CN101626984A - 制造矿物纤维的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造矿物纤维的方法,包括:提供循环燃烧室(1),该循环燃烧室包括顶部(2)、底部(3)和基部(4);将主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到循环燃烧室的顶部,并燃烧主燃料,从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体,以及产生废气;从废气中分离矿物熔体,其中,废气经过循环燃烧室的出口(8),并在循环燃烧室的基部收集矿物熔体;将二次燃烧气体和包括液体或气体燃料的二次燃料喷射到循环燃烧室的底部,以在底部形成加热熔体的火焰;以及使收集的熔体流通过基部的出口(15)流动到离心纤维化装置,并形成纤维。本发明还提供一种在本发明的方法中使用的装置。
Description
技术领域
本发明涉及矿物熔体的制造,通过在存在有无机颗粒材料的情况下燃烧可燃材料,从而形成熔体。然后使该熔体纤维化以形成矿物纤维。
背景技术
传统地,制造用于矿渣纤维、石头纤维或岩石纤维的熔体的常规方法是使用竖炉,其中,通过炉内可燃材料的燃烧,无机颗粒材料的自支持材料堆被加热。该材料堆逐渐熔融,并从顶部进行补充,熔体沿材料堆向下流动,并从炉底排出。用于此目的的常见炉是冲天炉。
材料堆必须是自支持的,并且通常由于材料堆中含碳材料燃烧所产生的燃烧气体能透过该材料堆。因此,材料堆中的所有物质必须相对较粗(以便使材料堆有渗透性),并具有高的物理强度,并且在燃烧或熔融很好地进展之前不会塌陷。实践中这是指,含碳材料是焦炭,颗粒材料是粗大的粉碎岩石、粉碎石头或粉碎矿渣,或者是由微小颗粒材料形成的块。
因此,如果可用的材料只能是细分的形式,那么必将导致将其成块的开支和不方便增加。成块化通常使用含硫材料作为粘合剂,例如含有石膏的普通硅酸盐水泥(Portland cement),这意味着排出物倾向于具有高的含硫量,这是必须进行处理的。
冲天炉或其它料堆炉***还具有这样的缺陷,即:炉内的条件总是倾向于充分地还原,使得一些铁被还原成金属铁。因此,这就导致必须从熔体中分离出金属铁,减少了矿棉产量,导致废铁的形成,而且在容纳铁和矿渣的区域中还往往存在发生腐蚀的危险。
另一个缺陷是该方法的热效率不高。
尽管有这些缺陷,使用冲天炉或其它料堆炉的方法一直在全世界广泛采用,来制造岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维。
在申请人的早期专利申请公开WO03/002469中公开了一种替代的和完全不同的用于生产矿物熔体的***,其避免或减少了冲天炉***的缺陷。该***包括在预热的燃烧空气中悬浮粉末状的煤或其它燃料,并在循环燃烧室中在存在有悬浮颗粒矿物材料的情况下燃烧悬浮燃料,循环燃烧室是这样一种燃烧室,其中,悬浮的颗粒材料和空气在旋风循环***或类似于旋风循环***的***中循环。这通常被称为旋风炉。
在预热空气中悬浮的煤和颗粒矿物材料通过燃烧室顶部或在燃烧室顶部附近被引入。在燃烧室中,颗粒煤发生燃烧,颗粒材料被转变成熔体。熔体和还未熔融的颗粒材料被循环气体甩到燃烧室壁上并沿燃烧室向下流动。
在WO03/002469中,燃烧室优选地向下通到一个大的沉降槽,该沉降槽具有相当大的容积。可以布置一气体燃烧器或其它装置,用于向沉降槽提供额外的能量,以便提高废气的温度。燃烧器朝向沉降槽的顶部定位。没有熔体的废气通过燃烧室顶部的管道从沉降槽或燃烧室向上排出。
在WO03/002469中为了提高旋风炉的能量效率,使用以温度范围在1400~1700℃离开循环室的废气来预热颗粒材料,从而利用而不是浪费该热能。这一步骤可以在还原氮氧化物(NOx)的条件下进行,从而减小了废气的环境影响。然后废气经过另一个热交换器,废气通过该热交换器与燃烧空气间接换热。
