CN110885064B - 一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，包括N级窑列旋风预热器和M级炉列旋风预热器，所述N级窑列旋风预热器中至少包括两种形式的旋风预热器，一种为水泥工业用旋风筒，另一种为下排气旋风分离器；所述M级炉列旋风预热器中包括有下排气旋风分离器；其中，N代表某一级窑列旋风预热器的级数，且N为大于等于3小于等于7的任意一自然数；M代表某一级炉列旋风预热器的级数，且M为大于等于2小于等于5的任意一自然数。本发明还公开了一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的方法。本发明通过两种结构形式不同的旋风预热器组合连接，实现整个生产线低阻力、高效率、低窑尾框架高度的流畅稳定运行，投资少，能耗低。

Description

一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***及其方法

技术领域

本发明涉及硫酸钙生产硅酸盐水泥熟料及硫酸技术领域，特别涉及一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***及其方法。

背景技术

悬浮预热预分解技术是新型干法水泥生产技术的核心，也是硫酸钙生产硅酸盐水泥熟料副产硫酸的关键技术。其最大的特点是将原来回转窑内堆积状态的气固换热和传质移到悬浮预热器中进行，使物料的干燥、预热和分解过程在窑外悬浮态下迅速完成。

1986年德国鲁齐公司开发了循环流化床节能型硫酸钙热分解法制硫酸联产水泥技术，并进行了中试，将过去硫酸钙还原分解和水泥煅烧在一个长窑中进行的生产方式，改变成在循环流化床中进行硫酸钙分解制取二氧化硫气体，在短窑中进行水泥煅烧成水泥熟料，但至今未见工业化应用实例。

预热预分解***由悬浮预热器和分解炉构成，悬浮预热器采用旋风筒及各级旋风筒之间的连接风管、下料管作为热交换单元。目前工业上在用的悬浮预热器一般由五级或六级旋风预热器从上而下串联组合而成，其土建结构(预热器塔架)的高度与预热器的级数成正比。预热器的热回收效率随旋风筒的级数的增加而增加，但级数的增加使得旋风预热器的塔架随之增高。伴随着预分解窑装置的不断大型化，预分解窑悬浮预热器—换热管道—分解炉支撑框架高度已经超过了100米，从而导致提升物料的能耗、窑尾框架的用钢量、窑尾土建投资增加。

随着悬浮预热和预分解技术日臻成熟，分解炉长径比还呈上升趋势。现有装置的分解炉出口高度已经远远高于末尾级悬浮预热器物料入窑所需要的高度，为降低悬浮预热器的框架高度，目前采取在分解炉炉顶出口至末尾级悬浮预热器之间增设“鹅颈管(U形管)”的方法，利用鹅颈管的向下折返，来降低末尾级悬浮预热器的布置标高。同时，C1级悬浮预热器废气管也是“鹅颈管”。

南京工业大学张冠卿在《氧分解炉鹅颈管及废气管道内气体流动规律试验与数值模拟研究》一文中指出：“鹅颈管”对于新建水泥生产线，其对分解炉内物料停留时间增加的贡献相当有限，效果也是不理想的。废气管、“鹅颈管”气体流场比较相似，其阻力分别与一个旋风预热器的阻力相当。阻力大将导致高温风机电耗增加，运行费用较高。

为解决水泥预热器的框架过高带来的问题，中国发明CN102954699A中公开了一种“水泥预热器的横向布置设计”，将悬浮预热器***中的旋风筒采用横向布置取代目前采用的竖向布置。其将相邻的预热器之间的管道呈“U”形设计，生料从“U”字形的底部附近加入，在管道内热气流的作用下被吹散并被带到下一级旋风筒。但是“U”形的管道阻力相当一个旋风预热器的阻力。导致整个预热***的阻力成倍增加。窑***高温风机的风压增加较多，大型风机制造困难，电耗也明显增加，至今未见有工业化的装置在运用。

综上所述，现有技术中的硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***存在旋风预热器支撑框架过高，土建投资费用大，***运行阻力大、能耗高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***及其方法，投资小，能耗低，可布置更多级数的旋风预热器，热能利用率高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，包括N级窑列旋风预热器和M级炉列旋风预热器，所述N级窑列旋风预热器中至少包括两种形式的旋风预热器，一种为水泥工业用旋风筒，另一种为下排气旋风分离器；所述M级炉列旋风预热器中包括有下排气旋风分离器；其中，N代表某一级窑列旋风预热器的级数，且N为大于等于3小于等于7的任意一自然数；M代表某一级炉列旋风预热器的级数，且M为大于等于2小于等于5的任意一自然数。

