高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置製造方法
2023-07-07 07:34:11 2
高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，特別是一種無氨脫硝的水泥熟料煅燒裝置。該裝置由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料管7、C4級旋風筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組成。使用該裝置的工藝煅燒水泥熟料，NOX≤300ppm、熱效率高節能顯著、煤種適應性廣，大幅提高產量、降低生產成本，有利於環保。
【專利說明】高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，特別是 一種無氨脫硝的水泥熟料煅燒裝置。
【背景技術】
[0002] 水泥行業氮氧化物的排放量佔全國工業排放總量的15%左右，已是居火力發電、 汽車尾氣之後的第三大氮氧化物排放大戶。工信部582號文件關於水泥工業節能減排的指 導意見，提出氮氧化物在2009年的基礎上降低25%。同時新建或改擴建水泥(熟料)生產線 項目必須配置脫硝裝置。且脫硝效率不低於60%。因此，探討水泥行業最佳可行的脫硝技術 顯得尤為迫切。
[0003] 迴轉窯是新型幹法水泥物料燒成的關鍵技術裝備，也是NOx的主要來源。煅燒 水泥熟料時生成一氧化氮N0的途徑主要有四種，即第一種熱力NOx，它是燃料在水泥窯頭 1400°C以上燃燒時會產生大量NOx ;第二種瞬發NOx，它是有碳氫根存在時，於火焰前端瞬 發形成的N0x，一般這種瞬發N0生成量的比例很小；第三種燃料N0,它是由燃料中所含的化 學接合氮所產生的。因為燃料中氮原子的接合能較小，所以在水泥窯系統相對較低溫的分 解爐內產生的燃料N〇x較多；第四種生料 N〇x，它是由窯餵料中含氮的化合物分解後而形成 的NOx。在窯廢氣中N02 -般僅佔N0+N02總量的5%以下，N0則佔總量的95%以上。國內 運行的幹法水泥窯NOx排放濃度大約在600?1400mg/Nm 3左右。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於克服現有技術不足，提供一種新一代高產節能無氨脫硝集成一 體化的高效水泥熟料煅燒方法及裝置，使用該裝置的工藝煅燒水泥熟料，可大幅降低NOx 排放量，氮氧化物《300ppm，與此同時大幅提高產量、熱效率高、煤種適應性廣、降低生產成 本。
[0005] 本發明是這樣實現的：高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置由 迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料管7、C 4級旋風筒 8、(：5級旋風筒9及縮口環10組成； 其中迴轉窯1與強力還原區2相連，強力還原區上部與三次風管4連接，形成再燃燒區 5, C4級旋風筒8與下料管7上裝有熱生料分料閥，熱生料分料閥連接上下兩根料管，通過對 上下料管分料調節，再燃燒區5與分解爐6相連，在分解爐6內煤粉與風進一步混合、達到 完全燃燒， 當不用分料閥時，設置好(；下料管置燃燒區的高度h，相當於入再燃燒區熱生料的平均 高度不同，則再燃燒區溫度也不同，最終使生料達到最大的分解，再通過C5級旋風筒9進入 迴轉窯內煅燒成熟料。
[0006] 使用由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料管 7、C 4級旋風筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組成的裝置， 且迴轉窯內的主燃燒區1與再燃燒區5用煤比例在20:80-40:60,煤由強力還原區2全 部噴入主燃燒區產生的980°C?1KKTC煙氣中，形成強力還原區2,煤在此區內分解出大量 的CO、CHi、H2、HCN和固定碳等還原劑，將窯內產生的NOx還原成隊氣； 煤在強力還原區中同時還被預熱，並與三次風熱空氣混合後快速著火燃燒，調節分料 閥(或無調節閥時需調整好C4下料點高度h)將溫度控制為850°C?1100°C，著火的煤粉、 空氣與生料通過一縮口環10,進入分解爐，而後進入C 5旋風筒9經分離後物料入窯。