与冲天炉或其它料堆炉相比,旋风炉具有明显的优点。对于燃料而言,旋风炉避免了将细颗粒制块的需要,并且可以使用各种燃料,包括例如塑料。使用熔炼旋风炉消除了将矿石还原成铁的风险,并且释放出合乎环境要求的废气。熔融能力的灵活性比冲天炉好得多,这意味着生产能够容易和快速地例如从总能力的40%切换到100%,从而大大减少了响应需求变化所花的时间。此外,旋风炉中的熔融比冲天炉更快,其数量级为分钟,而不是小时。
因此,使用熔炼旋风炉***在经济上和环境方面是理想的,在WO03/002469中公开的***可以很好地工作。然而,还存在对该方法改进的余地。
在制造矿物纤维的方法中,例如在WO03/002469中,熔体的温度和相关的粘性极其重要,因为它对制造的矿物纤维的质量有直接的影响。纯度也很重要。在WO03/002469的***中,没有用于控制离开沉降槽的熔体温度的装置,因此温度会变化,这意味着在没有进一步处理的情况下熔体的品质将变化。
此外,尽管在WO03/002469中采取了若干步骤来回收在制造熔体时使用的大量能量,但是不可避免的是由于沉降槽的大容积和所用的大量燃烧空气而导致大量能量损失。期望的是进一步提高***的能量效率。
WO03/002469提出了在图2中示出的第二实施例,其中,沉降槽被处于燃烧室基部的相对小的收集区代替。由于能量发生损失的装置容积减小,这种***增大了能量效率。然而,本发明人发现,在该***中熔体品质降低,并且还会发生变化。
US4,365,984也涉及使用熔炼旋风炉来生产矿棉,并且包括将含有无机不可燃成分和有机可燃成分的颗粒废料供给到燃烧空气中。如在WO03/002469中一样,该***包括大的收集区。在US 4,365,984中,据说熔体的温度对纤维化是重要的。该公开教导了可通过将附加的返回料(矿棉废品)随燃料一起添加到炉中来调节熔体的温度。
熔炼旋风炉可用于对不是随后被用来制造纤维的矿物材料进行熔炼或处理。例如,US 4,544,394涉及一种在涡旋反应器中熔炼玻璃的方法,US 6,047,566涉及一种熔炼回收的硅酸盐材料的方法。熔体的温度和因此熔体的粘性在这些方法中不是关键因素。
熔炼旋风炉在其它领域也是已知的,特别是在火法冶金处理领域(例如在US 4,566,903和US 5,282,883中)。在这些方法中,最终产品是熔融的金属,并且存在的任何熔融矿物材料是废料。因此,矿物熔体的品质在这些方法中不是重要的。
在US 2005/0039654中,使用旋风室来燃烧燃料以产生能量来用于其它目的。不将矿物材料添加到***,因为目的不是制造熔体;但可被使用的燃料可以是所谓的“造渣煤”,其包含有一些当煤燃烧时不可燃但熔融而形成矿渣的矿物材料。
该公开涉及在旋风燃烧器的筒中的各个位置选择性地使用富氧,以维持矿渣处于熔融形式,从而使NOx排放物最少和使筒中细煤颗粒的逸出最少。空气(指的是氧气浓度按体积计为约21%的第一氧化剂或主氧化剂)随燃料被引入到燃烧器中。浓度比第一氧化剂流更高的第二氧化剂流可被引入到邻近煤的区域,或者被引入到筒中。该第二氧化剂与一部分(但不是全部)第一氧化剂混合,以产生混合的氧化剂区域,所述区域据说包含按体积计小于大约31%的氧(因此总氧化剂即燃烧气体的氧含量远小于31%)。
在该公开中没有暗示进一步增大氧含量或向***添加燃料,而不是向燃烧器添加煤。
发明内容
本发明涉及以能量有效的方式制造高质量的矿物纤维的方法。根据第一方面,本发明提供一种制造矿物纤维的方法,包括:
提供循环燃烧室,该循环燃烧室包括顶部、底部和基部,
将主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到循环燃烧室的顶部,燃烧主燃料,从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体,以及产生废气,
从废气中分离矿物熔体,其中,废气经过循环燃烧室的出口,并在循环燃烧室的基部收集矿物熔体,
将二次燃料和二次燃烧气体喷射到循环燃烧室的底部,以在底部形成加热熔体的火焰,以及
使收集的熔体流通过基部的出口流动到离心纤维化装置,并形成纤维。
根据第二方面,本发明提供一种在根据本发明第一方面的制作矿物纤维的方法中使用的装置,包括:
