專利名稱：制造水泥熟料的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水泥熟料的制造方法，通過該法水泥原料粉在包括旋風預熱器和窯爐的裝置中進行預熱和燒成。尤其是本發明涉及一種減少SO2、CO和揮發性有機化合物(以下稱作VOC)從所述裝置排放的方法。本發明還涉及完成該方法的裝置。
用于制造水泥熟料的上述裝置由文獻是熟知的。
SO2、CO和VOC從這種制造水泥熟料的窯爐裝置中排放，主要是由所使用的原料發出的，這種原料將在下文進一步詳細地描述。原料粉在旋風預熱器中的加熱是通過按逆流原則與熱的廢氣直接接觸而進行的，由此所形成的SO2和CO以及排出的VOC立即為廢氣流所俘獲，并與廢氣流一起以排放的形式離開旋風預熱器。由于不同的理由，這三種向大氣的排放是不希望有的。
水泥的原料經常含有礦物質，如黃鐵礦和白鐵礦。黃鐵礦(FeS2)中的硫化物在溫度約525℃下的旋風預熱器中轉化，引發SO2的形成。因此在啟動水泥裝置時進行的測量證實，當原料粉于約370℃的溫度下離開第一旋風段時，原料粉中所含有的全部硫化物實際上仍存在于原料粉中，而原料粉在約550℃的溫度下離開第二旋風段時，原料粉中的硫化物含量約為一半。這樣，在上述的水泥裝置中，原料中所含有的硫化物幾乎有一半，因在第二旋風段發生的氧化反應，而以SO2的形式從預熱器排出。用于減少SO2含量的已知方法包括，從廢氣的流動方向觀察，在SO2形成后的一個位置上，于旋風預熱器中使用CaO、Ca(OH)2或其他堿性成分形式的吸收劑，致使SO2以硫化物形式結合在原料中，硫化物在后來的工藝步驟中轉化成硫酸鹽。這種已知方法的一個顯著的缺點是，通常必須使用過量的吸收劑，因此使其成為較貴的方法。
另外，水泥原料經常含有有機碳，它在旋風預熱器的預熱過程中基本上以CO和VOC的形式從原料粉中排出，并且與廢氣流一起以未燒成的形式排出。這一點可以通過表明某些類型的VOC基本上是在比較窄的溫度間隔內排出的研究得到證實。一種VOC基本上是在300-500℃的溫度間隔內排出，而另一種基本上是在450-650℃的溫度間隔內排出。另外一種VOC是在更高的溫度間隔內排出。在傳統的旋風預熱器中，上述溫度間隔通常分別出現在第一和第二旋風段，和第二和第三旋風段，這取決于旋風預熱器是四段的還是五段的單元，而且有時還取決于窯爐系統其它部件的效率。已知一些用于除去廢氣中VOC的廢氣的后續處理方法。一種已知的方法包括多種步驟，來自預熱器的廢氣在熱交換單元中預熱，在加入燃料的同時使VOC燃燒，以及其后使廢氣在熱交換器單元中冷卻。從能量消耗的觀點考慮，這不是最佳的解決方法，并且用于完成該方法的裝置還涉及相當大的投資費用。
另外，根據丹尼斯(Danish)專利申請PA200100009已知一種方法，借此方法原料粉是從預熱器中提取并且在分離加熱單元中加熱，以形成SO2和排出VOC。按該已知方法，接著使所形成的SO2與吸收劑接觸，燒掉排出的VOC，再把原料粉重新送入旋風預熱器。這種已知方法的缺點主要在于能量消耗相當高。
本發明的目的在于提供一種制造水泥熟料的方法和裝置，借此可以實現便宜而有效的減少SO2、CO和VOC的排放，而對旋風預熱器的效率水平沒有任何顯著的影響。
這一點可以憑借上述介紹的方法完成，其特征在于-至少部分原料粉是從旋風預熱器提取的，-把這種原料粉引入分離單元，在其中在藉助于氣流提供的氧化條件下的保留時間以形成SO2和排出有機碳，-接著使所形成的SO2和排出的有機碳由分離單元夾帶在氣流中放出，以在隨后的工藝步驟中進一步處理，和-把原料粉重新引入旋風式預熱器。
由此可以達到有效的減少VOC、CO和SO2的排放，而無須使用另外的能量以加熱。由于使提取的和部分預熱過的原料粉在氧化條件下保留時間而從旋風預熱器分出，致使硫化物氧化成SO2，和有機碳從原料粉中排出，致使所形成的SO2和所排出的有機碳，可夾帶在分開的、較少的氣流中，并以最好的方式進行其后的處理。正如在下文更詳細地描述，由本申請所完成的研究意外地表明，即使溫度保持恒定和低于產生大部分SO2釋放的旋風式預熱器中的處所，也會出現硫化物大量氧化成SO2和有機碳的某些除去。這些研究還證明發生這些工藝時所實現的速率隨溫度而定，并且步驟中的速率隨著溫度的升高而增加。
