用於焚燒含碳物料的方法
2023-06-15 12:08:31 2
專利名稱：用於焚燒含碳物料的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在豎窯中焚燒含碳物料的方法，其藉助重力作用依次穿經一個預熱區，至少一個焚燒區和一個冷卻區，並最後到達一卸料設備中，在焚燒區或者其鄰近區域中的燃料供送是藉助於若干個穿經窯身側壁的燃燒噴槍來實現的，而燃燒空氣在過壓下作為冷卻空氣進行供送。
尤其是當焚燒小顆粒物料時，即在大部分待焚燒物料的顆粒尺寸小於30mm時，就會產生這樣的問題，即需要均勻地向所述物料供送所需熱量，以使得各個顆粒均能夠充分燃燒，而不會因為局部過熱而產生顆粒燒結在一起和在窯中形成固塊(solid bridge)的現象。如果需要在輕度燃燒生成物上方和之外進行更深程度焚燒的話，這個問題尤其明顯。
對於小顆粒的燃燒物料和均勻焚燒以及其所產生的生成物的質量而言，最適於使用轉窯，因為劇烈的物料循環可以確保向各個顆粒或者粉粒傳遞適宜而均勻的熱量。然而，其缺點在於，其結構複雜且成本較高，並且會在由於高度磨損和輻射及廢氣所致高度熱散失而造成的高運轉成本基礎上相應地增加資金消耗，當諸如用於深度燃燒或者其他生成物的質量，比如中度燃燒、深度燃燒、和燒結物需要利用較高的溫度時，其具有十分顯著的影響。
另外一種向焚燒製品均勻供送進行燃燒所需熱量的方法是在攪拌式燒窯中將燃料，即高爐焦碳混合到待焚燒物料中。然而，攪拌式燒窯並不適合於小顆粒物料。其明顯缺點在於，高爐焦碳燃燒後的灰燼會遺留在充分燃燒的生成物中，結果導致生成物的質量較低，顏色灰暗。
利用所謂的MAERZ窯基於平行流動回熱方法(regenerativemethods)在複式豎窯中可以實現一種節約能量的工作方式。在這種窯中的燃料供送是通過以懸置方式插入在焚燒物料中的燃燒噴槍來實現的，並且所述噴槍均勻地分布在送料區的窯身橫截面上。然而，這種公知的豎窯只適用於輕度燃燒生成物。
US-A-5,460,517中描述了如何在豎窯中進行送料的時間內通過特定的顆粒尺寸分布來對小顆粒燃燒物料進行焚燒的方法，其利用了一種特殊結構的窯身腔室。
如果將適於深度燃燒生成物的燃料量供送到一豎窯的燃燒區域中，為了獲得所需的燃燒溫度，至今為止，在窯身的橫截面上獲得均勻溫度分布方面，尤其是在避免因為局部過熱而產生燒結方面均遇到了不可逾越的困難。
US-A-4,094,629中提出了通過將其構造成環形結構並且在內壁上設置額外的燒嘴口來達到減小窯身橫截面寬度的目的。通過這種方式，可以使得燃燒物料在重力作用下均勻地向下移動，而物料流不會受到在窯身中所設裝置的幹擾。
GB-A-1111746中描述了杆狀燒嘴支撐件形式的裝置，其是通過在所有情況下接收比如二十個具有相當寬的橫截面的液體冷卻燒嘴而形成的，從而明顯減少了有效的豎窯橫截面積，但卻伴隨著燃燒物料在重力作用下移動時發生局部阻礙現象。
對各種燃燒方法的綜述，包括前述在回熱複式豎窯中的燃燒方法，均在Robert S.Bynton編輯的1987年第2期「石灰和石灰石化工技術」手冊中披露。
本發明目的在於尋找一種前述類型的方法，以使得其能夠在豎窯中以經濟的方式對尤其是小顆粒的燃燒物料進行不同程度的燃燒，直至徹底燃燒，以便得到高質量的生成物。
