專利名稱：制造水泥的方法
技術領域：
本發明涉及制造水泥的方法，在該方法中，將磨碎的原材料(生料)混合物在預熱旋風分離器中預熱，將預熱過的生料煅燒過后，在回轉窯中灼燒，將在回轉窯中形成的水泥熟料冷卻，然后磨細。
水泥是一種無機非金屬粉末，它與水混合后自發硬化，并且在硬化后永久地保持固態。各種所謂的標準水泥可區分為硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、礦渣水泥和火山灰質水泥。在德意志聯邦共和國制造的標準水泥具有以下的化學成分CaO 41-67%(重量)，SiO218-33%，Al2O33-14%，Fe2O30.5-4.5%，MnO 0-0.6%，MgO 0.5-9%，SO31-4.5%。
水硬性水泥的制造包括原材料的獲得和整理，混合的原材料灼燒生成水泥熟料，可互磨物質的制造，以及水泥熟料和任選的一種或幾種可互磨物質及作為固化和硬化控制劑的硫酸鈣一起研磨。原材料(石灰石和粘土)在干的狀態下研磨以形成生料，在研磨期間用熱氣體將生料干燥，接著進行加熱，然后灼燒生成水泥熟料。根據窯的類型將生料加熱大約1到5小時直到約1450℃的灼燒溫度，在該溫度下保持約10到20分鐘。然后將水泥熟料盡可能快地冷卻。生料中可能仍含有低于1%的殘余水份，當它加熱時，在最高約100℃的溫度下粘附水被除掉，而吸附和化學結合在粘土中的水則在最高約600℃的溫度下除掉。在有SiO2、Al2O3和Fe2O3存在的情形下，碳酸鈣在低至550至600℃的溫度下分解，在900℃以上則進行很快。在灼燒期間，混合物的失重約為其干重的35%。在德意志聯邦共和國，大約97%的水泥熟料是在傾角為3到4度的回轉窯中灼燒。由于窯的傾角和旋轉，從上端送入的預熱的生料朝向由裝在窯的下端的粉化煤或油或氣體噴燃管產生的火焰流動。混合物在這一區域內被加熱到形成熟料所需的溫度1350到1500℃，而火焰的溫度是從1800到2000℃。燒過的熟料離開回轉窯落入冷卻器中，在冷卻器中用空氣作為冷卻流體，將熟料冷卻到800到900℃的溫度。將冷卻過水泥熟料的空氣供應給回轉窯作為燃燒空氣。生料或是在回轉窯中或是在分離的預熱器中預熱，該預熱器最好由包含多個旋風分離器的裝置構成。由回轉窯排出的熱的廢氣從底到頂地流過旋風預熱器，在最高一級的旋風分離器之前將干的生料加到廢氣中。從各個旋風分離器的氣體中再次除去干的生料，在下一級旋風分離器之前重新懸浮在氣體中。通常，生料在預熱器中預熱到約800℃。離開最高一級的旋風分離器的廢氣仍處在300到400℃的溫度。生料在旋風分離預熱器中可能已部分地被煅燒。在先有技術中，已預熱過并且在預熱器中略微煅燒過的生料是在一個分離的明火煅燒爐中煅燒，該爐最好設立一個旋風分離器，在其中進行大部分的煅燒操作。將煅燒過的生料供應給回轉窯以便燒成熟料。回轉窯完成剩余的煅燒。煅燒爐的需熱量為灼燒熟料所需總熱量的30%至70%。為制得水泥，將水泥熟料單獨研磨或與可互磨的物質，例如高爐爐渣、火山灰、油巖或粉煤灰，一起研磨。還向要研磨的熟料中加入用來控制固化和硬化的石膏。
因為水泥熟料是在很高溫度下制造的，所以用比較高品名的燃料將回轉窯加熱，此燃料還具有因灰分較低而對生料的成分改變甚小的優點。低品位、高灰分的燃料難以使用，因為它的熱值太低，而且它的波動的高灰分含量會將水泥的質量改變到不再符合標準中規定的質量要求的程度。另外，低品位的燃料常常有高含量的伴生物質，這些物質不能進入水泥中，或者只能部分地進入。最后，在回轉窯中灼燒和在煅燒窯中煅燒形成了氮的氧化物，必須從廢氣中除掉它們。
本發明的目的之一是提供一種制造水泥的方法，該方法可以使用低品位的燃料，而且產生的廢氣中基本上不含污染性氣體，例如氮的氧化物、烴類和一氧化碳。
