CN1300028C - 制造水泥熟料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本文公开一种制造水泥熟料的方法，通过该法水泥原料粉在包括旋风预热器(1)和窑炉(5)的装置中预热和烧成。该法的特征在于至少部分原料粉是由旋风预热器(1)提取，这原料粉引入分离单元(21)、在其中指定其在气流提供的氧化条件下的滞留时间以形成SO₂和排出有机碳，形成的SO₂和排出的有机碳由分离单元(21)的夹带在气流中排出，以进一步在后续工艺步骤中处理，并使原料粉重新引入旋风预热器(1)。由此达到有效地降低VOC、CO以及SO₂的排放，而无须使用另外用于加热的能量。通过在氧化条件下使提取的和部分预热的原料粉以滞持时间而由旋风预热器分离，可以达到使硫化物氧化成SO₂，和有机碳由原料粉中排出，致使所形成的SO₂和排出的有机碳可夹带在分开的、较少的气流中，并以优化方式进行其后的处理。

Description

制造水泥熟料的方法和装置

本发明涉及一种水泥熟料的制造方法，通过该法水泥原料粉在包括旋风预热器和窑炉的装置中进行预热和烧成。尤其是本发明涉及一种减少SO₂、CO和挥发性有机化合物(以下称作VOC)从所述装置排放的方法。本发明还涉及完成该方法的装置。

用于制造水泥熟料的上述装置由文献是熟知的。

SO₂、CO和VOC从这种制造水泥熟料的窑炉装置中排放，主要是由所使用的原料发出的，这种原料将在下文进一步详细地描述。原料粉在旋风预热器中的加热是通过按逆流原则与热的废气直接接触而进行的，由此所形成的SO₂和CO以及排出的VOC立即为废气流所俘获，并与废气流一起以排放的形式离开旋风预热器。由于不同的理由，这三种向大气的排放是不希望有的。

水泥的原料经常含有矿物质，如黄铁矿和白铁矿。黄铁矿(FeS₂)中的硫化物在温度约525℃下的旋风预热器中转化，引发SO₂的形成。因此在启动水泥装置时进行的测量证实，当原料粉于约370℃的温度下离开第一旋风段时，原料粉中所含有的全部硫化物实际上仍存在于原料粉中，而原料粉在约550℃的温度下离开第二旋风段时，原料粉中的硫化物含量约为一半。这样，在上述的水泥装置中，原料中所含有的硫化物几乎有一半，因在第二旋风段发生的氧化反应，而以SO₂的形式从预热器排出。用于减少SO₂含量的已知方法包括，从废气的流动方向观察，在SO₂形成后的一个位置上，于旋风预热器中使用CaO、Ca(OH)₂或其他碱性成分形式的吸收剂，致使SO₂以硫化物形式结合在原料中，硫化物在后来的工艺步骤中转化成硫酸盐。这种已知方法的一个显著的缺点是，通常必须使用过量的吸收剂，因此使其成为较贵的方法。

另外，水泥原料经常含有有机碳，它在旋风预热器的预热过程中基本上以CO和VOC的形式从原料粉中排出，并且与废气流一起以未烧成的形式排出。这一点可以通过表明某些类型的VOC基本上是在比较窄的温度间隔内排出的研究得到证实。一种VOC基本上是在300-500℃的温度间隔内排出，而另一种基本上是在450-650℃的温度间隔内排出。另外一种VOC是在更高的温度间隔内排出。在传统的旋风预热器中，上述温度间隔通常分别出现在第一和第二旋风段，和第二和第三旋风段，这取决于旋风预热器是四段的还是五段的单元，而且有时还取决于窑炉***其它部件的效率。已知一些用于除去废气中VOC的废气的后续处理方法。一种已知的方法包括多种步骤，来自预热器的废气在热交换单元中预热，在加入燃料的同时使VOC燃烧，以及其后使废气在热交换器单元中冷却。从能量消耗的观点考虑，这不是最佳的解决方法，并且用于完成该方法的装置还涉及相当大的投资费用。

另外，根据丹尼斯(Danish)专利申请PA 2001 00009已知一种方法，借此方法原料粉是从预热器中提取并且在分离加热单元中加热，以形成SO₂和排出VOC。按该已知方法，接着使所形成的SO₂与吸收剂接触，烧掉排出的VOC，再把原料粉重新送入旋风预热器。这种已知方法的缺点主要在于能量消耗相当高。

