阅读说明：本技术 多级悬浮预热水泥窑炉系统及其控制方法 (Multistage suspension preheating cement kiln system and control method thereof ) 是由 任强强 蔡军 吕清刚 于 2019-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及多级悬浮预热水泥窑炉系统,包括：回转窑,具有回转窑烟室；分解炉,与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器,多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道,其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒,且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间,下级旋风筒的出口烟气通过换热管道通入上级旋风筒；水泥生料输送管道,与多级悬浮预热器相通；和给煤装置,用于向系统供给煤粉,其中：至少一个换热管道上设有预热器给煤点；所述给煤装置适于通过所述预热器给煤点向多级悬浮预热器供给煤粉。本发明还涉及多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法。(The invention relates to a multistage suspension preheating cement kiln system, which comprises: a rotary kiln having a rotary kiln smoke chamber; the decomposing furnace is communicated with the smoke chamber of the rotary kiln; multistage suspension preheater for preheating cement raw meal, multistage suspension preheater includes at least last stage cyclone, inferior last stage cyclone and the heat transfer pipeline between the two, wherein: the flue gas from the decomposing furnace is introduced into the last-stage cyclone, and between the upper and lower two-stage cyclones of the multi-stage suspension preheater, the outlet flue gas of the lower-stage cyclone is introduced into the upper-stage cyclone through a heat exchange pipeline; the cement raw material conveying pipeline is communicated with the multistage suspension preheater; and a coal feeding device for feeding pulverized coal to the system, wherein: a preheater coal feeding point is arranged on at least one heat exchange pipeline; the coal feeding device is suitable for feeding coal powder to the multistage suspension preheater through the preheater coal feeding point. The invention also relates to a control method of the multistage suspension preheating cement kiln system.)

多级悬浮预热水泥窑炉系统及其控制方法

技术领域

本发明的实施例涉及水泥工业氮氧化物排放控制领域，尤其涉及一种多级悬浮预热水泥窑炉系统及其控制方法。

背景技术

目前，国内外普遍采用的水泥生产工艺为新型干法水泥生产工艺，其中回转窑和分解炉是其工艺环节中的主要设备。

回转窑是水泥熟料最终烧成装置，由于窑内为气固堆积式传热，传热效果较差，为了得到高质量水泥熟料，窑头煅烧气体温度高达1800℃，这造成回转窑热力型NO_x排放极高，占到所有热力型NO_x排放的80％以上。而且，鉴于回转窑高温煅烧工艺的特点，此部分热力型NO_x的生成无法避免。

分解炉是水泥生料分解装置，水泥生料在分解炉内分解需要吸收大量热量，这部分热量依靠煤粉燃烧提供，因此分解炉内燃烧需要的给煤量高于回转窑燃烧所需的给煤量(占所有给煤量的60％左右)，使得分解炉内的燃料型NO_x排放较高。

回转窑和分解炉是目前新型干法水泥生产工艺NO_x排放的两大主要来源，造成水泥窑炉总体NO_x排放处于较高水平，原始排放超过1000mg/Nm³。统计数据显示，水泥工业2017年的NO_x排放量占到了全国NO_x排放总量的10-12％，是我国雾霾天气的重要成因之一，严重危害大气环境和人类健康。由此可见，实现水泥窑炉低NO_x排放对于大气污染治理具有重要战略意义。

我国水泥工业NO_x排放标准(GB4915-2013)规定，重点地区NO_x排放控制水平不高于320mg/Nm³，一般地区不高于400mg/Nm³，一些地方省市地区甚至提出了更高的排放标准。比如江苏省规定水泥工业2019年6月1日前NO_x排放不能高于100mg/Nm³；河南省规定2018年10月前，改造后的水泥企业在基准氧含量10％条件下NO_x浓度不高于150mg/Nm³。

为了满足日益严苛的排放标准，目前大多数水泥企业不得不在分解炉尾部采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术，即以氨水为还原剂还原NO_x，这不仅使得水泥附加成本增加，同时存在氨逃逸，从而带来新的环境污染问题。

