki, do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca, poniżej punktu wtryskiwania powietrza.

Wynalazek znajduje zastosowanie zarówno dla tak zwanych długich pieców do przetwarzania minerałów jak i, w przypadku wytwarzania cementu, pieców do wstępnej kalcynacji. Wynalazek zapewnia korzyść w postaci zmniejszonych emisji i zwiększonej sprawności energetycznej w stosunku do paliw uzupełniających dla obróbki termicznej minerałów uwalniających gazy, obejmujących, ale nie ograniczonych do, talk, kamień wapienny, surowe materiały cementowe oraz gliny do wytwarzania lekkich kruszyw.

W jednym aspekcie wynalazku, powietrze o dużej energii/prędkości jest wtryskiwane do strumienia gazów piecowych, w celu zmniejszenia albo wyeliminowania uwarstwienia gazów w piecu podczas obróbki termicznej minerału, który uwalnia podczas przetwarzania gaz.

W innym aspekcie niniejszego wynalazku, energia mieszająca gazy piecowe jest dostarczana do strumienia gazów piecowych poprzez wtryskiwanie powietrza o dużej prędkości do pieców obrotoPL 197 303 B1 wych, w sposób mający nadawać moment obrotowy gazom piecowym w naczyniu obrotowym. Okazało się, że wtryskiwanie powietrza o dużej prędkości, w celu wywołania poprzecznego mieszania w piecach do przetwarzania minerałów polepsza sprawność energetyczną poprzez ułatwienie przesyłania energii do złoża mineralnego, a równocześnie takie wtryskiwanie powietrza zmienia profil stechiometryczny i temperaturowy spalania w pierwszej strefie spalania, w celu redukcji tworzenia się tlenków azotu będących produktem ubocznym.

Zgodnie z jednym aspektem niniejszego wynalazku, zapewniony jest sposób redukcji emisji NO_X i polepszenia sprawności energetycznej podczas przetwarzania minerału w piecu obrotowym. Piec zawiera pochylone naczynie obrotowe posiadające palnik główny i wlot powietrza do spalania na jego dolnym końcu, oraz koniec górny służący do wprowadzania surowych minerałów. Sposób znajduje zastosowanie zwłaszcza tam, gdzie minerał w złożu minerału w naczyniu obrotowym przechodzi reakcję chemiczną uwalniającą gazy, podczas termicznej obróbki w piecu. Sposób obejmuje etap wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego z prędkością 30,4 m/sek - 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę), typowo ze źródła sprężonego powietrza zapewniającego ciśnienie statyczne większe niż 0,15 bara (0,15 atmosfery), oraz, w jednym aspekcie wynalazku, w punkcie zlokalizowanym wzdłuż dolnej połowy długości naczynia obrotowego, gdzie różnica temperatury pomiędzy gazami piecowymi i minerałem jest największa, w celu wymieszania gazu uwolnionego z minerału z gazami spalinowymi z palnika głównego. Korzystnie wielkość przepływu masowego wtryskiwanego powietrza wynosi 1 do 15% masy powietrza do spalania zużywanego przez piec.

W jednej postaci wykonania, powietrze jest korzystnie wtryskiwane do naczynia obrotowego przez rurę do wtryskiwania powietrza, rozciągającą się od otworu w ściance naczynia obrotowego w głąb naczynia obrotowego, a kończącą się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu obrotowym. Typowo, powietrze jest wtryskiwane do naczynia obrotowego przez dwie albo więcej dysz umieszczonych w naczyniu obrotowym w odległości H do 2H od ścianki naczynia obrotowego, przy czym „H” to maksymalna głębokość złoża minerału w naczyniu. Korzystnie, określony wcześniej tor ruchu wtryskiwanego powietrza jest tak skierowany, aby nadawać spalinom przepływającym przez naczynie obrotowe moment obrotowy. W jednym aspekcie wynalazku, sposób obejmuje ponadto etap spalania paliwa uzupełniającego dostarczanego do naczynia obrotowego poniżej, względem przepływu gazów piecowych w piecu, miejsca w którym do pieca wtryskiwane jest powietrze. W jeszcze jednej postaci wykonania wynalazku, sposób obejmuje ponadto etap wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego z prędkością 30,4 - 304 m/sek (100 do około 1000 stóp na sekundę) w miejscu znajdującym się poniżej, względem przepływu gazów w piecu, miejsca dostarczania paliwa uzupełniającego, w celu wymieszania gazów uwolnionych zarówno ze złoża minerału jak i ze spalania paliwa uzupełniającego ze spalinami pochodzącymi z palnika głównego. Ilość powietrza wtryskiwanego do pieca wynosi generalnie 1% do 15%, a bardziej typowo 1% do 7% masy całkowitej powietrza do spalania, wymaganej na jednostkę czasu podczas pracy pieca. W jednej szczególnej postaci wykonania wynalazku, dysze do wtryskiwania powietrza posiadają otwór o współczynniku kształtu większym niż 1, na przykład otwór o przekroju prostokątnym albo eliptycznym.

W innym aspekcie wynalazku, zapewniony jest sposób redukcji emisji NOx i polepszenia sprawności spalania w piecu do wypalania klinkieru cementowego z wstępnym podgrzewaniem/wstępnym kalcynowaniem (PH/PC). Piec z wstępnym kalcynowaniem posiada część naczynia obrotowego posiadającą strefę spalania palnika głównego i stacjonarną część naczynia do wstępnego kalcynowania, posiadającą strefę spalania palnika drugorzędowego. Każda z części palnika głównego i części wstępnego kalcynowania jest zasilana w regulowane ilości wstępnie podgrzanego powietrza do spalania. Podczas pracy, gazy ze spalania z głównej strefy spalania przepływają szeregowo przez naczynie obrotowe, część naczynia do wstępnej kalcynacji, oraz przez szereg cyklonów, w przeciwprądzie do dostarczanego minerału. Sposób według niniejszego wynalazku zastosowany dla pieca ze wstępną kalcynacją, obejmuje etap wtryskiwania sprężonego powietrza do części naczynia do wstępnej kalcynacji pieca w punkcie przed pierwszym cyklonem, z przepływem masowym odpowiadającym 1% do 7% całkowitej ilości powietrza do spalania, wymaganej przez piec na jednostkę czasu. Korzystnie, powietrze jest wtryskiwane z prędkością 30,4 m/sek - 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) przez dwie albo więcej dysz do wtryskiwania powietrza. W jednej postaci wykonania powietrze jest sprężane do ciśnienia 0,276 - 10,35 bara (4 do 150), a bardziej typowo 2,76 - 6,9 bara (40 do 100 funtów na cal kwadratowy), zanim zostanie wtryśnięte do części naczynia do wstępnej kalcynacji. Korzystnie, dysze są skierowane w głąb naczynia do wstępnej kalcynacji, w celu optymalizacji poprzecznego mieszania

PL 197 303 B1 zawartych gazów i materiału fluidalnego. W jednej postaci wykonania, dysze są tak ustawione, aby wspomagać turbulentny przepływ w naczyniu, a w innej postaci wykonania dysze są skierowane w głąb naczynia do wstępnej kalcynacji, w celu wspomagania obrotowego albo cyklonowego przepływu we wspomnianym naczyniu.

W alternatywnej postaci wykonania niniejszego wynalazku, zapewniony jest zmodyfikowany piec do wypalania klinkieru cementowego, w którym modyfikacje obejmują dyszę wtryskującą powietrze umieszczoną wewnątrz albo na stacjonarnym naczyniu do wstępnej kalcynacji, oraz środki do dostarczania do dyszy i do naczynia sprężonego powietrza o prędkości liniowej 30,4 - 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę). Korzystnie, zmodyfikowany piec jest wyposażony w wiele dysz ustawionych tak, aby dostarczać sprężone powietrze do naczynia do wstępnej kalcynacji.

W jeszcze jednej postaci wykonania niniejszego wynalazku, zapewniony jest piec do przetwarzania minerałów zmodyfikowany, w celu zmniejszenia emisji NO_X i zwiększenia sprawności energetycznej. Piec zawiera pochylone naczynie obrotowe posiadające palnik główny i wlot powietrza do spalania na jego dolnym końcu. Piec znajduje zastosowanie zwłaszcza do termicznej obróbki minerałów, które podczas obróbki termicznej przechodzą reakcję chemiczną powodującą uwalnianie gazu. Piec jest tak zmodyfikowany, aby zawierać rurę do wtryskiwania powietrza służącą do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego z prędkością 30,4 - 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę). Rura wtryskująca rozciąga się od otworu w ściance naczynia w głąb naczynia obrotowego, kończąc się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu. Otwór korzystnie znajduje się w punkcie zlokalizowanym wzdłuż dolnej połowy długości naczynia obrotowego, w celu mieszania gazów uwolnionych ze złoża minerału z gazami spalinowymi pochodzącym z palnika głównego. Dodatkowe modyfikacje pieca obejmują wentylator albo sprężarkę komunikującą się poprzez przepływ powietrza z rurą do wtryskiwania powietrza, oraz regulator dla wentylatora albo sprężarki, służący do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca. Wentylator albo sprężarka może być stacjonarna i komunikująca się poprzez przepływ powietrza z otworem w ściance naczynia, na przykład przez pierścieniową przestrzeń ustawioną w jednej linii z torem ruchu w otworze podczas obrotu naczynia. Alternatywnie, wentylator albo sprężarka może być zamontowana na ściance naczynia obrotowego, w celu bezpośredniego wtryskiwania powietrza do pieca. Moc jest dostarczana do wentylatora albo sprężarki zamontowanej na powierzchni naczynia poprzez obwodowy pierścień.