根據本發明，該目的是通過一種前述類型的方法而得以解決的，並且其特徵在於，燃料的供送藉助於許多燃燒噴槍來實現，所述燃燒噴槍可移動到窯身腔室中並且通過選擇其噴口的位置、以這樣一種方式垂直於窯身側壁設置，即在各個噴槍處所形成的火焰共同形成一個火焰區，該火焰區至少大致在整個窯身橫截面上延伸。
由於各個燃燒噴槍最好只需要形成一個獨立的火焰，所以與具有許多燒嘴的燒嘴支撐件來說，其具有一個有限的橫截面並且從而使得僅對燃燒物料流產生很小的影響。並且還可以驚奇地發現，噴槍仍然具有足夠的抗彎剛度，以吸收其周圍流過的顆粒狀燃燒物料的壓力。燃燒物料的顆粒大小最好被限制到70mm。
由於各個燃燒噴槍垂直於窯身側壁進行延伸，所以能夠確保所述噴槍與窯身側壁之間不會存在可能積累燃燒物料的間隙。由於對燃燒噴槍所延伸入的窯身橫截面的局部限制可以通過在若干個疊置的平面上沿圓周設置燃燒噴槍，這些疊置的平面相對於其他平面偏移，從而能夠將所需的燃料量供送並均布到若干個窯身平面上。
本方法的進一步有益改進構成了從屬權利要求的主題，並可以從下面的描述和所附附圖中得出，其中
圖1圖示出了一單獨豎窯的軸向剖視圖，該豎窯帶有在三個平面上以懸置方式延伸入窯身中的燃燒噴槍。
圖2一與圖1相對應的單獨豎窯，但在窯身中設置有熱交換管道。
圖3一在燃燒噴槍結構的上部平面附近穿經圖1或圖2中所示豎窯的非按比例徑向剖面圖。
圖4一在燃燒噴槍結構的中間平面附近穿經圖1或圖2中所示豎窯的徑向剖面圖。
圖5一在燃燒噴槍結構的下部平面附近穿經圖1或圖2中所示豎窯的徑向剖面圖。
圖6一表示徑向溫度分布與一具有相對寬度的窯身橫截面之間關係的圖表。
圖7-9分別安置在一用於粉狀、液態和氣態燃料的豎窯中的燃燒噴槍橫截面示意圖。
圖10一表示在根據圖1所示豎窯中縱向溫度分布的圖表，其中在該豎窯中在三個燃燒平面上供送用於輕度燃燒的燃料。
圖11一與圖10相對應的圖表，但是是在根據圖2所示的豎窯中。
圖12一表示在根據圖1所示豎窯中縱向溫度分布的圖表，其中在該豎窯中僅在一單一燃燒平面上供送用於深度燃燒的燃料。
圖13一與圖12相對應的圖表，但是是在根據圖2所示的豎窯中。
圖14一根據回熱方法的複式豎窯，該豎窯帶有懸置式橫向定位的燃燒噴槍。
圖15一根據回熱方法的複式豎窯，該豎窯僅帶有橫向定位的燃燒噴槍。
圖16一根據回熱方法的複式豎窯，該豎窯僅帶有橫向定位的燃燒噴槍，並且在上部窯身區域設置有熱交換管道。
在圖1中以縱向剖面圖形式所示出的單一豎窯被豎直設置，並且至少自工藝點火點起跨經其長度的大部分區域具有一有恆定橫截面的窯身腔室2，它可是圓形、橢圓形或多邊形。在對應於圖2至4所示橫截面的實施例中，其橫截面為圓形，具有鋼製外壁3，並且由於所需的工藝溫度較高，在其內部至少設置有一層磚砌的高熔點襯層4。
窯身腔室2的高度由待處理燃燒物料的滯留時間所決定，燃燒物料的滯留時間又與藉助於卸料設備5所設定的輸送速率有關。這些滯留時間分布在一與裝料區6相連接的上部預熱區7，一在其下方緊接的焚燒區8以及一延伸至卸料設備5的冷卻區9上。
氣態、液態或粉狀燃料的供送，最好與一次燃燒空氣一起，藉助於多個燃燒噴槍13來實現，這些燃燒噴槍13設置在一個或多個平面10-12上，並穿過窯身側壁3、4延伸到窯身腔室2內。
