一種噴旋疊加多點來料再循環型分解爐的製作方法

2023-04-24 06:12:51 3

本發明屬於水泥熱工設備技術領域，特別是涉及一種噴旋疊加多點來料再循環型分解爐。

背景技術：

目前新型幹法水泥發展迅速，對能源的消耗和依賴依然強勁，採用價格低廉的劣質煙煤作為水泥熟料煅燒用燃料勢在必行，在無煙煤資源豐富的地區，採用無煙煤作為水泥煅燒的燃料也在進行中。因此，有必要對低質煙煤以及無煙煤的燃燒特性進行研究，在此基礎上開發出性能優良的預熱預分解系統，適應低質煙煤和無煙煤的煅燒要求。

新型幹法水泥生產中原燃料的有害成分會造成分解爐內結皮等危害，造成熟料產質量和系統運轉率的降低，甚至可能造成安全事故。預熱預分解系統是新型幹法水泥熟料生產的核心裝備，預熱預分解系統的核心設備是分解爐。自上世紀70年代問世以來，分解爐雖已得到了迅速發展，但如何在分解爐中合理布局和匹配風、煤、料，使燃料在生料濃度很高的分解爐內穩定、完全燃燒，使爐內溫度場均勻，不產生局部高溫，並在很短時間內完成生料碳酸鈣分解，並且操作彈性大，對不同煤質的適應性強等等，仍然是困擾行業的問題。

另外，在高海拔地區，大氣壓力低對水泥生產系統尤其是熱工系統的影響較大，例如，燃料燃燒特性變化很大，對料懸浮、熱交換、氣力輸送、物料烘乾等的影響很大，對預熱器系統的隔熱保溫以及迴轉窯表面的散熱也有很大的影響。

因此，目前國內外實際生產應用的主流預熱預分解系統與高海拔條件下的自然環境、原燃料的適應性還有待進一步的提高，操作彈性比較小，生料換熱效果不盡理想，入窯生料分解率一般在90％左右，系統能耗也比較高。

技術實現要素：

本發明提出了一種噴旋疊加多點來料再循環型分解爐，該分解爐使用低質煤或無煙煤作為燃料，通過本發明的技術方案，能夠使得燃料在分解爐內的完全燃燒，不產生局部高溫，保證分解爐安全運行。進一步地，本發明強化了生料在分解爐內的有效換熱，提高了碳酸鹽 的分解率。更進一步地，本發明消除了由於原料揮發性組分偏高造成的系統結皮的問題。此外，本發明還解決了分解爐在不同海拔高條件下對自然環境的適應性問題。另外，本發明降低出爐NOx的起始濃度。

本發明提出的一種噴旋疊加多點來料再循環型分解爐，包括分解爐主體、鵝頸管和物料分離及循環裝置，其中，分解爐主體、鵝頸管和物料分離及循環裝置依次連接，來自迴轉窯的煙氣經窯尾煙室後進入分解爐主體，再經鵝頸管進入CN旋風筒；

CN-1旋風筒下料口中的全部物料、CN-2旋風筒下料口中的部分物料以及物料分離及循環裝置中的物料作為物料來源，進入分解爐主體內，該分解爐主體在這些物料進入到爐內的位置處的上下方分別設置縮口，並在物料進入到爐內的位置處沿煙氣行進方向的前端設置以切線方向進入分解爐的三次風入口和煤粉入口；

分解爐主體內的物料沿煙氣方向進入鵝頸管，鵝頸管中的部分物料藉助在煙氣中運動的慣性和離心力進入物料分離及循環裝置，進入物料分離及循環裝置的該部分物料即為所述的物料分離及循環裝置中的物料，其餘物料隨煙氣進入CN旋風筒；

這裡的N表示旋風筒的級數，各旋風筒自上而下排列，最低一級旋風筒用CN旋風筒表示，倒數第二級旋風筒用CN-1旋風筒表示，倒數第三級旋風筒用CN-2旋風筒表示，以此類推。