Korzystnie, zmodyfikowany piec do przetwarzania minerałów jest zmodyfikowany tak, aby zawierać dwie albo więcej rur do wtryskiwania powietrza służących do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego, przy czym każda rura wtryskująca kończy się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu. Korzystnie dysza albo dysze są umieszczone w naczyniu obrotowym w odległości H do 2H od ścianki naczynia obrotowego, przy czym H to maksymalna głębokość złoża minerału w obrotowym naczyniu pieca. Dysze do wtryskiwania powietrza są korzystnie tak ustawione, że określony wcześniej tor ruchu powietrza wtryskiwanego z każdej dyszy powoduje nadanie momentu obrotowego gazom pochodzącym ze spalania, przepływającym przez naczynie obrotowe.

Rury do wtryskiwania powietrza mogą być zamontowane tak, aby rozciągać się od otworu w głąb naczynia obrotowego prostopadle do stycznej do naczynia obrotowego w miejscu otworu, oraz kończyć się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu, wybranego tak aby nadawać moment obrotowy strumieniowi gazów piecowych. Alternatywnie, rura(y) wtryskujące mogą być umieszczone tak, aby rozciągać się od otworu w naczyniu obrotowym w głąb naczynia pod kątem ostrym do stycznej w miejscu otworu, oraz zasadniczo prostopadle do promienia naczynia obrotowego przechodzącego przez koniec rury. Rury do wtryskiwania powietrza tak ukształtowane działają w taki sposób, aby kierować wtryskiwane powietrze w poprzek strumienia gazów piecowych, w celu nadawania strumieniowi gazów piecowych momentu obrotowego w punkcie wtryskiwania. W jednej postaci wykonania, otwór rury wtryskującej jest tak ukształtowany, aby posiadać współczynnik kształtu większy niż jeden.

Rura wtryskująca jest tak ukształtowana, aby komunikować się ze źródłem sprężonego powietrza, korzystnie wentylatorem, dmuchawą albo sprężarką zdolną do zapewnienia różnicy ciśnienia statycznego większej niż 0,15 (0,15 atmosfery), a korzystnie większej niż 0,2 bara (0,20 atmosfery). Wentylator, dmuchawa albo sprężarka jest zwymiarowana i zasilana w sposób wystarczający do ciągłego dostarczania wtryskiwanego powietrza do pieca, z wejściową energią kinetyczną 1 do 10 watogodzin na 454 g (funt) wtryskiwanego powietrza (co odpowiada 0,1 do 1 watogodziny na 454 g - funt

PL 197 303 B1 gazu piecowego). Rozmiar otworu dysz do wtryskiwania powietrza jest wybrany tak, że wielkość przepływu masowego wtryskiwanego powietrza przy przyłożonym ciśnieniu statycznym wynosi 1 do 15%, a korzystniej 1 do 10% do naczynia obrotowego, albo 1 do 7%, tam gdzie powietrze jest wtryskiwane do stacjonarnej części do wstępnego podgrzewu/wstępnej kalcynacji. Prędkość liniowa wtryskiwanego powietrza typowo mieści się w zakresie od 30,4 - 304 m/sek (100 stóp na sekundę do 1000 stóp na sekundę).

W jednej postaci wykonania, zmodyfikowany piec do przetwarzania minerałów zawiera ponadto otwór do dostarczania paliwa uzupełniającego i rurę rozciągającą się od otworu w głąb naczynia obrotowego, w miejscu w naczyniu znajdującym się poniżej, względem przepływu gazów w piecu, lokalizacji rury do wtryskiwania powietrza. Piec może być ponadto zmodyfikowany tak, aby zawierać jedną albo więcej dodatkowych rur do wtryskiwania powietrza, służących do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego z dużą prędkością, pod wpływem wentylatora albo sprężarki połączonej gazowo z rurą do wtryskiwania powietrza. Rura wtryskująca kończy się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż wcześniej określonego toru ruchu w naczyniu. Rura do wtryskiwania powietrza znajduje się w miejscu w naczyniu obrotowym, zlokalizowanym poniżej, względem przepływu gazu w piecu, otworu dostarczającego paliwo uzupełniające, w celu mieszania gazów uwalnianych zarówno ze złoża minerału jak i ze spalania paliwa uzupełniającego z gazami spalinowymi z palnika głównego. Zastosowany jest regulator dla wentylatora albo sprężarki, służący do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca, poniżej punktu wtryskiwania powietrza.

W innym aspekcie wynalazku, zapewniony jest sposób redukcji NO_X w strumieniu gazowym wypływającym z długiego obrotowego pieca do wypalania klinkieru cementowego, zmodyfikowanego w celu umożliwienia spalania paliwa uzupełniającego. Piec podczas pracy zawiera pochylone cylindryczne naczynie, obracające się dookoła jego długiej osi. Naczynie jest podgrzewane na jego końcu dolnym przez palnik główny, oraz zasilane w surowy materiał na jego końcu górnym. Strumień gazów piecowych przepływa z podgrzewanego dolnego końca, zawierającego palnik główny oraz wlot powietrza do spalania, przez górny koniec naczynia. Przetwarzany materiał mineralny tworzy złoże minerału spływające, przy głębokości maksymalnej H, pod działaniem siły ciążenia w naczyniu, w przeciwprądzie do strumienia gazów piecowych ze strefy osuszania w najwyższej części naczynia obrotowego. Zanim wyjdzie z dolnego końca jako cement klinkierowy, złoże minerału przepływa przez pośrednią strefę kalcynacji oraz w głąb wysokotemperaturowej strefy klinkierowania. Paliwo uzupełniające jest dostarczane do naczynia przez otwór przelotowy i rurę zrzutową komunikującą się z otworem przelotowym w naczyniu, w celu spalania się w kontakcie z kalcynującym minerałem w strefie spalania drugorzędowego, nakładającej się na przynajmniej fragment strefy kalcynacji. Stosowanie niniejszego wynalazku do redukcji NOx w strumieniu gazowym wypływającym z pieca obejmuje etap wtryskiwania powietrza z prędkością 30,4 - 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) przez rurę do wtryskiwania powietrza, rozciągającą się od otworu przelotowego w naczyniu, i kończącą się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu. Otwór przelotowy do wtryskiwania powietrza znajduje się w punkcie poniżej przepływu gazów piecowych w strefie klinkierowania, oraz powyżej przepływu gazów piecowych w górnym końcu strefy kalcynacji. Dysza do wtryskiwania powietrza jest umieszczona w naczyniu w odległości od H do 2H od ścianki naczynia, a określony wcześniej tor ruchu wtryskiwanego powietrza korzystnie tworzy kąt większy niż 45 stopni z segmentem linii równoległej do osi obrotu naczynia, i rozciągającej się od punktu wtryskiwania poprzez dostarczany minerał w naczyniu. Ilość wtryskiwanego do naczynia powietrza jest regulowana na poziomie 1% do 10% masy całkowitego powietrza do spalania, zużywanego na jednostkę czasu podczas pracy pieca.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 - 4 są podobne i przedstawiają częściowo wycięte, schematyczne widoki pieców do przetwarzania minerałów, zmodyfikowanych według niniejszego wynalazku w celu wtryskiwania do naczynia obrotowego powietrza mieszającego o dużej prędkości, fig. 5, 6 i 7 przedstawiają podobne przekroje pieców obrotowych zmodyfikowanych według niniejszego wynalazku, przedstawiające alternatywne przykłady wykonania, dostarczające do naczynia obrotowego powietrze mieszające o dużej prędkości, fig. 7a przedstawia częściowo wycięty widok z góry wentylatora z fig. 7, zorientowany wzdłuż linii A-A, fig. 8a i 8b przedstawiają alternatywne ukształtowania otworu dyszy, fig. 9a i 9b przedstawiają widok przepływów w piecu do wypalania klinkieru cementowego bez wtryskiwania powietrza o dużej prędkości (9a) oraz z wtryskiwaniem powietrza o dużej prędkości według niniejszego wynalazku (9b), powyżej urządzenia (nie pokazanego) dostarczającego paliwo uzupełniające (opony), fig. 10a i 10b są podob8

