專利名稱：可用于生產(chǎn)水泥的燃燒方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種燃燒方法，它可特別用于煅燒礦基材料、尤其是生產(chǎn)水泥，其中材料由與至少一種燃料和至少一種氧化劑的火焰產(chǎn)生的熱源接觸而被加熱。這種煅燒方法歸入水泥生產(chǎn)方法。本發(fā)明還關于使用該燃燒方法來加熱填料，用于熔化金屬、保溫、分解垃圾等等。
制造水泥涉及制造所謂“熟料”的中間產(chǎn)品。熟料是通過煅燒礦基材料、尤其是粘土和石灰石而得到的產(chǎn)品。粉狀材料可以干式(干法)或水基泥漿(濕法)形式送到轉(zhuǎn)爐中。熟料的成分通常經(jīng)過仔細的控制，從而獲得所需比例的各種礦物材料、尤其是碳酸鈣、氧化硅、氧化鋁、氧化鐵和碳酸鎂。爐子裝填后，用于制造熟料的原材料首先進行干燥和加熱步驟，其次再進行煅燒步驟，在該步驟中，各種礦物的碳酸鹽通過除去二氧化碳而轉(zhuǎn)換成這些礦物的氧化物。由于溫度仍然很高，因此所得出的礦物一起進行化學反應，基本產(chǎn)生硅酸鈣和硅酸鋁。最后的方法也稱作為“煅燒法”，它是在爐子的熱區(qū)進行的。然后將生產(chǎn)出熟料冷卻和精細粉碎，然后再與添加成分混合，制成如卜特蘭水泥那樣的水泥。
制造水泥的方法有很多共同之處，這些方法的基本差異在于干燥、預熱或煅燒熟料的原料所用的方法。在所有這些系統(tǒng)中一個通用的規(guī)則是，熟料制造方法是大致相同的，即在該方法中采用轉(zhuǎn)爐，熟料的原料在重力作用下沿著爐子向下移動，來自燃燒進行區(qū)的熱空氣逆向循環(huán)。
從美國專利US 5572938已經(jīng)知道，在制造熟料時、在轉(zhuǎn)爐中使用氧氣、由于改進了通常使用的在空氣中燃燒，可增加熟料的產(chǎn)量。然而，到目前為止，這些技術還未得到很好的控制，并常在制造成本上大大增加了。
在專利US 3302938、US 3404199和US 3925091中已描述了各種水泥制造技術，這里提出，以供參考。
在專利US 5007823和5580237中描述了在制造水泥時也采用氧氣的其它方法。
通常，制造商力圖用加入爐子的燃料來減少生產(chǎn)成本，而低成本的燃料燃燒性能相當差并具有較低的凈熱值(NCV)。通常他們尋求采用各種具有相當?shù)偷娜紵缘膹U料，這樣他們可以收到分解上述廢料的額外費用。事實上，熟料制造方法花費了大量的能量，因為在熟料制造中碳酸鈣脫碳反應是非常吸熱的反應，因此要消耗大量的能量。
在制造熟料的轉(zhuǎn)爐中易于燃燒的常用的燃燒是煤、重燃料油和天然氣。這些燃料具有的凈熱值(NCV)在30和45×106焦耳／公斤之間。重燃料油可以預熱并霧化成小滴，小滴的尺寸少于200μm，一部分轉(zhuǎn)換的小滴的直徑少于50微米。最小的小滴迅速蒸發(fā)，因此可使火焰在靠近燃燒器端部處點火。
同樣，煤粒也可粉碎成使其尺寸分布在10和200微米之間。通過控制該尺寸及加熱時顆粒釋放出的可燃性揮發(fā)材料可改進燃燒，使燃燒迅速而穩(wěn)定。然而，水泥制造商仍在努力降低熟料生產(chǎn)中所用燃料的成本，現(xiàn)在正力圖使用低燃燒性和凈熱值(NCV)常低于15×106焦耳／公斤的液態(tài)或固態(tài)廢料。然而這些差的燃料的含水量常大于質(zhì)量的20％，并具有大的顆粒尺寸(例如顆粒中包含75％的大塊或小塊尺寸大于200微米)。
