CN115650612B - 一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***及其运转方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***及其运转方法，包括分解炉、烟室、回转窑、窑门罩和窑头燃烧器，氢气储罐依次经氢气阀门、氢气压力调节器、氢气流量控制器、止逆阀通过管道与喂料称连通。替代燃料仓经过替代燃料下料阀通过管道与喂料称连通。喂料称通过管道连通分解炉上的分解炉喂料口，喂料称通过管道连通窑头燃烧器。将氢气用作激发剂加速替代燃料的燃烧，改善替代燃料的燃烧性能，通过应用量的比例调整，可以有效控制火焰性能，保证水泥熟料的合格生产，替代化石燃料的应用，可以减少二氧化碳的生成，有利于实现水泥工业的碳达峰、碳中和目标。
Description
技术领域
本发明涉及水泥工业碳减排领域，特别涉及一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***及其运转方法。
背景技术
随着全球变暖的情况越来越严重，二氧化碳作为温室气体的一种，其排放问题受到人们广泛关注。如何降低二氧化碳的排放，成为各个国家、各工业领域研究的重要内容之一。水泥工业作为大量排放碳的“大户”，尤其需要花费巨大的努力，才能减少碳排放，按时完成碳达峰碳中和目标。一吨水泥大约释放675千克二氧化碳，其中生产电耗占11％，燃料燃烧占31％，碳酸盐分解占58％。
水泥工业中化石燃料的应用，释放了大量的二氧化碳。使用替代燃料成为一个减少碳排放的有效途径。CN107129168A、CN107191950分别介绍了使用废旧轮胎、废塑料作为替代燃料的方法，但入窑前还需使用液态催化裂解氧化剂/助燃剂改性，工艺较为复杂。CN114184045A公开的水泥窑协同焚烧替代燃料***需要外设焚烧炉，设备投资增加。而且目前使用的替代燃料，种类繁多，质量不一，存在燃烧速度慢，燃尽率低等问题，给水泥熟料的合格生产造成麻烦。
氢气作为一种清洁能源，燃烧范围广、点火能量低、燃烧速度快，可以作为替代燃料煅烧水泥熟料。CN113864776A公开的一种建材工业燃料替代碳中和的方法，需要多种添加剂来调节氢气的燃烧火焰，操作复杂。亟需一种能够替代化石燃料减少碳排放，并且工艺简单、操作容易的燃料供应***。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***及其运转方法，将氢气用作激发剂加速替代燃料的燃烧，改善替代燃料的燃烧性能，通过应用量的比例调整，可以有效控制火焰性能，保证水泥熟料的合格生产。本发明的水泥窑炉***可替代化石燃料的应用，减少二氧化碳的生成，有利于实现水泥工业的碳达峰、碳中和目标。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，包括分解炉、烟室、回转窑、窑门罩、窑头燃烧器、窑尾化石燃料供应设备和窑头化石燃料供应设备，还包括为分别为分解炉和回转窑提供氢能耦合替代燃料的氢气储罐(、第一替代燃料仓和第二替代燃料仓，氢气储罐一侧依次经过第一氢气阀门、第一氢气压力调节器、第一氢气流量控制器和第一止逆阀与第一喂料称连通，第一替代燃料仓经过第一替代燃料下料阀与第一喂料称连通，第一喂料称通过管道连通到设置在分解炉上的分解炉喂料口上；氢气储罐另一侧依次经过第二氢气阀门、第二氢气压力调节器、第二氢气流量控制器和第二止逆阀与第二喂料称连通，第二替代燃料仓经过第二替代燃料下料阀与第二喂料称连通，第二喂料称通过管道连通窑头燃烧器。
所述氢气储罐的氢气来源为电解水制氢、化工品制氢或工业副产氢。
所述第一替代燃料仓和第二替代燃料仓中的替代燃料为水泥窑用固体替代燃料。
所述分解炉喂料口数量可为一个或多个，位置在分解炉上的锥部或柱段。
耦合氢气替代燃料与化石燃料共同使用一根窑头燃烧器。
耦合氢气替代燃料单独使用一根窑头燃烧器。
所述第一替代燃料下料阀和第二替代燃料下料阀具有锁风功能，防止氢气通过管道进入替代燃料仓内。
上述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***的运转方法，氢气储罐内压力为12MPa～70MPa，氢气体积分数为95％～99.999％；窑头燃烧器处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-40％，分解炉处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-60％。
所述窑头燃烧器处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60，分解炉处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60。
本发明的有益效果是：本发明的水泥窑炉***利用氢能激发替代燃料燃烧性能的特点，加快了替代燃料的燃烧，提高了替代燃料的燃尽率，可以替代化石燃料的使用，从而减少二氧化碳的排放，进而实现水泥工业的绿色生产。本发明的水泥窑炉***，工艺简单，操作容易，当日产5000t熟料生产线采用本发明的水泥窑炉***，窑头燃烧器处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为32％，替代燃料与氢气质量比为37，分解炉处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为54％，替代燃料与氢气质量比为42.6时，生产每吨熟料能够减少二氧化碳排放220.6kg。