進一步地，該分解爐主體包括三次風入口、窯尾縮口、煤粉錐體入口、分解爐下錐體、CN-1下部進料口、煤粉柱體入口、爐中部下縮口、CN-1中部進料口、CN-2中部進料口和爐中部上縮口；

爐中部下縮口和爐中部上縮口分別設置在分解爐主體中部的下端和上端；

分解爐下錐體位於分解爐主體下部，物料分離及循環裝置中的物料進入分解爐下錐體的上部；

三次風沿向下傾斜設置的三次風入口從分解爐下錐體的上端以切線方式進入分解爐主體內部，在爐內旋迴前進，呈旋風效應；

分解爐的窯尾縮口位於分解爐下錐體的下端，並向下與該窯尾煙室連接；

煤粉錐體入口位於分解爐下錐體上，煤粉柱體入口位於分解爐下錐體和爐中部下縮口之間的分解爐柱體上；煤粉分別從煤粉錐體入口和煤粉柱體入口噴入，每個入口的兩個噴煤管以非對稱方式沿著某一直徑的圓周方向切向噴入，形成旋風效應；

CN-1下部進料口位於分解爐下錐體上方並靠近分解爐下錐體，CN-1中部進料口位於爐中部下縮口上方並靠近爐中部下縮口；來自CN-1旋風筒的物料全部從CN-1下部進料口進入分解爐下錐體上方；或者一部分從CN-1中部進料口進入分解爐中部下縮口上方，另一部分從CN-1 下部進料口進入分解爐下錐體上方；

CN-2中部進料口位於爐中部下縮口上方並靠近爐中部下縮口，來自CN-2旋風筒的物料從CN-2中部進料口進入分解爐中部下縮口上方。

更進一步地，該鵝頸管包括鵝頸管氨水噴口、防堵式180°彎頭、風管和變徑彎頭；其中，

鵝頸管氨水噴口位於鵝頸管上行管上；

該鵝頸管藉助防堵式180°彎頭與分解爐主體上部連接，藉助風管與CN旋風筒連接；

變徑彎頭與CN旋風筒水平連接。

此外，所述防堵式180°彎頭用蝸旋式管道轉彎裝置代替。

再者，物料分離及循環裝置包括集料錐體、鎖風閥和管道；其中，

鵝頸管中的物料分別進入CN旋風筒與集料錐體，進入集料錐體的物料通過鎖風閥、管道送入分解爐下錐體的上部。

優選地，三次風入口的傾斜角度為10°～15°。

再者，所述從煤粉錐體入口(104)噴入的煤粉佔分解爐用煤量的15％～30％，所述從煤粉柱體入口(107)噴入的煤粉佔分解爐用煤量的70％～85％。

另外，CN-2旋風筒的下方設置分料閥，用於調節CN-2旋風筒下料口中進入分解爐主體的物料的比例，和/或CN-1旋風筒的下方設置分料閥，用於調節進入CN-1下部進料口和CN-1中部進料口的物料的比例。

優選地，上述分料閥的調節比例範圍為0～50％。

另外，分解爐中部上縮口的上部設置爐主體氨水噴口，和/或在鵝頸管上行管部位設置鵝頸管氨水噴口。

本發明的有益效果：

1.本發明的分解爐主體在結構設置上具有獨特優勢。燃燒效率主要取決於燃燒裝置、燃料自身的特性和自然環境等因素，而分解爐承擔燃料燃燒和生料分解的關鍵任務。本發明分解爐主體通過三個煙氣縮口、三個來料源以及一個三次風和兩個煤粉的組成的三個切向旋風的設置，料粉、煙氣和煤粉在爐內形成三次噴騰效應和三個旋風效應，以及噴騰和旋風的疊加效應，使爐內氣流中的料粉濃度大大高於進口或出口濃度，提高爐內料氣比，大大延長了料粉和煤粉在爐內的停留時間，進而提高了換熱效率，提高了煤粉的燃燼率。另外，分解爐為細長形狀，由於煤粉燃燒的原因，上部煙氣量較大，氣流較快，有利於煙氣與物料的混合和煤粉的完全燃燒；下部氣流較慢，較大顆粒的生料可在爐的下部再循環，有利於物料的分解。