使用這些難于燃燒的燃料會在燃燒區(qū)、尤其是在制造熟料的轉(zhuǎn)爐中的煅燒區(qū)產(chǎn)生很多問題，尤其是火焰的不穩(wěn)定的燃燒和過低的燃燒程度的問題，因此產(chǎn)生無法控制的一氧化碳濃度、碳氫化合物進入爐中排出的氣體中以及在煙灰中具有不可接受量級的未燃燒材料、特別是爐中排出的未燃燒材料，這些均會導致降低生產(chǎn)率。除非加入額外的燃料，才能補償這些差的燃料引起的負面影響。
作為本發(fā)明基礎的問題是由發(fā)明人的觀察而得出的，亦即噴入爐中的燃料、尤其是低的凈熱值的燃料能在它們在轉(zhuǎn)爐中運行一相當長距離前用于燃燒。如果在爐中運行的距離太短，燃燒質(zhì)量差。
本發(fā)明的燃燒方法的區(qū)別在于火焰包括由第一燃料和第一氧化劑燃燒產(chǎn)生的第一燃燒區(qū)，第一燃燒區(qū)的位置靠近第一氧化劑和第一燃料的噴射點，還包括位于第一燃燒區(qū)下游的第二燃燒區(qū)，第二燃燒區(qū)燃燒第二燃料和第二氧化劑，第二燃料通過流過或接近火焰的第一燃燒區(qū)而被預熱。
第二燃料流與第一燃燒區(qū)的火焰接觸的距離最好能足以使至少一些第二燃料被預熱到至少約400℃、優(yōu)選值約600℃、最好達800℃的溫度。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當?shù)诙剂狭髋c火焰接觸的距離達到使第二燃料到達第二燃燒區(qū)時的溫度至少約1000℃時，第二燃料在第二燃燒區(qū)的燃燒進行得很恰當，煙中的NOx含量和未燃燒材料量減少。
第二燃料最好是凈熱值(NCV)低于15×106焦耳／公斤的燃料。按照本發(fā)明的一個實施例，第二燃料可以是含水量大于或等于約20％、低于或等于約95％、最好少于或等于70％的燃料。按照本發(fā)明的另一實施例，第二燃料將含有灰分，其質(zhì)量比例大于20％。
當然、按照本發(fā)明，可以使用第二燃料或第二燃料(尤其是從上述燃料中選出的)的混合物，以及一種或多種第二燃料與本說明書中提到的第一燃料、尤其是凈熱值大于30×106焦耳／公斤的燃料的混合物。按照本發(fā)明的一個實施例，定義為氧化劑及燃料噴射端和燃燒區(qū)開始之間的距離的點火距離將小于2米，最好小于1米。
通常，人們認為在多于90％的第一氧化劑已與第一燃料反應時，第一火焰區(qū)已基本結束了。
通常，第一火焰的能量將盡可能低、最多為火焰提供總能量的30％、優(yōu)選值最多為15％。第一火焰的能量最好在火焰提供的總能量的1～10％，該第一火焰最好包括一溫度盡可能高的區(qū)域，這樣盡可能快地升高與其接觸的第二燃料的溫度。
按照本發(fā)明的另一實施例，第一燃料最好是NCV大于30×106焦耳／公斤的燃料，也就是說是一種易于燃燒的燃料。然而，還有可能將這種高質(zhì)量的燃料與具有低凈熱值的燃料或上面提到燃燒性差的燃料混合，第一燃料具有符合要求的溫度性能，基本能達到大于800℃、最好大于1000℃。第一氧化劑將是含量大于21％的氧氣、優(yōu)選值為大于35％的氧氣。最好為大于50％的氧氣、甚至是工業(yè)純氧，亦即體積大于88％氧氣的氧，如由VSA(真空擺動吸附)系統(tǒng)的吸附產(chǎn)氧系統(tǒng)生產(chǎn)的氧氣，這種氧氣也可由低溫質(zhì)量的氧氣形成，這種氧的純度常高于98％，可以選擇純氧或與空氣的混合物。