附图说明
图1是本发明的采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***的一种示意图。
图2是本发明的实施例1提供的***的示意图。
图3是本发明的实施例1提供的分解炉喂料口分布的示意图。
图4是本发明的实施例1提供的窑头燃烧器截面的示意图。
图5是本发明的实施例2提供的***的示意图。
图6是本发明的实施例2提供的分解炉喂料口分布的示意图。
图7是本发明的实施例2提供的窑头燃烧器截面的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，包括分解炉1、烟室2、回转窑3、窑门罩4、窑头燃烧器5、窑尾化石燃料供应设备15和窑头化石燃料供应设备16，还包括为分别为分解炉1和回转窑3提供氢能耦合替代燃料的氢气储罐6、第一替代燃料仓111和第二替代燃料仓112，氢气储罐6一侧依次经过第一氢气阀门71、第一氢气压力调节器81、第一氢气流量控制器91和第一止逆阀101与第一喂料称131连通，第一替代燃料仓111经过第一替代燃料下料阀121与第一喂料称131连通，第一喂料称131通过管道连通到设置在分解炉上的分解炉喂料口14上；氢气储罐6另一侧依次经过第二氢气阀门72、第二氢气压力调节器82、第二氢气流量控制器92和第二止逆阀102与第二喂料称132连通，第二替代燃料仓112经过第二替代燃料下料阀122与第二喂料称132连通，第二喂料称132通过管道连通窑头燃烧器5。
所述氢气储罐6的氢气来源为电解水制氢、化工品制氢或工业副产氢。
所述第一替代燃料仓111和第二替代燃料仓112中的替代燃料为水泥窑用固体替代燃料。
所述分解炉喂料口14数量可为一个或多个，位置在分解炉上的锥部或柱段。
耦合氢气替代燃料与化石燃料共同使用一根窑头燃烧器5。
耦合氢气替代燃料单独使用一根窑头燃烧器5。
所述第一替代燃料下料阀121和第二替代燃料下料阀122具有锁风功能，防止氢气通过管道进入替代燃料仓内。
上述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***的运转方法，氢气储罐6内压力为12MPa～70MPa，氢气体积分数为95％～99.999％；窑头燃烧器5处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-40％，分解炉1处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-60％。
优选，所述窑头燃烧器5处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60，分解炉1处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60。
本发明将氢气作为一种激发剂，与替代燃料耦合，能够有效提高替代燃料的燃烧速度，改善替代燃料的燃烧性能。
本发明氢能耦合替代燃料可以替代化石燃料，替代燃料仓内的替代燃料经过替代燃料下料阀进入喂料称，替代燃料下料阀具有锁风功能，可以防止氢气通过管道进入替代燃料仓内。氢气储罐内的氢气通过氢气阀门，经氢气压力调节器调节压力后，通过氢气流量控制器控制所需流量，经过止逆阀进入喂料称，所述止逆阀可以防止氢气倒流。喂料称内的氢气将替代燃料通过管道经分解炉喂料口输送至分解炉内。喂料称内的氢气将替代燃料通过管道输送至窑头燃烧器内。氢气与替代燃料在管道内充分混合。
实施例1
将本发明水泥窑炉***应用于一条5000t/d的水泥熟料生产线，本发明的实施例提供一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***(见图2)，包括分解炉1、烟室2、回转窑3、窑门罩4、窑头燃烧器5、氢气储罐6、氢气阀门71/72、氢气压力调节器81/82、氢气流量控制器91/92、止逆阀101/102、替代燃料仓111/112、替代燃料下料阀121/122、喂料称131/132、分解炉喂料口141～144，窑尾化石燃料供应设备15，窑头化石燃料供应设备16。分解炉1下锥部同一高度设置分解炉喂料口141～144四个，夹角90°(见图3)。耦合氢能的替代燃料与化石燃料共用一根窑头燃烧器5，通道截面如图4所示，化石燃料为煤粉，其中171为风道，172为氢能+替代燃料风道，173为煤粉风道。
氢气储罐6内压力为60MPa，氢气体积分数为99.9％。替代燃料为稻壳。
窑头燃烧器5处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为32％，替代燃料与氢气质量比为37，氢气热值替代量为4％，氢气压力调节器82出口压力为102.5kPa，氢气流量控制器92调节流量为2150Nm3/h；稻壳热值替代量为28％，喂料称132吞吐量为7.1t/h。
分解炉1处氢气耦合替代燃料代替化石燃料量为54％，替代燃料与氢气质量比为42.4，氢气热值替代量为6％，氢气压力调节器81出口压力为102kPa，氢气流量控制器91调节流量为3220Nm3/h；稻壳热值替代量为48％，喂料称131吞吐量为12.2t/h。
生产过程中每天可处置替代燃料463.2t，减少二氧化碳1103.0t，每吨熟料可减少二氧化碳排放220.6kg。
实施例2