除了SNCR技术以外，分解炉燃料/空气分级燃烧技术也一直受到水泥企业的重视。分级燃烧技术，是将分解炉所用煤粉燃料或者燃料燃烧所用的空气进行分级多点配送，在保证燃料燃烧效率的情况下尽可能多的营造出还原性气氛区域，一方面降低NO_x的生成，另一方面将来自窑尾烟室中的NO_x还原成N₂，以达到NO_x减排的目的。

不过，由于不同的水泥分解炉在结构上存在很大差异，而采用的分级燃烧方案往往千篇一律，没有根据炉型做出相应改变和调整，加之现有分级燃烧技术存在的固有缺陷，导致分级燃烧概念虽已提出多年，但在水泥生产中，实际NO_x减排效果却不甚理想，有时候甚至没有效果。

对于干法水泥生产工艺而言，分级燃烧是较为经济的NO_x减排方法，但是传统的燃料/空气分级燃烧技术概念仍然局限于分解炉本体(上部、中部或者下部锥体)及其与回转窑之间的连接烟室或烟道空间，通过营造缺氧燃烧区域构建还原气氛，从而实现NO_x还原。

传统的燃料/空气分级燃烧技术，从其技术特征来看，主要存在以下技术缺陷：

(1)燃料向下(窑尾烟室)分级，虽然可以延长还原时间，但存在煤粉沉积、随水泥生料一起落入到回转窑尾部的风险，落入的煤粉在回转窑内燃烧易造成局部温度过高，引起水泥生料结皮粘结，降低了水泥熟料质量，甚至引起回转窑故障，造成巨大的停产损失。

(2)燃料向上(分解炉上部)分级，虽然可以多次营造还原性区域，但是容易因为煤粉停留时间不够，造成煤粉燃烧不完全，影响燃烧效率，从而导致整个水泥生产工艺系统热耗增加。另外，未燃尽的煤粉颗粒极有可能被分解炉出口旋风筒收集，从而进入回转窑尾部，造成水泥生料高温结皮粘结、甚至停窑的问题。

发明内容

为缓解或解决上述问题中的至少一个方面或者至少一点，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种多级悬浮预热水泥窑炉系统，包括：

回转窑，具有回转窑烟室；

分解炉，与回转窑烟室连通；

用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道通入上级旋风筒；

水泥生料输送管道，与多级悬浮预热器相通；和

给煤装置，用于向系统供给煤粉；

其中：

至少一个换热管道上设有预热器给煤点；

所述给煤装置适于通过所述预热器给煤点向多级悬浮预热器供给煤粉。

可选的，所述给煤装置还适于向分解炉供给煤粉。

可选的，所述预热器给煤点邻近对应的下级旋风筒的烟气出口。

可选的，所述预热器给煤点设置于末级旋风筒与次末级旋风筒之间的换热管道上。

可选的，通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％；

可选的，通过所述预热器给煤点加入的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％。

可选的，水泥窑炉系统还包括补燃风供给装置，用于向与设有预热器给煤点的换热管道相连的对应上级旋风筒的出口烟道提供补燃风。该补燃风用于将旋风筒连通管道内煤粉热解或者气化产生的煤气燃尽，减小系统煤耗。

可选的，所述水泥窑系统还包括水泥生料调温管道，其与设有预热器给煤点的相应换热管道相通。进一步可选的，所述水泥生料调温管道设置有给料调节装置。

本发明的实施例还涉及一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，

所述水泥窑炉系统包括：回转窑，具有回转窑烟室；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒与次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道连通到上级旋风筒，

所述方法包括步骤：

向至少一个换热管道供给煤粉，进入所述换热管道的煤粉在换热管道内被热解或者气化而形成煤焦和煤气。

可选的，向至少一个换热管道供给煤粉包括步骤：向位于末级旋风筒以及次末级旋风筒之间的换热管道供给煤粉。

可选的，向所述换热管道的给煤量为向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％；

可选的，向所述换热管道的给煤量为向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％。

可选的，所述方法还包括步骤：向与给煤的换热管道相连的对应上级旋风筒的出口烟道提供补燃风。该补燃风用于将旋风筒连通管道内煤粉热解或者气化产生的煤气燃尽，减小系统煤耗。进一步的，所述方法还包括步骤：向所述给煤的换热管道中通入水泥生料，以调节由于煤粉给入引起的温度变化。

