一种替代燃料涡流气化与水泥生产线耦合的系统及方法与流程

本发明涉及一种水泥窑利用替代燃料的系统及方法，尤其涉及一种替代燃料涡流气化与水泥生产线耦合的系统及方法。

背景技术：

1、目前，使用替代燃料已经成为水泥行业碳减排和降本增效的一项重要技术路径，越来越多的水泥厂开始使用替代燃料作为水泥分解炉燃料，部分或者全部替代传统化石燃料煤。

2、替代燃料种类多、成分复杂、燃烧特性、热值变化大，直接投入水泥窑，对窑况波动影响大。现有的水泥窑利用替代燃料的技术多为直燃技术，即将替代燃料直接喂入分解炉。而为了提高替代燃料使用量，水泥厂多采用外置预燃炉技术，如f.l.smidth的hotdisc热盘炉、thyssenkrupp的prepol-sc阶梯炉、khd的pyrorotor@等，相对于水泥分解炉而言，均为外置式，并且采用外置式预燃装置普遍存在以下问题：(1)rdf在预燃装置内以堆积状态为主，燃烧速度慢，影响rdf处置量；(2)需单独另外引入一股三次风，影响水泥熟料烧成系统的用风控制及运行稳定性(3)燃烧后产生的灰渣以非连续式、或成股的方式进入分解炉，易造成系统运行工况波动；(4)装置结构复杂，重量及占用空间大，系统复杂，造价高。此外，替代燃料气化技术由于将替代燃料经气化炉热解气化后，转化为含碳飞灰和可燃气的形式送入分解炉，可燃气燃烧充分、对分解炉影响小，也得到较多应用。如海螺的ckk气化炉、金隅的连续热解气化炉等。但此类技术也存在一定的问题：由于热解气化为吸热反应，为维持炉内反应温度(一般≥550℃)，低热值的替代燃料需要较大的空燃比，需要送入较多的空气，导致可燃气热值偏低、热量利用率低、排烟损失大的问题。

3、现有技术公开了一种水泥窑利用生物质热解炉脱除nox系，分解炉烟室烟气采用风机引出，然而烟室温度高(≥1000℃)，氧含量极低(＜3.0％)，对风机的耐高温性能要求极高，烟气经过降温除尘仓的水直接接触冷却，导致部分热量被水带走而无法利用，且烟气含尘量高，换水频繁，不仅烟尘也被随之浪费，烟气热量也大部分被水吸收，且蒸发的水蒸气进入生物质热解炉，并最终进入分解炉。此外，进入生物质热解炉的烟气温度也是不可控的，烟气氧含量低也会影响生物质热解炉热解效果。现有技术还公开了采用脱氮管处置替代燃料的工艺，但是脱氮管结构类似较粗的烟气管道，仅适用于轻质的且能够被烟气托住的替代燃料，重质的替代燃料将会落入烟室中，影响烧成系统的稳定运行。另外，受脱氮管内烟气流场和替代燃料喂入工艺的影响，不同与采用气力输送的煤粉，无法做到与高温烟气均匀混合，替代燃料容易出现贴壁情况，热解气化不稳定，最终影响烧成的稳定，继而替代燃料的使用量受限。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效提高水泥窑炉的替代燃料处置量，提高替代燃料热量利用率，并充分利用水泥窑炉的高温烟气，采用低空燃比或零空燃比的替代燃料涡流气化与水泥生产线耦合的系统；