PL 197 303 B1 ne i przedstawiają stechiometrię spalania w palniku głównym bez wtryskiwania powietrza o dużej prędkości (10a) oraz z 10% wtryskiwanego powietrza o dużej prędkości (10b), fig. 11 jest podobna do fig. 10 i przedstawia stechiometrię spalania w trzech strefach w piecu pracującym z 15% paliwa uzupełniającego, dostarczanego do pieca powyżej miejsca wtryskiwania 10% powietrza o dużej prędkości, fig. 12 jest podobna do fig. 11 i przedstawia stechiometrię spalania paliwa w piecu, przy czym piec jest zmodyfikowany w celu spalania paliwa uzupełniającego oraz wtryskiwania powietrza o dużej prędkości zarówno powyżej jak i poniżej punktu dostarczania paliwa do naczynia obrotowego, fig. 13 przedstawia wpływ wtryskiwanego powietrza o dużej prędkości na przepływ gazów piecowych w piecu przedstawionym na fig. 12, fig. 14 przedstawia przekrój obrotowego naczynia piecowego zawierającego przetwarzany minerał uwalniający gaz (dwutlenek węgla), fig. 15 jest podobna do fig. 14 i przedstawia mieszanie gazów piecowych poprzez wtryskiwanie do naczynia obrotowego powietrza o dużej prędkości, fig. 16 przedstawia przekazywanie energii promieniowania materiałowi przetwarzanemu przy braku uwarstwionej warstwy gazów uwolnionych ze złoża minerału, fig. 17-20 przedstawiają schematycznie różne postacie dostępnych w handlu stacjonarnych naczyń do wstępnej kalcynacji, ze strzałkami przedstawiającymi punkty wtryskiwania powietrza o dużej prędkości, w celu wspomagania mieszania w naczyniach stacjonarnych za pomocą wtryskiwanego powietrza o dużej prędkości, fig. 21 i 22 są podobne do fig. 1-4 i przedstawiają częściowo wycięte, schematyczne widoki pieców do przetwarzania minerałów, zmodyfikowanych w celu wtryskiwania powietrza, ze schematycznym przedstawieniem monitorowania gazów piecowych i regulatorów do sterowania wtryskiwaniem powietrza i pary albo wtryskiwaniem płynnego gazu, fig. 23 przedstawia częściowo wycięty rzut pionowy górnej części końcowej naczynia obrotowego pieca do wstępnej kalcynacji, zmodyfikowanego w celu wtryskiwania powietrza oraz dostarczania paliwa uzupełniającego w celu redukcji NO_X.

Według niniejszego wynalazku, powietrze jest wtryskiwane do obrotowego pieca do przetwarzania minerałów dla dostarczenia energii gazom w piecu, w celu osiągnięcia mieszania poprzecznego. Wynalazek niniejszy zapewnia wtryskiwanie powietrza w celu eliminacji uwarstwienia gazów w piecu, podczas pracy przy przetwarzaniu minerału, który uwalnia podczas przetwarzania gazy, takim jak piece do przetwarzania kamienia wapiennego, surowej mieszanki cementowej, glin, tak jak w piece do lekkiego kruszywa, oraz piece dla takonitu. Głównym celem wtryskiwanego powietrza jest zapewnienie energii do mieszania gazów uwalnianych z przetwarzanego minerału z gazami spalinowymi, wydobywającymi się ze strefy spalania pieca i zgodnie z tym istnieje wiele elementów, które współpracują w całości albo w części, w celu osiągnięcia efektu poprzecznego wymieszania gazów piecowych.

Niniejszy wynalazek opisuje wtryskiwanie powietrza w celu redukcji albo eliminacji uwarstwienia gazów w piecu. Typowo piec ma od 2,44 - 6,10 m (ośmiu stóp do ponad dwudziestu stóp) średnicy oraz ma stosunek długości do średnicy od 10:1 do ponad 40:1. Typowymi materiałami poddawanymi kalcynacji jest surowy cement portlandzki, gliny, kamień wapienny, takonit i inne materiały mineralne, które są poddawane obróbce cieplnej i po podgrzaniu uwalniają gazy. Celem wtryskiwania powietrza według niniejszego wynalazku jest zapewnienie energii do poprzecznego mieszania, przy czym powietrze pełni niewielką funkcję, albo też wcale jej nie pełni, dostarczania tlenu do spalania. W piecach do przetwarzania minerałów powszechne jest, podobnie jak w piecach do wypalania klinkieru cementowego i kamienia wapiennego, regulowanie zawartości tlenu w spalinach na najniższym możliwym ze względów praktycznych poziomie, a ponadto unikanie tworzenia się dużych ilości tlenku węgla albo dwutlenku siarki. Działanie takie jest pożądane w celu maksymalizacji sprawności cieplnej. Na sprawność cieplną może niekorzystnie wpłynąć praca ze zbyt małą ilością powietrza do spalania, co powoduje niepełne spalanie paliwa, albo też z nadmiarem powietrza do spalania, co powoduje zwiększone straty ciepła.

Pożądane jest wprowadzanie powietrza do spalania do przetwarzania minerału poprzez rekuperator, który odzyskuje ciepło pochodzące z przetworzonego produktu mineralnego wydalanego z pieca. Ciepło odzyskane i oddane wchodzącemu powietrzu do spalania może stanowić znaczną część całkowitej energii dostarczanej do procesu. Wtryskiwanie powietrza z otoczenia do strumienia gazów piecowych w miejscu innym niż główna strefa spalania normalnie nie byłoby uważane za korzystne, z powodu negatywnego wpływu jaki mogłoby to mieć na odzysk ciepła. Wtryskiwane powietrze zastępuje powietrze do spalania wciągane przez rekuperator.

Komputerowe modelowanie pieców do kalcynacji wykazało, że gazy uwalniane przez przetwarzany minerał w piecu pozostają uwarstwione. W porównaniu z gorącymi gazami wychodzącymi z głównej strefy spalania na końcu wyprowadzającym materiał przeciwprądowych pieców do przetwaPL 197 303 B1 rzania minerałów, uwolnione gazy mają o wiele niższą temperaturę i często większą masę cząsteczkową, i o wiele większą gęstość. W rezultacie tej różnicy gęstości, uwolnione gazy pozostają na dole pieca. Dodatkowo do gazów uwolnionych z kalcynowanego materiału, mogą występować także substancje palne uwolnione zarówno z dostarczanego materiału jak też stanowiące paliwo dodane do procesu w środkowej części pieca. Uwolnione gazy okrywają i chronią te palne materiały przed tlenem zawartym w gazach na wyższych poziomach strumienia gazów piecowych. Ten płaszcz z gazów o niskiej temperaturze chroni także złoże minerału przed bezpośrednim kontaktem z gorącymi gazami spalinowymi. Z tego powodu wymagany jest proces wykorzystujący sposób podgrzewania niebezpośredniego. Ścianki pieca są podgrzewane przez gorące gazy spalinowe, a obrót pieca powoduje kontakt gorących ścianek ze złożem minerału. Według niniejszego wynalazku, niewielka część całkowitego powietrza biorącego udział w procesie, mniejsza niż 15 procent, jest wstrzykiwana do naczynia obrotowego w sposób, który nadaje moment obrotowy strumieniowi gazów piecowych w piecu. To powoduje, że gorące gazy przemieszczające się wzdłuż wierzchu pieca są spychane do dołu na złoże kalcynowanego materiału, spychając płaszcz z chłodnych uwolnionych gazów. To kontaktowanie się gorących gazów ze złożem minerału usprawnia przenoszenie, w ten sposób polepszając sprawność termiczną procesu w piecu.

Energia kinetyczna wtryskiwanego powietrza i wynikający z tego moment obrotowy powodują wymieszanie uwolnionych gazów z gorącymi gazami spalinowymi i resztkowym tlenem, pochodzącym z tych gazów i wtryskiwanego powietrza. To poprzeczne mieszanie powoduje utlenianie palnych składników, które mogą być zawarte w płaszczu gazowym. Tak więc emisje niespalonych składników, takich jak tlenek węgla, dwutlenek siarki i węglowodory, mogą być zredukowane przy danym poziomie nadmiaru powietrza. Inaczej mówiąc, poprzednie poziomy emisji mogą być utrzymane przy zredukowanym poziomie nadmiaru powietrza, powodując polepszoną sprawność procesu. Korzyść wynikająca z nowego mechanizmu przesyłania ciepła i redukcji nadmiaru powietrza osłabia wpływ zmniejszonego odzysku energii z części powietrza, która omija rekuperator.