2.本發明對分解爐窯尾縮口和鵝頸管頂部彎頭進行結構改良，有效防止了高溫物料在關鍵部位的堆積、堵塞和結皮，保證了分解爐的穩定運行，提高了運轉率。

3.本發明採用不同於現有技術的來料路徑，將倒數第三級旋風筒出口的一部分生料(0～50％可調)從分解爐中部送入，首先，利用高溫煙氣和物料的大溫差增加生料的換熱量，有效提高換熱效率；其次，防止了由於使用低質煙煤或無煙煤時燃燒區後移造成的分解爐中部局部高溫和結皮等問題的出現，確保分解爐的運行安全，為分解爐使用低質煙煤或無煙煤提供了必要的技術保障；另外，降低分解爐出口溫度，防止了分解爐與最低一級旋風筒出口溫度倒掛的現象，降低了最低一級旋風筒高溫堵塞的機率。

4.本發明的物料分離及循環裝置在直接提高爐內固氣比的同時，強化了換熱效率，既是對分解爐容積的有效補充，也為有效發揮分解爐的功能起到了重要的把關作用。在分解爐煙氣進入最低一級旋風筒之前，利用物料在煙氣中運動的慣性和離心力，將煙氣中的高溫物料分離出一部分(約25％～30％)，經收集後送入分解爐內再循環，使未分解的生料和未燃淨的煤粉在分解爐內進一步換熱和燃燒，在直接提高爐內固氣比的同時，最大限度地提高了生料分解率和煤粉的燃燼率，穩定了燒成系統的熱工制度，降低了迴轉窯的熱負荷，提高了熟料產質量。同時，消除了高溫物料在變徑彎頭底部的堆積、堵塞和結皮造成的通風不暢和系統不穩定等問題，提高了系統的運轉率，降低了生產成本。

5.本發明採用階段燃燒和優化燃燒制度的低氮燃燒技術，還原了出窯煙氣中的部分NOx，抑制了分解爐內NOx的產生，有效降低了廢氣中NOx的濃度。

通過以上技術手段，使分解爐在容積相同的情況下，提高了爐內固氣比，強化了生料的換熱，大大延長了物料在爐內停留時間，保證了低質煙煤和無煙煤在爐內的充分燃燒，使分解爐對高海拔自然環境和原燃材料變化的適應性增強，熱工制度穩定，操作彈性增大。其效果是提高生料分解率3～5個百分點，提高熟料產量7％～12％；降低熟料分步電耗2.5～4.1kW·h/t；降低預熱器出口溫度30℃～50℃，降低熟料燒成煤耗2.5～4.1kgce/t；分解爐融入低氮燃燒技術，降低廢氣中NOx含量100～150ppm。因此，達到了提高熟料產質量、降低能耗和環保減排的目的。

以1700m海拔高的2500t/d熟料生產線為例，按照年運行310天計算，年增產熟料5.4～9.3萬噸，年節電195～320萬千瓦時，年節約標準煤1930～3190噸，年減少CO2排放量5660～9305噸，年減少SO2排放量52～86噸，年減少NOx排放量180～355噸。年增加利潤總額550～920萬元以上，經濟效益和環境效益顯著。

附圖說明

圖1是本發明的分解爐的結構示意圖。

附圖標記說明如下：

1—分解爐主體：101—三次風入口；102—窯尾縮口；103—方圓變換管；104—煤粉錐體入口；105—分解爐下錐體；106—C4下部進料口；107—煤粉柱體入口；108—爐中部下縮口；109—C4中部進料口；110—C3中部進料口；111—爐中部上縮口；112—分解爐主體氨水噴口。