由於所述燃燒噴槍在大量的物料中垂直穿過磚襯窯身側壁3、4進行人工軸向移動，所以可以定位噴槍口14，並且在此處所系統形成的火焰，或者在利用探針所測定的溫度基礎上所形成的火焰，以這種方式分布在窯身的橫截面上，即在所述窯身平面內存在一大致均勻的焚燒溫度。這種均勻的溫度分布在根據圖6所示的圖表中由中間曲線15的平直部分路徑表示。同噴槍口14與窯身側壁3、4內表面相平齊情況下的溫度曲線相比，溫度圖形將對應於溫度曲線16向窯身的中部降低，並且產品的燃燒程度也不相同。窯身側壁附近的溫度將會很高以致於具有燒結在一起的危險，而窯身中部的溫度又太低，並且低於由曲線17所指示的最低焚燒溫度。可以由圖表的橫坐標所讀出的徑向位置僅與特定窯身直徑相關，但與特定的窯身直徑不成比例。雖然可以利用較大的窯身尺寸，比如直徑為3-4米，但是窯身直徑可以與1的半徑相一致。
由於燃燒腔室8中的高溫，至少趨於進一步延伸到窯身2中的燃燒噴槍13在燃燒管道18的周圍帶有冷卻套管19，並且該套管19帶有用於冷卻液體通過的連接件20,21。在需要較低熱應力的燃燒噴槍13處，可以替代冷卻套管將耐熱材料用於特定的噴槍區域。這樣就減少了經由冷卻介質所產生的熱量擴散。
燃燒管道18有一個連接件22，用於供送一次燃燒空氣。在燃燒噴槍13的後端，接入一與其同軸的燃料供送管道23、24或25，並且根據所利用的燃料性質而具有不同的構造。在利用粉狀燃料的情況下，所述燃料供送管道被加工成對應於圖7中所示的短連接件23。對於液態或氣態燃料而言，燃料供送管道24或25恰好延伸到燃燒噴槍13的噴口14之前，其目的是在那兒與流入周圍環形管道26中的一次燃燒空氣相混合。
燃燒噴槍13穿經窯身側壁3、4時雖然具有可移動性能，但是相對於豎窯中的過壓氣體來說卻是密閉的，在任何情況下均由一連接在一壁孔27外部的填料箱式密封件28來保證。
圖3-5圖示出了設置在三個平面上的燃燒噴槍13的不同角度分布，以便燃燒噴槍13能夠與另一平面中的其他噴槍成角度地發生移動。由於在附圖中結合不同的燃燒平面10,11和12以示例方式所給出的燃燒噴槍13的插入位置不同，即使在僅有小火焰形成的情況下，在各個噴口14處所形成的火焰也會大致覆蓋窯身的橫截面。這些火焰的大小由幾個因素決定，即燃料的量，一次和二次燃燒空氣的量，及燃燒物料的顆粒尺寸。小的顆粒尺寸將使得大量物料夯實並減緩火焰的蔓延，然而，顆粒尺寸的限定範圍最好小於70mm，這樣有利於減少橫向突伸於流動的大量物料中的燃料噴槍13的機械應力，並有利於減少對其進行調整的滯留時間，以便通過使得滯留時間縮短來防止燃燒物料燒結在一起。為了燃燒均勻，顆粒尺寸的分布應當在儘可能小的範圍內。
如果在實施這個方法時，所利用的燃燒物料的顆粒尺寸遠大於最大值70mm，那麼就必須採取特殊的措施來防止延伸到窯身腔室2內的燃燒噴槍13發生過載或過應力現象。例如，特定的燃燒噴槍可以以移動杆方式進行夾持，在窯身側壁3之外設置一測力點並設置一能夠產生機械震動的裝置，當超過允許的力時，該機械震動裝置自動起動。利用這種方式，如果其上產生了物料堆積，那麼燃燒噴槍將發生自由振動。噴槍的這種振動有利於使得其插入到填滿的窯身腔室2中。
在各個獨立的燃燒平面10、11、12上的燃料供送可以獨立地減小為零，從而作為預定燃燒程度和在一具體溫度範圍內滯留時間的函數，可以在窯身的縱向或者自下向上的空氣流動方向上獲得特定的溫度分布圖形。
