专利名称：可用于生产水泥的燃烧方法
技术领域：
本发明关于一种燃烧方法，它可特别用于煅烧矿基材料、尤其是生产水泥，其中材料由与至少一种燃料和至少一种氧化剂的火焰产生的热源接触而被加热。这种煅烧方法归入水泥生产方法。本发明还关于使用该燃烧方法来加热填料，用于熔化金属、保温、分解垃圾等等。
制造水泥涉及制造所谓“熟料”的中间产品。熟料是通过煅烧矿基材料、尤其是粘土和石灰石而得到的产品。粉状材料可以干式(干法)或水基泥浆(湿法)形式送到转炉中。熟料的成分通常经过仔细的控制，从而获得所需比例的各种矿物材料、尤其是碳酸钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁和碳酸镁。炉子装填后，用于制造熟料的原材料首先进行干燥和加热步骤，其次再进行煅烧步骤，在该步骤中，各种矿物的碳酸盐通过除去二氧化碳而转换成这些矿物的氧化物。由于温度仍然很高，因此所得出的矿物一起进行化学反应，基本产生硅酸钙和硅酸铝。最后的方法也称作为“煅烧法”，它是在炉子的热区进行的。然后将生产出熟料冷却和精细粉碎，然后再与添加成分混合，制成如卜特兰水泥那样的水泥。
制造水泥的方法有很多共同之处，这些方法的基本差异在于干燥、预热或煅烧熟料的原料所用的方法。在所有这些系统中一个通用的规则是，熟料制造方法是大致相同的，即在该方法中采用转炉，熟料的原料在重力作用下沿着炉子向下移动，来自燃烧进行区的热空气逆向循环。
从美国专利US 5572938已经知道，在制造熟料时、在转炉中使用氧气、由于改进了通常使用的在空气中燃烧，可增加熟料的产量。然而，到目前为止，这些技术还未得到很好的控制，并常在制造成本上大大增加了。
在专利US 3302938、US 3404199和US 3925091中已描述了各种水泥制造技术，这里提出，以供参考。
在专利US 5007823和5580237中描述了在制造水泥时也采用氧气的其它方法。
通常，制造商力图用加入炉子的燃料来减少生产成本，而低成本的燃料燃烧性能相当差并具有较低的净热值(NCV)。通常他们寻求采用各种具有相当低的燃烧性的废料，这样他们可以收到分解上述废料的额外费用。事实上，熟料制造方法花费了大量的能量，因为在熟料制造中碳酸钙脱碳反应是非常吸热的反应，因此要消耗大量的能量。
在制造熟料的转炉中易于燃烧的常用的燃烧是煤、重燃料油和天然气。这些燃料具有的净热值(NCV)在30和45×106焦耳／公斤之间。重燃料油可以预热并雾化成小滴，小滴的尺寸少于200μm，一部分转换的小滴的直径少于50微米。最小的小滴迅速蒸发，因此可使火焰在靠近燃烧器端部处点火。
同样，煤粒也可粉碎成使其尺寸分布在10和200微米之间。通过控制该尺寸及加热时颗粒释放出的可燃性挥发材料可改进燃烧，使燃烧迅速而稳定。然而，水泥制造商仍在努力降低熟料生产中所用燃料的成本，现在正力图使用低燃烧性和净热值(NCV)常低于15×106焦耳／公斤的液态或固态废料。然而这些差的燃料的含水量常大于质量的20％，并具有大的颗粒尺寸(例如颗粒中包含75％的大块或小块尺寸大于200微米)。
使用这些难于燃烧的燃料会在燃烧区、尤其是在制造熟料的转炉中的煅烧区产生很多问题，尤其是火焰的不稳定的燃烧和过低的燃烧程度的问题，因此产生无法控制的一氧化碳浓度、碳氢化合物进入炉中排出的气体中以及在烟灰中具有不可接受量级的未燃烧材料、特别是炉中排出的未燃烧材料，这些均会导致降低生产率。除非加入额外的燃料，才能补偿这些差的燃料引起的负面影响。
作为本发明基础的问题是由发明人的观察而得出的，亦即喷入炉中的燃料、尤其是低的净热值的燃料能在它们在转炉中运行一相当长距离前用于燃烧。如果在炉中运行的距离太短，燃烧质量差。