作为优选，所述N级窑列旋风预热器中至少有P级为下排气旋风分离器，且P的取值范围为：1≦P≦N-1。

作为优选，所述N级窑列旋风预热器中位于顶端的窑列旋风预热器为下排气旋风分离器，其余级窑列旋风预热器中至少有一级为所述水泥工业用旋风筒。

作为优选，所述M为2，且2级炉列旋风预热器均为下排气旋风分离器。

如上所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，还包括还原炉、回转窑、打散烘干机、气流干燥器、熟料冷却机、炉列抽风机、收尘器；其中，第1级炉列旋风预热器的出料管与第1级窑列旋风预热器的进风管连接，出风口与炉列抽风机连接；第1级窑列旋风预热器的出风管与收尘器连接；第N级窑列旋风预热器的出料管与还原炉连接，且其进风管与回转窑窑尾的烟室连接；其余各级窑列旋风预热器之间，窑列旋风预热器的出风口通过进风管与上一级的进风口相连，出料口则通过出料管与下一级的进风管相连；

所述还原炉的出风口与第M级炉列旋风预热器连接，且第M级炉列旋风预热器的出料管通过分料阀分别连接至还原炉和回转窑；其余各级炉列旋风预热器之间，按照第M级炉列旋风预热器、第M-1级炉列旋风预热器......打散烘干机、气流干燥器以及第1级炉列旋风预热器的顺序依次相连；所述回转窑的窑头连接有熟料冷却机。

作为优选，所述第1级窑列旋风预热器与收尘器之间还设置有换热器；所述第1级窑列旋风预热器的连接风管与换热器相连，且换热器通过风机与收尘器的进风口连接。

作为优选，所述收尘器为布袋式收尘器。

作为优选，所述还原炉与换热器之间连接有气体管道，且在气体管道上设有控制阀。

本发明还提供了一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的方法，利用上述所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，包括以下步骤：

(1)干燥脱水：将硫酸钙原料打散后，经气流干燥器以及M级炉列旋风预热器进行烘干处理；

(2)预热、还原分解：烘干后的硫酸钙原料依次通过N级窑列旋风预热器进行预热，预热后的硫酸钙物料进入到还原炉(15)中，加入煤粉和/或天然气，控制燃烧的氧含量产生CO、H₂中的一种和/或二种作为还原剂进行还原反应，得到气固混合物；过程中其化学反应式为:

CaS0₄+4CO＝CaS+4C0₂

CaS0₄+4H₂＝CaS+4H₂O

(3)煅烧冷却：气固混合物经气固分离后，气体引入打散烘干机对硫酸钙原料进行烘干，固体物料则进入到回转窑中煅烧制得SO₂和水泥熟料，水泥熟料通过熟料冷却机降温冷却后进行储存和外销。过程中其化学反应式为:

CaS+2O₂＝CaS0₄

3CaS0₄+CaS＝4Ca0+4S0₂

CaS+O₂＝Ca0+S0₂

作为优选，所述步骤(2)中进行硫酸钙的还原反应时，通过控制还原剂将占硫酸钙中总硫量36％—98％的硫酸钙还原为硫化钙。

本发明的有益效果是：

(1)通过将下排气旋风分离器与水泥工业用旋风筒搭配起来使用，由于下排气旋风分离器的出料口和出气口均在底部，而水泥工业用旋风筒的出气口在顶部、出料口在底部；通过将上述两种形式的旋风分离器组合起来使用，可降低窑尾框架高度，进而减少窑尾框架用钢量及土建投资，同时上述组合方式相比较传统的“鹅颈管”等“U”形结构设计方式，***阻力小，能耗低，可布置更多级数的旋风预热器，热利用率高。

(2)用还原炉余热在悬浮状态下通过气流干燥器烘干硫酸钙，提高热能利用率。

(3)还原炉中发生的硫酸钙还原反应，产生的二氧化碳以及为提供反应所需热量而燃烧燃料产生的二氧化碳，被从分解炉中与回转窑烟气分离开，不进入制酸用的含二氧化硫的回转窑烟气中，回转窑烟气中二氧化硫体积比浓度提高。回转窑烟气通过换热器与需要进入还原炉的气体进行换热，更充分地回收了回转窑烟气的余热，有利于节约能耗。