Mechanizm wtryskiwania powietrza według niniejszego wynalazku znajduje się w miejscu zlokalizowanym wzdłuż pieca, w którym występuje znaczna różnica pomiędzy temperaturą gazów spalinowych i temperaturą złoża minerału. Typowo, byłaby to lokalizacja w piecu od tak bliskiej strefie spalania jak to jest tylko możliwe ze względów praktycznych, ograniczonej przez limit temperatury obsługi urządzenia, spodziewany na poziomie 1810°K (2800°F), do położenia na chłodniejszym końcu strefy kalcynacji, ograniczonego przez temperaturę odpowiednią do umożliwienia wystąpienia spalania po wymieszaniu, 1142°K (1600°F) do 1283°K (1850°F). W jednym przykładzie wykonania wynalazku, rura wtryskująca powietrze znajduje się w najgorętszej połowie (dolnej połowie) naczynia obrotowego. Biorąc pod uwagę właściwości fizyczne większości minerałów poddawanych kalcynacji w piecach obrotowych, korzyść uzyska się także poprzez zainstalowanie w strefie kalcynacji urządzenia do przerywania i eliminacji uwarstwienia. Urządzenie może być także umieszczone na dolnym końcu, gdzie minerał prawie całkowicie przeszedł kalcynację, w celu przerwania tworzenia się płaszcza gazowego o dużej gęstości na przetwarzanym minerale. W piecu można zlokalizować wiele rur wtryskujących powietrze, rozmieszczonych na obwodzie, osiowo, albo zarówno rozmieszczonych osiowo jak i na obwodzie. Każda z nich może być niezależnie połączona z wentylatorem, dmuchawą albo sprężarką, albo też mogą komunikować się one z rurociągiem sprężonego wtryskiwanego powietrza.

Możliwe jest także wykorzystanie zawartości tlenu we wtryskiwanym powietrzu do spowodowania stopniowego spalania, w celu kontrolowania tlenków azotu. Z powodu opisanej powyżej straty odzysku energii w powietrzu do spalania, stopniowe spalanie w piecach obrotowych do przetwarzania minerałów nie jest praktykowane z powodu dostrzeżonych dużych strat energii. Piece obrotowe, takie jak piece do spopielania albo piece do przetwarzania koksu, mogą wykorzystywać spalanie dwustopniowe, ale piece takie nie posiadają w ich wyprowadzanym produkcie dużej ilości możliwej do odzyskania energii, i dlatego nie posiadają ograniczeń funkcjonalnych pieców do przetwarzania minerałów. Ponadto, z powodu polepszonej sprawności spalania, do osiągnięcia spalania całkowitego wymagany jest mniejszy nadmiar powietrza. Polepszone mieszanie i wynikający z tego brak uwarstwienia spalania w piecu umożliwią osiągnięcie spalania stopniowego, przy wielkości nadmiaru powietrza, która nie pogarsza nadmiernie wymagań energetycznych procesu. Wtryskiwanie powietrza o dużej energii, w celu mieszania poprzecznego, umożliwia zastosowanie spalania stopniowego w piecach do przetwarzania minerałów, w celu kontrolowania emisji.

Według fig. 1-4, piece do przetwarzania minerałów 10 zawierają obrotowe naczynie 12 posiadające cylindryczną ściankę 14, dolny koniec wlotu powietrza do spalania / palnikowego 16, oraz górny

PL 197 303 B1 koniec wylotowy gazów 18. Podczas pracy, surowy minerał 20 jest dostarczany do końca wylotowego gazów 18 i wraz z obracaniem się naczynia obrotowego 12 złoże minerału przemieszcza się od końca wylotowego gazów 18, w kierunku końca wlotu powietrza do spalania / palnikowego 16, przepływając w przeciwprądzie do produktów spalania tworzących strumień gazów piecowych. Palnik 24 jest zasilany z głównego źródła paliwa 26, a powietrze do spalania jest wciągane z rekuperatora 30 poprzez osłonę 28 do końca wlotu powietrza do spalania 16. Przetworzony minerał wychodzi przez koniec wlotu powietrza do spalania 16 i jest dostarczany do rekuperatora 30. Wzdłuż długości naczynia obrotowego 12, w punktach, w których minerał przetwarzany w złożu mineralnym 22 jest kalcynowany, albo w których różnica temperatury pomiędzy strumieniem gazów piecowych i złożem minerału jest największa, najbardziej typowo w najniższej połowie naczynia obrotowego 12, części bliższej końcowi wlotu powietrza do spalania / palnikowego 16 niż końcowi wylotowemu gazów 18, zlokalizowana jest jedna albo więcej rur wtryskujących powietrze 32, komunikujących się poprzez przepływ powietrza z wentylatorem, dmuchawą albo sprężarką 34. Rury wtryskujące powietrze 32 kończą się w naczyniu obrotowym dyszami 36 tak ustawionymi, aby kierować wtryskiwane powietrze wzdłuż toru ruchu zaprojektowanego w celu nadawania strumieniowi gazów piecowych momentu obrotowego. Otwór 38 w dyszy 36, w jednym przykładzie wykonania wynalazku, ma współczynnik kształtu większy niż jeden (patrz fig. 8a i 8b, przedstawiające otwory o przekroju prostokątnym).

Według fig. 3 i 4, piec do przetwarzania minerałów może być dalej zmodyfikowany, w celu spalania paliwa uzupełniającego dostarczanego ze źródła paliwa uzupełniającego 40 poprzez urządzenie dostarczające paliwo 42 do naczynia obrotowego, w celu spalania się w kontakcie z minerałem przetwarzanym ze złoża minerału 22. W jednym przykładzie wykonania wynalazku, powietrze jest wtryskiwane w celu nadania momentu obrotowego strumieniowi gazów piecowych w punkcie znajdującym się pomiędzy urządzeniem dostarczającym paliwo 42 i końcem wlotu powietrza do spalania / palnikowego 16. Opcjonalnie powietrze jest wtryskiwane w jednym albo większej ilości punktów dodatkowych, znajdujących się na naczyniu obrotowym 12 pomiędzy urządzeniem dostarczającym paliwo uzupełniającego 42 i końcem wylotowym gazów 18.

Według fig. 5 i 6, na cylindrycznej ściance 14 naczynia obrotowego 12 mogą być obwodowo (albo osiowo) rozmieszczone dwie albo więcej rur wtryskujących powietrze 32. Powietrze pod ciśnieniem jest dostarczane do rur wtryskujących za pomocą wentylatora albo dmuchawy 34, podłączonej powietrznie poprzez rurociąg rozgałęźny 46. Alternatywnie, jak pokazano na fig. 7, każda rura wtryskująca 32 może być bezpośrednio połączona z dmuchawą albo wentylatorem 34 do dostarczania powietrza o dużej energii / prędkości do strumienia gazów piecowych. Rury wtryskujące powietrze 34 kończą się w piecu, w punkcie znajdującym się pomiędzy wierzchem złoża minerału 22 i osią obrotu naczynia obrotowego 12, w postaci dyszy do kierowania wtryskiwanego powietrza o dużej energii 50 do naczynia obrotowego 12, w celu nadania momentu obrotowego strumieniowi gazów piecowych.

Według fig. 9b, poprzez wtryskiwanie powietrza o dużej energii do pieca w celu wytworzenia momentu obrotowego w strumieniu gazów piecowych, elementy 52 związane z paliwem uzupełniającym, spalanym w strumieniu gazów piecowych, są w sposób ciągły oczyszczane z ich własnych produktów spalania, i kontaktują się z wymieszanymi gazami piecowymi w celu zapewnienia korzystniejszych warunków do spalania i przekazywania energii.

Według fig. 14 i 15, wtryskiwanie powietrza mieszającego o dużej energii, powodującego nadanie momentu obrotowego strumieniowi gazów piecowych, powoduje rozproszenie uwarstwionych warstw wytworzonych na przykład poprzez kalcynację minerału w złożu minerału 22. Przy usuniętej, albo rozproszonej gęstszej warstwie dwutlenku węgla normalnie pokrywającej złoże minerału 22, energia promieniowania pochodząca ze strumienia gazów piecowych i cylindrycznych ścianek 14 naczynia obrotowego 12 osiąga złoże, w celu umożliwienia bardziej sprawnego przekazywania energii pomiędzy strumieniem gazów piecowych i końcowym przetworzonym minerałem (patrz fig. 16).

Według fig. 17 do 20 przedstawiających różne postacie stacjonarnych części pieców ze wstępnym podgrzewem/wstępną kalcynacją, pokazane są punkty 70 wtryskiwania powietrza o dużym ciśnieniu do części stacjonarnych, w celu wytworzenia turbulentnego przepływu albo momentu obrotowego w strumieniu gazowym przepływającym przez te części stacjonarne. Tak więc powietrze może być wtryskiwane z dużym ciśnieniem/energią, na przykład ze sprężarki, przez jedną albo więcej dysz zlokalizowanych w ściankach części stacjonarnej pieca ze wstępnym podgrzewem / wstępną kalcynacją, w celu zapewnienia energii mieszającej, i w rezultacie redukcji zanieczyszczeń związanych z uwarstwieniem i zlokalizowaną niejednorodnością spalania w takiej instalacji do wstępnej kalcynacji.