所述空氣由至少一個在圖中未示出的吹風機在卸料設備5的附近進行高壓供送，其中所述卸料設備5比如可以被構造成滑動工作檯，以便與大量物料柱逆向向上流動，所述大量物料由於顆粒的重力作用而向下移動。在冷卻區9中，其首先用作冷卻空氣，並且隨後在焚燒區8中比如用作二次燃燒空氣，並最終在豎窯的上部預熱區7中對待焚燒的物料進行預熱。根據本發明的一優選實施例，它用於對從被設置成懸置形式的熱交換管道29流向燃燒噴槍13的一次燃燒空氣進行預熱。
燃燒噴槍13或它們的噴口14的主要創造性結構在於，其分布在窯身的橫截面上，這樣就可以形成一種新穎的工藝控制方式，尤其是在很短的滯留時間內可使得火焰溫度高達1800℃，並且不會發生在這種溫度下將會發生的物料燒結在一起的現象，即形成塊狀，以便帶來一個至今在利用氣態、液態及粉狀燃料的豎窯中所從未達到過的深度燃燒。
圖10-13中的圖表示出了在一特定滯留時間下用於燃燒物料-石灰石(CaCO3)的溫度分布圖，該溫度分布圖以豎窯的縱向剖面為基礎，所述縱向剖面是對燃料進行控制的結果，所述燃料又與經由燃燒噴槍13所供送的適用一次空氣及以逆流形式供送的二次燃燒空氣一起進行供送。連續的實線30表示了燃燒物料的溫度，而由於燃燒和冷卻或者二次燃燒空氣所形成的燃燒氣體的溫度由虛線31示出。
為了產生如圖10至11中所示的輕度燃燒生成物，燃料由設置在三個燃燒平面10至12上的燃料噴槍13進行間斷式供送，並且所供送的量遠小於用於深度燃燒生成物所需的量，以便使得火焰溫度與三個溫度峰值32至34相一致，其中在第一燃燒平面上約為1200℃，在第三燃燒平面上約為1400℃。自頂部向底部流動的燃燒物料依次穿經第一焚燒區30，首先接觸到溫度達1200℃的燃燒氣體，並在下一燃燒平面上接觸到高達1400℃的更熱燃燒氣體。以逆流方式向上穿經燃燒氣體的小顆粒燃燒物料將在到達第一燃燒平面時已經被預熱到約1000℃，並且在到達第三燃燒平面時溫度達到1200℃。由於在三個燃燒平面10,11,12上分布了所需量的燃料，所以焚燒區8在窯身方向上相應伸長，並且燃燒物料在焚燒區域8中的滯留時間也相應增加。
到目前為止，除了攪拌式窯爐外，對石灰石的焚燒均不可在豎窯中進行，根據圖12所示實施例，其在單一平面12上供送燃料和一次燃燒空氣，並且火焰溫度約為1800℃。所述燃燒物料的顆粒大小為5至70mm。令人驚奇的是在高達1400℃的焚燒溫度下不會導致燃燒物料的顆粒燒結在一起而形成團塊和固塊。這是因為在最高溫度下的滯留時間很短，這與圖12所示圖表中燃燒物料的溫度曲線31的尖頂圖形相對應。這個溫度分布的形成源於這樣一個事實，即沒有利用額外的燃燒平面，並且燃燒物料只沿窯身方向穿經了焚燒區8的相應較短的延展區。
在對應於圖1所示單一豎窯1的結構中，在預熱區7進行冷卻的燃燒氣體離開豎窯時的溫度大約為330℃，從而相應地散失掉了大量熱能。由於在廢氣流中有大量的塵埃，所以在接下來的熱交換器中所進行的回收操作將快速地形成沉澱，以阻礙熱傳遞的進行。在如圖2所示對本發明所作的一優選改進中，燃燒氣體中的部分熱能通過一管道39被用於對向燃燒噴槍13供送的一次燃燒空氣進行預熱。這種加熱在豎窯1』中進行，燃燒空氣穿經熱交換管36，而該熱交換管36又通過一個輸送和返回部件37、38而埋設於預熱區域7內的燃燒物料中，所述輸送和返回部件以垂直懸置的方式分布在窯身2的圓周上或者均布在該窯身的橫截面上。由於熱交換管道36在豎窯1』中被設置成能夠直接與被燃燒物料和燃燒氣體相接觸，所以通過熱傳導、對流和輻射可以得到一非常好的熱傳遞。另外，管道36的熱交換表面由於燃燒物料在重力作用下沿它們流下而得到自動清潔。與一沒有對一次燃燒空氣進行任何預熱的豎窯相比，所節約的熱能大約為7-10％，廢氣溫度也從大約330℃降到了大約190℃。