上面已描述了第二燃料，而第二氧化劑最好是空氣，特別是宜送入水泥爐的燃燒器中所用的空氣(也稱作為第一空氣和／或第二空氣)。
借助于下列參照附圖的非限制性示例，可以更好地理解本發(fā)明。


圖1是制造先有技術的水泥熟料的設備的側視圖，圖2是生產(chǎn)先有技術的水泥熟料的轉(zhuǎn)爐中所用火焰的詳細圖，圖3表示在正確的和減弱的、即不可接受的火焰的點火距離上的火焰；圖4表示本發(fā)明燃燒方法的第一個實施例，其中第二燃料噴入含氧燃料的火焰；圖5是本發(fā)明的第二個實施例，其中第一氧氣／燃料火焰沿著第二燃料噴流的中部送入；圖6是本發(fā)明的第三實施例，其中第一氧氣／燃料火焰圍繞著第二燃料，從而預熱它，第二燃料放置在爐中空氣／燃料火焰的上方。
在圖1中，來自區(qū)1的原料送入初步煅燒區(qū)3(或按照某個實施例是Lepol型交換器)，在該區(qū)中，原料的溫度由于圖中從左向右流動的熱氣逆流而逐漸上升。
圖2詳細示出了圖1的火焰。在該圖中，與其它圖中相同的元件用同樣的數(shù)字表示?；鹧嬖谵D(zhuǎn)爐(4)延伸很長的距離，它在離燃燒器(8)的某一距離上有效地開始燃燒，可見的非燃燒區(qū)在燃燒端部和火焰開始之間，它由區(qū)(13)表示。第一空氣和第一燃料噴入燃燒器，同時第二空氣沿側部(與先有技術一致)噴入。第一空氣噴入溫度約為100℃，第二空氣的溫度常在500℃～900℃之間，火焰最熱部分的溫度至少約1900℃。在這種轉(zhuǎn)爐中的火焰長度通常是轉(zhuǎn)爐(4)直徑的4～7倍。
圖3A和3B中與先前的示圖中具有同樣的參照數(shù)字，它們表示先有技術的火焰，其中為了確保良好的燃燒由區(qū)(13)所示的點火距離(D)是恰當?shù)模摼嚯x(D)通常小于1米(圖3A)，而圖3B所示的通常是減弱的火焰，也就是說，區(qū)(13)延伸到不可接受的距離(D)，該距離約為2～3米或更長。不僅點火距離、而且點火位置也太長，也就是說未點火區(qū)的端部起伏較大，具有火焰分離的危險。通常質(zhì)量較差的燃料噴入如上所述的先有技術的火焰會導致如圖3B所示的減弱的火焰，這從燃燒的觀點或設備安全的觀點看均是不可接受的。
下面的示圖(圖4、5、6)表示本發(fā)明的不同的實施例。圖4表示本發(fā)明的第一個技術方案，其中熱的含氧燃料的火焰位于質(zhì)量較差的第二燃料噴流的周圍，也就是說，它包圍第二燃料流。第二燃料在孔(24)噴出，同時氧氣／第一燃料混合物包圍第二燃料，通過同心孔(23)噴出，從而它產(chǎn)生的火焰足夠熱到能預熱通過孔(24)噴出的質(zhì)量差的燃料。正如圖中所示，火焰在其上游區(qū)的中心發(fā)展成區(qū)(25)，在該區(qū)中通過與熱的含氧燃料火焰的接觸第二燃料被預熱，火焰發(fā)展成包圍質(zhì)量差的燃料的區(qū)(26)，同時第二下游燃燒區(qū)發(fā)展成基本超出圖中所示的垂線(40)，此時氧化劑、亦即熱火焰(26)中所用的氧氣的90％已與第一燃料(通常是高質(zhì)量的)發(fā)生反應，產(chǎn)生預熱第二燃料的熱火焰。線(40)的下游具有火焰的第二燃燒區(qū)，該區(qū)基本由第二燃料(差質(zhì)量的)與周圍的第一空氣的燃燒得出，該第一空氣通過環(huán)形腔(22)和／或所謂的第二空氣通過環(huán)形腔(21)噴出，這時的空氣如先有技術中的一樣已預熱到500℃～1000℃，該預熱是與轉(zhuǎn)爐中熟料接觸而發(fā)生的，從而用從外部泵入的環(huán)境溫度上的空氣冷卻熟料。因此整個火焰(29)包括線(40)的后的上游部分和下游部分(27)，上游部分基本由預熱第二燃料的短含氧燃料火焰形成，在下游部分(27)中，本發(fā)明的主燃燒出現(xiàn)，主燃燒由差質(zhì)量燃料與空氣在本發(fā)明的在火焰上游的預熱的恰當條件下進行的。