[0007] 所述的強力還原區2是由CaC03分解用煤全部從三次風管與窯尾煙室縮口之間的 位置餵入而形成。
[0008] 所述的四級筒下料管為單管時：對分解爐下料點位於三次風管之上，高於三次風 管0.5米以上。
[0009] 所述的四級筒下料管為上下兩管時，上管位置可在縮口環10之上或之下。
[0010] 本發明具有以下效果： (1)在不增加成本，增強水泥煅燒性能的前提下，N0X排放濃度大幅度降低，大大減少了 對空氣的汙染，有利於環境保護。
[0011] (2)分解爐燃盡率高、熱效率高，在降低N0X排放的同時大幅降低煤耗及電耗； (3) 因為實現了煤的強化燃燒，可使窯產量大幅提高（20%以上）； (4) 由於燃燒效率的有效提高，使得分解爐對煤種的適應性得到很大的增強，特別是可 以使用低劣煤及揮發很低的煤種，因而可降低水泥熟料的生產成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 下面結合附圖及【具體實施方式】詳細說明本發明的工藝及裝置，但本發明的技術方 案不限於附圖所示。
[0013] 圖1是脫硝技術原理圖。
[0014] 圖2是迴轉窯頭與窯尾溫差示意圖。
[0015] 圖3是本發明裝置(不帶分料閥）的原理圖。
[0016] 圖4是本發明裝置(帶分料閥）的原理圖。
[0017] 圖5是迴轉窯熱平衡示意圖。
[0018] 圖6為圖4裝置(帶分料閥）的結構示意圖。
[0019] 圖7為圖5裝置(不帶分料閥）的結構示意圖。
[0020] 圖8為本發明裝置(帶分料閥）的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 本發明裝置由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、 下料管7、C 4級旋風筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組成； 其中迴轉窯1與強力還原區2相連，強力還原區上部與三次風管4連接，形成再燃燒區 5, C4級旋風筒8與下料管7上裝有熱生料分料閥，熱生料分料閥連接上下兩根料管，通過對 上下料管分料調節，可控制再燃燒區5的溫度，再燃燒區5與分解爐6通過縮口環10相連， 在分解爐6內煤粉與風進一步混合、達到完全燃燒。
[0022] 當不用分料閥時，設置好(；下料管置燃燒區的高度h，使入再燃燒區熱生料的平均 高度不同，其溫度也不同，達到控制溫度的目的，最終使生料達到最大的分解，再通過分解 爐6及C5級旋風筒9進入迴轉窯內煅燒成熟料。
[0023] 本發明的無氨脫硝的水泥熟料煅燒方法，使用由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區 2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料管7、C4級旋風筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組 成的裝置， 且迴轉窯內的主燃燒區1與再燃燒區5用煤比例在20:80-40:60,煤在強力還原區2全 部噴入由主燃燒區產生的980°C?1KKTC煙氣中，形成強力還原區2,煤在此區內分解出大 量的C0、CHi、H2、HCN和固定碳還原劑，將窯內產生的NOx還原成隊氣； 煤在強力還原區中同時還被預熱，並與三次風熱空氣混合後快速著火燃燒，調節分料 閥或無調節閥時需調整好C4下料點高度h將溫度控制為850°C?1000°C，著火的煤粉、空 氣與生料通過一縮口環10,進入分解爐而後進入C 5旋風筒9經分離後物料入窯。