本发明的目的在于提供一种制造水泥熟料的方法和装置，借此可以实现便宜而有效的减少SO₂、CO和VOC的排放，而对旋风预热器的效率水平没有任何显著的影响。

这一点可以凭借上述介绍的方法完成，其特征在于

-至少部分原料粉是从旋风预热器提取的，

-把这种原料粉引入分离单元，在其中在藉助于气流提供的氧化条件下的保留时间以形成SO₂和排出有机碳，

-接着使所形成的SO₂和排出的有机碳由分离单元夹带在气流中放出，以在随后的工艺步骤中进一步处理，和

-把原料粉重新引入旋风式预热器。

由此可以达到有效的减少VOC、CO和SO₂的排放，而无须使用另外的能量以加热。由于使提取的和部分预热过的原料粉在氧化条件下保留时间而从旋风预热器分出，致使硫化物氧化成SO₂，和有机碳从原料粉中排出，致使所形成的SO₂和所排出的有机碳，可夹带在分开的、较少的气流中，并以最好的方式进行其后的处理。正如在下文更详细地描述，由本申请所完成的研究意外地表明，即使温度保持恒定和低于产生大部分SO₂释放的旋风式预热器中的处所，也会出现硫化物大量氧化成SO₂和有机碳的某些除去。这些研究还证明发生这些工艺时所实现的速率随温度而定，并且步骤中的速率随着温度的升高而增加。

完成本发明方法的装置的特征在于，它包含用于从旋风预热器提取至少部分原料粉的设备，用于在氧化条件下使原料粉滞留时间并由此借助于气流保证含于原料粉中的硫化物氧化以形成SO₂和排出有机碳的分离设备，用于排放从分离单元夹带在气流中的所形成的SO₂和所排出的有机碳以在随后的工艺步骤中进一步处理的设备，以及用于重新把原料粉引入旋风预热器的设备。

本发明装置的另外特征根据下文中所提供的详细描述将会明白。

优选的是，所有的原料粉都是从旋风预热器中提取的，以在分离单元中进行氧化。

到目前为止，常规知识认为，原料含有亚硫成分时，SO₂是在大约525℃的较小的温度间隔内形成。然而，与上述和在下文更详细描述的有关的研究相当意外地指明，只要对工艺规定必要时间，即使在较低的温度下也会发生硫化物被显著地氧化成SO₂。因此这些研究证明即使在温度350℃时，也会产生SO₂的形成，并且按照本发明，原料粉因此可在350℃和525℃之间的温度下从旋风预热器中提取。为了限制用于提取原料粉在分离单元中的滞留所必要的时间以及其容量，优选是将原料粉在400℃-500℃范围内的温度下从旋风预热器中提取。完成的研究表明温度高于525℃时，SO₂的形成是如此的迅速，以至于实际上所有的硫化物在原料粉从预热器中提取之前都已转化成SO₂。

原则上，可以给定原料粉在分离单元中在上述温度下需要用于实现所要求的SO₂形成的任何滞留时间。实际上，提取原料粉的温度主要确定用于滞留的持续时间，这是必要的。按照本发明，可以任意选择在分离单元中的滞留时间，但是，经常有利的是在10-200秒钟的范围内。然而，优选使用100秒钟的最大极限。

在氧化过程中在分离单元中的温度大体上可以保持恒定，但是温度也可以变化，例如通过调节引入分离单元的气流温度。若有要求提高氧化的速度，分离单元中的温度则可以通过引入较热的气流而予以提高。

大体上，有机碳可以在旋风预热器中的整个温度间隔内从原料粉中排出，这是在原料粉在从旋风式预热器顶部低于100℃的温度到旋风式预热器底部接近830℃温度的范围情况下。因此，本发明方法只具有排出部分的总有机碳量的能力。因此，提取原料粉时的温度主要取决于达到最大减少SO₂含量时的温度。以前与本文有关的研究指出用于排出不同有机碳方式的变化。在给定水泥装置实现本发明方法之前，进行所用原料的特定研究是有利的，以准确地确定不同有机碳的含量，并进一步确定作为温度的函数的这些有机碳是如何排出的。在某些情况下，与SO₂的减少相一致，优选的是原料粉在低于450℃的温度下从旋风式预热器中提取。

大体上，提取的原料粉在分离单元中的氧化可以任何适当的方式进行，但是，必须使较少含氧的气流通过用于氧化硫化物和有机碳的区室，并用于除去SO₂和排出的有机碳。研究表明适合除去SO₂的最佳氧百分比约为5％。

分离单元可以以任何适当的方式构成。分离单元包括任何类型的用于大量材料的接纳或运输机械，它能够为原料粉提供足够的滞留时间，并保证原料粉和含氧的气流充分的混合。例如，可以使分离单元构成为转鼓，其中，提取的原料粉和含氧的气流经位于转鼓任一端的入口引入，以逆流的形式流经转鼓，并从相反端排出。此外，最好是单元或装置包含用于保证原料粉在从单元提取后实际上位于，或能发送至使其在规定的位置上重新引入旋风预热器的必要水平的设备。