将本发明水泥窑炉***应用于一条8000t/d的水泥熟料生产线，本发明的实施例提供一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***(见图2)，包括分解炉1、烟室2、回转窑3、窑门罩4、窑头燃烧器51/52、氢气储罐6、氢气阀门71/72、氢气压力调节器81/82、氢气流量控制器91/92、止逆阀101/102、替代燃料仓111/112、替代燃料下料阀121/122、喂料称131/132、分解炉喂料口141～144，窑尾化石燃料供应设备15，窑头化石燃料供应设备16。分解炉1下锥部设置分解炉喂料口141～144四个，分为上下两层，每层对称布置(见图5和图6)。耦合氢能的替代燃料单独使用一根窑头燃烧器51，通道截面如图7所示，其中171为风道，172为氢能+替代燃料风道，化石燃料用另一根窑头燃烧器52。
氢气储罐6内压力为70MPa，氢气体积分数为99.2％。替代燃料为垃圾衍生物。
窑头燃烧器51/52处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为30.8％，替代燃料与氢气质量比为43.5，氢气热值替代量为4.8％，氢气压力调节器82出口压力为101.8kPa，氢气流量控制器92调节流量为4130Nm3/h；垃圾衍生物热值替代量为26％，喂料称132吞吐量为16t/h。
分解炉1处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为51％，替代燃料与氢气质量比为37.5，氢气热值替代量为9％，氢气压力调节器81出口压力为102.5kPa，氢气流量控制器91调节流量为7730Nm3/h；垃圾衍生物热值替代量为42％，喂料称131吞吐量为25.9t/h。
生产过程中每天可处置替代燃料1005.6t，减少二氧化碳1678.5t，每吨熟料可减少二氧化碳排放209.8kg。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (7)
1.一种采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，包括分解炉(1)、烟室(2)、回转窑(3)、窑门罩(4)、窑头燃烧器(5)、窑尾化石燃料供应设备(15)和窑头化石燃料供应设备(16)，其特征在于，还包括分别为分解炉(1)和回转窑(3)提供氢能耦合替代燃料的氢气储罐(6)、第一替代燃料仓(111)和第二替代燃料仓(112)，氢气储罐(6)一侧依次经过第一氢气阀门(71)、第一氢气压力调节器(81)、第一氢气流量控制器(91)和第一止逆阀(101)与第一喂料称(131)连通，第一替代燃料仓(111)经过第一替代燃料下料阀(121)与第一喂料称(131)连通，第一喂料称(131)通过管道连通到设置在分解炉上的分解炉喂料口(14)上；氢气储罐(6)另一侧依次经过第二氢气阀门(72)、第二氢气压力调节器(82)、第二氢气流量控制器(92)和第二止逆阀(102)与第二喂料称(132)连通，第二替代燃料仓(112)经过第二替代燃料下料阀(122)与第二喂料称(132)连通，第二喂料称(132)通过管道连通窑头燃烧器(5)；氢气储罐(6)内压力为12MPa～70MPa，氢气体积分数为95％～99.999％；窑头燃烧器(5)处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-40％，分解炉(1)处氢气耦合替代燃料替代化石燃料量为1％-60％；窑头燃烧器(5)处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60，分解炉(1)处替代燃料与氢气的质量比为0.5～60。
2.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，所述氢气储罐(6)的氢气来源为电解水制氢、化工品制氢或工业副产氢。
3.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，所述第一替代燃料仓(111)和第二替代燃料仓(112)中的替代燃料为水泥窑用固体替代燃料。
4.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，所述分解炉喂料口(14)数量为一个或多个，位置在分解炉上的锥部或柱段。
5.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，氢气耦合替代燃料与化石燃料共同使用一根窑头燃烧器(5)。
6.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，氢气耦合替代燃料单独使用一根窑头燃烧器(5)。
7.根据权利要求1所述采用氢能耦合替代燃料的水泥窑炉***，其特征在于，所述第一替代燃料下料阀(121)和第二替代燃料下料阀(122)具有锁风功能，防止氢气通过管道进入替代燃料仓内。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 朱刚等.碳中和目标下的水泥工业低碳技术研究.《水泥工程》.2022,(第4期),第1-4页和第21页. * |
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| CN115650612A (zh) | 2023-01-31 |
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