一种研究旋风预热器内含硫矿物分解的实验装置及方法与流程

本发明涉及含硫矿物质实验装备，尤其涉及一种研究旋风预热器内含硫矿物分解的实验装置及方法。

背景技术：

水泥工业是我国最重要的原材料生产工业之一。由于水泥生产过程的高温及含硫矿物的分解，水泥窑窑尾会排放大量的二氧化硫。由于水泥行业使用含硫量很高的低品质石灰石，促使水泥行业成为仅次于火电行业和炼钢行业的第三大二氧化硫排放源。同时，国家水泥行业污染物排放标准对二氧化硫的排放限值也日趋严格。脱硫技术在水泥行业中的应用日益受到关注。我国水泥窑脱硫技术还处于起步阶段，探索水泥窑中硫分释放动力学过程并研发经济高效的水泥窑烟气脱硫技术是这一领域的主要研究方向。

干法烟气脱硫技术是上世纪国外学者发明的一种在适宜温度下利用钙基脱硫剂与二氧化硫气体反应的脱硫技术。相比于湿法、半干法烟气脱硫技术，干法烟气脱硫具有成本低、对水泥窑窑况影响小、无废水废渣排出等优点，并且在火电等行业的应用已趋于成熟。在新型干法水泥窑的五级旋风预热器中，二氧化硫气体大量生成，因此人们注意到了将干法烟气脱硫技术应用于水泥窑旋风预热器的可行性。国外早有将干法烟气脱硫应有于工程项目的案例，但这些案例中的脱硫效果不甚理想。主要原因在于水泥生料中含硫矿物种类多变、硫含量波动大，且五级旋风预热器内气体流速快，有效脱硫时间短，脱硫剂缺乏高效催化剂等。如何使干法烟气脱硫技术在水泥窑上的应用变得更高效成为人们关注的课题。而探索水泥窑旋风预热器内水泥生料硫释放动力学和干法烟气脱硫的脱硫动力学对这一目标的实现具有指导意义。目前国内外学者关于水泥窑旋风预热器内含硫矿物分解动力学和水泥窑烟气脱硫过程的研究中，主要采用的加热方式为静态加热，与实际旋风预热器中的加热方式相比，物料与气体的接触方式、脱硫剂的投加方式、传热效率等都存在很大差别，并不能很好地模拟水泥窑旋风预热器内的情形，导致实验数据的可靠性不高。因此，迫切需要开发一种研究旋风预热器内含硫矿物释放动力学及脱硫过程的实验装置和方法，以期进一步揭示水泥窑烟气脱硫反应机理。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种研究旋风预热器内含硫矿物分解的实验装置及方法。主要用于模拟新型干法水泥窑预热器系统，进而研究旋风预热器内含硫矿物分解动力学过程和烟气脱硫过程，对揭示水泥窑烟气脱硫反应机理具有科学价值和实际意义。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于研究含硫矿物质的实验装置，包括如下部件：

安装有可调式减压阀6的空压机5；

气力输送器8，气力输送器8下方设置有物料仓9；

投料漏斗10；

水平管式炉12；

冷凝器13；

旋风分离器14；

气泵16；

气体分析仪17；

气体供给装置；

通过管路依次连接的部件为：可调式减压阀6、气力输送器8、投料漏斗10、水平管式炉12、冷凝器13、旋风分离器14、气泵16、气体分析仪17；

所述投料漏斗10与水平管式炉12之间的管路上设有三通接头，该三通接头分别用于连接投料漏斗10的出口、气体供给装置的出口以及水平管式炉12内的悬浮反应器11的入口。