从分离单元排出的夹带在气流中的所形成的SO₂，可以分别在例如已知操作原理的湿洗器中进行处理，其中SO₂与CaCO₃和H₂O反应时，转化成CaSO₄·H₂O形式的石膏，并且使净化过的气体由湿洗器释放到大气中。必要的CaCO₃可以含在来自分离氧化单元一起载带的灰尘中，或者它以新鲜原料粉的形式供料。由于流经分离氧化单元的气流小于流经旋风预热器的气流，为此湿洗器相对也可以小些。水的消耗也较少。湿洗器中所产生的石膏优选用于水泥研磨装置中，以代替一些普通的石膏。这样使显著量的硫绕过水泥装置的窑炉***，由此减轻窑炉***中经常出现的堵塞和障碍的问题。

从分离单元排出的夹带在气流中的所形成的SO₂，可另外在有足够量的CaO和/或其它碱性成分形式的吸收剂存在的场所引入旋风预热器，典型的是在旋风预热器的下端。在旋风预热器包含煅烧炉的装置中，优选把形成的SO₂加入所述的煅烧炉中。

排出的有机碳可分开燃烧，或者另外，它可重新引入温度至少为700℃的旋风预热器的一个位置上，它通常的是在预热器的下端。在旋风式预热器包含煅烧炉的装置中，优选把排出的有机碳引入所述的煅烧炉中。

基本上，可以把提取的和分开氧化的原料粉在任意位置上重新引入旋风预热器。然而，从原料粉的流动方向观察，最好在原料粉提取点之后立即引入。换句话说，优选把分开氧化的原料粉，在从其提取后的旋风段后的第一旋风段引入旋风预热器。

将参考图解的附图以更详细的方式描述本发明，其中

图1表示SO₂的形成随着不同温度下的时间而变化的图示。

图2表示本发明装置的第一实施例，和

图3表示本发明装置的第二实施例。

从图1可见SO₂的形成随着350、375、400和500℃温度下的时间而变化的曲线a-d。说明的曲线是系列试验的直接结果，这些试验由申请人进行。试验是按下面说明的方法在固定床反应器中进行的。材料样品在由纯N₂组成的惰性热气体中预热至预定的温度。来自惰性加热工艺的热出口的气体与O₂混合，以使任何汽化的硫氧化成SO₂。在240秒钟的惰性加热之后，在固定床前把O₂加到N₂气流中。进行这程序是确保在较慢的加热过程中材料样品没有任何明显的氧化，并且使与化学反应有关的O₂的供应迅速进行，致使能在指定的温度下研究反应速度并与加热工艺无关。测量整个试验程序中随时间变化的SO₂含量。在图1中，t小于0的曲线部分表示在惰性气体中产生的SO₂形成与材料加热有关，而t大于0的曲线表示温度保持恒定并供应O₂时的SO₂的形成。由图清楚地表明，SO₂的形成在惰性加热过程中直到t等于0的点是非常慢的过程，接着，当t等于0时供应O₂，形成速度快得多。尤其是，曲线b、c和d表示硫化物转化成SO₂主要发生在起始100秒钟内，之后曲线变得平稳，就试验过程中使用的材料而言，估计趋向于最大转化率在相应温度375、400和500℃时，分别约为30、50和70％。所以，出自这三种温度直接的结论是优化方法应当包括在约500℃的温度下提取原料，因为在这温度下达到转化的最高程度。然而，值得注意的是与在惰性气体中加热到500℃有关，有相当显著量的SO₂形成，它实际上没有转移至分离单元。所以，对于提取上述材料的优化温度似乎在400-500℃的范围内。

在图2和3中可以看到本发明装置的两个实施例。所示两种装置包含旋风预热器1，转炉5和熟料冷却器7。旋风预热器1包括四个旋风段a-d，煅烧炉3和旋风分离器4。旋风预热器1包含少于和多于上述四个旋风器。原料粉由未示出的原料研磨装置经一个或若干个入口9引入旋风预热器，并且以逆流布局用废气预热，之后从旋风分离器d的旋风预热器分离并直接进入进行烧成的煅烧炉3。从旋风分离器4的底部出口，煅烧过的原料粉经导管8直接进入转炉5在其中烧成为水泥熟料，随后在熟料冷却器中冷却。来自转炉5和煅烧炉3的废气经旋风分离器4引出，然后借助于鼓风机6向上流经旋风预热器。来自熟料冷却器7的第三空气经导管11引入煅烧炉3。