本发明的燃烧方法的区别在于火焰包括由第一燃料和第一氧化剂燃烧产生的第一燃烧区，第一燃烧区的位置靠近第一氧化剂和第一燃料的喷射点，还包括位于第一燃烧区下游的第二燃烧区，第二燃烧区燃烧第二燃料和第二氧化剂，第二燃料通过流过或接近火焰的第一燃烧区而被预热。
第二燃料流与第一燃烧区的火焰接触的距离最好能足以使至少一些第二燃料被预热到至少约400℃、优选值约600℃、最好达800℃的温度。
按照本发明的一个优选实施例，已经发现，当第二燃料流与火焰接触的距离达到使第二燃料到达第二燃烧区时的温度至少约1000℃时，第二燃料在第二燃烧区的燃烧进行得很恰当，烟中的NOx含量和未燃烧材料量减少。
第二燃料最好是净热值(NCV)低于15×106焦耳／公斤的燃料。按照本发明的一个实施例，第二燃料可以是含水量大于或等于约20％、低于或等于约95％、最好少于或等于70％的燃料。按照本发明的另一实施例，第二燃料将含有灰分，其质量比例大于20％。
当然、按照本发明，可以使用第二燃料或第二燃料(尤其是从上述燃料中选出的)的混合物，以及一种或多种第二燃料与本说明书中提到的第一燃料、尤其是净热值大于30×106焦耳／公斤的燃料的混合物。按照本发明的一个实施例，定义为氧化剂及燃料喷射端和燃烧区开始之间的距离的点火距离将小于2米，最好小于1米。
通常，人们认为在多于90％的第一氧化剂已与第一燃料反应时，第一火焰区已基本结束了。
通常，第一火焰的能量将尽可能低、最多为火焰提供总能量的30％、优选值最多为15％。第一火焰的能量最好在火焰提供的总能量的1～10％，该第一火焰最好包括一温度尽可能高的区域，这样尽可能快地升高与其接触的第二燃料的温度。
按照本发明的另一实施例，第一燃料最好是NCV大于30×106焦耳／公斤的燃料，也就是说是一种易于燃烧的燃料。然而，还有可能将这种高质量的燃料与具有低净热值的燃料或上面提到燃烧性差的燃料混合，第一燃料具有符合要求的温度性能，基本能达到大于800℃、最好大于1000℃。第一氧化剂将是含量大于21％的氧气、优选值为大于35％的氧气。最好为大于50％的氧气、甚至是工业纯氧，亦即体积大于88％氧气的氧，如由VSA(真空摆动吸附)系统的吸附产氧系统生产的氧气，这种氧气也可由低温质量的氧气形成，这种氧的纯度常高于98％，可以选择纯氧或与空气的混合物。
上面已描述了第二燃料，而第二氧化剂最好是空气，特别是宜送入水泥炉的燃烧器中所用的空气(也称作为第一空气和／或第二空气)。
借助于下列参照附图的非限制性示例，可以更好地理解本发明。
图1是制造先有技术的水泥熟料的设备的侧视图，图2是生产先有技术的水泥熟料的转炉中所用火焰的详细图，图3表示在正确的和减弱的、即不可接受的火焰的点火距离上的火焰；图4表示本发明燃烧方法的第一个实施例，其中第二燃料喷入含氧燃料的火焰；图5是本发明的第二个实施例，其中第一氧气／燃料火焰沿着第二燃料喷流的中部送入；图6是本发明的第三实施例，其中第一氧气／燃料火焰围绕着第二燃料，从而预热它，第二燃料放置在炉中空气／燃料火焰的上方。
在图1中，来自区1的原料送入初步煅烧区3(或按照某个实施例是Lepol型交换器)，在该区中，原料的温度由于图中从左向右流动的热气逆流而逐渐上升。
图2详细示出了图1的火焰。在该图中，与其它图中相同的元件用同样的数字表示。火焰在转炉(4)延伸很长的距离，它在离燃烧器(8)的某一距离上有效地开始燃烧，可见的非燃烧区在燃烧端部和火焰开始之间，它由区(13)表示。第一空气和第一燃料喷入燃烧器，同时第二空气沿侧部(与先有技术一致)喷入。第一空气喷入温度约为100℃，第二空气的温度常在500℃～900℃之间，火焰最热部分的温度至少约1900℃。在这种转炉中的火焰长度通常是转炉(4)直径的4～7倍。