2、本发明的第二个目的是提供上述的装置进行替代燃料涡流气化的方法。

3、技术方案：本发明所述的替代燃料涡流气化与水泥生产线耦合的系统，包括涡流气化装置，分解炉，位于分解炉底部的烟室，与涡流气化装置连接的分料装置，所述分料装置的出口分别连接烟室和灰渣冷却系统；所述涡流气化装置包括呈蜗壳结构用于对替代燃料进行悬浮热解气化的涡流气化段、与涡流气化段上部连通的悬浮段、与涡流气化段下部连通用于对难燃物和重质物进行流化燃烧的流化床段、与流化床段下部连通用于向流化床段送风的风室段；所述涡流气化段设有进风管道，所述进风管道与烟室的高温窑气出口之间连接有烟气引出管路；所述悬浮段的顶部设有与分解炉连接的烟气出口；所述涡流气化装置设有替代燃料喂入口、难燃料喂入口及床料喂入口；所述涡流气化装置设有与分料装置连接的出渣口。

4、其中，所述分料装置包括与出渣口连接的卸灰阀，与卸灰阀出口连接的三通，所述三通的出口分别连接烟室和灰渣冷却输送系统。

5、其中，所述烟气引出管路上设有第一风量调节阀，所述烟气出口与分解炉之间的管路设有第二风量调节阀；所述第一风量调节阀和第二风量调节阀用于控制进入涡流气化装置的窑气风量和压力。

6、其中，所述替代燃料喂入口包括设于进风管道顶面上用于喂入粉状、膏状或液态替代燃料第一替代燃料喂入口，设于涡流室侧面上用于喂入轻质替代燃料的第二替代燃料喂入口，设于悬浮室侧面上用于喂入重质替代燃料的第三替代燃料喂入口。本发明针对不同物料分别设置替代燃料喂入口，可处理多种形态的替代燃料，设有三种替代燃料喂入口，对于密度较大的替代燃料可以从上部第三替代燃料喂入口喂入，以提高停留时间；对于轻质的替代燃料可以从涡流室侧面的第二替代燃料喂入口喂入，在窑气旋切的带动下，在涡流室内将具有更均匀的分布；对于粉状、膏状和液态替代燃料，可以从进风管道上的第一替代燃料喂入口入炉，便于物料的分散。

7、其中，所述涡流气化段包括与悬浮段连通的上部缩口、与上部缩口连通呈蜗壳结构的涡流室、分别与涡流室和流化床段连通的下部缩口；所述进风管道设于蜗壳结构的旋切线处，用于接入水泥窑烟室的高温窑气；所述床料喂入口设于上部缩口侧面。本发明的涡流气化段温度高、湍流脉动强、空间大，有利于替代燃料与高温气体的传热传质，初步反应的替代燃料在高温高速气流的冲刷下，快速热解气化，产生的灰渣被分散、均匀的随烟气排出，大块的、重质的、难燃的以及混入的无机杂物将落入到流化床段继续反应，对于高灰分的、含有较多杂质的替代燃料有一定的适应性。本发明的涡流气化装置的涡流气化段采用蜗壳结构，内部空间大，将水泥窑烟室的高温烟气以涡流的形式引入进来，涡流气化段内部气化温度高，氧含量低，替代燃料在涡流气化段内呈悬浮态，对维持替代燃料稳定热解气化提供了有利条件，产生的性质相对稳定的高温可燃气送入分解炉，对窑系统运行友好。

8、其中，所述悬浮段包括位于涡流气化段上部与涡流气化段连通的悬浮室，所述烟气出口位于悬浮室顶部。

9、其中，所述流化床段包括布风板和设于布风板上部的床料层；所述出渣口与布风板连通。所述风室段包括风室，所述风室设置有与送风机连接的进风口。本发明流化床段的流化风可以是空气和富氧气体，对于热值低的替代燃料适当送入一定量的流化风，不仅可以提高气化反应温度，还可以使重质难燃的替代燃料在床料的流化作用下，继续参与气化反应，提高其燃尽率；流化床段设有排渣口，杂质和灰渣可以外排，不进入分解炉，可降低对窑系统运行和熟料品质的影响。由于高温窑气可提供一定的热量，因此替代燃料热解气化需要的氧气量小，进而本发明的流化床段所需风量小，进而布风板的截面小，替代燃料热解气化过程将具有较低的空燃比，在适当的替代燃料投加量情况下，甚至不需要送入流化风，既具有零空燃比，整个系统将具有更高的热效率。