圖11和13示出了在窯身方向上由於管道36中額外的熱交換所產生的不同溫度分布圖。
如圖14至16所示實施例中的雙豎窯40、40』和40」均以公知的MAERZ豎窯那樣利用回熱方法進行工作。這意味著兩個窯身41、42在焚燒區下方的過渡區43處彼此橫向連通，來自於卸料區45中的冷卻空氣以逆流方式被連續供送，來自於裝料區46的燃燒空氣以平行流的方式選擇性地流入窯身41、42的一個或另一個中，同時從豎窯40、40』和40」所排出的廢氣穿經相鄰的窯身42或41的預熱區。在豎窯中這些流動狀態的轉換可以以一定的時間間隔發生，比如每隔10至15分鐘。圖14至16利用方向箭頭示出了氣體的工作狀態，其中，經由管道47向窯身41中提供燃燒空氣，而通過管道48從另外一窯身42中排出氣體。利用同樣的轉換原理，可以對超過兩個平行窯身41、42的豎窯選擇性地進行工作狀態轉換。
與被稱為MAERZ窯爐的平行流動回熱豎窯(parallelflow-regenerative kiln)不同，其中與操作間隔相對應，燃料被以平行流的方式與燃燒物料一起被選擇性地僅送入一個或者其餘窯身中，燃料的供送在兩個窯身41、42中同時發生，以便在所述窯身之一中燃燒空氣可以平行地導入燃燒物料中，而在其餘窯身中以逆流方式進行。因此，所有所需的燃料供應被分配在兩個窯身41,42中的燃燒噴槍裝置上。與在單一窯身41或42中平行流動燃燒操作的情況不同，在另一窯身41或42中進行燃燒的同時在冷卻區49中燃燒空氣被預熱，並且從而減少了廢氣量，又相應地提高了能量利用率。與平行流動相比，回熱MAERZ型窯爐在焚燒石灰石時，廢氣減少25％。這就提高了二氧化碳的濃度，從而可以將廢氣有益地用於需要含高濃度二氧化碳成分的氣體的化學工藝中。
在如圖14所示的雙豎窯中，除了燃燒噴槍51從燃燒物料50上方插入外，在過渡區43附近燃燒噴槍52也橫向插入燃燒物料50中。在轉換燃燒操作之後，緊接著在同一窯身中替代懸置的燃燒噴槍51將橫向插入的燃燒噴槍52置於工作狀態，同時在另一窯身中同時反向轉換燃燒噴槍52和51的工作狀態。沿窯身方向在燃燒噴槍51,52的噴口處所形成的火焰方向由火焰53、54進行表示。它們還清楚地表示出窯身41中的橫向燃燒噴槍52在懸置在所述窯身41中的噴槍51工作期間內被關閉，而在另一窯身42中噴槍52被接通進行工作。
在圖15所示的雙豎窯中均在兩個窯身41、42中橫向設置有燃燒噴槍55。圖16所示的雙豎窯中在預熱區56中也以懸置方式設置有熱交換管道58，用於對一次燃燒空氣進行預熱，所述預熱利用與圖2所示單一豎窯相結合的前述方式進行。
通過將燃料同時在第二窯身中以逆流方式穿經燃燒噴槍52、55而導入燃燒物料中，在保證高熱效率前提下，公知的回熱方法也能夠有利地適用於對中度和深度焚燒的生成物進行製備。
權利要求
1．一種在豎窯中焚燒含碳物料的方法，其藉助於重力作用依次穿經一個預熱區，至少一個焚燒區和一個冷卻區，最後到達一卸料設備中，其中在焚燒區或者其鄰近區域中的燃料供送藉助於若干個穿經窯身側壁的燃燒噴槍來實現，而燃燒空氣在過壓下被作為冷卻空氣進行供送，其特徵在於所述燃料的供送藉助於多個燃燒噴槍來實現，這些燃燒噴槍可垂直於窯身側壁、通過選擇其噴口的位置而以這種方式移動到窯身腔室中，即在燃燒噴槍上所形成的各個獨立火焰共同形成一個火焰區域，該火焰區域至少基本在整個窯身橫截面上延伸。