完成本發明方法的裝置的特征在于，它包含用于從旋風預熱器提取至少部分原料粉的設備，用于在氧化條件下使原料粉滯留時間并由此借助于氣流保證含于原料粉中的硫化物氧化以形成SO2和排出有機碳的分離設備，用于排放從分離單元夾帶在氣流中的所形成的SO2和所排出的有機碳以在隨后的工藝步驟中進一步處理的設備，以及用于重新把原料粉引入旋風預熱器的設備。
本發明裝置的另外特征根據下文中所提供的詳細描述將會明白。
優選的是，所有的原料粉都是從旋風預熱器中提取的，以在分離單元中進行氧化。
到目前為止，常規知識認為，原料含有亞硫成分時，SO2是在大約525℃的較小的溫度間隔內形成。然而，與上述和在下文更詳細描述的有關的研究相當意外地指明，只要對工藝規定必要時間，即使在較低的溫度下也會發生硫化物被顯著地氧化成SO2。因此這些研究證明即使在溫度350℃時，也會產生SO2的形成，并且按照本發明，原料粉因此可在350℃和525℃之間的溫度下從旋風預熱器中提取。為了限制用于提取原料粉在分離單元中的滯留所必要的時間以及其容量，優選是將原料粉在400℃-500℃范圍內的溫度下從旋風預熱器中提取。完成的研究表明溫度高于525℃時，SO2的形成是如此的迅速，以至于實際上所有的硫化物在原料粉從預熱器中提取之前都已轉化成SO2。
原則上，可以給定原料粉在分離單元中在上述溫度下需要用于實現所要求的SO2形成的任何滯留時間。實際上，提取原料粉的溫度主要確定用于滯留的持續時間，這是必要的。按照本發明，可以任意選擇在分離單元中的滯留時間，但是，經常有利的是在10-200秒鐘的范圍內。然而，優選使用100秒鐘的最大極限。
在氧化過程中在分離單元中的溫度大體上可以保持恒定，但是溫度也可以變化，例如通過調節引入分離單元的氣流溫度。若有要求提高氧化的速度，分離單元中的溫度則可以通過引入較熱的氣流而予以提高。
大體上，有機碳可以在旋風預熱器中的整個溫度間隔內從原料粉中排出，這是在原料粉在從旋風式預熱器頂部低于100℃的溫度到旋風式預熱器底部接近830℃溫度的范圍情況下。因此，本發明方法只具有排出部分的總有機碳量的能力。因此，提取原料粉時的溫度主要取決于達到最大減少SO2含量時的溫度。以前與本文有關的研究指出用于排出不同有機碳方式的變化。在給定水泥裝置實現本發明方法之前，進行所用原料的特定研究是有利的，以準確地確定不同有機碳的含量，并進一步確定作為溫度的函數的這些有機碳是如何排出的。在某些情況下，與SO2的減少相一致，優選的是原料粉在低于450℃的溫度下從旋風式預熱器中提取。
大體上，提取的原料粉在分離單元中的氧化可以任何適當的方式進行，但是，必須使較少含氧的氣流通過用于氧化硫化物和有機碳的區室，并用于除去SO2和排出的有機碳。研究表明適合除去SO2的最佳氧百分比約為5％。
分離單元可以以任何適當的方式構成。分離單元包括任何類型的用于大量材料的接納或運輸機械，它能夠為原料粉提供足夠的滯留時間，并保證原料粉和含氧的氣流充分的混合。例如，可以使分離單元構成為轉鼓，其中，提取的原料粉和含氧的氣流經位于轉鼓任一端的入口引入，以逆流的形式流經轉鼓，并從相反端排出。此外，最好是單元或裝置包含用于保證原料粉在從單元提取后實際上位于，或能發送至使其在規定的位置上重新引入旋風預熱器的必要水平的設備。
從分離單元排出的夾帶在氣流中的所形成的SO2，可以分別在例如已知操作原理的濕洗器中進行處理，其中SO2與CaCO3和H2O反應時，轉化成CaSO4·H2O形式的石膏，并且使凈化過的氣體由濕洗器釋放到大氣中。必要的CaCO3可以含在來自分離氧化單元一起載帶的灰塵中，或者它以新鮮原料粉的形式供料。由于流經分離氧化單元的氣流小于流經旋風預熱器的氣流，為此濕洗器相對也可以小些。水的消耗也較少。濕洗器中所產生的石膏優選用于水泥研磨裝置中，以代替一些普通的石膏。這樣使顯著量的硫繞過水泥裝置的窯爐系統，由此減輕窯爐系統中經常出現的堵塞和障礙的問題。
從分離單元排出的夾帶在氣流中的所形成的SO2，可另外在有足夠量的CaO和/或其它堿性成分形式的吸收劑存在的場所引入旋風預熱器，典型的是在旋風預熱器的下端。在旋風預熱器包含煅燒爐的裝置中，優選把形成的SO2加入所述的煅燒爐中。