循环燃烧室,该循环燃烧室包括大体上圆柱状的顶部、底部和基部,其中,循环燃烧室包括:
在顶部用于主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口,
在底部用于二次燃料和二次燃烧气体的入口,
用于废气的出口,
在基部的出口,以及
离心纤维化装置,其中,基部的出口通到该离心纤维化装置。
本发明的方法必要地包括在燃烧室的底部形成火焰。这是通过将二次燃料和二次燃烧气体喷射到底部来实现。在该底部形成火焰是非常有利的,因为正是通过该机制可以改变熔体温度。二次燃料可以全部是固体燃料,例如煤,但是优选地也包括液体燃料或气体燃料。
在循环燃烧室的底部,矿物熔体沿室壁流下而被收集在基部。在该区域中,熔体以薄膜的形式存在于燃烧室壁上,以及以熔池的形式存在于通常较浅的基部中。因此,在该区域施加辐射热特别地有效,因为辐射热可以容易地穿透整个熔体。因此,在该区域中采用火焰可特别有效地均匀加热熔体。火焰还可以快速精确地加热熔体,从而通过改变二次燃料和二次燃烧气体的流量,就可使熔体的温度维持在精确的限度内。
相反地,在现有技术的***中,熔体温度在燃烧室中不被控制。在熔体不是在燃烧室的底部收集而是在单独的槽(通常较大)中收集的情况下,不可能实现同时加热熔池和沿燃烧室壁流下的熔体的效果。
由于本发明的燃烧室包括了收集区,因此非常紧凑,并且由于表面积损失的最小化而能够实现高水平的能量效率。
在本发明中,可以控制二次燃料和二次燃烧气体的比例,以提供期望的结果。当二次燃烧气体提供的氧不足以使得二次燃料进行完全燃烧(即存在亚化学计量水平的氧)时,与把足以能够实现完全燃烧的气体随二次燃料一起引入时相比,火焰将延及更大的空间。这是有利的,因为火焰能够遍布很大部分的熔池,并因此在向熔池传递辐射热方面非常有效。
在另一个实施例中,当所用的主燃料是一种在两个阶段燃烧的燃料时,例如煤,有利的是成比例地引入二次燃料和二次燃烧气体,使得在二次燃烧气体中有超过足量的氧,从而使得二次燃料能够完全燃烧。过量的氧用于提高燃烧室底部的氧含量。该氧能够帮助提高颗粒燃料的烧尽,该颗粒燃料例如是在一个初始阶段中没有完全燃烧的煤。
当主燃烧气体是富氧空气或纯氧时,底部有过量的氧是特别重要的,因为在这种情况下气体的量通常较少且炭颗粒的浓度增大。因此,燃料颗粒常常没有足够的时间在燃烧室的上部区域完全地烧尽。
另一种使炭颗粒烧尽的方式是提供虹吸出口。这也可以促进火焰对熔体的有效加热,并防止炭颗粒离开燃烧室进入熔体。
本发明提供了一种简单但非常有效的方式来控制矿物熔体的温度,从而能够以能量有效的方式以及因此而环保和成本有效的方式来制造高品质的矿物纤维。
本发明中的循环燃烧室是通常被称为旋风炉的类型。其具有顶部、底部和基部。合适的旋风炉的结构在各个专利中有描述,包括US3,855,951,4,135,904,4,553,997,4,544,394,4,957,527,5,114,122和5,494,863。
燃烧室通常是竖直倾斜的,而不是水平倾斜的。其通常具有圆柱形的顶部、截头圆锥形的底部和基部,但是也可以完全是圆柱形。基部优选是燃烧室的一体部分,也可以仅仅是截头圆锥形底部的端部或者是处于底部端部的圆柱形部分。
与通常在大容积燃烧室的基部采用槽的传统***不同的是,基部的内径不大于上部的内径。
本发明的优点是,尤其是在使用富氧空气或纯氧作为主燃烧气体的优选实施例中的优点是,可以使用紧凑的燃烧室。因此,在本发明中优选的是,燃烧室是整体式燃烧室。整体式燃烧室是指,燃烧室不是由可彼此分离的不同部件组成。与现有技术***相比,能够使用紧凑炉的能力可使能量从炉的表面积损失最小化。
燃烧室的容积优选地小于大约25m3,优选地小于约20m3或15m3,甚至小于10m3。
例如,为了使用30%的氧作为主燃烧气体来每小时制造大约20吨的熔体,循环燃烧室的容积将需要大约15m3。作为对比,当使用纯氧作为主燃烧气体时,燃烧室的容积仅需要大约5m3。因此,当利用本发明可以使用纯氧作为主燃烧气体时,对于特定的产量可以使用更小且因此更加能量有效的旋风器。