本發明的目的在用低品位的燃料部分地代替用來制造水泥的高品位燃料方面得到了實現，這種低品位的燃料在流化床中氣化，所形成的氣體分成三股分氣流，第一股供應給回轉窯的主燃燒爐，第二股通往由回轉窯中排出的廢氣流，第三股通往煅燒爐。在制造水泥中用的高品位的燃料，即，在回轉窯和在煅燒爐中使用的燃料，是油、氣和/或凈熱值＞4000千卡/千克的高品位的煤。根據本發明，這些燃料盡可能地用低品位燃料代替，例如生物體、廢木材、化學工業廢料、廢輪胎和紙張。這些低品位燃料最好是在流化床中氣化。在流化床中形成的固體氣化殘余物從反應器底部或以飛塵的形式排出。在反應器底部收集到的灰分的碳含量很低。飛塵很細，而且由于高硅含量而具有極高的活性。根據本發明，一部分由氣化產生的氣體在回轉窯中的主燃燒爐里燃燒，從而代替一部分在已知方法中要送入旋轉窯中的高品位燃料。第二部分氣流與離開回轉窯的廢氣流混合。第三部分氣流送入煅燒爐中代替常用的高級燃料。送入到離開回轉窯的廢氣中的氣體對于氮的氧化物起著還原劑的作用，因為在800到1100℃的溫度下氮的氧化物被NH3、CO和H2等物質在氧存在下還原成氮。氣體中剩余的可燃燒組分將在煅燒階段燒掉。
顯然，本發明的方法的優點是，在制造水泥時也可以使用低品位燃料，而且其使用方式使低品位燃料燃燒生成的污染物不會進入大氣或水泥。本發明方法的另一優點在于不需要獨立的廢氣脫氮化操作。最后，在很多情形里氣化殘余物也可以作為制造水泥的原材料使用，因為它們的含碳量少于2%重量。
根據本發明，業已發現用低品位燃料代替50到70%的高品位燃料特別有利。這樣的操作最為經濟。
同樣根據本發明，低品位的燃料是在循環的流化床中氣化。在此情形下將燃料送入無內部固定物的反應器中，并且以多股氣流的形式向其中另外送入氣化所需的空氣。在溫度為750至1000℃的反應器中，低品位燃燒自動轉化成可燃燒的物質。離開反應器的氣流所夾帶的固體粒子在與氣體空間相連的分離器中，最好是在旋風分離器中，與氣體空間分離，經過循環管線再循環到反應器中。由反應器的底部連續地取出一部分氣化殘余物，而預除塵的可燃氣體則離開旋風分離器。氣體在反應器中以2到12米/秒的速度流動。反應器內氣一固懸浮體的密度由底部到頂部減小，在底部處在50和500千克/立方米之間，在頂部則為0.5到10千克/立方米。這意味著反應器有相當大的固體填充量，它起著儲熱器的作用，使恒定的氣化條件得以實現，并且確保從底部取出的氣化殘余物的碳含量很低。
根據本發明的另一特點，送入回轉窯中的燃燒空氣和送入流化床中的氣化空氣在熟料冷卻器中預熱。這一措施造成了整個工藝的有利的能量平衡。
根據本發明的又一特點，由低品位燃料氣化產生的氣體被冷卻到70至400℃，而且在至少一個旋風分離器和/或至少一個靜電過濾器以及/或至少一個袋濾器中除塵。在某些情形下已經發現，氣化產生出的氣體最好是在進一步使用之前先除塵。
根據本發明，還使除塵過的氣體在70至400℃的溫度下與氧化鈣和/或氫氧化鈣反應。在此情形下幾乎所有的HF和HCl以及一部分H2S和SO2將與鈣化合物反應，形成相應的鹽。
根據本發明，已經發現，最好是利用從除塵前或與含鈣化合物反應前的氣體中抽取的熱量將已除塵的或已與CaO和或Ca(OH)2反應的氣體重新加熱。
最后，根據本發明，從燃燒的氣體中取出第四股氣流，用來對熟料冷卻器排出的廢氣加熱。利用這一措施，由熟料冷卻器導出的廢氣的溫度可以從400℃上升到600至700℃之間，結果產生高級能量。
Schweizer、Herbert和L
ffler在“水泥、石灰、石膏”1991年第44版217-220頁中公開了一種用氣體燃燒灼燒CaCO3的方法，該氣體燃料是由低品位燃料(樹皮、殘木、纖維素質纖維)在循環的流化床中氣化制得的，在該文中還建議，可以用循環流化床中氣化產生的氣體代替一部分回轉窯中的主燃料來制造水泥。但是，本領域的技術人員不可能從Schweizer、Herbert和L