图3A和3B中与先前的示图中具有同样的参照数字，它们表示先有技术的火焰，其中为了确保良好的燃烧由区(13)所示的点火距离(D)是恰当的，该距离(D)通常小于1米(图3A)，而图3B所示的通常是减弱的火焰，也就是说，区(13)延伸到不可接受的距离(D)，该距离约为2～3米或更长。不仅点火距离、而且点火位置也太长，也就是说未点火区的端部起伏较大，具有火焰分离的危险。通常质量较差的燃料喷入如上所述的先有技术的火焰会导致如图3B所示的减弱的火焰，这从燃烧的观点或设备安全的观点看均是不可接受的。
下面的示图(图4、5、6)表示本发明的不同的实施例。图4表示本发明的第一个技术方案，其中热的含氧燃料的火焰位于质量较差的第二燃料喷流的周围，也就是说，它包围第二燃料流。第二燃料在孔(24)喷出，同时氧气／第一燃料混合物包围第二燃料，通过同心孔(23)喷出，从而它产生的火焰足够热到能预热通过孔(24)喷出的质量差的燃料。正如图中所示，火焰在其上游区的中心发展成区(25)，在该区中通过与热的含氧燃料火焰的接触第二燃料被预热，火焰发展成包围质量差的燃料的区(26)，同时第二下游燃烧区发展成基本超出图中所示的垂线(40)，此时氧化剂、亦即热火焰(26)中所用的氧气的90％已与第一燃料(通常是高质量的)发生反应，产生预热第二燃料的热火焰。线(40)的下游具有火焰的第二燃烧区，该区基本由第二燃料(差质量的)与周围的第一空气的燃烧得出，该第一空气通过环形腔(22)和／或所谓的第二空气通过环形腔(21)喷出，这时的空气如先有技术中的一样已预热到500℃～1000℃，该预热是与转炉中熟料接触而发生的，从而用从外部泵入的环境温度上的空气冷却熟料。因此整个火焰(29)包括线(40)的后的上游部分和下游部分(27)，上游部分基本由预热第二燃料的短含氧燃料火焰形成，在下游部分(27)中，本发明的主燃烧出现，主燃烧由差质量燃料与空气在本发明的在火焰上游的预热的恰当条件下进行的。
图5表示本发明的另一实施例，其中加热差质量燃料(25)的火焰在喷射系统的中心喷入，而将被加热的差质量燃料包围由孔(23)喷出的含氧燃料火焰。其它元件类似于图4所述，并具有同样的工作原理，亦即上游区、差质量燃料的预热，因此到达下游部分时的温度最好大于或等于1000℃，由此可使它能与来自环形腔(22)和／或(21)的第一和／或第二空气迅速恰当地燃烧。
按照本发明的一个特征，必须由氧气／第一燃料火焰预热的差质量燃料将喷入第一燃料或喷在其外侧上，喷入速度优选不超过50米／秒，最好不超过20米／秒。现已发现，当第二燃料是具有低NCV或含水的燃料。如来自提纯站的残渣等燃料时，最合适的预热第二燃料时的喷射速度约为10米／秒。
在本发明的范围内，事实上不能排除它能用除第二燃料外的固体废料喷入，这些如废地毯或废塑料的固体废料通常包括相当大的块，它们的喷入速度反而相当高，例如达200米／秒，从而使它们尽可能远地扔到熟化熟料的区域的上游，使它们高温热解与熟料组织结合。
图6表示本发明的一个实施例，它与现有炉子(32)的燃烧器的改型相对应。整个系统(31)包括在其较下部分上的现有的燃烧器(32)、以及在其上部的按本发明方法加上的组件。在它的下部，有选择地含有废料、特别是固体废料的燃料由第一空气装置气动地通过孔(34)喷入，而第二空气喷入环形管(33)，这样产生先有技术的燃烧系统。置于该燃烧系统上方、最好同一垂直轴上方的是本发明的燃烧系统，其中将被预热的第二燃料(35)位于火焰的中部，火焰是通过环形盖(36)喷入的，它最好由如上所述的氧气和第一空气组成，从而使它能预热第二燃料。如上所述该第二燃料最好包括粉状或液体燃料，它们在到达火焰的第二燃烧区、尤其是没有到达与第二空气一起的火焰(33-34)之前，必须被预热。火焰(35-36)由重力作用与空气／燃料火焰相遇。当然，按照本发明的一个实施例，还可能将热的火焰(36)置于中部、而喷射的第二燃料(35)围绕着热火焰(36)。