按照本发明，至少部分原料粉从旋风预热器1提取以便使原料粉能在分离单元21中氧化，分离单元21中的原料粉是经导管15引入。为了使原料粉的分开氧化在SO₂的形成和有机碳的排出具有显著的效用，原料粉当然必须在大部分的硫化物含量转化成SO₂之前和/或有机碳含量已从材料排出之前从预热器提取。在仅要求完成一些原料粉的分开氧化的情况中，可以经例如分流器闸门13从选择的旋风分离段的底部出口的原料粉流中提取。

图2和3中所示的分离单元21包括转鼓21。经转鼓的一端上的入口27引入气流并将提取的原料粉经相反端上的入口29引入，从而引起原料粉与气流以逆流布局进行混合。即使有的话，经出口22从转鼓21的另一端提取原料粉，并直接经导管26和运送装置返回经入口28重新引入旋风预热器1，从原料粉流的方向考虑，入口28刚好位于其提取点之后。

在图2所示的具体实施方式中，把含有SO₂和排出的有机碳的气流经导管17从转鼓21的出口29引到煅烧炉3，在该炉中所有的有机碳都燃烧掉，而SO₂在优化的温度条件下通过主要与CaO反应而吸收。

在图3中所示的具体实施方案中，把含SO₂和排除的有机碳的气流经导管17从转鼓21的出口29引向湿洗器31中，气流在该湿洗器中按已知原理进行净化，其中SO₂通过与CaCO₃和H₂O反应转化成以CaSO₄·2H₂O形式为基的石膏，并且CO和VOC有可能经单元33燃烧，由此净化的气体可以释放至大气中。

与本发明在现有水泥装置上实施有关，它经常需要设定预热器的温度到所要温度下可提取原料粉的温度。完成此项工作有多种方法。假若要求降低提取用于分开氧化的原料粉所在的预热器中的专用位置上的温度，则在合适的位置上可以引入例如空气。然而，如果要求升高提取专用点的温度，则原料粉进料例如可以分流，并使少量的原料粉走旁路。另外，为分开氧化可以通过控制所提取的原料粉的量来调节温度。调节的其它方法在于改进或调节旋风预热器的分离效率。

实际上，有必要调节分离单元21的能力，并且在转鼓的情况下，可以通过改变其旋转速度来进行。转鼓的旋转速度的提高将导致原料粉在转鼓中停留时间的减少，引起所形成的SO₂和所排出的有机碳数量的相应减少。为了补偿任何这种减少，向分离单元21施加热量，有可能把来自熟料冷却器7的部分热空气流经入口27而引入单元21中。

Claims (10)

1.一种制造水泥熟料的方法，通过该法使水泥原料粉在包括旋风预热器(1)和窑炉(5)的装置中预热和烧成，其特征在于

-至少部分原料粉是由旋风预热器(1)提取的，

-将所述原料粉引入分离单元(21)，其中对该原料粉给定在由形成SO₂和排出有机碳的气流所提供的氧化条件下的滞留时间，

-接着使夹带在气流中的所形成的SO₂和排出的有机碳从分离单元(21)中排出以在后续工艺步骤中进一步处理，和

-把原料粉重新引入旋风预热器(1)，

其中，原料粉在350℃和525℃之间的温度下提取。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所有的原料粉都是从旋风预热器中提取的以在分离单元(21)中氧化。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述原料粉是在介于400℃和500℃的温度下由旋风预热器中(1)提取的。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于在氧化过程中分离单元(21)中的温度基本保持恒定。

5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于规定所述原料在分离单元(21)中的滞留时间范围为10-200秒。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于规定所述原料在分离单元(21)中的滞留时间范围为10-100秒。

7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于由分离单元(21)排出的所形成的SO₂和排出的有机碳，引入旋风预热器的煅烧炉(3)。

8.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于以原料粉的流动方向考虑，所提取的和分开氧化的原料粉，在提取点后立即引入旋风预热器(1)。

9.用于实施权利要求1所述方法的装置，包括旋风预热器(1)和窑炉(5)，其特征在于该装置包括用于由旋风式预热器(1)提取至少部分原料粉的设备(13，15)，用于对这种原料粉给定在氧化条件下的滞留时间并从而确保通过在原料粉中所含的硫化物的气流的氧化以形成SO₂和排出有机碳的分离设备(21)，用于从分离单元(21)排出夹带在气流中的所形成的SO₂和排出的有机碳的设备(17)以进一步在其后的工艺步骤中进行处理，和用于原料粉重新引入旋风预热器的设备(26)。

10.按权利要求9所述的装置，其特征在于该装置包括用于处理从分离单元(21)排出的夹带在气流中的所形成SO₂的湿洗器(31)。

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