ffler的文章推導出本發明的方法，因為該文不包含關于在制造水泥的工藝中必須怎樣具體地使用由低品位燃料氣化產生的燃料氣的任何信息。另外，德國專利公報2，411，672公開了一種從含氧的燃燒廢氣中除掉氮的氧化物的方法，其中氮的氧化物是在H2、CO和/或烴類存在或不存在下用NH3在705至1095℃下選擇性地還原，這一事實沒有能引導本領域的技術人員提出本發明的方法，因為該文獻未曾提出應當用低品位燃料氣化產生的燃料氣使在水泥生產中已形成的廢氣脫氮。
后面將參照示于附圖
中的工藝流程圖更詳細地解釋本發明的研究內容。
粉碎的木材廢料儲放在儲倉1中作低品位燃料使用，它通過管線2離開儲倉1并且與在管線3中引入的氣化空氣混合。此空氣一燃料混合物經過管線4流到反應器6，在反應器6中保持一個循環的流化床。由管線3引入的氣化空氣的一部分由管線5送入反應器6的底部。燃料在反應器6中由于來自管線4和5的氣流而流態化。供應給反應器6的空氣的體積應該計算成使得在氣化反應中消耗的氧的體積比為使低品位燃料完全燃燒成CO2和H2O所需的氧的體積低30%至60%。這意味著空氣比λ是從0.4到0.7。在反應器6中保持氣化溫度為750到950℃。
在反應器底部收集的氣化殘余物含有約2%重量的碳，經由管線7從反應器6中抽出。氣一固懸浮體由管線8引入旋風分離氣9中，基本上所有被夾帶出反應器6的塵狀固體粒子都在其中與氣體分離。在旋風分離器9中收集到的固體經由管線10循環到反應器6中。由于固體的循環，經由管線7抽出的氣化殘余物的碳含量很低，而且在某些情形下(取決于對水泥規定的質量要求)與水泥生產中使用的生料混合。
含塵氣體由管線46送入冷卻器11中，在其中冷卻到200到400℃。在冷卻器中使用空氣作為冷卻流體，空氣經由管線12送入冷卻器11，在已被加熱后將它經由管線29送入熱交換器49，用來在那里將在管線20中流動的純化過的氣體加熱。已被用來對純化氣體重新加熱過的空氣從管線53離開熱交換器49。
將已冷卻的含塵氣體由管線47送入摻塵反應器13中，該反應器經由管線14送入CaO和/或Ca(OH)2。鈣化合物與至少一部分污染物HF、HCl、CO2和H2S反應，將反應形成的鹽從摻塵反應器13送入與管線10相連的管線15。結果是，在摻塵反應器13中形成的固體進入反應器6。離開摻塵反應器13的氣體由管線16流入旋風分離器17，然后由管線18流入靜電過濾器19。氣體在以上兩裝置中被除塵，收集在旋風分離器17和靜電過濾器19中的粉塵被送入管線15中。除過塵的氣體的凈熱值約為1450千卡/標準立方米，含有可燃燒的組分CO、H2和CH4，由管線20離開靜電過濾器19，在被加熱后分成三股分氣流21、22和50。
分氣流21被送入回轉窯23的主燃燒爐，在其中通過在約1500℃下的燃燒操作制得水泥熟料。為了保持回轉窯23中的燃燒溫度約為1500℃，經由管線24向回轉窯的燃燒爐供應高品位燃料，即天然氣或燃油。經由管線25從回轉窯23中取出水泥熟料并且在用空氣作為冷卻流體的熟料冷卻器26中冷卻。所述的空氣經由管線27流入熟料冷卻器26中并在其中被加熱，然后將一部分空氣由管線28送入回轉窯23中作為燃燒氣，另一部分由管線3送入反應器6作為氣化空氣，還有一部分則由管線51送入煅燒爐38作為燃燒空氣。