将主燃料、通常还有颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到燃烧室的通常为圆柱形的顶部。燃烧室具有一出口,热的废气可从该出口排出燃烧室。该出口优选在顶部,虽然也可以在底部。在顶部,主燃料在燃烧气体中燃烧,并使颗粒矿物材料熔融。然后,利用循环气流的作用将矿物熔体甩到燃烧室的侧壁上,矿物熔体由于重力沿燃烧室的侧壁流下,并在燃烧室的基部被收集。该基部具有用于矿物熔体的出口,熔体作为流从该出口流出,然后以任何常规的方式进行纤维化,例如使用级联离心器或离心杯或任何常规的离心纤维化方法。
优选的是,在用于矿物熔体的出口离开燃烧室基部的位置,该出口不是立刻向下延伸,相反地,该出口是虹吸管。“虹吸管”是指,通常为管或排放槽形式的出口先是相对于燃烧室开口具有向上的定向,随后在通到纤维化装置之前具有向下的定向。
如同使用虹吸管时通常的情况那样,结果是,为了使熔体离开燃烧室,燃烧室内的熔池必须足够深以达到虹吸管出口在竖直方向上的最高点。当这种情况发生时,重力使熔体向上通过虹吸管的向上定向的部分,随后沿虹吸管的后续部分向下流到纤维化装置。因此,这样就在***中形成气闸,从而确保废气不会从燃烧室的基部选出。
在使用颗粒燃料例如煤的实施例中使用虹吸管是特别有利的,并改进了熔体品质。这是由于,作为在燃烧室的顶部或底部没有完全燃烧的燃料颗粒的炭颗粒会在熔池的顶部聚集并漂浮在此。利用虹吸管防止了这些炭颗粒随熔体一起排出燃烧室。
和没有使用虹吸管相比,通过使炭颗粒能在熔体上聚集,增大了炭颗粒在燃烧室中的驻留时间。因此,炭颗粒可以在基部区域完全燃烧,以使燃料完全地烧尽。这样确保了该方法的能量效率最优化。
通过将二次燃烧气体添加到循环燃烧室的底部,增强了漂浮在熔体上的炭颗粒在基部区域的烧尽。
另一个优点涉及熔体中二价铁和三价铁的相对比例。传统上,使用具有强还原气氛的冲天炉来制造矿物熔体。其结果是,利用冲天炉制造的熔体中几乎所有的氧化铁都是二价铁的形式。二价铁对于纤维的耐火性有益,因为二价铁在高温下转变成三价铁的晶体结构。
然而,例如本发明中这样的旋风***更具氧化性,特别是当主气体是富氧空气时。在这种情况下,熔体中相当大比例的铁的形式可以是三价铁,而不是二价铁。当使用虹吸管时,熔体与被捕获而漂浮于熔体上的炭颗粒相接触。由于炭颗粒是强还原性的,它们可用于将熔体中的三价铁还原成二价铁,从而确保维持纤维的良好耐火性。
气体和悬浮的颗粒材料在循环燃烧室中通常的运动是气旋运动。这是通过以适当的角度引入主燃烧气体以及颗粒燃料和矿物材料来形成的,从而维持涡旋运动。优选地还将二次燃烧气体和二次燃料以相同的定向动量引入,从而维持循环气流。
在通常为截头圆锥形的循环燃烧室底部,喷射液体或气体的二次燃料和二次燃烧气体。
二次燃料可以是进行燃烧的任何燃料。
在一个实施例中,二次燃料包括液体燃料或气体燃料,特别是可包括任何高易燃性的液体或气体。在该实施例中,二次燃料还可包括少量的(按能量计小于50%,优选地小于20%或10%)在两阶段过程中燃烧的固体或液体颗粒燃料。二次燃料可以例如是固体燃料,例如煤或焦炭,或者是液体燃料,例如油滴。由于所包括的不太易燃成分含量较少,其基本上不会影响二次气体整体的快速而完全的燃烧。在该实施例中,优选的是二次燃料选自由以下燃料构成的组:丙烷、甲烷、天然气和乙醇,或它们的混合物,选择性地可具有少量的煤或油。
在一个替代的优选实施例中,二次燃料包括多达100%的固体燃料。该固体燃料可以是任何含碳材料,其具有如下谈到主燃料所述的合适热值,但是如同主燃料一样优选的是煤。在该实施例中,二次燃料优选包括70~90%的固体燃料。该实施例具有经济的优点,因为煤比例如天然气之类的气体燃料更为便宜。此外已经发现,使用固体燃料例如煤可减少NOx的形成。这可能是由于煤在燃烧室底部创造了还原条件。
在最优选的实施例中,二次燃料包括至少50%的固体燃料,优选70~90%的固体燃料,例如煤,二次燃料的其余部分是液体燃料或气体燃料,例如通过氧燃料燃烧器提供的天然气。