所述空压机5、气力输送器8和投料漏斗10构成物料投加单元；

所述悬浮反应器11和水平管式炉12构成悬浮加热单元；

所述冷凝器13、旋风分离器14和气体分析仪17构成烟气分离及在线监测单元。

所述悬浮反应器11包括五段盘管，每段盘管之间的直管连接段18的长度自介质运动方向依次递减。所述依次递减是指长度依次为10cm、8cm、6cm、4cm。

所述气体供给装置包括管路依次连接的气瓶1、缓冲瓶3、预热管4；所述预热管4的出口连接该三通接头的其中一个接口；

所述气瓶1、缓冲瓶3、预热管4和气泵16构成气氛控制单元。

所述气瓶1由四个并列在管路上的，分别装有二氧化碳、氮气、二氧化硫和氧气的气瓶阵列构成气体组分；每个气瓶上各自设有阀门及气体流量计2。

所述可调式减压阀6与气力输送器8之间的管路上设置有气体流量计7。

所述旋风分离器14的下部设有收集瓶15。

一种用于研究旋风预热器内含硫矿物分解的实验装置的运行方法，包括如下步骤：

步骤一：连接气路，打开水平管式炉12，设置水平管式炉12升温程序；

步骤二：启动水平管式炉12升温程序，同时只向悬浮反应器11中通入空气，并打开气泵16；

步骤三：水平管式炉12的升温程序升到指定温度，并且悬浮反应器11内温度稳定时，将气体组分按实验研究目的通过各自气瓶上的阀门调至实验值；

步骤四：待气体稳定后，运行物料投加单元，通过调节压缩空气流速，将物料和脱硫剂按照实验目的以恒定速率输送至投料漏斗10处；

步骤五：装置运行稳定后，启动气体分析仪17，测量烟气中各气体组分的浓度；

步骤六：实验结束后；并将旋风分离器14分离的物料取出，用于测硫仪分析硫含量；

步骤七：根据研究需要，改变物料中含硫矿物、脱硫剂组成特别是催化剂、气相组成和反应温度等因素，重复步骤一至步骤六。

上述步骤三所述水平管式炉12的升温程序升到指定温度，具体过程如下：

混合物料在气体带动下，由盘管的第一节空心玻璃盘管进入，气体和物料在空心玻璃盘管内部沿螺旋管道运动，同时水平管式炉12对其进行加热。空心玻璃盘管的螺旋结构将气体和物料在水平管式炉12内特定温度点，即200℃、400℃、900℃的悬浮加热时间延长至4～5s；通过第一节空心玻璃盘管后，气体和物料经过直管连接段18，在直管连接段18中的运动时间约为1s，接着进入第二节空心玻璃盘管，进行更高温度的悬浮加热，依此类推，完成在五节空心玻璃盘管中、不同温度下的悬浮加热。

通过改变步骤三所述气体组分的气体成分、流速、温度等，即可研究悬浮加热过程中含硫矿物分解动力学；

通过改变含硫矿物、脱硫剂组成(特别是催化剂)、反应温度等，即可研究悬浮加热过程中烟气脱硫的速率与效率。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

悬浮反应器每段盘管(空心玻璃盘管)之间的连接管的长度自介质运动方向依次递减。悬浮反应器中的盘管的温度及气体在其中的停留时间均参考了水泥窑五级旋风预热器内的真实条件，与现有实验室中的静态加热装置相比，能更好地模拟水泥窑旋风预热器的逐级悬浮加热过程(气固接触方式、单级加热时间、传热效率等)，使实验参数与真实情况更吻合，实验数据更具有科学性、真实性和精确性；本发明中的实验方法可通过改变气体成分、流速、温度等，即可研究悬浮加热过程中含硫矿物分解过程(分解温度、分解率等)和烟气脱硫过程(反应温度、反应效率等)，对揭示水泥窑烟气脱硫反应机理具有科学价值和实际意义。

附图说明

图1是本发明实验装置的结构组成示意图。

图2是悬浮反应器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

本发明用于研究新型干法水泥窑旋风预热器内含硫矿物分解动力学及烟气脱硫速率与效率的实验装置。

所述实验装置由四部分组成：气氛控制单元、物料投加单元、悬浮加热(反应)单元、烟气分离及在线监测单元；

如图1所示，气氛控制单元。由气瓶1、气体流量计2、缓冲瓶3、预热管4和气泵16组成。模拟烟气中的氮气、氧气、二氧化碳来自于气瓶1，空气组分来自于周围空气，每种气体分别由各自的气体流量计2控制流量。气体组分以及空气在经过各自的气体流量计2后进入缓冲瓶3，以使各气体组分混合均匀。混合气体在进入悬浮反应器11前，先进入预热管4以使混合气体初步加热至水泥窑一、二级预热器间温度范围。为减少气体管路对气体组分的影响，连接各部件的气路采用聚四氟乙烯软管。