(4)使用布袋式收尘器，除尘效率高，为硫酸净化、转化创造更好的条件。

(5)窑内处于氧化气氛状态，可消除传统工艺控制弱氧化气氛时，生产的CO、碳氢化物、升化硫对硫酸转化***的影响。

(6)不使用固体焦炭作为还原剂，使用磷石膏、脱硫石膏、氟石膏等主要成分为硫酸钙的原料时，无传统的生料粉磨烘干、储存工序，生产流程简短。

(7)工艺流程短、反应气氛易于控制、还原分解效率高、SO₂烟气浓度高。

附图说明

图1为本发明中当N＝6、M＝2时的结构示意图。

图中，1-第2级窑列旋风预热器，2-第1级炉列旋风预热器，3-炉列废气抽风机，4-第1级窑列旋风预热器，5-第4级窑列旋风预热器，6-锁风阀，7-换热器，8-第3级窑列旋风预热器，9-收尘器，10-第5级窑列旋风预热器，11-第6级窑列旋风预热器，12-第2级炉列旋风预热器，13-分料阀，14-还原炉用煤粉加入口，15-还原炉，16-硫酸钙进料装置，17-打散烘干机，18-回转窑，19-熟料冷却机，20-气流干燥器，21-烟室，22-气体管道，23-锁风阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其包括多级窑列旋风预热器和多级炉列旋风预热器；其中，多级窑列旋风预热器从上至下依次为第2级窑列旋风预热器1、第1级窑列旋风预热器4、第3级窑列旋风预热器8、第4级窑列旋风预热器5、第5级窑列旋风预热器10和第6级窑列旋风预热器11从而组成6级窑列旋风预热器；多级炉列旋风预热器由上至下依次为第1级炉列旋风预热器2和第2级炉列旋风预热器12组成2级炉列旋风预热器。其中，各级旋风预热器之间，位于下一级的旋风预热器的出风口通过进风管与上一级的进风口相连，位于下一级的旋风预热器的出料口与再下一级的旋风预热器的进风管相连。以第2级炉列旋风预热器12为例，第2级炉列旋风预热器12的出风口通过进风管连接至第1级炉列旋风预热器2的进风口，第2级窑列旋风预热器1的出料口通过出料管连接至第3级窑列旋风预热器的进风管。

在本实施例中，第1级窑列旋风预热器4、第2级窑列旋风预热器1、第4级窑列旋风预热器5、第1级炉列旋风预热器2以及第2级炉列旋风预热器12均为下排气旋风预热器，其余级窑列旋风预热器和炉列旋风预热器则为水泥工业用旋风筒。其中，下排气旋风预热器的出风口和出料口均在旋风预热器的底部，进风口设置在旋风预热器的侧部；而水泥工业用旋风筒的出风口在旋风预热器的顶部，出料口在旋风预热器的底部。

当然，本发明中的硫酸钙生产硫酸和水泥熟料的***可由上述多级窑列旋风预热器和多级炉列旋风预热器自由组合，例如本发明中的窑列旋风预热器不限为6级，还可以为3级、4级、5级或者是7级；炉列旋风预热器不限为2级，还可以为3级、4级或者是5级。上述组合中只需要满足多级窑列旋风预热器中至少包括两种形式的旋风预热器，一种为水泥工业用旋风筒，另一种为下排气旋风分离器；多级炉列旋风预热器中包括有下排气旋风分离器即可。

此外，在对硫酸钙的分离效率要求不是特别高的条件下，例如硫酸钙的分离效率小于百分之八十，可在第3级、第4级、第5级窑列旋风预热器中使用阻力更低的卧式旋风预热器替换下排气旋风预热器，依然可以降低窑尾框架高度，进而减少窑尾框架用钢量及土建投资，同时***阻力小。