10、其中，所述难燃料喂入口设于进风口管道顶面上，用于与难燃料连接以降低涡流气化段温度；所述难燃料优选为生料粉。本发明的难燃料喂入口，避免了涡流气化段内温度过高，可以起到调节涡流气化段温度的作用；生料吸热后还可直接进入分解炉，起到生料预热和预分解的作用；而风室段通过鼓入一定量的空气或富氧气体产生的流化风进入涡流室与高温窑气混合，使替代燃料发生氧化反应，产生热量来保证涡流室内的温度，使涡流室内温度始终处于针对各类替代燃料的最适宜的热解气化温度。

11、利用上述的装置进行替代燃料涡流气化与水泥生产线耦合的方法，包括以下步骤：

12、替代燃料从涡流气化装置对应的替代燃料喂入口喂入，来自烟室的高温窑气从烟气引出管路、进风管道进入涡流气化装置，形成涡流，替代燃料在高温窑气形成的涡流带动下与窑气混合，并进行烘干、热解、气化反应；产生的可燃气态产物和含碳的飞灰经烟气出口进入分解炉内，遇氧气继续燃烧，从而发挥替代燃料的作用；替代燃料混入的杂质、难燃物和灰渣落入流化床段；

13、流化床段落入的杂质、难燃物、灰渣与流化的高温床料接触进一步燃烧分解，重质不燃物落入流化床段底部，经出渣口进入分料装置，由分料装置送入分解炉或灰渣冷却输送系统；

14、当涡流气化装置的温度偏高时，由难燃料喂入口喂入难燃物料来控制涡流气化段内的温度；反之，由风室段向流化床段鼓入空气或富氧气体，产生的流化风进入涡流气化段中，使替代燃料发生氧化反应，产生热量来保证涡流气化段内的温度。

15、其中，通过调节第一风量调节阀和第二风量调节阀的开度来控制进入涡流气化装置的窑气风量和压力。

16、其中，从分料装置出来的灰渣去向根据产生量、成分以及对水泥熟料烧成系统稳定运行的影响来确定送入分解炉或灰渣冷却输送系统。

17、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：

18、(1)本发明系统采用涡流气化装置对替代燃料进行热解气化处置，适应替代燃料种类繁多、来源复杂、成分波动大、物理化学成分差异大等多种现实情况，且不影响水泥熟料烧成系统的稳定运行；替代燃料气化过程产生的可燃气和含碳飞灰的进入分解炉后不仅更易燃烧并替代部分燃料煤，还可以进一步起到降低分解炉nox浓度的作用；

19、(2)本发明系统能够有效提高水泥窑炉的替代燃料处置量，提高替代燃料热量利用率，并充分利用烟室的高温窑气(＞1000℃)作为热源和反应气体，气化温度高，既可以采用低空燃比或零空燃比，同时利用替代燃料气化产生的还原性成分降低高温窑气中的氮氧化物含量；还可以通过调节高温窑气的风量，控制替代燃料反应温度，最大程度上削减替代燃料热值不稳定对水泥窑熟料烧成系统产生的负面影响；

20、(3)涡流气化装置出渣口接有分料装置，可以将灰渣送至分解炉或者灰渣冷却输送系统，灰渣经冷却输送系统冷却并被输送至原料配料系统或其他地方，对于含有不燃杂质较多的替代燃料也有一定的适应性；

21、(4)烟室排出的高温烟气具有较高的nox含量，替代燃料热解气化产生的还原性气体(ch4、cnhm、h2、co等)可以起到脱除nox的作用，同时涡流气化装置产生的可燃气和以及含碳飞灰的进入分解炉后不仅更易燃烧并替代部分燃料煤，还可以起到降低nox浓度的作用；本发明系统可以大幅提高水泥窑利用替代燃料的种类和比例，对于低热值的替代燃料和废弃物也有一定的适应性。