二次燃烧气体可以处于环境温度,或被预热,并且优选地包括比空气更高的氧含量,例如超过25%的氧。二次燃烧气体通常是富氧空气或纯氧。当二次燃烧气体是富氧空气时,优选地其包括按体积计至少30%的氧,优选地是至少35%,更优选地是至少50%,最优选地是至少70%,或者甚至至少是90%。只要总的氧含量超过空气中的氧含量(空气中氧含量按体积计是大约21%),富氧空气还可以包括空气中存在的其它气体,例如氮气,以及可包括通常空气中不存在的气体,例如惰性气体或易燃气体,例如丙烷或丁烷。在最优选的实施例中,二次燃烧气体是纯氧。
“纯氧”是指通过例如真空变压吸附技术(VPSA)获得的纯度为92%或更高的氧,或者可以是利用蒸馏法获得的纯度几乎为100%的氧。
在另一个实施例中,为了优化与空气相比使用氧导致成本增大相关的节能,该气体包括30~50%的氧。
可以将二次燃烧气体和二次燃料分别地引入底部,只要能发生充分的混合而在底部形成火焰。在二次燃料是固体的情况下,可以通过燃料供给管引入二次燃料,该燃料供给管具有和主燃料出口相同的设计。然而,优选地是二次燃烧气体和二次燃料一起通过至少一个燃烧器入口引入,俗称氧燃料燃烧器。这对于液体或气体的二次燃料而言是特别有用的。该燃烧器入口位于循环燃烧室底部最下面的半部分,优选地位于底部的底侧,靠近基部,以使得产生的火焰可以有效地加热熔体。优选地,二次燃烧气体和二次燃料的流量是可调节的,因此熔体温度可以根据需要而改变。
除了氧燃料燃烧器以外还设置有二次气体入口,特别是在将过量氧添加到***的实施例中。
如上所述,二次燃烧气体和二次燃料的相对比例可以根据情况而改变。
在一个实施例中,按比例地将二次燃料和二次燃烧气体引入,使得二次燃烧气体中的氧不足以使二次燃料进行完全燃烧。例如,可以是能够使二次燃料进行完全燃烧所需的二次气体中氧量的0.7或0.5倍。这意味着火焰倾向于延及宽的区域。
一般地,燃烧室底部的气氛中具有一些氧,但是含量较低。因此,和氧含量更高时相比,火焰在底部区域上蔓延地更加宽。在这种情况下,形成了大的火焰,从而能够有效地加热更大面积的熔体。
在一个不同的实施例中,当所用的主燃料是一种在两个阶段燃烧的燃料时,例如煤,有利的是按比例地引入二次燃料和二次燃烧气体,使得在二次燃烧气体中的氧比足以能够使二次燃料进行完全燃烧所需的氧更多。有利地,氧量是能够使二次燃料完全燃烧所需量的至少1.3倍,优选地是至少1.5倍,更优选地是至少3或5倍。
然而,总的来说,优选的是二次燃料和二次燃烧气体以相等的化学计量比例添加,使得二次燃烧气体刚好足以使二次燃料完全燃烧。
主燃料可以是任何可燃的材料,并可以任何形式提供。例如,主燃料可以是非常易燃的且一进入燃烧室就非常快速燃烧的气体或液体,例如丙烷、甲烷、天然气。二次燃料的量比主燃料的量少,不到总燃料能量的40%,一般是5~15%。
然而,在相对于二次燃料来说二次燃烧气体含有化学计量过量的氧的实施例中,主燃料可以是在两阶段过程中燃烧的颗粒物,例如煤。在称为热解的第一阶段,挥发性化合物随着气体的快速析出而非常快速地燃烧。这样会产生富含碳的炭颗粒。第二阶段是炭颗粒的燃烧,它比第一阶段慢得多。第二阶段所花时间为第一阶段时间的10~100倍。因此,尽管当燃料颗粒进入燃烧室时燃烧的第一阶段几乎立即发生,但是第二阶段通常不会发生,除非燃料具有相当长的驻留时间。如果燃料没有完全燃烧而在熔体中遗留了一些炭,则熔体品质将降低,并且在生产的纤维中包括有气泡或其它不连续性。然而,在本发明中,当将过量的氧引入底部时,增大了燃烧室底部中的氧含量,因此促进了炭颗粒快速完全的燃烧。
在本发明的该实施例中,在使用燃烧室时,燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域。
上部区域的特征在于发生热解,即颗粒燃料燃烧的初始阶段。上部区域大致地对应于燃烧室的圆柱形顶部。颗粒燃料以及优选地还有颗粒矿物材料和主燃烧气体被喷射到上部区域中。该上部区域还包括热气体通过的出口。
燃料在上部区域中的热解产生炭,它是富碳材料。炭颗粒通常被循环气体抛向燃烧室的表面,并随着熔体在重力的作用下沿燃烧室的表面流下。