本发明的关键在于：在现有硫酸钙生产水泥熟料和硫酸以及碳酸钙生产水泥熟料的***基础上，通过将下排气旋风分离器与水泥工业用旋风筒搭配起来使用，由于下排气旋风分离器的出料口和出风口均在底部，而水泥工业用旋风筒的出风口在顶部、出料口在底部；通过将上述两种形式的旋风分离器组合起来使用，可实现对已有生产线，在不增加窑尾框架高度的条件下，增加旋风旋风预热器的级数；或在新建装置上降低窑尾框架高度，进而减少窑尾框架用钢量及土建投资，同时上述组合方式相比较传统的“鹅颈管”等“U”形结构设计方式，***阻力小，可布置更多级数的旋风预热器，热利用率高。本发明不仅适用于利用硫酸钙生产水泥熟料和硫酸；而且适用于碳酸钙生产水泥熟料，在利用碳酸钙生产水泥熟料时，炉列旋风预热器的级数与窑列旋风预热器的级数相同，而且此时可以取消打散烘干机打散的工序。

该硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***还包括还原炉15、回转窑18、打散烘干机17、气流干燥器20、熟料冷却机19、炉列抽风机3、进料装置16、收尘器9，每一级窑列旋风预热器和炉列旋风预热器的下料口连接管道上均设有锁风阀23；其中，第1级炉列旋风预热器2的出料管与第1级窑列旋风预热器4的连接风管连接，出风口与炉列抽风机3连接；第1级窑列旋风预热器4的连接风管与收尘器9进风口连接；第6级窑列旋风预热器的出料管与还原炉15连接，且其进风管与回转窑18窑尾的烟室21连接；所述还原炉15的出风口与第2级炉列旋风预热器连接；所述第2级炉列旋风预热器的出料管通过分料阀13分别连接至还原炉15和回转窑18，出风管与打散烘干机17的进风口连接；所述打散烘干机17上设有进料装置16，且其出料口与气流干燥器20相连；所述气流干燥器20与第1级炉列旋风预热器相连；其余各级窑列旋风预热器和炉列旋风预热器之间，该级窑列旋风预热器和炉列旋风预热器的出风口通过进风管与上一级的进风口相连，卸料口则通过卸料管与下一级的进风管相连；所述回转窑18的窑头连接有熟料冷却机19。

作为优选，所述第1级窑列旋风预热器4与收尘器9之间还设置有换热器7；所述第1级窑列旋风预热器4的连接风管与换热器7相连，且换热器7通过风机与收尘器9的进风口连接。作为进一步的优选，所述收尘器9为布袋式收尘器。

作为优选，所述还原炉15与换热器7之间连接有气体管道22，且在气体管道22上设有控制阀。回转窑烟气通过换热器7与需要进入还原炉15的气体进行换热，更充分地回收了回转窑烟气的余热，有利于节约能耗。

作为优选，还可以在第2级炉列旋风预热器12的出口管道上连接有空气管道(图中未示出)，并在空气管道上设有控制阀。采用该设计，通过引入的空气，使还原炉15内剩余的一氧化碳充分完全燃烧，既充分利用一氧化碳的燃烧放热，也消除了一氧化碳对后续工艺步骤带来的危害。

利用本实施例中的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，生产水泥熟料和硫酸的方法，该方法的工艺步骤为：

(1)干燥脱水：将硫酸钙原料通过进料装置16加入至打散烘干机17中，在打散烘干机锤头作用下被分散，同时与来自第2级炉列旋风预热器12的热气体混合，短暂停留后依次进入气流干燥器20以及第1级炉列旋风预热器2中，从而脱除硫酸钙原料中的游离水和结晶水，并且在第1级炉列旋风预热器2进行气固分离，气体通过管道进入炉列废抽风机3排入废气处理***；

(2)预热、还原分解：上述步骤(1)中分离得到的物料进入第1级窑列旋风预热器4中，经第1级窑列旋风预热器4加热及分离后，气体通过管道进入换热器7进行进一步的降温，再经风机送入收尘器9除去大部份粉尘后送入硫酸净化***制造硫酸，分离得到的物料则依次通过其余5级窑列旋风预热器进行预热，预热后的硫酸钙物料最终进入到还原炉15中，通过还原炉用煤粉加入口14向还原炉15中加入煤粉和/或天然气，控制燃烧的氧含量产生CO、H₂中的一种和/或二种作为还原剂进行还原反应，得到硫化钙、未反应的硫酸钙以及未反应完全的气体等气固混合物；