权利要求
1．一种煅烧矿基材料的方法，其中上述材料由与至少一种氧化剂和至少一种燃料的火焰产生的热源接触而被加热，其中火焰包括由第一燃料和第一氧化剂的燃烧而产生的第一燃烧区，该第一燃烧区位于第一氧化剂和第一燃料的喷射点附近，还包括位于第一燃烧区下游的第二燃烧区，第二燃烧区由第二燃料和第二氧化剂的燃烧而产生的，第二燃料通过流过火焰的第一燃烧区被预热。
2．按照权利要求1的方法，其中第二燃料与第一燃烧区火焰接触的流动距离足以使至少一些第二燃料预热到至少400℃的温度。
3．按照权利要求2的方法，其中第二燃料与第一燃烧区火焰接触的流动距离足以使至少一些第二燃料预热到至少600℃、最好为800℃的温度。
4．按照权利要求2的方法，其中第二燃料与第一燃烧区火焰接触的流动距离足以使至少一些第二燃料预热到至少1000℃的温度。
5．按照权利要求1～4中任何一个的方法，其中第二燃料是一种净热值(NCV)少于或等于15×106焦耳／公斤的燃料。
6．按照权利要求1～5中任何一个的方法，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％、最好为小于重量的70％的燃料。
7．按照权利要求1～6中任何一个的方法，其中第二燃料是含有灰份比例大于重量的20％的燃料。
8．按照权利要求1～7中任何一个的方法，其中在氧化剂或燃料喷射点和第二火焰开始之间的点火距离小于2米，最好小于1米。
9．按照权利要求1～8中任何一个的方法，其中第二燃料包括若干第一燃料，该第一燃料的体积等于第二燃料体积的0％～50％。
10．按照权利要求1～8中任何一个的方法，其中第一燃料包括0％～100％的用作第二燃料的燃料体积。
11．按照权利要求1～10中任何一个的方法，其中第二燃烧区在离氧化剂和燃料喷射点某一距离上开始，这样90％体积的第一氧化剂已和第一燃料发生反应。
12．按照权利要求1～11中任何一个的方法，其中第一火焰的能量大于该火焰提供的总能量的30％、最好大于15％。
13．按照权利要求1～12中任何一个的方法，其中第一火焰的能量在由该火焰提供的总能量的1～10％之间。
14．按照权利要求1～13任何一个的方法，其中第一燃料从天然气中选出。
15．按照权利要求1～14中任何一个的方法，其中第一氧化剂包括富氧空气，其中的氧气体积大于21％。
16．按照权利要求15的方法，其中第一氧化剂包括体积大于50％、最好大于88％的氧气。
17．按照权利要求16的方法，其中第一氧化剂包括体积大于98％的氧气。
18．按照权利要求1～17中任何一个的方法，其中第二氧化剂基本由空气组成。
19．按照权利要求1～18中任何一个的方法，其中第一氧化剂的氧气浓度大于第二氧化剂的氧气浓度。
20．按照上述权利要求中任何一个的方法，其中第二燃料在不超过50米／秒的、最好为不超过20米／秒的速度上喷出。
21．按照权利要求20的方法，其中第二燃料在约10米／秒的速度上喷出。
全文摘要
一种用于水泥设备上的燃烧方法,其中可使用难于点着的燃料。为此产生了包括第一区和第二区的火焰,在使用含氧燃料火焰时产生热的第一区,它能使难于点着的燃料预热,使该燃料与空气一起在第二区中升到合适的燃烧温度,以产生主火焰。本发明可用于水泥、冶金、玻璃等工业中。
文档编号F27B7/36GK1290668SQ0011991
公开日2001年4月11日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月2日
发明者雅克·迪盖, 奥维迪乌·马兰, 蒂埃里·鲍里索夫, 多拉·S·阿尔韦, 米歇尔·维亚尔多 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司