圖5表示本發(fā)明的另一實施例，其中加熱差質(zhì)量燃料(25)的火焰在噴射系統(tǒng)的中心噴入，而將被加熱的差質(zhì)量燃料包圍由孔(23)噴出的含氧燃料火焰。其它元件類似于圖4所述，并具有同樣的工作原理，亦即上游區(qū)、差質(zhì)量燃料的預熱，因此到達下游部分時的溫度最好大于或等于1000℃，由此可使它能與來自環(huán)形腔(22)和／或(21)的第一和／或第二空氣迅速恰當?shù)厝紵?br> 按照本發(fā)明的一個特征，必須由氧氣／第一燃料火焰預熱的差質(zhì)量燃料將噴入第一燃料或噴在其外側上，噴入速度優(yōu)選不超過50米／秒，最好不超過20米／秒?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，當?shù)诙剂鲜蔷哂械蚇CV或含水的燃料。如來自提純站的殘渣等燃料時，最合適的預熱第二燃料時的噴射速度約為10米／秒。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，事實上不能排除它能用除第二燃料外的固體廢料噴入，這些如廢地毯或廢塑料的固體廢料通常包括相當大的塊，它們的噴入速度反而相當高，例如達200米／秒，從而使它們盡可能遠地扔到熟化熟料的區(qū)域的上游，使它們高溫熱解與熟料組織結合。
圖6表示本發(fā)明的一個實施例，它與現(xiàn)有爐子(32)的燃燒器的改型相對應。整個系統(tǒng)(31)包括在其較下部分上的現(xiàn)有的燃燒器(32)、以及在其上部的按本發(fā)明方法加上的組件。在它的下部，有選擇地含有廢料、特別是固體廢料的燃料由第一空氣裝置氣動地通過孔(34)噴入，而第二空氣噴入環(huán)形管(33)，這樣產(chǎn)生先有技術的燃燒系統(tǒng)。置于該燃燒系統(tǒng)上方、最好同一垂直軸上方的是本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)，其中將被預熱的第二燃料(35)位于火焰的中部，火焰是通過環(huán)形蓋(36)噴入的，它最好由如上所述的氧氣和第一空氣組成，從而使它能預熱第二燃料。如上所述該第二燃料最好包括粉狀或液體燃料，它們在到達火焰的第二燃燒區(qū)、尤其是沒有到達與第二空氣一起的火焰(33-34)之前，必須被預熱?；鹧?35-36)由重力作用與空氣／燃料火焰相遇。當然，按照本發(fā)明的一個實施例，還可能將熱的火焰(36)置于中部、而噴射的第二燃料(35)圍繞著熱火焰(36)。
權利要求
1．一種煅燒礦基材料的方法，其中上述材料由與至少一種氧化劑和至少一種燃料的火焰產(chǎn)生的熱源接觸而被加熱，其中火焰包括由第一燃料和第一氧化劑的燃燒而產(chǎn)生的第一燃燒區(qū)，該第一燃燒區(qū)位于第一氧化劑和第一燃料的噴射點附近，還包括位于第一燃燒區(qū)下游的第二燃燒區(qū)，第二燃燒區(qū)由第二燃料和第二氧化劑的燃燒而產(chǎn)生的，第二燃料通過流過火焰的第一燃燒區(qū)被預熱。