本发明的实施例还涉及一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，

所述水泥窑炉系统包括：回转窑，具有回转窑烟室；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道连通到上级旋风筒，

所述方法包括步骤：

向至少一个换热管道供给煤粉，使得与该换热管道对应的上级旋风筒内处于还原性气氛。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。

图2为根据本发明的另一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。

具体实施方式

下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示意图。如图1所示，一种多级悬浮预热水泥窑炉系统包括：

回转窑10，具有回转窑烟室20；

分解炉30，与回转窑烟室20连通；

用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒41、次末级旋风筒42及两者之间的换热管道L1。图1的示例中包括旋风筒41～45共5级，其中初级旋风筒45为两个。来自分解炉30的烟气通入末级旋风筒41(五级旋风筒)，出口烟气通过换热管道L1通入到次末级旋风筒42(四级旋风筒)；从旋风筒42顶部排出的出口烟气通过换热管道L2通入到第3级旋风筒43，旋风筒43排出的预热后的生料通过排料管通入到L1；旋风筒43的出口烟气通过L3通入到旋风筒44，旋风筒44的排料管连通到L2，其他同理。水泥生料输送管L6连通到初级旋风筒45。

至少一个换热管道上设有预热器给煤点(如图中的预热器给煤点411)，给煤装置50通过预热器给煤点向多级旋风预热器供给煤粉。

可选的，给煤装置50还通过分解炉31上的给煤点向分解炉供给煤粉。

在本发明中，自水泥生料输送管首先进入的旋风筒为初级旋风筒。初级旋风筒可以为一个，也可以为并行设置的多个。

在本发明中，多级悬浮预热器中旋风筒的上级与下级，与烟气的流动方向相反：处于烟气流动方向下游的，为上级旋风筒，而处于上游的，为下级旋风筒，处于烟气流动方向最上游的旋风筒为末级旋风筒，处于末级旋风筒下游的旋风筒为次末级旋风筒。

优选的，预热器给煤点在特定换热管道上的具***置邻近对应的下级旋风筒的烟气出口，而相对远离上级旋风筒入口，如图1中示出的预热器给煤点411邻近旋风筒41的烟气出口、远离旋风筒42。这样煤粉在换热管道中的停留时间较长，预热更加充分。

在如图1所示的示例中，预热器给煤点411设置于末级旋风筒41与次末级旋风筒42之间的换热管道L1上。需要指出的是，预热器给煤点不仅限于设置于末级旋风筒烟气出口换热管道上，只要温度合适，预热器给煤点可以位于二级旋风筒44、三级旋风筒43或者是四级旋风筒(次末级旋风筒)42的出口换热管道上。此外，在温度允许条件下，预热器给煤点不仅限于单点给煤，还可以在各级旋风筒烟气出口换热管道(初级旋风筒45除外)同时设置多个预热器给煤点，形成组合式高位给煤，多级强化NO_x还原。

可选的，所述给煤装置向换热管道的给煤量为所述给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的5％-50％，例如，5％、15％、35％、50％；进一步的实施例中，所述给煤装置向换热管道给煤量为给煤装置向分解炉和换热管道加入的总给煤量的20％-30％，例如20％、25％、30％。

如图1所示，水泥窑炉系统还可包括设置在旋风筒42出口的补燃风加入口421，用于向与给煤的换热管道L1相连的对应上级旋风筒42的出口换热管道提供补燃风。补燃风用于将换热管道L1内煤粉热解或者气化产生的煤气燃尽，减小系统煤耗，本发明中，也可以不设置补燃风。

如本领域技术人员能够理解的，在向换热管道的给煤点变化的情况下，补燃风的位置也做相应的变化。

下面参照图1，具体说明根据本发明的实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统降低NO_x排放的实施步骤。