用來制造水泥的生料最初是儲放在儲倉30中，將其懸浮在管線52的廢氣流中，該廢氣流由熱交換旋風分離器31經由管線32流入熱交換旋風器33中。已在管線32和熱交換旋風分離器33中預熱過的生料收集在旋風分離器33中，然后經由管線34送入熱交換旋風分離器31中。為此，生料被夾帶經由管線36從熱交換旋風分離器35排出的廢氣中。當生料在管線34中傳送和在熱交換旋風分離器31中停留期間被進一步加熱。收集到的生料經由管線37送入熱交換器35。送入管線37中的生料懸浮在從煅燒爐38經管線48排出的廢氣中，煅燒爐38由旋風分離器構成。收集在熱交換旋風分離器35中的預熱過的生料由管線39送入煅燒爐38，從回轉窯23引出的熱的廢氣經由管線40通到管線39。預熱過的生料在煅燒爐38中煅燒，隨后收集并且由管線41送入回轉窯23，在其中實際完成灼燒過程。
分氣流22與從回轉窯23排出的管線40中的廢氣混合。此混合過程造成了廢氣的顯著的脫氮化。第三股分氣流沿管線50流到煅燒爐38中，在其中與自管51導出的預熱空氣一起燃燒。生料由于此燃燒過程產生的熱量而被煅燒。在煅燒爐38和管線40中，脫氮進行到NOx含量減少至少90%的程度，從約2000毫克NO2/標準立方米減少到約200毫克NO2/標準立方米。分氣流22在管線40中溫度＜1100℃的某處被混合。從回轉窯導出的管線40中的廢氣仍含有1.5%到10%的氧。因為在管線22中引出的燃料氣含有從0.6到2克的NH3/標準立方米而且要還原100毫克NO2需要約40毫克NH3，所以為進行脫氧反應所需的氣體數量可以根據連續測量在管線22中的分氣流的NH3含量來控制。與NH3一起供入的其它的還原劑主要包括CO和H2，它們在煅燒階段與自管線50導出的分氣流一起燃燒。在煅燒爐中也無新的NOx形成。
離開預熱旋風分離器33的廢氣由管線42流入旋風分離器43并在其中除塵。粉塵由管線44送入預熱旋風分離器33中。已經除塵、冷卻、脫硫和脫氮的廢氣自管線45離開工廠。
權利要求
1.一種制造水泥的方法，其中將磨碎的原料(生料)在預熱旋風分離器中預熱，預熱過的生料煅燒，煅燒過的生料在回轉窯中灼燒，將在回轉窯內形成的水泥熟料冷卻并且磨細，該方法的特點在于，用低品位的燃料部分地代替用來制造水泥的高品位燃料，低品位燃料在流化床中氣化，所形成的氣體分成三股分氣流，將第一股氣流送入回轉窯的主燃燒爐，第二股送入回轉窯排出的廢氣流中，第三股送入煅燒爐中。
2.根據權利要求1的一種方法，其特點在于，用低品位燃料代替50%至70%的高品位燃料。
3.根據權利要求1到2的一種方法，其特點在于，在循環流化床中將低品位燃料氣化。
4.根據權利要求1到3的一種方法，其特點在于，送入回轉窯中的燃燒空氣和送入流化床中的氣化空氣在熟料冷卻器中預熱。
5.根據權利要求1到4的一種方法，其特點在于，由低品位燃料氣化產生的氣體被冷卻到從70到400℃的溫度，在至少一個旋風分離器和或至少一個靜電過濾器以及或至少一個袋濾器中除塵。
6.根據權利要求1到5的一種方法，其特點在于，除過塵的氣體在70至400℃的溫度下與CaO和或Ca(OH)2反應。
7.根據權利要求1到6的一種方法，其特點在于，已經除塵或已經與CaO和或Ca(OH)2反應的氣體用從除塵前或與含鈣化合物反應前的氣體中抽取的熱量加熱。
8.根據權利要求1到7的一種方法，其特點在于，從氣體中分出第四股分氣流將其燃燒，并用來將流態化的熟料冷卻器的廢氣加熱。
全文摘要
介紹了一種制造水泥的方法，其中將磨碎的原料(生料)在預熱旋風分離器中預熱，預熱過的生料煅燒，煅燒過的生料在回轉窯中灼燒，將在回轉窯中形成的水泥熟料冷卻和磨細。此方法的特點在于，用低品位燃料部分地代替制造水泥用的高品位燃料，低品位燃料在流化床中氣化，生成的氣體分成三股分氣流，第一股分氣流入回轉動的主燃燒爐，第二股送入回轉窯排出的廢氣流，第三股送入煅燒爐。
文檔編號C04B7/44GK1078962SQ9310312
公開日1993年12月1日 申請日期1993年3月19日 優先權日1992年3月20日
發明者H·拜斯溫格, J·埃申布格, J·洛夫爾 申請人:金屬股份有限公司