2．按照權利要求1的方法，其中第二燃料與第一燃燒區(qū)火焰接觸的流動距離足以使至少一些第二燃料預熱到至少400℃的溫度。
3．按照權利要求2的方法，其中第二燃料與第一燃燒區(qū)火焰接觸的流動距離足以使至少一些第二燃料預熱到至少600℃、最好為800℃的溫度。
4．按照權利要求2的方法，其中第二燃料與第一燃燒區(qū)火焰接觸的流動距離足以使至少一些第二燃料預熱到至少1000℃的溫度。
5．按照權利要求1～4中任何一個的方法，其中第二燃料是一種凈熱值(NCV)少于或等于15×106焦耳／公斤的燃料。
6．按照權利要求1～5中任何一個的方法，其中第二燃料是水含量大于或等于重量的20％和小于或等于重量的98％、最好為小于重量的70％的燃料。
7．按照權利要求1～6中任何一個的方法，其中第二燃料是含有灰份比例大于重量的20％的燃料。
8．按照權利要求1～7中任何一個的方法，其中在氧化劑或燃料噴射點和第二火焰開始之間的點火距離小于2米，最好小于1米。
9．按照權利要求1～8中任何一個的方法，其中第二燃料包括若干第一燃料，該第一燃料的體積等于第二燃料體積的0％～50％。
10．按照權利要求1～8中任何一個的方法，其中第一燃料包括0％～100％的用作第二燃料的燃料體積。
11．按照權利要求1～10中任何一個的方法，其中第二燃燒區(qū)在離氧化劑和燃料噴射點某一距離上開始，這樣90％體積的第一氧化劑已和第一燃料發(fā)生反應。
12．按照權利要求1～11中任何一個的方法，其中第一火焰的能量大于該火焰提供的總能量的30％、最好大于15％。
13．按照權利要求1～12中任何一個的方法，其中第一火焰的能量在由該火焰提供的總能量的1～10％之間。
14．按照權利要求1～13任何一個的方法，其中第一燃料從天然氣中選出。
15．按照權利要求1～14中任何一個的方法，其中第一氧化劑包括富氧空氣，其中的氧氣體積大于21％。
16．按照權利要求15的方法，其中第一氧化劑包括體積大于50％、最好大于88％的氧氣。
17．按照權利要求16的方法，其中第一氧化劑包括體積大于98％的氧氣。
18．按照權利要求1～17中任何一個的方法，其中第二氧化劑基本由空氣組成。
19．按照權利要求1～18中任何一個的方法，其中第一氧化劑的氧氣濃度大于第二氧化劑的氧氣濃度。
20．按照上述權利要求中任何一個的方法，其中第二燃料在不超過50米／秒的、最好為不超過20米／秒的速度上噴出。
21．按照權利要求20的方法，其中第二燃料在約10米／秒的速度上噴出。
全文摘要
一種用于水泥設備上的燃燒方法,其中可使用難于點著的燃料。為此產(chǎn)生了包括第一區(qū)和第二區(qū)的火焰,在使用含氧燃料火焰時產(chǎn)生熱的第一區(qū),它能使難于點著的燃料預熱,使該燃料與空氣一起在第二區(qū)中升到合適的燃燒溫度,以產(chǎn)生主火焰。本發(fā)明可用于水泥、冶金、玻璃等工業(yè)中。
文檔編號F27B7/36GK1290668SQ0011991
公開日2001年4月11日 申請日期2000年6月30日 優(yōu)先權日1999年7月2日
發(fā)明者雅克·迪蓋, 奧維迪烏·馬蘭, 蒂埃里·鮑里索夫, 多拉·S·阿爾韋, 米歇爾·維亞爾多 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司