PL 197 303 B1

W jednym przykładzie wykonania wynalazku, według fig. 21 i 22, strumień gazów piecowych jest monitorowany ze względu na zawartość / profil emisji wewnątrz albo w pobliżu końca wyjścia gazowego 18 naczynia obrotowego 12, w celu zapewnienia charakterystyk sygnałowych wspomnianego profilu emisji jako wejścia dla jednego albo większej ilości regulatorów pieca, obejmujących regulator wtrysku powietrza albo regulator wtrysku powietrza i regulator wtrysku pary albo spalin do strumienia gazów piecowych, w celu zapewnienia obciążenia termicznego strumienia gazów piecowych.

W jednym zastosowaniu niniejszego wynalazku, przedstawionym na fig. 23, jednostki wtryskujące powietrze 31 są umieszczone w odległości dwóch średnic pieca od końca wyjścia gazowego 18 naczynia obrotowego 12, w końcówce pieca ze wstępnym podgrzewem / wstępną kalcynacją. Temperatura strumienia gazów piecowych w punkcie wtryskiwania powietrza wynosi 1477°K - 1255°K (2200 do 1800°F). Paliwo uzupełniające 58 jest wtryskiwane z rury dostarczającej 60 paliwo uzupełniające, połączonej ze źródłem paliwa 62, w celu wytworzenia warunków redukujących w strumieniu powietrza wtryskiwanego o dużej energii, wymieszanym ze strumieniem gazów piecowych na końcu wyjścia gazowego 18 naczynia obrotowego 12, w celu spowodowania redukcji emisji NO_X pochodzących z pieca ze wstępnym podgrzewem / wstępną kalcynacją.

P r z y k ł a d 1

Spalanie stopniowe może być osiągnięte na kilka sposobów. Na przykład, piec (do prażenia wapienia) pracuje przy zerowym do pięcioprocentowego nadmiarze powietrza, w stosunku do tego co jest wymagane do spalania. Przy takim poziomie nadmiaru powietrza, wytwarzane jest trochę resztkowego tlenku węgla i dwutlenku siarki. Dalsza redukcja nadmiaru powietrza dostarczanego do strefy spalania w celu redukcji tworzenia się tlenków azotu, spowodowałaby niepożądaną emisję tlenku węgla i dwutlenku siarki oraz utratę sprawności cieplnej z powodu niecałkowitego spalania paliwa. Poprzez zainstalowanie urządzenia według wynalazku i wtryskiwanie do procesu 10% całkowitego powietrza do spalania, powietrze dostępne w głównej strefie spalania byłoby niewystarczające do całkowitego spalenia paliwa, a gazy opuszczające tą strefę wykazywałyby znaczne stężenia tlenku węgla i innych związków, które są produktami niepełnego spalania. Tlenki azotu są zredukowane nawet pomimo tego, że strefa głównego spalania pozostaje w wysokiej temperaturze, ponieważ produkty niepełnego spalania korzystnie wyczerpują dostępny tlen, albo nawet mogą czerpać tlen z tlenku azotu.

Ponieważ całkowity pozostały przepływ powietrza wynosi 100-105% tego potrzebnego do spalania, wtryskiwanie 10% w środkowej części pieca powoduje występowanie tylko 90-95% wymaganego powietrza do spalania w głównej strefie spalania. Dodatkowe powietrze jest wtryskiwane w strefie temperaturowej pieca, która jest nadal wystarczająco gorąca, aby gwałtownie zakończyć spalanie kiedy tlen staje się dostępny jako jeszcze nie tak gorący, aby tworzyć tlenki azotu. 10% powietrza do spalania jest wtryskiwanych z energią wystarczającą do wymieszania przekroju gazów spalinowych w piecu. Powoduje to 0 - 5% nadmiar powietrza w stosunku do tego wymaganego do spalania, który zminimalizuje resztkowy tlenek węgla i dwutlenek siarki. Ta strefa mieszania nie ma tak wysokiej temperatury jak główna strefa spalania, dlatego nie tworzą się w niej tlenki azotu, pomimo tego że w strefie tej występuje nadmiar tlenu.

P r z y k ł a d 2

Zastosowanie powietrza mieszającego do polepszania sprawności spalania jest opisane w patencie USA nr 5,632,616, który zastrzega zastosowanie powietrza mieszającego w połączeniu z opalaniem w środku pieca. Zastosowanie wtryskiwania stycznego powietrza o dużej energii, w celu wytworzenia składnika obrotowego masy gazowej w piecu, polepsza skuteczność mieszania powietrza kiedy wtryskiwanie przebiega powyżej (poniżej) punktu wtryskiwania paliwa.

P r z y k ł a d 3

Koncepcja powietrza mieszającego została opracowana w wyniku identyfikacji uwarstwienia gazów w piecu. Cięższy dwutlenek węgla i gazy pochodzące z rozkładu termicznego paliwa ze środka pieca będą pozostawały uwarstwione na dnie pieca, a gazy wysokotemperaturowe zawierające tlen są uwarstwione na górze.

Mieszanie poprzeczne, uzyskane za pomocą sposobu wtryskiwania powietrza mieszającego, umożliwia wypalenie resztkowych produktów niepełnego spalania kiedy urządzenie jest umieszczone poniżej (powyżej) punktu wtryskiwania paliwa. W celu redukcji tlenku azotu zasadnicze znaczenie ma to, aby uzyskać poprzeczne wymieszanie gazów także wtedy, gdy są one nadal ubogie w tlen. Z tego powodu układ do mieszania powietrza jest zainstalowany powyżej (poniżej) punktu spalania w środku pieca, w celu nadania momentu obrotowego gazom piecowym, w celu wymieszania chmury spalanego i pirolizującego paliwa z gazami piecowymi.

PL 197 303 B1

Idealny układ piecowy posiadałby dwa układy wtryskiwania powietrza, jeden powyżej wtryskiwania paliwa w środku pieca, w celu uzyskania mieszania poprzecznego podczas gdy gazy piecowe są nadal ubogie w tlen, a drugi poniżej, w celu uzyskania mieszania poprzecznego z wtryskiwanym powietrzem, w celu wypalenia resztkowych produktów niepełnego spalania.

Przykłady sugerują, że powietrza do spalania jest o 5% mniej niż jest to wystarczające do pełnego spalania w strefie redukcji. W praktyce jest spodziewane, że osiągnięcie tylko 1 albo 2% niedoboru powietrza do spalania wystarczyłoby do regulacji emisji tlenku azotu.

P r z y k ł a d 4

Wykorzystanie niewielkiej ilości powietrza pod wysokim ciśnieniem, wtryskiwanego w celu polepszenia mieszania, może być także zastosowane w piecach do wypalania cementu klinkierowego ze wstępną kalcynacją. Piece do wypalania cementu klinkierowego ze wstępną kalcynacją wykorzystują spalanie drugorzędowe i mogą być modyfikowane w celu wprowadzania części powietrza do spalania za strefą spalania drugorzędowego, w celu wytworzenia spalania etapowego. Jednak takie modyfikacje są kosztowne. Ponadto, z powodu mocy wymaganej do przemieszczania gazów spalinowych przez piec ze wstępną kalcynacją, układy te są zaprojektowane do pracy przy małych spadkach ciśnienia. Tak więc układy nie są zaprojektowane w celu optymalizacji mieszania i wykorzystywania długich czasów retencji do otrzymania odpowiedniego wymieszania. Osiągi tych układów piecowych mogą być polepszone poprzez doprowadzanie energii, za pomocą powietrza mieszającego o bardzo dużej prędkości (ciśnieniu). Do wprowadzania dużych ilości energii, w celu spowodowania dobrego wymieszania w krótkim czasie, można zastosować ciśnienia 0,276-10,35 bara (4 do 150), a bardziej typowo 2,76-6,9 bara (40 do 100 funtów na cal kwadratowy). Przy bardzo wysokich ciśnieniach, wprowadzanie energii może być osiągnięte przy tylko kilkuprocentowym udziale (1% do 5%) w całkowitej ilości powietrza do spalania. W mieszanie mogą być włożone setki koni mechanicznych mocy, bez zwiększania całkowitego spadku ciśnienia w układzie do wstępnej kalcynacji. Wymagane ilości powietrza są ograniczane, w celu minimalizacji ilości powietrza przemieszczanego z rekuperatora. Zwiększanie skuteczności mieszania może zwiększyć sprawność spalania i umożliwić redukcję nadmiaru powietrza, wymaganego do uzyskania pożądanych poziomów resztkowego tlenku węgla. Ta redukcja całkowitego nadmiaru powietrza, oraz nadmiar powietrza zredukowany poprzez zastąpienie za główną strefą spalania, powoduje mniejszą dostępność tlenu w strefie spalania, która korzystnie zminimalizuje tworzenie się tlenków azotu. Przy zwiększającym się zastępowaniu powietrza mieszającego, główna strefa spalania mogłaby się stać stechiometryczna, powodując powstanie atmosfery, która korzystnie niszczy tlenki azotu wyprodukowane w wysokotemperaturowym piecu obrotowym i przechodzące przez urządzenie do wstępnej kalcynacji.