排出的有機碳可分開燃燒，或者另外，它可重新引入溫度至少為700℃的旋風預熱器的一個位置上，它通常的是在預熱器的下端。在旋風式預熱器包含煅燒爐的裝置中，優選把排出的有機碳引入所述的煅燒爐中。
基本上，可以把提取的和分開氧化的原料粉在任意位置上重新引入旋風預熱器。然而，從原料粉的流動方向觀察，最好在原料粉提取點之后立即引入。換句話說，優選把分開氧化的原料粉，在從其提取后的旋風段后的第一旋風段引入旋風預熱器。
將參考圖解的附圖以更詳細的方式描述本發明，其中

圖1表示SO2的形成隨著不同溫度下的時間而變化的圖示。
圖2表示本發明裝置的第一實施例，和圖3表示本發明裝置的第二實施例。
從圖1可見SO2的形成隨著350、375、400和500℃溫度下的時間而變化的曲線a-d。說明的曲線是系列試驗的直接結果，這些試驗由申請人進行。試驗是按下面說明的方法在固定床反應器中進行的。材料樣品在由純N2組成的惰性熱氣體中預熱至預定的溫度。來自惰性加熱工藝的熱出口的氣體與O2混合，以使任何汽化的硫氧化成SO2。在240秒鐘的惰性加熱之后，在固定床前把O2加到N2氣流中。進行這程序是確保在較慢的加熱過程中材料樣品沒有任何明顯的氧化，并且使與化學反應有關的O2的供應迅速進行，致使能在指定的溫度下研究反應速度并與加熱工藝無關。測量整個試驗程序中隨時間變化的SO2含量。在圖1中，t小于0的曲線部分表示在惰性氣體中產生的SO2形成與材料加熱有關，而t大于0的曲線表示溫度保持恒定并供應O2時的SO2的形成。由圖清楚地表明，SO2的形成在惰性加熱過程中直到t等于0的點是非常慢的過程，接著，當t等于0時供應O2，形成速度快得多。尤其是，曲線b、c和d表示硫化物轉化成SO2主要發生在起始100秒鐘內，之后曲線變得平穩，就試驗過程中使用的材料而言，估計趨向于最大轉化率在相應溫度375、400和500℃時，分別約為30、50和70％。所以，出自這三種溫度直接的結論是優化方法應當包括在約500℃的溫度下提取原料，因為在這溫度下達到轉化的最高程度。然而，值得注意的是與在惰性氣體中加熱到500℃有關，有相當顯著量的SO2形成，它實際上沒有轉移至分離單元。所以，對于提取上述材料的優化溫度似乎在400-500℃的范圍內。
在圖2和3中可以看到本發明裝置的兩個實施例。所示兩種裝置包含旋風預熱器1，轉爐5和熟料冷卻器7。旋風預熱器1包括四個旋風段a-d，煅燒爐3和旋風分離器4。旋風預熱器1包含少于和多于上述四個旋風器。原料粉由未示出的原料研磨裝置經一個或若干個入口9引入旋風預熱器，并且以逆流布局用廢氣預熱，之后從旋風分離器d的旋風預熱器分離并直接進入進行燒成的煅燒爐3。從旋風分離器4的底部出口，煅燒過的原料粉經導管8直接進入轉爐5在其中燒成為水泥熟料，隨后在熟料冷卻器中冷卻。來自轉爐5和煅燒爐3的廢氣經旋風分離器4引出，然后借助于鼓風機6向上流經旋風預熱器。來自熟料冷卻器7的第三空氣經導管11引入煅燒爐3。
按照本發明，至少部分原料粉從旋風預熱器1提取以便使原料粉能在分離單元21中氧化，分離單元21中的原料粉是經導管1 5引入。為了使原料粉的分開氧化在SO2的形成和有機碳的排出具有顯著的效用，原料粉當然必須在大部分的硫化物含量轉化成SO2之前和/或有機碳含量已從材料排出之前從預熱器提取。在僅要求完成一些原料粉的分開氧化的情況中，可以經例如分流器閘門13從選擇的旋風分離段的底部出口的原料粉流中提取。
圖2和3中所示的分離單元21包括轉鼓21。經轉鼓的一端上的入口27引入氣流并將提取的原料粉經相反端上的入口29引入，從而引起原料粉與氣流以逆流布局進行混合。即使有的話，經出口22從轉鼓21的另一端提取原料粉，并直接經導管26和運送裝置返回經入口28重新引入旋風預熱器1，從原料粉流的方向考慮，入口28剛好位于其提取點之后。
在圖2所示的具體實施方式
中，把含有SO2和排出的有機碳的氣流經導管17從轉鼓21的出口29引到煅燒爐3，在該爐中所有的有機碳都燃燒掉，而SO2在優化的溫度條件下通過主要與CaO反應而吸收。
在圖3中所示的具體實施方案中，把含SO2和排除的有機碳的氣流經導管17從轉鼓21的出口29引向濕洗器31中，氣流在該濕洗器中按已知原理進行凈化，其中SO2通過與CaCO3和H2O反應轉化成以CaSO4·2H2O形式為基的石膏，并且CO和VOC有可能經單元33燃燒，由此凈化的氣體可以釋放至大氣中。