将整个系统除回转窑外的给煤分成两部分，一部分从分解炉底部锥体上的分解炉给煤点31给入，另一部分从五级旋风筒(末级旋风筒)41出口换热管道L1上的预热器给煤点411给入。三次风从分解炉上的三次风口32和三次风口33给入，确保分解炉给煤的燃尽，其中三次风口32位于分解炉给煤点31的上方且处于分解炉的直筒段上，三次风口33位于分解炉中部喷腾缩口上方附近，以便于通过喷腾效应强化气固掺混。来自回转窑10的高NO_x浓度窑气通过烟室20进入分解炉30的底部，并且通过底部缩口产生的喷腾效应使得烟气和煤粉颗粒充分掺混，煤粉颗粒同时被预热，形成具有还原作用的高温煤焦和煤气，分解炉底部至三次风口32之间的区域为强还原区域，窑气中的NO_x被还原。三次风口32与三次风口33之间的区域为弱还原区域，NO_x的还原强度减弱。三次风口33以上的区域为氧化性区域，NO_x还原作用消失，此时烟气中仍然含有大量未被还原和/或分解炉燃烧产生的NO_x。这部分烟气从五级旋风筒41出来以后，仍然具有例如850℃左右的高温，将对预热器给煤点411给入的煤粉进行预热，煤粉热解或者气化形成的煤焦和煤气将在换热管道L1以及四级旋风筒42内部区域内形成强还原性气氛，从而对烟气中的NO_x进行再次还原。四级旋风筒42可以延长烟气与还原性煤焦/煤气的接触时间，从而大幅提高NO_x还原效率。未参与还原反应的煤气随烟气从四级旋风筒42出口流出，在四级旋风筒42出口换热管道上设置有补燃风通入口位置421，剩余的煤气将在此处燃烧。高温煤焦则被四级旋风筒42分离下来，并且与水泥生料一起返回分解炉燃烧，为水泥生料吸热分解反应提供热量。

基于以上，在可选的实施例中，如图1所示，次末级旋风筒42的下部出口与分解炉30连通；且末级旋风筒41的下部出口与回转窑10相通。

需要指出的是，分解炉给煤点31的位置可调整，且不仅限于单点给煤，三次风也不仅限于单点配风，可根据分解炉具体给煤点数目和位置，相应调整三次风的配送点数和位置，以确保燃料的燃尽，降低系统煤耗。

基于以上，在可选的实施例中，根据本发明的水泥窑炉系统还可以包括：设置在分解炉上的三次风口；以及三次风供风控制装置，适于控制三次风的风量，以在三次风口下方形成还原性气氛，且在三次风口上方形成非还原性气氛。进一步的，所述三次风口包括在竖直方向上间隔开设置在分解炉上的第一三次风口和第二三次风口；三次风供风控制装置，适于控制三次风的风量，以在分解炉底部与第一三次风口之间形成第一还原性气氛，在第一三次风口与第二三次风口之间形成弱于第一还原性气氛的第二还原性气氛，且在第二三次风口上方形成非还原性气氛。

基于以上，本发明的实施例也提出了一种上述多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，包括步骤：向至少一个换热管道供给煤粉，进入换热管道的煤粉在换热管道内被热解或者气化而形成煤焦和煤气。

可选的，向至少一个换热管道供给煤粉包括步骤：向换热管道的对应下级旋风筒的烟气出口的给煤点供给煤粉。

可选的，向至少一个换热管道供给煤粉包括步骤：向位于末级旋风筒以及次末级旋风筒之间的换热管道供给煤粉。

可选的，向所述换热管道的给煤量为向分解炉和换热管道供给的总煤量的5％-50％；在进一步的实施例中，向所述换热管道的给煤量为向分解炉和换热管道供给的总给煤量的20％-30％。

可选的，所述方法还包括步骤：向与被给煤的换热管道相连的上级旋风筒的出口烟道提供补燃风。

本发明的实施例还涉及一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的控制方法，所述水泥窑炉系统包括：回转窑；分解炉，与回转窑烟室连通；用于预热水泥生料的多级悬浮预热器，多级悬浮预热器至少包括末级旋风筒、次末级旋风筒及两者之间的换热管道，其中：来自分解炉的烟气通入末级旋风筒，且在多级悬浮预热器的上下两级旋风筒之间，下级旋风筒的出口烟气通过换热管道通入到上级旋风筒，所述方法包括步骤：向至少一个换热管道供给煤粉，使得与该换热管道对应的上级旋风筒内处于还原性气氛。