Wpływ powietrza mieszającego na proces jest opisany poniżej.

Gazy wewnątrz pieca ze wstępną kalcynacją są wysoce uwarstwione, z powodu różnic temperatury i wynikających z tego różnic gęstości pomiędzy gazami spalinowymi i gazami uwalnianymi z przetwarzanego minerału. W rezultacie nie występuje bezpośredni kontakt gorących gazów spalinowych ze złożem minerału. Przekazywanie ciepła występuje niebezpośrednio, poprzez gorące gazy ogrzewające ściany pieca i obracanie gorących ścian pod złoże minerału, wraz z obrotem pieca. Może także występować promieniowanie gorących gazów w kierunku złoża minerału, ale ten mechanizm staje się drugorzędny, gdyż gazy spalinowe ulegają ochłodzeniu względem szczytowych temperatur w głównej strefie spalania. Wtryskiwanie powietrza pod wysokim ciśnieniem w sposób, który nadaje moment obrotowy gazom piecowym, dodaje kolejny mechanizm przekazywania ciepła piecowi kalcynującemu, gdyż powoduje sprowadzenie gorących gazów spalinowych, które przemieszczają się wzdłuż wierzchu pieca, na dół, do kontaktu ze złożem minerału. Ten dodatkowy mechanizm przekazywania ciepła będzie służył polepszaniu sprawności cieplnej urządzenia kalcynującego.

Powietrze z otoczenia wtryskiwane do pieca w środku procesu zastępuje powietrze, które pochodzi z rekuperatora, który odzyskuje ciepło z wydalanego produktu przekazując je powietrzu do spalania. Redukcja ilości powietrza pochodzącego z rekuperatora może wpłynąć na sprawność tego odzysku ciepła, dlatego pożądane jest minimalizowanie ilości powietrza mieszającego dodawanego w środku procesu. To powoduje wymaganie, aby powietrze mieszające było wtryskiwane pod wysokim ciśnieniem, tak aby posiadało ono wystarczającą energię kinetyczną, aby nadać masie gazów piecowych składnik obrotowy.

Niekorzystny paliwowo wpływ strumieni powietrza o dużej energii na piec ze wstępną kalcynacją jest opisany poniżej.

PL 197 303 B1

Powszechnie uważa się, że wtryskiwanie nieogrzanego powietrza do procesu przetwarzania cementu poniżej chłodnicy, i wynikające z tego przemieszczenie powietrza z chłodnicy, będzie powodowało niedopuszczalne straty w odzysku ciepła. Po bliższym zbadaniu obliczenia wykazują, że taka strata odzysku ciepła jest minimalna, zwłaszcza z punktu widzenia korzyści wynikających z mieszania gazów technologicznych w strefach wysokiej temperatury. Obliczenia wykazały, że jeśli 10% teoretycznie potrzebnego powietrza do spalania jest wprowadzane z wysoką energią do pieca obrotowego, to przemieszczenie odpowiedniej masy wstępnie podgrzanego powietrza powodowałoby zmniejszenie odzysku ciepła z chłodnicy o mniej niż 2% całkowitej energii wejściowej. Potencjalna korzyść w sprawności procesu z powodu eliminacji uwarstwienia może więcej niż skompensować tą stratę ciepła.

W piecu ze wstępną kalcynacją można dokonywać spalania opon, jak opisano poniżej.

Całe opony mogą być wprowadzane do rynny zsypowej albo zrzucane z momentem wystarczającym do tego, aby przetoczyć się do górnego końca pieca z naczyniem obrotowym. Prędkość spalania opon w strefie spalania drugorzędowego, na górnym końcu naczynia obrotowego pieca ze wstępną kalcynacją, jest ograniczona przez wymaganie zmniejszenia ilości paliwa w palniku głównym o odpowiednią ilość. Wynikające z tego zwiększenie stosunku powietrza do paliwa powoduje ochłodzenie głównego płomienia i występowanie niewystarczających temperatur płomienia, przy wielkości zastąpienia wynoszącej około 20%. Inne problemy pojawią się w wyniku uwarstwienia gazów na wyjściu z pieca. Opony leżą na dnie naczynia piecowego, gdzie jest niewystarczająca ilość tlenu do zakończenia spalania. W rezultacie gaz bogaty w substancje palne wchodzi do komory wlotowej powyżej półki zasilającej, gdzie zachodzi pewne mieszanie z gazami zawierającymi tlen, pochodzącymi z wierzchu pieca. Wynikające z tego spalanie w komorze wlotowej wytwarza lokalnie wysokie temperatury, i powoduje niedopuszczalne nawarstwianie się w komorze wlotowej.

Przy zastosowaniu wysokoenergetycznych strumieni powietrza, wprowadzających do około 10% powietrza do spalania z momentem obrotowym w pobliżu górnego końca naczynia obrotowego, wielkość zastępowania przez całe opony może być zwiększona do 30% ilości paliwa dla pieca, bez niedopuszczalnej temperatury płomienia głównego albo nawarstwiania się. Ponadto, mieszanie za pomocą strumieni powietrza wytwarza bardziej równomierne rozprowadzenie gazów o zredukowanym tlenie, wytworzonych przez płonące opony w celu wspomagania bardziej skutecznej redukcji NO_X. Polepszenie mieszania gazów piecowych minimalizuje potencjalną możliwość wystąpienia niedopuszczalnego nawarstwienia w komorze wlotowej.

Wtryskiwanie paliwa Polysius'a do wylotu urządzenia do wstępnej kalcynacji w celu regulacji NOx.

Jednym sposobem niszczenia NOx wytwarzanych w strefie wysokotemperaturowej pieca do przetwarzania minerałów jest wytworzenie, w pewnym punkcie znajdującym się poniżej, strefy podstechiometrycznej o temperaturze 1255°K - 1644°K (1800° do 2500°F). Korzystnie, może to być wykonane poprzez wprowadzenie paliwa węglowodorowego na wyjściu z pieca, tak jak opisał to Polysius. Ograniczeniem tej techniki jest fakt, że gazy wylotowe z pieca są wysoce uwarstwione. Gazy na górze pieca są gorętsze i mają większą zawartość tlenu, a gazy przemieszczające się wzdłuż dna pieca są chłodniejsze i wzbogacone w dwutlenek węgla, pochodzący z resztkowego węglanu wapniowego z gorących zasobów wchodzących do pieca i prawdopodobnie bogatych w tlenek węgla pochodzący z węgla w dowolnej postaci, wprowadzanego z urządzenia do wstępnej kalcynacji.

Działanie wtryskiwanego paliwa może być polepszone poprzez osiągnięcie równomiernego rozprowadzenia strefy redukującej na przekroju przewodu. Poprzez dostarczanie energii mieszającej za pomocą wtryskiwania strumieni powietrza w piecu obrotowym, w celu przerwania uwarstwienia w piecu obrotowym, zapewnia się bardziej jednolity skład gazów w strefie redukcyjnej. Dalsze mieszanie wtryskiwanego paliwa, i wynikającej z tego strefy redukcyjnej, może być osiągnięte poprzez zastosowanie dodatkowych wysokoenergetycznych strumieni wtryskiwanego powietrza w stacjonarnej części pieca, w pobliżu końca wylotowego gazów naczynia obrotowego (patrz fig. 23).

Polepszenie przekazywania ciepła w piecu obrotowym w przykładowym piecu do prażenia wapienia jest opisane poniżej.

Gazy w strefie kalcynacji pieca do prażenia wapienia są wysoce uwarstwione. W piecu o średnicy 12' (11' I.D.) prędkość gazów piecowych typowo wynosi 9,15 - 15,25 m/sek (30 do 50 stóp na sekundę). Temperatura gazów nad złożem kalcynowanego kamienia wapiennego wynosi 1800° do 4000°, a złoże kamienia wapiennego i uwolniony dwutlenek węgla (masa cząsteczkowa 44, w przeciwieństwie do 29 dla gazów spalinowych) posiadają temperaturę kalcynacji rzędu 1560°F ( 850°C). W wyniku dużej różnicy gęstości pomiędzy gorącymi gazami spalinowymi i uwolnionym dwutlenkiem

PL 197 303 B1 węgla, złoże minerału pozostaje pokryte dwutlenkiem węgla. Przekazywanie ciepła zachodzi poprzez promieniowanie i dzięki podgrzanej ściance pieca, obracanej pod złożem minerału.