2—鵝頸管：201—膨脹節；202—鵝頸管氨水噴口；203—防堵式180°彎頭；204—風管；205—變徑彎頭。

3—物料分離及循環裝置：301—集料錐體；302—鎖風閥；303—下料管；304—膨脹節。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明晰，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本發明並不局限於附圖和以下實施例。

本發明所說的旋風預熱器系統最低一級旋風筒是指旋風預熱器系統各級旋風筒自上而下排列的最低一級旋風筒，對4級旋風預熱器來說是C4，對5級旋風預熱器來說是C5，對6級旋風預熱器來說是C6。所說的預熱器系統倒數第二級旋風筒是指旋風預熱器系統各級旋風筒自上而下排列的倒數第二級旋風筒，對4級旋風預熱器來說是C3，對5級旋風預熱器來說是C4，對6級旋風預熱器來說是C5。所說的旋風預熱器系統倒數第三級旋風筒是指旋風預熱器系統各級旋風筒自上而下排列的倒數第三級旋風筒，對4級旋風預熱器來說是C2，對5級旋風預熱器來說是C3，對6級旋風預熱器來說是C4。為簡單起見，在下面的描述中，對N級旋風預熱器來說，用CN旋風筒代表旋風預熱器系統最低一級旋風筒，用CN-1旋風筒代表旋風預熱器系統倒數第二級旋風筒，用CN-2旋風筒代表旋風預熱器系統倒數第三級旋風筒，其中N表示旋風預熱器的級數，可以為大於等於3的自然數。

本發明的構思是：物料在從CN-1旋風筒進入CN旋風筒之前，先經過分解爐進行處理。該分解爐將來自CN-1旋風筒的全部物料和CN-2旋風筒的部分物料以及經過該分解爐處理後的部分物料作為來料源，該分解爐在這些物料進入到爐內的位置處的上下方分別設置縮口，並在物料在分解爐內運行軌跡的前端設置三次風入口和煤粉入口，當出窯高溫煙氣自下而上以噴騰方式進入分解爐內時，即可達到旋風效應與出窯高溫煙氣的噴騰效應相互疊加的效果，從而使爐內氣流中的料粉濃度大大高於進口或出口濃度，提高爐內料氣比，大大延長了料粉 和煤粉在爐內的停留時間，進而提高了換熱效率，提高了煤粉的燃燼率。進入分解爐主體內的物料沿煙氣行進方向進入鵝頸管，鵝頸管中的部分物料藉助在煙氣中運動的慣性和離心力進入物料分離及循環裝置，其餘物料進入CN旋風筒，物料分離及循環裝置中的物料作為來料源之一進入分解爐主體內。由此本發明能夠實現噴旋疊加、多點來料和再循環。

下面以單系列5級旋風預熱器所用的分解爐為例說明噴旋疊加多點來料再循環型分解爐的結構，如圖1所示。

分解爐主體1包括三次風入口101、窯尾縮口102、方圓變換管103、煤粉錐體入口104、分解爐下錐體105、C4下部進料口106、煤粉柱體入口107、爐中部下縮口108、C4中部進料口109、C3中部進料口110、爐中部上縮口111和爐主體氨水噴口112。

鵝頸管2包括膨脹節201、鵝頸管氨水噴口202、防堵式180°彎頭(或蝸旋式管道轉彎裝置)203、風管204和變徑彎頭205。其中，膨脹節201可根據需要設置。

物料分離及循環裝置3包括集料錐體301、鎖風閥302、管道303以及膨脹節304。其中，所述物料分離及循環裝置3的物料分離原理主要包括：煙氣中的粉塵受重力沉降、離心力等固有特徵力及慣性的作用而將粉塵收集下來。所述物料分離及循環裝置3的集料錐體301包括：上口形狀各異、角度不同的圓錐體、多邊形錐體等。其中，膨脹節304可根據需要設置。