2．根據權利要求1所述的方法，其特徵在於燃料的供送是藉助於若干個疊置的燃燒噴槍組來實現的，每組中的這些燃燒噴槍在所有情況下均至少近似地被設置在同一平面上，並且與焚燒區域中所需焚燒程度成函數關係的所述豎窯縱向上的溫度曲線可以通過調整向一個或者多個獨立噴槍組所供送的燃料來對其進行控制。
3．根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述窯身橫截面上的溫度分布是通過移動焚燒噴槍來進行調整的，並且從而在豎窯工作過程中燃燒噴槍孔噴口的徑向位置是由探測頭或者由製品質量所決定的溫度值的函數。
4．根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於為了由各個獨立的疊置火焰區域在窯身橫截面上形成一均勻統一的覆蓋區域，所述疊置噴槍的移動方向沿窯身的圓周方向相互交替排列。
5．根據權利要求1到4之一所述的方法，其特徵在於所述焚燒噴槍除了供送燃料外還供送燃燒空氣，所供送的燃燒空氣量是可以調整的，並可以根據需要減小到零。
6．根據權利要求5所述的方法，其特徵在於藉助於所述焚燒噴槍所供送的燃燒空氣通過流經熱交換管道而在預熱區域中被加熱，所述熱交換管道與所述窯身側壁平行設置，並且分布在豎窯橫截面上且懸置在該豎窯中的預熱區域內。
7．根據權利要求1到6之一所述用於在一複式豎窯中利用回熱方式進行焚燒的方法，該方法是通過在窯身之間以平行流方式間隔地供送燃燒空氣，並且在所述窯身的下部區域中以逆流方式連續供送冷卻空氣而實現的，其特徵在於在一個窯身中以平行流方式供送燃料時，在一個或多個與該窯身橫向連通的窯身內帶有或者沒有燃燒空氣的燃料藉助於燃燒噴槍供送，所述燃燒噴槍設置在焚燒區域中並且可以橫向移入窯身側壁中。
8．根據權利要求7所述的方法，其特徵在於在所有情況下，在所述窯身之一中進行回熱操作的一個周期內，燃料的供送是藉助於懸置的燃燒噴槍以平行流方式進行的。
9．根據權利要求1到8之一所述的方法，其特徵在於焚燒噴槍的最大插入深度接近於所述窯身橫截面的中心處，以便由其所產生的火焰可以達到所述中心處並且窯身腔室的內直徑可以被縮小到3米。
10．根據權利要求1到9之一所述的方法，其特徵在於為了進行焚燒，焚燒物料的顆粒尺寸被選定在5至70毫米的範圍內。
11．根據權利要求1到10之一所述的方法，其特徵在於經焚燒噴槍噴射出的冷卻介質流至少最遠能夠進入所述窯身腔室中。
全文摘要
在一種用於焚燒含碳物料的方法中，含碳物料在重力作用下以與冷卻和燃燒空氣逆流的方式穿經一豎窯。藉助於燃燒噴槍所供送的燃料以垂直於窯身側壁的方式被導入顆粒狀燃燒物料中。通過利用這種燃料供送方法對顆粒尺寸及滯留時間進行限制，可以達到很高的焚燒溫度，甚至適用於深度燃燒並且不會產生任何顆粒狀燃燒物料燒結在一起的現象。
文檔編號C04B2/00GK1317679SQ0111636
公開日2001年10月17日 申請日期2001年4月10日 優先權日2000年4月11日
發明者漢內斯·皮林格, 沃爾特·埃格 申請人:梅爾茲-奧芬布股份公司