Wysokoenergetyczny strumień, który wprowadza obrotowy składnik do prędkości gazów piecowych, powoduje usunięcie warstwy dwutlenku węgla z kalcynowanego materiału. Umożliwia to bezpośredni kontakt gorących gazów spalinowych ze złożem minerału. Z powodu dostępnego teraz dużego obszaru powierzchni i większych różnic temperatury pomiędzy gazami spalinowymi i przetwarzanym materiałem (w porównaniu ze ścianką pieca), przekazywanie ciepła jest zwiększone.

Te wysokoenergetyczne strumienie przerywają ukształtowane uwarstwienie, a składnik obrotowy wzbudzany przez strumienie zapobiega ponownemu utworzeniu się uwarstwienia.

Poprzez doprowadzenie gorących, zawierających tlen gazów piecowych do kontaktu ze złożem minerału, palne składniki ze złoża, które poprzednio były przykryte dwutlenkiem węgla, mogą teraz ulec spaleniu. Te palne składniki mogą naturalnie występować w przetwarzanym minerale, albo też być wynikiem wprowadzenia paliwa stałego w celu zapewnienia energii dla procesu.

Istnieje wiele korzyści, które można osiągnąć w procesie poprzez przerwanie uwarstwienia, które jest nieodłączne dla złóż minerału w piecach obrotowych.

Wczesne wprowadzenie powietrza mieszającego - redukcja i zniszczenie NO_X poprzez wtryskiwanie powietrza poniżej strefy spalania drugorzędowego, jest przedstawione poniżej.

Redukcja NOx w długich mokrych albo długich suchych piecach do wypalania klinkieru cementowego została pomyślnie osiągnięta przy wykorzystaniu strefy spalania drugorzędowego w środku pieca. Około 10 lat temu torowano drogę technologii wtryskiwania paliwa w środku pieca, aby umożliwić spalanie w piecu do wypalania klinkieru cementowego stałych odpadów o zawartości energetycznej, takich jak całe opony. Jedną z korzyści ubocznych tej technologii była w przybliżeniu 30% redukcja emisji NOx.

Emisje NOx są wynikiem procesu spalania wykorzystywanego do wytwarzania cementu. Wysokie temperatury i warunki utleniające, wymagane do wytwarzania cementu, powodują także wytwarzanie tlenków azotu. W rezultacie działający piec będzie wytwarzał pewien poziom NOx. Poziom wytwarzanego NOx zależy od wielu czynników, ale jest przewidywalny. Wewnątrz każdego pieca zwiększanie i zmniejszanie poziomów emisji NOx typowo jest związane ze wzrostem i spadkiem temperatury w strefie spalania. Większość NOx jest wytwarzana przez jeden albo dwa różne mechanizmy ze strefy spalania. Pierwszym jest wysokotemperaturowe utlenianie azotu atmosferycznego, a drugim jest utlenianie zawierających azot składników paliwa. Większość emisji NOx z pieca do wypalania klinkieru cementowego stanowią NOx termiczne. Generalnie, NOx termiczne są tworzone poprzez bezpośrednie utlenianie azotu atmosferycznego w bardzo wysokich temperaturach. Reakcja ta jest bardzo czuła na temperaturę. Kiedy temperatura się zwiększa, to samo się dzieje z prędkością reakcji. Drugim źródłem emisji NOx są składniki paliwa zawierające azot. Typowy węgiel kamienny zawiera około 1,5% wagowych azotu. Składniki te przechodzą złożony szereg reakcji, które powodują przekształcenie części tego azotu w NOx. Ten zestaw reakcji jest niezmienny w całym procesie spalania i pozostaje względnie niezmieniony przez temperaturę. Bogate w paliwo płomienie dążą do zmniejszenia wytwarzania paliwowych NOx, a płomienie bogate w tlen dążą do zwiększenia albo wspomagania wytwarzania paliwowych NOx. W strefie spalania pieca, gdzie dla właściwej mineralogii klinkieru wymagane są warunki utleniające, proces spalania wspomaga produkcję paliwowego NOx. Istnieje kilka innych mechanizmów wytwarzania NOx. Normalnie ich skutki są względnie mało znaczące w porównaniu z NOx termicznym i paliwowym.

Układ wtrysku paliwa w środku pieca posiada popartą dowodami historię zapewniania znacznej redukcji NOx w długich mokrych albo długich suchych piecach do wypalania klinkieru cementowego. Wykorzystuje on uznaną technologię spalania stopniowego, w której część paliwa jest spalana w strefie spalania drugorzędowego, która znajduje się w pobliżu środka długiego mokrego albo długiego suchego pieca. Po zbadaniu efektów wtryskiwania paliwa w środku pieca, w piecu do wypalania klinkieru cementowego, określono, że posiada ono bezpośredni wpływ na mechanizm tworzenia się termicznego NOx. Obniża ono szczytową temperaturę płomienia, co zmniejsza wielkość emisji NOx, a dodatkowo istnieje możliwość ponownego spalenia NOx wytworzonego w wysokotemperaturowej strefie pieca, w strefie spalania drugorzędowego o niższej temperaturze.

Według niniejszego wynalazku wtryskuje się około 10% całkowitego powietrza do spalania przez dyszę, korzystnie taką posiadającą otwór o współczynniku kształtu większym niż jeden, do pieca poniżej strefy spalania drugorzędowego, z dużą prędkością (ze źródła ciśnieniowego zdolnego do zapewnienia różnicy ciśnienia statycznego przynajmniej 0,15 bara - 0,15 atm, a korzystniej przynajmPL 197 303 B1 niej 0,20 bara - 0,20 atm) i pod kątem względem przepływu gazów piecowych, w celu nadania gazom piecowym składnika obrotowego. Ten składnik obrotowy zapewnia o wiele lepsze poprzeczne mieszanie w piecu. Poprzez wymieszanie gazów piecowych wytwarza się polepszone spalanie i niższe emisje. Wtryskiwanie powietrza mieszającego wpływa na NO_X poprzez zmienianie dynamiki przepływu powietrza wewnątrz pieca. Poprzez dodanie powietrza mieszającego do strumienia powietrza poniżej punktu wprowadzania paliwa w środku pieca, ilość nadmiaru powietrza pomiędzy płomieniem głównym i wentylatorem powietrza mieszającego może być zmieniana. W niniejszym przykładzie paliwo ze środka pieca wykorzystuje teraz nadmiar powietrza pozostały po palniku głównym, i obok punktu wprowadzania paliwa w środku pieca nie występuje nadmiar powietrza. Ta sytuacja zapewnia możliwość chemicznej likwidacji NOx. Następnie powietrze mieszające dodaje 10% nadmiaru powietrza z powrotem do pieca, i zapewnia możliwość ponownego utleniającego spalenia resztkowych produktów niepełnego spalania.

Claims (35)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób mieszania strumienia g^^<^w piecowych o wysokiej temperaturze w naczyniu obrotowym pieca do przetwarzania minerałów dla zmniejszania emisji szkodliwych zanieczyszczeń w strumieniu gazów piecowych, posiadających wiele składników gazowych składających się zasadniczo z produktów spalania paliwa spalanego w gazie zawierającym tlen, obejmującym powietrze do spalania, przy czym naczynie posiada cylindryczną ściankę, koniec wlotu powietrza do spalania/palnikowy i koniec wylotowy gazów piecowych, znamienny tym, że wtryskuje się powietrze ze źródła o podwyższonym ciśnieniu z energią wynoszącą 1 do 10 watogodzin na 454 g (1 funt) wtryskiwanego gazu do strumienia gazów piecowych przez system wtrysku, przy czym wtryskiwane powietrze dostarcza się poprzez wlot z wielkością przepływu masowego mniejszą niż 15% przepływu masowego zużycia powietrza spalania, i strumieniowi gazów piecowych w piecu nadaje się moment obrotowego, oraz ogrzewa się gaz piecowy do temperatury większej niż 1255°K (1800°F).

2. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że powieerze wtryskuje się z ciśnieniowego źródła zapewniającego ciśnienie statyczne większe niż 0,20 bara (0,20 atm).

3. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że wtryskiwanepowieCrzz Κίθη-ηβ się na ε^ηΓ^θή gazów piecowych, nadając większości składowych wektora kierunkowego wtryskiwanego powietrza kierunek prostopadły do linii równoległej do osi obrotu naczynia.

4. Sposób według zaste. 1, znamienny tym, że ^tysk^e się pt^\w(^et^r^(e o prędkości 30,4 m/sek do 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) przez rurę wtryskującą powietrze, od otworu w naczyniu znajdującym się w punkcie zlokalizowanym poniżej przepływu gazów piecowych w strefie klinkierowania, oraz powyżej przepływu gazów piecowych w górnym końcu strefy kalcynowania, do dyszy umieszczonej w naczyniu w odległości od H do 2H, gdzie H stanowi wysokość złoża minerału (22), od ścianki naczynia, korzystnie pod kątem większym niż 45° względem segmentu linii równoległej do osi obrotu i rozciągającej się od punktu wtryskiwania poprzez koniec naczynia dostarczający minerał.