下部区域的特征在于炭的燃烧。因此,下部区域通常对应于燃烧室的截头圆锥形底部,特别是在该底部中燃烧室的表面。炭颗粒也可存在于燃烧室顶部的表面上,以及漂浮在基部区域中熔池的水平表面上。
因此,上部区域通常遍及燃烧室顶部的大部分,而下部区域遍及底部的大部分,特别是燃烧室底部的表面,下部区域也可以一定程度地延伸到燃烧室顶部的表面。
一般地,即使将过量的氧添加到上部区域,但在这种循环燃烧室的下部区域中的氧含量也较低,该循环燃烧室把气体分离在顶部和把熔体分离在底部。因此,传统***中的炭需要长的驻留时间以在该区域燃烧。在本发明中,二次燃烧气体被喷射到下部区域,以帮助燃烧的第二阶段,即炭颗粒的燃烧。因此,在本发明的方法中,燃料在下部区域完全燃烧。
在该实施例中,主颗粒燃料可以是液体或固体形式。在主燃料是液体的情况下,其使用形式是液滴,即液体燃料颗粒。在该实施例中,主燃料可以是油颗粒或其它碳基液体。
然而,在本发明中主颗粒燃料优选是固体。其通常是含碳材料,并且可以是具有合适热值的任何含碳颗粒材料。该热值可以相对较低,例如低至10000kJ/kg,或甚至低至5000kJ/kg。这样,它例如可以是干燥过的污泥或纸废料。优选地,它具有较高的热值,并且可以是来自铝工业的废电解槽内衬(spent pot liner)、含有例如尾煤之类废料的煤,或者粉煤。
在一优选的实施例中,主燃料是粉煤,并且可以是煤精粉,但是,优选地一些煤、通常至少是50%、优选地是至少80%以及通常是所有的煤通过研磨块煤获得,例如使用球磨机。无论最初是以精粉形式供给还是以块煤形式供给,煤可以是优质煤,或者可以是含有高含量无机成分的废煤,例如含5%~50%的无机物,余量为碳。优选地,煤主要是或者完全是优质煤,例如烟煤或亚烟煤(ASTM D388 1984),且包含促进点燃的挥发物。
优选地,主燃料颗粒的粒径范围为50~1000μm,优选地是大约50~200μm。通常至少90%的颗粒(按重量计)处于该范围。通常,平均来说平均粒径是大约70μm,90%的粒径低于100μm。
可以用常规的方式通过供给管将主燃料供给到燃烧室中,以获得燃料颗粒流。这通常涉及到使用载气,燃料颗粒悬浮在载气中。载气可以是空气、纯氧、富氧空气或氧气,优选是在环境温度下,以避免逆燃;或者载气可以是活性较低的气体,例如氮。供给管优选为圆柱形。
颗粒矿物材料是适合于制造矿物纤维的任何材料,该矿物纤维可以是玻璃纤维、岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维。该玻璃纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为:10%以上Na2O+K2O,3%以下FeO形式的铁,20%以下的CaO+MgO,50%以上的SiO2和5%以下的Al2O3。岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为:10%以下的Na2O+K2O,20%以上的CaO+MgO,3%以上FeO形式的铁,50%以下的SiO2以及通常10%以上的Al2O3。矿物材料可以是废料,例如已经用过或者在使用之前被其它处理过程拒收的矿物纤维。
把要在燃烧室中熔融以形成矿物熔体的颗粒矿物材料引入燃烧室的上部区域,使得颗粒矿物材料悬浮在燃烧室中的气体中。颗粒矿物材料在何位置添加不是关键的,它可以与燃料混合并通过燃料供给管喷入。然而,优选地是将颗粒矿物材料添加到正在燃烧的燃料中。这可以通过以常规的方式从一入口将颗粒矿物材料添加到燃烧室中实现,例如从燃烧室顶部或其附近的入口。
主燃烧气体被引入燃烧室上部,并且可以是处于环境温度或者可以被预热。当主燃烧气体被加热时,主燃烧气体被预热到的最高满意温度是大约600℃,优选预热到300℃~600℃,最优选的是预热到大约500℃~550℃。主燃烧气体可以是燃料能在其中燃烧的任何气体,例如空气、富氧空气或纯氧。燃烧气体还可以包括丙烷或甲烷。