图2所示为本发明提供的一种带温度调节的多级悬浮预热水泥窑炉系统的示例性实施例示意图。如图2所示，一种带温度调节的多级悬浮预热水泥窑炉系统，除了具有图1中所示的实施例的特征以外，还包括：

管道三通71，用于水泥生料的分配，管道三通71具有第一出口和第二出口；

水泥生料调温管道L5，用于输送参与温度调节的水泥生料，其一端连通到所述第一出口，另一端连接到末级旋风筒41出口的预热器给煤点之后的换热管道L1，且水泥生料调温管道L5设置有闸阀72和锁风阀73，闸阀用于控制参与温度调节的水泥生料的流量，锁风阀73用于系统的密封；和

水泥生料输送管道L6，在可选的实施例中，其一端连接在管道三通71的第二出口，另一端连接到二级旋风筒44出口的预热烟气连通管道L4。

由于管道L1中是负压状态，因此需要防止管道L5进入空气，锁风阀是一种可以到一定重量后自动打开，小于该重量时关闭的阀门，保证系统的密封。锁风阀给料在微观上是间断的，但在宏观上可认为是连续的(时间间隔很短的阶跃给料)。除了锁风阀之外，还可以采用其他保持负压状态的密封装置，均在本发明的保护范围之内。

在图2中，虽然闸阀72与锁风阀73分开设置，但是，两者也可以为一体设置。

所述水泥生料调温管道L5与末级旋风筒41出口的换热管道L1的连通点在预热器给煤点411之后(以烟气流动方向确定的下游)，较预热器给煤点更靠近上级旋风筒。

基于以上，本发明的实施例也提出了一种多级悬浮预热水泥窑炉系统的温度控制方法，包括步骤：向至少一个换热管道供给煤粉，进入换热管道的煤粉在换热管道内被热解或者气化而形成煤焦和煤气；向热解或者气化形成的煤焦和煤气中通入水泥生料，参与温度控制。

下面参照图2具体说明根据本发明的实施例的多级悬浮预热水泥窑炉系统的温度控制方法。在图2所示的示例中，所述的管道三通71将提升机输送过来的常温水泥生料分成两路，一路水泥生料通过水泥生料输送管道L6进入旋风分离器44的出口换热管道L4,并被烟气加热后带入旋风分离器45；另一路水泥生料通过水泥生料调温管道L5依次经过闸阀72和锁风阀73后，进入旋风分离器41的出口换热管道L1，具体的进料位置在预热器给煤点411的下游。由于换热管道L1内为负压状态，故在水泥生料调温管道L5上设置锁风阀73，防止空气泄露进入换热管道L1。在实际水泥工艺中，旋风筒41出口烟气中含有一定氧气，从预热器给煤点411给入煤粉后，将有部分煤粉燃烧，从而引起烟气温度上升，通入常温水泥生料后，可以有效降低烟气温度，避免预热系统因为超温而结皮(一般的，水泥生料在超过1000℃时容易发生结皮现象)。通过控制闸阀72的开度可以调整参与温度调节的水泥生料的流量，从而对烟气温度进行合理的调节与控制。参与温度调节的水泥生料与旋风筒43收集下来的水泥生料汇合后，进入旋风分离器42，最终进入分解炉30内。

需要指出的是，在本发明中，虽然采用了给煤装置的表述，但是，如本领域技术人员能够理解的，给煤装置可以供给能够实现技术目的的其他燃料，例如生物质燃料，这些均在本发明的保护范围之内。

在本发明中，通过在旋风筒的烟气出口管道上设置预热器给煤点来降低NO_x排放，原理简单，也容易实施，对现有水泥生产工艺影响较小，改造成本低。

在本发明中，采用燃料高位分级的思路，代替了传统燃料分级燃烧技术采用在烟室给煤的方法，避免了煤粉颗粒落入回转窑尾部，引起回转窑局部区域超温结皮的风险。

此外，在本发明中，在多级悬浮预热器给入的煤粉，最终会回到分解炉内燃烧，为水泥生料的分解提供热量，避免了燃料向上分级带来的煤粉燃烧不完全的问题。因此，本发明在实现烟气中NO_x高效还原的同时，并没有明显增加系统煤耗(热耗)，有效控制了运行成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。