5. Sposób według zasSrz. 4, znamienny tym, że powierzę wit^sk^e się z cćśnieniowego źródła zapewniającego różnicę ciśnienia statycznego większą niż 0,15 bara (0,15 atm).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzę wit^sk^e się w liości wynoszącee 1% do 10% masy całkowitej powietrza do spalania wykorzystywanego podczas pracy pieca.

7. Sposób według z^^st^^. 1, znamienny tym. że wtιzy5kuje się sprężone pc^\weei^2^fe do części do wstępnej kalcynacji pieca w punkcie przed pierwszym cyklonem, z wielkością przepływu masowego odpowiadającą 1% do 7% całkowitego powietrza do spalania, oraz z prędkością 30,4 m/sek do 304 m/sek (100 do 1000 stóp na sekundę) i nadaje się moment obrotowy strumieniowi gazów spalania pieca do wstępnej kalcynacji.

8. Sposób według zasirz. 1, znamienny tym, że wtryskkwane przez ołwór wtrysk^ący powietrze kieruje się wzdłuż toru ruchu tworzącego kąt większy niż 45 stopni z linią przechodzącą przez otwór i równoległą do osi obrotu naczynia, oraz przechodzącą przez koniec wylotowy gazów.

9. Sposób według zasirz. 1, znamienny tym, że powieet'ze wit^sk^e się do naczynia obrotowego w punkcie mieszczącym się w obrębie dwóch średnic pieca od końca wylotowego gazów piecowych naczynia obrotowego.

10. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że powieetrze wit^sk^e się z wynoszącą 30,4 m/sek do 304 m/sek (od 100 do 1000 stóp na sekundę).

PL 197 303 B1

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do gazu zawierającego tlen dodaje się parę, dla zapewnienia obciążenia termicznego strumienia gazów piecowych.

12. Sposób według zas-trz. 1, znamienny tym, że do gazu z^\^i^r^^j^(^^c^o tlen dodaje się spaliny, dla zapewnienia obciążenia termicznego strumienia gazów piecowych.

13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że monitoruje się si^ł;^cłsti^inmern;ag£^^(^wpiec^(^wych wychodzącego z naczynia obrotowego.

14. Sposób według zastrz. 13, tym. że reguluje się skład gazu zawierającego den i/lub zmienia się prędkości wtryskiwania powietrza do strumienia gazów piecowych, dla minimalizacji zawartości NO_X w strumieniu gazów piecowych.

15. Sposób według zasitrz. 1, znamienny tym. że do strumienia gazów piecowych wprowadza się paliwo uzupełniające w pobliżu końca wylotowego gazów piecowych naczynia obrotowego.

16. Sposób wedługzassrz. 15, znamienny tym. że jako pallwo uzupełniającestosuje się odpad spalania, który dostarcza się przez otwór w ściance naczynia do obszaru kalcynowania.

17. Sposób według zastrz. 15 albo 16, znamienny tym. że spala się pallwo uzupełniające dostarczane przez otwór przelotowy w naczyniu obrotowym umieszczony poniżej, względem przepływu gazu w piecu, miejsca w którym powietrze jest wtryskiwane do pieca.

18. Sposób według zas-trz. 1, znamienny tym, że p<^'^i^tr^^^ wtryskuue się z ciśnieniowego źródła zapewniającego różnicę ciśnienia statycznego większą niż 0,15 bara (0,15 atm).

19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że powietrze wttyskuie się do naczynia obrotowego przez rurę wtryskującą powietrze, rozciągającą się od otworu przelotowego w ściance naczynia obrotowego w głąb naczynia obrotowego, oraz kończącą się dyszą do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu obrotowym.

20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że powietrze wtryskuje się do naczynia obrotowego przez co najmniej dwie dysze.

21. Sposób według zastrz. 18 albo 19, znamienny tym. że wtryskiwanym powietrzem nadaje się gazom spalinowym, przepływającym przez naczynie obrotowe, moment obrotowy.

22. Sposób według zastrz. 18 albo 19, znamienny tym, że wywołiue się turbulentny przepływ w naczyniu.

23. Sposób według zastrz. 18 albo 19, znamienny tym, że wywołuje się przepływ obrotowy w naczyniu.

24. Sposób według zas-ttK 1, znamienny tym, że powierzę z otoczenia przed wtιryśnięciem do naczynia spręża się do ciśnienia od 2,76 bara do 10,35 bara (od 40 do 150 funtów na cal kwadratowy).

25. Piec do wypalania klinkieru cementowego ze wstępną kalcynacją służący do wytwarzania klinkieru cementowego z dostarczanego minerału, zawierający obrotowe naczynie podgrzewane za pomocą palnika głównego oraz stacjonarne naczynie do wstępnej kalcynacji, połączone poprzez przepływ gazów i przepływ minerału z naczyniem obrotowym, znamienny tym, że zawiera stacjonarne naczynie zawierające cylindryczną ściankę (14) oraz koniec wlotowy (16) powietrza spalania i koniec wylotowy (18) gazów spalania oraz palnik drugorzędowy, i zawiera system wtrysku powietrza zawierający rurę (32) i dyszę (36) kończącą się w otworze wtrysku usytuowanym w naczyniu stacjonarnym, oddalonym zarówno od ścianki naczynia i osi obrotu pieca.

26. Piec według zastrz. 25, znamienny tym, że zawiera elementy do dostarczania powietrza pod ciśnieniem do dyszy (36) i do naczynia.

27. Piecwedługzastrz. 25 albo 26, znamienny tym, że zawieea wiele dysz(36) mającychwyloo w naczyniu do wstępnej kalcynacji.

28. Piec według zasirz. 25, znamienny tym. że zawiera pochylone naczynieobrotowe (12) posiadające palnik główny (24) i wlot powietrza do spalania na jego dolnym końcu oraz rurę wtryskującą powietrze (32), rozciągającą się od otworu przelotowego w ściance naczynia w głąb naczynia obrotowego (12), i kończącą się dyszą (36) do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu, przy czym otwór przelotowy jest zlokalizowany w takim punkcie wzdłuż dolnej połowy długości naczynia obrotowego (12), aby mieszać gaz uwolniony ze złoża minerału z gazami spalinowymi z palnika głównego oraz wentylator (34) albo sprężarkę komunikującą się poprzez przepływ powietrza z rurą (32) wtryskującą powietrze, oraz regulator dla wentylatora (34) albo sprężarki, do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca (10).

29. Piec według zas-trz. 25, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwie rury wtrysk^ące powietrze (32) do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego (12), przy czym każda rura wtryskująPL 197 303 B1 ca (32) jest zakończona dyszą (36) do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż wcześniej określonego toru ruchu w naczyniu (12).

30. Piec według zastrz. 25, znamienny tym, że jeżell piec zawierazłoże minerału (22) o wysokości H, to otwór wtryskujący powietrze jest oddalony od ścianki naczynia przynajmniej o odcinek o długości H.

31. Piec według 25, tym, że jeżell głębokość ztoża minerału (22) wynosi H, to dysza (36) jest umieszczona w naczyniu obrotowym w odległości H do 2H od ścianki naczynia obrotowego (12).

32. Piec według 28, znamienny tym, że zawiera oowór dc^^t^r^c^^^j^(cc/ pallwo uzupełniające i rurę zrzutową (60) rozciągającą się od otworu dostarczającego paliwo uzupełniające w głąb naczynia obrotowego (12), w punkcie naczynia obrotowego (12) znajdującym się, względem przepływu gazów piecowych, poniżej lokalizacji rury wtryskującej powietrze (32).

33. Piec według zastrz. 25, znamienny tym, że dysza (3Q) posiada otwór o przekroju kątnym albo eliptycznym.

34. Piec według zastrz. 25, znamienny tym, że dysza (3Q) albo dysze są skierowane w głąb naczynia, dla optymalizacji mieszania poprzecznego gazów w naczyniu.

35. Piec według zastΓz. 32, zi^^r^i^nnny tym, że zawiera dodatkową rurę wtr/skującą powierzę do wtryskiwania powietrza do naczynia obrotowego (12), przy czym dodatkowa rura wtryskująca (32) rozciąga się od otworu przelotowego w ściance (14) naczynia w głąb naczynia obrotowego (12), oraz kończy się dyszą (36) do kierowania wtryskiwanego powietrza wzdłuż określonego wcześniej toru ruchu w naczyniu, przy czym dodatkowa rura (32) wtryskująca powietrze jest umieszczona w punkcie naczynia obrotowego (12) znajdującym się poniżej, względem przepływu gazu w piecu, otworu dostarczającego paliwo uzupełniające, wentylator (34) albo sprężarkę komunikującą się poprzez przepływ powietrza ze znajdującą się poniżej rurą (32) wtryskującą powietrze, oraz regulator dla wentylatora (34) albo sprężarki, do regulacji prędkości wtryskiwania powietrza do pieca, poniżej punktu wtryskiwania powietrza.