分解爐主體1、鵝頸管2和物料分離及循環裝置3之間依次連接組成分解爐系統。分解爐的窯尾縮口102向下與窯尾煙室連接，變徑彎頭205水平與C5旋風筒連接。各部件由鋼板製造，內部敷設耐火材料。

下面結合圖1從分解爐結構、風、煤、料的進爐方式以及脫硝方式對本發明進行詳細介紹。

一、分解爐結構

分解爐主體1的下部與窯尾煙室連接部位設置第一個縮口，即窯尾縮口102，使出窯煙氣呈初次噴騰效應入爐，形成第一個燃燒區，使燃料分解和燃燒。在窯尾縮口102上方設置方圓變換管103。分解爐主體內部設置兩個縮口，即爐中部下縮口108和爐中部上縮口111，使分解爐中的煙氣呈第二次和第三次噴騰效應，加速氣流與生料的混合、攪拌過程，並形成兩個後續燃燒區，在較低的過剩空氣下使煤粉完全燃燒，加速與生料的熱交換過程。

分解爐主體1的上部與鵝頸管2連接，鵝頸管的作用是在不增加框架高度的情況下，例如藉助防堵式180°彎頭(或蝸旋式管道轉彎裝置)203和風管204，與旋風預熱器系統最低一級旋風筒進行連接，有效利用預熱器框架的空間，增加分解爐容積，延長物料在分解爐內的停留時間，提高入窯生料的分解率。

在鵝頸管2向下與旋風預熱器系統最低一級旋風筒與集料錐體301連接，集料錐體301利用物料在煙氣中運動的慣性和離心力收集出爐煙氣中的部分高溫物料(約佔總量的25％～30％)，並將物料通過鎖風閥302、管道303等送入分解爐下錐體105的上部，在分解爐內部進行再循環，達到提高生料換熱效率，提高生料分解率，穩定分解爐操作，以及達到消除變徑彎頭205底部的高溫物料堆積、堵塞和結皮的目的。

二、風、煤、料的進爐方式

1.窯氣和三次風進爐方式

出窯高溫煙氣自下而上通過窯尾縮口102以噴騰方式進入分解爐下錐體105，將分解爐下錐體四周的氣體及料粉和煤粉不斷卷吸進來，向上噴射，造成許多由中心向邊緣的旋渦，形成噴騰效應，大大延長料粉和煤粉在爐內的停留時間，加速各種化學反應。

三次風入口101以向下傾斜一定角度(10°～15°)的方式設置，三次風沿三次風入口101從分解爐下錐體105的上端以切線方式進入分解爐主體1內部，在爐內旋迴前進，呈旋風效應。

三次風的旋風效應與出窯煙氣的噴騰效應相互疊加，大幅度延長料粉在爐內的停留時間，使爐內氣流中的料粉濃度大大高於進口或出口濃度，提高了料氣比，進而提高換熱效率，加速了各種化學反應。這種進風方式，一方面使出窯煙氣量與三次風量之間獲得平衡，另一方面使得分解爐結構簡單，方便了工藝布置，減少了爐內結皮。

2.煤粉進爐方式

煤粉分別從煤粉錐體入口104和煤粉柱體入口107噴入，每個入口的兩個噴煤管以非對稱方式沿著某一直徑的圓周方向切向噴入，形成旋風效應。優選地，煤粉錐體入口104噴入的煤粉佔分解爐用煤量的15％～30％，煤粉柱體入口107噴入的煤粉佔分解爐用煤量的70％～85％。

噴入分解爐下錐體的煤粉與缺氧的窯氣接觸後形成還原氣氛，還原了出窯煙氣中的部分NOx，抑制了分解爐內NOx的產生，降低系統的NOx排放濃度。

大部分煤粉在三次風上方的分解爐柱體以切向噴入，形成旋風效應，延長煤粉進入分解爐起始段的停留時間，使之迅速加熱、起火、預燃，在富氧條件下立即分解、氧化和燃燒，其熱量迅速傳遞給呈懸浮狀態的生料，滿足生料分解的要求。