在这些优选的实施例中,主燃烧气体包含至少25%的氧。主燃烧气体优选的是包括有按体积计至少30%、优选的是至少50%、更优选的是至少70%的氧的富氧空气,或者主燃烧气体是纯氧。富氧空气可以包括少量的通常空气中不存在的气体。
在使用纯氧的情况下,其优选地是处于环境温度,而不是被预热。在主燃烧气体是富氧空气或纯氧的该实施例中,所用的主燃烧气体的总量可以远小于在只使用空气作为主燃烧气体的情况,因为仅使用氧气来用于燃烧。因此,通过使用富氧空气或纯氧可以获得极大的节能,因为燃烧气体的量较少需要更少的能量来加热。使用富氧空气或纯氧还意味着,循环燃烧室可以比使用空气时更小。这样也可以节能。
主燃烧气体可以通过供给管与悬浮于主燃烧气体中的燃料一起被引入,特别是当主燃烧气体处于相对低的温度时。燃料在进入燃烧室之前不应该在燃料管中开始燃烧(一种称为“逆燃”的现象),因此在该实施例中需要低的气体温度。然而,优选地通过一个或多个燃烧气体入口分别引入主燃烧气体,该燃烧气体入口位于燃料供给管附近,使得燃烧气体在与燃料相同的区域被引导到燃烧室中,从而进行有效的混合。在最优选的实施例中,燃烧气体入口同心地围绕供给管和二次气体入口,如下面所描述的。
无论是否一起引入,燃烧气体和燃料被喷入到燃烧室的速度都相对较低(优选地1~50m/s),从而使装置的磨损最小。当燃料悬浮在燃烧气体中时,速度优选地是5~40m/s。当优选地分别引入燃烧气体和燃料时,燃料的喷射速度优选为20~40m/s。
期望的是确保颗粒燃料与主燃烧气体快速充分地混合,因为这可以确保燃料被快速点燃,使得燃料可以在引入燃烧室后就几乎立即进行热解。充分地混合还可以确保燃料颗粒在主燃烧气体中的驻留时间更加均匀,从而导致更加有效的燃料燃烧。
在本发明的一个实施例中为了帮助确保快速充分的混合,可以在上部区域引入附加的气体,该附加的气体的速度比主燃烧气体和颗粒燃料的速度更快,并且,由于速度差,导致燃料颗粒流的湍流,从而使燃料颗粒流分散并确保快速混合。附加气体的量通常远小于燃烧气体的量,典型地是小于喷射到燃烧室的总气体的40%,优选地是10~30%。附加的气体可以是任何气体,包括空气、氮气、氧气,或易燃气体,例如丙烷或丁烷。附加气体可以从一入口喷入,使得其在燃烧室中靠近燃料颗粒流,但是优选地是被喷射到同心地包围燃料入口的入口。这种同心布置可获得有效的混合,特别是在附加气体的入口在开口处具有收敛喷嘴的情况下。附加气体的喷射速度优选地比燃料和燃烧气体的喷射速度大至少100m/s,通常至少250m/s,优选地至少300m/s。在最优选的实施例中,附加气体的喷射速度是声速,即等于或超过声音的速度。
附图说明
图1是适合于在本发明的优选实施例中使用的装置的示意图;
图2是在图1的椭圆形虚线中示出的虹吸管的前视图;
图3是在图1的椭圆形虚线中示出的虹吸管的侧视图。
具体实施方式
图1示出了循环燃烧室1,该循环燃烧室包括顶部2、底部3和基部4。主燃料和颗粒材料通过入口5引入,而主燃烧气体通过同心包围入口5的入口6引入。主燃料被点燃,并在上部2燃烧,然后在作为熔池7的基部4收集。热的废气通过位于燃烧室顶部的烟气出口8。二次燃料和二次燃烧气体通过氧燃烧器9喷射,并在底部区域3中形成火焰,用于加热熔池7。通过位于底部区域3中的氧气入口10引入另一二次燃烧气体,帮助燃料在该区域烧尽。熔体流过虹吸管11到达纤维化装置12,并在此形成纤维。
图2示出了虹吸管11的前视图,其中熔体流13正在排出虹吸管11。
图3示出了虹吸管11的横截面,该虹吸管具有向上定向的部分14,该部分14竖直升高超过燃烧室1中的开口15。一旦熔池7高出竖直定向部分14的高度,熔体就以流13的形式溢出该部分。
实例
本发明人已经证明,提供作为二次燃料的燃料到循环燃烧室的底部是一种非常有效的提高熔体温度的方式。在进行的试验中,添加到旋风炉中的燃料能的总量(主燃料和二次燃料)增大了2%。添加额外的燃料作为在燃烧室底部提供的二次燃料。主燃料的量保持不变。这样可以使熔体温度提高40~50℃。
为了在冲天炉中获得相同的熔体温度升高,将需要远超过2%的额外能量。