[0024] 所述的強力還原區2是由分解爐用煤全部從三次風管與窯尾煙室縮口之間的位 置餵入而形成。
[0025] 所述的四級筒下料管為單管時：對分解爐下料點位於三次風管之上，高於三次風 管0.5米以上。
[0026] 所述的四級筒下料管為上下兩管，上管位置可在縮口環10之上或之下。
[0027] 圖3和圖4中，這種氮氧化物高效阻控的高產、節能的水泥熟料煅燒工藝及裝置， 由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、再燃燒區5、下料管7 (及C4級旋風筒8)及分解爐6等 組成。迴轉窯1與強力還原區2相連，強力還原區上部與三次風管4連接，形成再燃燒區5， 再燃燒區的溫度是可控的，控制由c4級旋風筒下料管構成，C 4級旋風筒8下料管7上裝有 熱生料分料閥（也可簡化不用分料閥)，熱生料分料閥連接上下兩根料管，通過對上下料管 分料調節（當不用分料閥時，可設置好C 4下料管入再燃燒區的高度h)，相當於入再燃燒區熱 生料的平均高度不同，由於生料受熱分解將吸收大量的熱，熱生料平均高度不同，意味著再 燃燒區的溫度將隨之而變化，達到溫度可控的目的。再燃燒區與分解爐6相連，在分解爐內 煤粉與風進一步混合、達到完全燃燒，最終使生料達到最大的分解，再通過C 5級旋風筒9進 入迴轉窯內煅燒成熟料。
[0028] 本發明新一代氮氧化物高效阻控性的高產、節能的水泥熟料煅燒工藝，主燃燒區1 (迴轉窯內)與再燃燒區5用煤比例在20:80-40:60,煤在強力還原區2全部(但可多點噴)噴 入由主燃燒區產生的980°C?1100°C煙氣中，形成強力還原區2，煤在此區內分解出大量的 C0、CHi、H2、HCN和固定碳等還原劑，將窯內產生的NOx還原成隊氣。煤在強力還原區中同 時還被預熱，並與三次風熱空氣混合後快速著火燃燒，因而具有了強制著火與燃燒的作用。 通過調節分料閥(或無調節閥時需調整好C 4下料點高度)將溫度控制為850°C?1000°C，以 有利於燃燒區及分解爐的煅燒安全性以及防止NOx的二次形成。著火的煤粉、空氣與生料 通過一縮口環10使他們進一步混合均勻並有利於更充分的燃燒與傳熱，進入分解爐後生 料分解完成，而後進入C 5旋風筒9經分離後物料入窯。
[0029] 本發明所提供一種新一代高產、節能及無氨脫硝集成一體化的高效水泥熟料煅燒 工藝及裝置，使用該裝置的工藝煅燒水泥熟料，可大幅降低NOx排放量，氮氧化物《300ppm， 與此同時大幅提高產量、熱效率高、煤種適應性廣、降低生產成本。
[0030] 在我國，現行水泥窯脫硝工藝中，新型幹法水泥迴轉窯上常用的NOx控制技術主 要有以下幾種：SNCR (非選擇性催化還原)、SCR (選擇性催化還原)、分級燃燒技術、空氣分 級燃燒+SCR以及低氮燃燒器技術。
[0031] 低NOx燃燒器 目前在國內已經有廣泛應用，但其效果受窯工況影響較大，一般NOx的排放量不能達 到預期效果或效果不明顯。
[0032] SCR 法 SCR法採用選擇性催化還原法，具有脫氮效率高的優勢，在電廠鍋爐脫氮被廣泛應用。
[0033] 技術原理如圖1。理想狀態下，脫硝率達90% ;實際上由於受技術條件的限制，國內 採用該技術的水泥企業，脫硝率在50%左右。但由於SCR操作300°C?400°C溫度和含塵量 的特殊要求，在國內外水泥生產線上極少使用，主要原因為：（1)出窯的煙氣通常用於餘熱 發電，出餘熱發電系統的煙氣溫度無法滿足SCR的溫度要求；（2)窯尾框架周邊基本上沒 有布置SCR催化劑框架的空間；（3)出窯的煙氣中高濃度粉塵及其Na 20、K20、CaO、S02等有 害元素易造成催化劑破損和失效；（4) 一次性投資大；煙氣通過催化劑的阻力增大了窯系 統的阻力；（5)催化劑每三年需要更換，運行成本高。