對低揮發分的燃煤，採用分解爐專用燃燒器，進一步強化風、煤混合；根據生產規模、分解爐用煤量、煤種和煤質的不同，對噴煤點位置和數量進行調整。

各進煤點與三次風的位置密切配合，合理布置。

3.生料進爐方式

本發明採用的來料路徑與進爐方式與傳統的來料路徑與進爐方式不同，本發明的分解爐生料分別來自C3、C4和物料分離及循環裝置3，C3來料從C3中部進料口110進入分解爐中部下縮口108上方；C4來料既可全部從C4下部進料口106進入分解爐下錐體105上方，也可一部分從C4中部進料口109進入分解爐中部下縮口108上方，另一部分從C4下部進料口106進入分解爐下錐體105上方；物料分離及循環裝置3的來料從分解爐下錐體105上方進入。各點來料入爐後立即懸浮於噴騰和渦旋層之中，加速與生料的熱交換過程。

根據爐用煤質、海拔自然環境的不同，C3和C4各進料口的來料量通過旋風筒之下的分料閥進行比例調整，C3來料量的比例優選為0～50％可調。當爐用煤質較好時，從分解爐下錐體105上方送入C4和物料分離及循環裝置3來料的同時，從分解爐中部下縮口108上方送入分料比例較小的C3來料，利用C3低溫料與爐內高溫氣體形成的大溫差換熱，吸收爐內氣體的熱焓，降低分解爐出口溫度；當使用低質煙煤或無煙煤時，將C4和物料分離及循環裝置3來料送入分解爐下錐體105上方的同時，從分解爐中部下縮口108上方送入C3和C4來料，以更多的吸收爐內高溫區氣體的熱焓，消除由於使用低質煙煤或無煙煤時主燃燒區後移造成的局部高溫和結皮等問題，同時，也降低分解爐出口溫度，有效防止了分解爐與C5旋風筒溫度倒掛，以及C5旋風筒的高溫堵塞。

各進料點與三次風、進煤的位置進行密切配合，合理布置。

根據前述對風、煤、料進入分解爐的方式以及在分解爐內的運行狀態可知，本發明使用的關鍵技術為三個旋風(1個三次風、2個煤粉)、三次噴騰(窯尾縮口、分解爐中部下縮口和爐中部上縮口)和三來料源(C3、C4、物料分離及循環裝置)。

三、脫硝方式

出窯煙氣的過剩空氣係數較小(一般在1.05～1.10)，在分解爐下錐體噴入爐用煤量的15％～30％，煤粉在缺氧的情況下裂解、燃燒，生成H2、CO和CmHn等還原性氣體，生料中Al2O3和Fe2O3作為催化劑，將出窯煙氣中的NOx置換成N2和H2O等無害氣體，使預熱器系統排出的廢氣中的NOx含量降低100～150ppm。在環保標準要求嚴格的情況下，根據分解爐溫度的高低，在分解爐中部上縮口的上部，例如爐主體氨水噴口112，或者鵝頸管上行管部位設置氨水噴入點，例如鵝頸管氨水噴口202，使氨水與NOx反應，從而降低NOx排放濃度。

本發明的分解爐可適用於新建和現有水泥預熱預分解系統的改造，也可用於冶金、化工等行業中的粉料換熱系統。

下面以海拔1700m、熟料產量2500t/d、熟料熱耗760kcal/kg-cl、熟料分步電耗38kW·h/t-cl的條件為例，對採用原有分解爐的系統和採用本發明分解爐的系統的主要技術指標進行了比對，比對結果如下表所示：

按照年運行310天計算，年增產熟料5.4～9.3萬噸，年節電195～320萬千瓦時，年節約標準煤1930～3190噸，年減少CO2排放量5660～9305噸，年減少SO2排放量52～86噸，年減少NOx排放量180～355噸。年增加利潤總額550～920萬元以上，經濟效益和環境效益顯著。

以上，對本發明的實施方式進行了說明。但是，本發明不限定於上述實施方式。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。