物料投加单元。由空压机5、可调式减压阀6、气体流量计7、气力输送器8、物料仓9和投料漏斗10组成。按照一定比例混合的含硫矿物和脱硫剂储存在物料仓9中。稳定流速的压缩空气由空压机5产生后，通过调节可调式减压阀6和气体流量计7，获取不同流速的压缩空气。如图2所示，经调节后的压缩空气从气力输送器7的侧向入口进入，并在垂直入气口方向产生自下而上的高速气流，从而在气力输送器7的腔体中产生负压区，将物料仓9中的混合物料以恒定速率自下而上吸引、输送至投料漏斗10处。

悬浮加热(反应)单元。由悬浮反应器11和水平管式炉12组成。在水平管式炉12内，自加热点位置至左端开口处，温度呈现非均匀分布的连续温度带，为悬浮反应器11提供了一条温度连续变化的加热带。悬浮反应器11由间距不同的五节盘管(空心玻璃盘管)及直管连接段18组成。混合物料在气体带动下，由第一节空心玻璃盘管进入，气体和物料在空心玻璃盘管内部沿螺旋管道运动，同时水平管式炉12对其进行加热。空心玻璃盘管的螺旋结构将气体和物料在水平管式炉12内特定温度点，即200℃、400℃、900℃的悬浮加热时间延长至4～5s。通过第一节空心玻璃盘管后，气体和物料经过直管连接段18，在直管连接段18中的运动时间约为1s，接着进入第二节空心玻璃盘管，进行更高温度的悬浮加热，依此类推，完成在五节空心玻璃盘管中、不同温度下的悬浮加热。在悬浮加热过程中，含硫矿物发生分解并释放二氧化硫气体，同时脱硫剂与二氧化硫气体反应。

烟气分离及在线监测单元。由冷凝管13、旋风分离器14、收集瓶15和气体分析仪17组成。经悬浮反应器11加热后的气体和物料进入循环水的冷凝器13中冷却，接着进入旋风分离器14完成气固分离，分离后的物料坠落至收集瓶15中，分离后的气体经气泵16后，进入气体分析仪17进行分析。收集的物料用于测硫仪分析。

下面通过实施例对本发明提供的实验方法进行说明。

将气瓶1、气体流量计2、缓冲瓶3、预热管4、冷凝管13、旋风分离器14、收集瓶15、气泵16、气体分析仪17及物料投加单元之间用聚四氟乙烯软管连接。打开气泵16电源进行预热，并设置水平管式炉12的升温程序。

启动管式炉升温程序开始对悬浮反应器11加热，同时调节气体流量计2，向悬浮反应器中通入与实验流量相当的空气，以使悬浮反应器11内的温度分布较快稳定至实验时的温度分布。

升温程序升到指定温度并且悬浮反应器11内温度稳定时，将气体组分按实验研究目的调至实验值。

待气体稳定后，启动物料投加单元中的空压机5，通过调节压缩空气流速，将混合物料按照实验目的以恒定速率输送至投料漏斗10处。

运行稳定后，利用气体分析仪17测量烟气中各气体组分的浓度。

实验结束后，用空气吹洗悬浮反应器11，关闭各仪器；并将收集瓶15中的物料取出，用于测硫仪分析硫含量。

本发明中的实验装置与现有实验室中的静态加热装置相比，能更好地模拟水泥窑旋风预热器的逐级悬浮加热过程(气固接触方式、单级加热时间、传热效率等)，使实验参数与真实情况更吻合，实验数据更具有科学性、真实性和精确性；本发明中的实验方法通过改变含硫矿物、脱硫剂组成(特别是催化剂)、气相组成和反应温度等条件，即可研究悬浮加热过程中含硫矿物分解过程(分解温度、分解率等)和烟气脱硫过程(反应温度、反应效率等)，对揭示水泥窑烟气脱硫反应机理具有科学价值和实际意义。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。