與本發明在現有水泥裝置上實施有關，它經常需要設定預熱器的溫度到所要溫度下可提取原料粉的溫度。完成此項工作有多種方法。假若要求降低提取用于分開氧化的原料粉所在的預熱器中的專用位置上的溫度，則在合適的位置上可以引入例如空氣。然而，如果要求升高提取專用點的溫度，則原料粉進料例如可以分流，并使少量的原料粉走旁路。另外，為分開氧化可以通過控制所提取的原料粉的量來調節溫度。調節的其它方法在于改進或調節旋風預熱器的分離效率。
實際上，有必要調節分離單元21的能力，并且在轉鼓的情況下，可以通過改變其旋轉速度來進行。轉鼓的旋轉速度的提高將導致原料粉在轉鼓中停留時間的減少，引起所形成的SO2和所排出的有機碳數量的相應減少。為了補償任何這種減少，向分離單元21施加熱量，有可能把來自熟料冷卻器7的部分熱空氣流經入口27而引入單元21中。
權利要求
1.一種制造水泥熟料的方法，通過該法使水泥原料粉在包括旋風預熱器(1)和窯爐(5)的裝置中預熱和燒成，其特征在于-至少部分原料粉是由旋風預熱器(1)提取的，-將所述原料粉引入分離單元(21)，其中指定在借助于形成SO2和排出有機碳的氣流所提供的氧化條件下的滯留時間，-接著使夾帶氣流中的所形成的SO2和排出的有機碳從分離單元(21)中排出以在后續工藝步驟中進一步處理，和-把原料粉重新引入旋風預熱器(1)。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于所有的原料粉都是從旋風預熱器中提取的以在分離單元(21)中氧化。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述原料粉是在介于350℃和525℃的溫度下由旋風預熱器(1)中提取的。
4.按權利要求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℃的溫度下由旋風預熱器中(1)提取的。
5.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于在氧化過程中分離單元(21)中的溫度基本保持恒定。
6.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于規定所述原料在分離單元(21)中的滯留時間范圍為10-200秒種，優選在10-100秒種范圍。
7.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于由分離單元(21)排放的所形成的SO2和排出的有機碳，引入旋風預熱器的煅燒爐(3)。
8.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于以原料粉的流動方向考慮，所提取的和分開氧化原料粉，在提取點后立即引入旋風預熱器(1)。
9.用于實施權利要求1所述方法的裝置，包括旋風預熱器(1)和窯爐(5)，其特征在于該裝置包括用于由旋風式預熱器(1)提取至少部分原料粉的設備(13，15)，用于在氧化條件下指定這種原料粉的滯留時間并從而確保借助于在原料粉中所含硫化物的氣流的氧化以形成SO2和排出有機碳的分離設備(21)，用于由分離單元(21)的夾帶在氣流中的所形成的SO2和排出的有機碳進行排放的設備17以進一步在其后的工藝步驟中進行處理，和用于原料粉重新引入旋風預熱器的設備(26)。
10.按權利要求9所述的裝置，其特征在于該裝置包括用于處理由分離單元(21)的夾帶在氣流中排放出的所形成SO2用的濕洗器(31)。
全文摘要
本文公開一種制造水泥熟料的方法，通過該法水泥原料粉在包括旋風預熱器(1)和窯爐(5)的裝置中預熱和燒成。該法的特征在于至少部分原料粉是由旋風預熱器(1)提取，這原料粉引入分離單元(21)，在其中指定其在氣流提供的氧化條件下的滯留時間以形成SO
文檔編號C04B7/00GK1688520SQ03823644
公開日2005年10月26日 申請日期2003年7月11日 優先權日2002年10月2日
發明者拉斯·斯卡拉普詹森, 詹斯·P·漢森 申請人:F.L.施米思公司