[0034] 分級燃燒技術 分級燃燒脫氮的基本原理是在分解爐內建立還原燃燒區，將原分解爐用煤的一部分均 布到該區域內，使其缺氧燃燒(第一級燃燒區域內空氣過剩係數小於1)以便產生CO、CH4、 H2、HCN和固定碳等還原劑。這些還原劑與窯尾煙氣中的NOx發生反應，將NOx還原成N2 等無汙染的惰性氣體。此外，煤粉在缺氧條件下燃燒也抑制了自身燃料型NOx產生，從而實 現水泥生產過程中的NOx減排。主要化學反應如下： 2C0 +2 N0 - N2+ 2C02 NH+NH - N2+H2 2H2+2N0 - N2+2H20 優點：無運行成本，對水泥正常生產無不利影響；無二次汙染，不額外產生固體或液體 的汙染物或副產物生成； 不足：對水泥生產及產量有影響。NOx脫除率低，為20?30%。
[0035] 脫硝技術 SNCR (選擇性非催化還原)技術在旋窯水泥窯脫硝系統上廣泛的運用。該法將氨水(質 量濃度20%?25%)或尿素溶液(質量濃度309T50%)通過霧化噴射系統直接噴入分解爐合 適溫度區域（850?1050°〇,霧化後的氨與NOx (N0、N02等混合物）進行選擇性非催化還原 反應，將NOx轉化成無汙染的隊。當反應區溫度過低時，反應效率會降低；當反應區溫度過 高時，氨會直接被氧化成隊和N0。化學反應方程式如下： 4N0+4NH3+02 - 4N2+6H20 2N02+4NH3+02 - 3N2+6H20 SNCR法的脫硝效率為50%?70%，低於選擇性催化還原法（SCR)的脫硝效率（80%? 90%)，但SNCR法的費用（包括設備費用和操作費用）只有SCR法的1/5左右。實際上由於 上述三個條件不能同時滿足，脫硝效率低於40%。
[0036] SNCR法需要氨水或者尿素作為還原劑，氨水屬於毒性化學易燃易爆危險品，其毒 性可致人死亡，氨水貯罐成為水泥廠內一大安全隱患。而且運行成本高，使水泥成本提高 3-6元/噸。
[0037] 發明人經過長期的研究發現，制約普通新型幹法窯產量進一步提高的主要原因是 迴轉窯窯尾存在一傳熱瓶頸。即：一方面，窯尾溫度在850°C-110(TC度的範圍內（僅佔窯 長1/5)物料需熱量約為餘下的大部分迴轉窯（1100°C -1450°C溫度內，佔窯長4/5)物料總 吸熱量的10倍。另一方面，窯尾傳熱效率極低（窯尾氣固溫差較低)，因而嚴重影響窯產量。 如圖2所示。
[0038] 設想若將迴轉窯低溫區（< 1000°C區域)在具有懸浮狀態下的分解爐內完成，使入 窯物料分解率和溫度皆有所提高，則迴轉窯內所需傳熱量將大幅減少，窯頭用煤與窯尾分 解爐用煤比例將發生較大變化，因而有效地克服了迴轉窯傳熱瓶頸。從以下熱平衡圖5可 見，新型幹法水泥產量及各項經濟技術指標將發生大幅度變化。
[0039] 假定原預分解迴轉窯窯內燒煤量不變，以原來的產量為基準，令m為原窯產量的 倍數，則可建立如下迴轉窯的熱平衡： 熱收入： 1入窯物料帶入的熱：Q物入=m ? Cm ? 1000°C =1090 ? m kj/kg熟料 2窯頭二次風帶入的熱：Q二次風=577. 33 kj/kg熟料 3窯內燒成帶熟料溫度從1450°C下降到1300°C所提供的熱： Q冷卻帶=1. 091 X 150°C?m=163. 6?m kj/kg熟料4煤燃燒的放熱：Q煤=3200 X 0? 4=1380 kj/kg熟料 熱支出： 1 煙氣帶走熱： Q煙氣=1150°C XL 9X0. 483=1055. 36 (kj/kg熟料 2 熟料帶走熱： Q熟料=1300X 1. 091?m=1418. 3?m kj/kg熟料 3物料在窯內化學反應及升溫吸熱：Q反應=153. 1 kj/kg熟料 4窯筒體表面散熱：Q散熱=150 kj/kg熟料故：1091m+577. 33+163. 65m+1280=10 55.36+1418. 3m+153. lm+150 解此方程後得：m=2. 06 這意味著，若分解爐入窯物料已完全分解，且溫度提高到l〇〇〇°C時，理論計算窯的產量 可較普通預分解窯提高一倍左右。
[0040] 這一情況與預熱器窯（SP)和預分解窯（NSP)的進化關係十分類似。預分解窯因在 窯尾加了"第二把火"將CaC0 3大部分分解，同直徑的窯產量提高一倍多。現在我們將在窯 尾加入"第三把火"使物料進一步分解和預熱，計算得出同直徑的窯產量也可提高一倍。