本发明的高效率是由于,在底部添加燃料能就可以快速和有效地加热沿燃烧室侧壁流下并流入燃烧室基部的熔体薄层。
Claims (19)
1.一种制造矿物纤维的方法,包括
提供循环燃烧室,该循环燃烧室包括顶部、底部和基部,
将主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到循环燃烧室的顶部,并且燃烧主燃料,从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体,以及产生废气,
从废气中分离矿物熔体,其中,废气经过循环燃烧室的出口,并且在循环燃烧室的基部收集矿物熔体,
将二次燃料和二次燃烧气体喷射到循环燃烧室的底部,以在底部形成加热熔体的火焰,并且
使收集的熔体流通过基部的出口流动到离心纤维化装置,并形成纤维。
2.如权利要求1所述的方法,其中,二次燃料包括液体燃料或气体燃料。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,二次燃料选自由乙醇、丙烷、甲烷、天然气和它们的混合物构成的组。
4.如权利要求2或3所述的方法,其中,二次燃料还另外包括按体积计占二次燃料总量不到50%的煤或油。
5.如权利要求1所述的方法,其中,二次燃料包括固体燃料,优选的是煤。
6.如权利要求5所述的方法,其中,二次燃料包括高达100%的固体燃料,优选地是70~90%的固体燃料。
7.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,二次燃烧气体是纯氧。
8.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,通过至少两个、优选的是至少三个燃烧器入口引入二次燃料和二次燃烧气体,使得二次燃料进入循环燃烧室后就立即燃烧而形成火焰。
9.如权利要求8所述的方法,其中,燃烧器入口位于循环燃烧室底部的下半部分,优选的是靠近基部。
10.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,二次燃烧气体和二次燃料的比例为使得二次燃烧气体的量不足以使二次燃料进行完全燃烧。
11.如权利要求1-9中任一权利要求所述的方法,其中,二次燃料和二次燃烧气体的比例为使得二次燃烧气体的量比足以使二次燃料进行完全燃烧所需的量还多。
12.如权利要求11所述的方法,其中,循环燃烧室包括位于底部的根据权利要求7所述的燃烧器入口和至少一个用于附加的二次燃烧气体的另外入口,优选地,其中,二次燃烧气体具有按体积计至少25%的氧含量。
13.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,在基部的出口是虹吸管。
14.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,主燃料是含碳的颗粒燃料,优选的是煤。
15.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,主燃料是含碳的颗粒燃料和一种或多种气体燃料的混合物,所述含碳的颗粒燃料优选为煤,所述气体燃料选自由丙烷、甲烷和天然气构成的组。
16.如前面任何一项权利要求所述的方法,其中,主燃烧气体是富氧空气或纯氧。
17.一种在根据前面任何一项权利要求的制造矿物纤维的方法中使用的装置,包括
循环燃烧室,该循环燃烧室包括大体上圆柱状的顶部、底部和基部,其中,循环燃烧室包括:
在顶部用于主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口,
在底部用于二次燃料和二次燃烧气体的入口,
用于废气的出口,
在基部的出口,以及
离心纤维化装置,其中,基部的出口通到该离心纤维化装置。
18.如权利要求17所述的装置,其中,循环燃烧室的底部是截头圆锥形。
19.如权利要求17或18所述的装置,其中,基部的出口是虹吸管。
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