(3)煅烧冷却：气固混合物经第2级炉列旋风预热器12气固分离后，气体引入打散烘干机17对硫酸钙原料进行烘干，固体物料则进入到回转窑18中经煅烧制得SO₂和水泥熟料，水泥熟料通过熟料冷却机19降温冷却后进行储存和外销。

作为优选，上述步骤(2)中在进行硫酸钙的还原反应时，通过控制还原剂将占硫酸钙中总硫量36％—98％的硫酸钙还原为硫化钙，使得物料在回转窑中煅烧时，有更宽的控制条件，同时由于保证硫酸钙过量，因而可以获得更高浓度的二氧化硫。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，包括N级窑列旋风预热器和2级炉列旋风预热器，其特征在于：所述N级窑列旋风预热器中至少包括两种形式的旋风预热器，一种为水泥工业用旋风筒，另一种为下排气旋风分离器；所述2级炉列旋风预热器中包括有下排气旋风分离器；其中，N代表某一级窑列旋风预热器的级数，且N为大于等于3小于等于7的任意一自然数；所述N级窑列旋风预热器中位于顶端的窑列旋风预热器为下排气旋风分离器，其余级窑列旋风预热器中至少有一级为所述水泥工业用旋风筒；

还包括还原炉(15)、回转窑(18)、打散烘干机(17)、气流干燥器(20)、熟料冷却机(19)、炉列废气抽风机(3)、硫酸钙进料装置(16)、收尘器(9)；其中，第1级炉列旋风预热器(2)的出料管与第1级窑列旋风预热器(4)的进风管连接，出风口与炉列废气抽风机(3)连接；第1级窑列旋风预热器(4)的出风管与收尘器(9)连接；第N级窑列旋风预热器的出料管与还原炉(15)连接，且其进风管与回转窑(18)窑尾的烟室(21)连接；其余各级窑列旋风预热器之间，窑列旋风预热器的出风口通过进风管与上一级的进风口相连，出料口则通过出料管与下一级的进风管相连；

所述还原炉(15)的出风口与第2级炉列旋风预热器连接，第2级炉列旋风预热器的出料管通过分料阀(13)分别连接至还原炉(15)和回转窑(18)；其余各级炉列旋风预热器之间，按照第2级炉列旋风预热器、打散烘干机(17)、气流干燥器(20)以及第1级炉列旋风预热器(2)的顺序依次相连；所述回转窑(18)的窑头连接有熟料冷却机(19)。

2.根据权利要求1所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其特征在于：所述N级窑列旋风预热器中至少有P级为下排气旋风分离器，且P的取值范围为：1≦P≦N-1。

3.根据权利要求1所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其特征在于：所述2级炉列旋风预热器均为下排气旋风分离器。

4.根据权利要求1所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其特征在于：所述第1级窑列旋风预热器(4)与收尘器(9)之间还设置有换热器(7)；所述第1级窑列旋风预热器(4)的连接风管与换热器(7)相连，且所述换热器(7)通过风机与收尘器(9)的进风口连接。

5.根据权利要求4所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其特征在于：所述收尘器(9)为布袋式收尘器。

6.根据权利要求4所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，其特征在于：所述还原炉(15)与换热器(7)之间连接有气体管道(22)，且在气体管道(22)上设有控制阀。

7.一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的方法，其特征在于：利用权利要求4所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的***，包括以下步骤：

(1)干燥脱水：将硫酸钙原料打散后，经气流干燥器以及2级炉列旋风预热器进行烘干处理；

(2)预热、还原分解：烘干后的硫酸钙原料依次通过N级窑列旋风预热器进行预热，预热后的硫酸钙物料进入到还原炉(15)中，加入煤粉和/或天然气，控制燃烧的氧含量产生CO、H₂中的一种和/或二种作为还原剂进行还原反应，得到气固混合物；

(3)煅烧冷却：气固混合物经气固分离后，气体引入打散烘干机(17)对硫酸钙原料进行烘干，固体物料则进入到回转窑(18)中煅烧制得SO₂和水泥熟料，水泥熟料通过熟料冷却机(19)降温冷却后进行储存和外销。

8.根据权利要求7所述的一种硫酸钙生产水泥熟料和硫酸的方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行硫酸钙的还原反应时，通过控制还原剂将占硫酸钙中总硫量36％—98％的硫酸钙还原为硫化钙。

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