[0041] 其次NOx排放將大幅減少。原因就在於窯頭高溫燃煤量大幅度減少，從而減少了 NOx的生成。
[0042] 從預分解窯總體結構來看，水泥熟料燒成用煤已被分為兩部分，一部分是高溫煅 燒用煤(窯頭)，一部分是低溫CaC03*解用煤，約860°C -950°C (窯尾分解爐內）。現行的 分級燃燒(可以稱為局部分級燃燒）的特點是，將分解爐的用煤(或用風）進一步分級，其效 果十分有限。然而從整體的角度來看，水泥熟料煅燒系統本身已經構成了一個系統整體的 分級燃燒，即由窯頭高溫煅燒用煤構成主燃燒，形成NOx，窯尾分解用煤構成再燃燒，可消除 NOx。也就是說由窯頭高溫煅燒形成的NOx可以用窯尾煤在合適的溫度及氣氛下有效還原。 從這一思路來看，窯頭用煤量越少，窯尾用煤量越多，則越有利於NOx還原和脫除。
[0043] 再其次，本技術可大幅節煤，且能適應煤質變化，可解決低劣及高硫煤資源在新型 幹法水泥工業中的應用問題。這是因為本技術運用了強化煅燒方法，能在操作運行中靈活 調節和控制燃燒狀態，燃燒效率高，結皮堵塞機率很低。
【權利要求】
1. 一種高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，其特徵在於：該裝置 由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料管7、C 4級旋風 筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組成； 其中迴轉窯1與強力還原區2相連，強力還原區上部與三次風管4連接，形成再燃燒區 5, C4級旋風筒8與下料管7上裝有熱生料分料閥，熱生料分料閥連接上下兩根料管，通過對 上下料管分料調節，再燃燒區5與分解爐6相連，在分解爐6內煤粉與風進一步混合、達到 完全燃燒， 當不用分料閥時，設置好(；下料管置燃燒區的高度h，相當於入再燃燒區熱生料的平均 高度不同，則再燃燒區溫度也不同，最終使生料達到最大的分解，再通過C5級旋風筒9進入 迴轉窯內煅燒成熟料。
2. 根據權利要求1所述的高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，其 特徵在於：使用由迴轉窯主燃燒區1、強力還原區2、三次風管4、再燃燒區5、分解爐6、下料 管7、C 4級旋風筒8、C5級旋風筒9及縮口環10組成的裝置， 且迴轉窯內的主燃燒區1與再燃燒區5用煤比例在20:80-40:60,煤由強力還原區2全 部噴入主燃燒區產生的980°C?1KKTC煙氣中，形成強力還原區2,煤在此區內分解出大量 的CO、CHi、H2、HCN和固定碳等還原劑，將窯內產生的NOx還原成隊氣； 煤在強力還原區中同時還被預熱，並與三次風熱空氣混合後快速著火燃燒，調節分料 閥(或無調節閥時需調整好C4下料點高度h)將溫度控制為850°C?1100°C，著火的煤粉、 空氣與生料通過一縮口環10,進入分解爐，而後進入C 5旋風筒9經分離後物料入窯。
3. 根據權利要求2所述的高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，其 特徵在於：所述的強力還原區2是由CaC03分解用煤全部從三次風管與窯尾煙室縮口之間 的位置餵入而形成。
4. 根據權利要求2所述的高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，其 特徵在於：所述的四級筒下料管為單管時：對分解爐下料點位於三次風管之上，高於三次 風管0.5米以上。
5. 根據權利要求2所述的高產節能無氨脫硝一體化的水泥熟料煅燒新方法及裝置，其 特徵在於：所述的四級筒下料管為上下兩管時，上管位置可在縮口環10之上或之下。
【文檔編號】C04B7/44GK104291718SQ201410227232
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】李建錫, 寧平, 餘蘇 申請人:李建錫