专利名称：一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在水泥窑烧成系统应用富氧燃烧技术的工艺方法及其装置。
背景技术：
我国的水泥产量己雄居世界第一，2007年我国水泥的产量达13.54亿吨，约占全球产量 的50%，新型干法水泥占水泥总产量的53%。新型干法水泥窑对煤质的要求较高， 一般要求煤 的低位发热量在20934kj/kg以上，而我国的优质煤储量有限。我国南方地区的优质煤储量更 少，大多煤的低位发热量在20934kj/kg以下，通过增加空气过剩量也无法使其充分燃烧，反 而使燃烧温度降低，无法达到水泥熟料的煅烧要求。通过采用富氧燃烧技术能使低热值的煤 充分燃烧，提高了水泥熟料的煅烧温度，保证热工制度的稳定，提高了新型干法窑水泥的熟 料产量，进而提高了各设备的使用寿命，降低了新型干法水泥窑的运行成本。试验证明包括 燃油、燃煤和燃气炉窑中应用富氧燃烧技术，社会效益和经济效益均十分显著:平均节约燃料 11.8%，水泥的产品质量得到提高和稳定，窑炉寿命也相应延长。经济效益十分明显， 一般几个 月就能收回全部投资。
发明内容
本发明的目的是富氧燃烧技术应用于水泥窑燃烧系统，即富氧燃烧技术应用于水泥窑 的窑头和窑尾燃烧系统，解决了水泥窑燃烧系统对煤质的要求和水泥窑燃烧系统温度不稳定 影响水泥熟料质量及水泥窑设备寿命的问题。
本发明的原理是燃料物质在纯氧和富氧环境中的燃烧理论。即燃料物质在富氧的环境 中会加剧燃烧，縮短了放热时间，理论烟气量相应的减少了，理论烟气的温度就会提高；燃 料物质在纯氧的环境中燃烧比在富氧的环境中燃烧更加剧烈，放热时间更短，理论烟气的温 度会更高，放热更充分。
本发明的技术方案是 一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法，在水泥熟料 煅烧过程中其特征在于在水泥窑燃烧区域增加一个以上的氧气给送装置，对其所在位置区 域给送氧气，使燃烧火焰形成局部的热核区、使助燃空气中的含氧量提高并稳定控制在22% —35%范围内，将实际燃烧温度提高并控制在1600°C~1800°C。所述的氧气给送装置是设置在 水泥窑煤粉燃烧火焰处。所述的氧气给送装置是设置在水泥窑各个燃烧区域处。氧气是指浓 度在40%-100%范围内的工业氧气。
一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，它由水泥窑和其特征在于在水泥窑一 个独立燃烧区域内设置至少1个耐高温氧气喷嘴以及输送氧气的管道，氧气产生装置、氧气供给量调节装置，DCS控制装置组成。耐高温氧气喷嘴是设有使氧气能与助燃空气充分混合
的氧气喷嘴。输送氧气的管道是将原水泥窑使用的喷煤嘴增设一个通道，所增设的通道输运 氧气。输送氧气的管道是在燃烧区域的不同角度增设输送氧气管道和耐高温氧气喷嘴。氧气
供给量调节装置由流量计、流量调节阀和压力变送器等组成。DCS控制装置对输送氧气的流 量、压力起到自动连锁控制，保证系统安全。
以上技术方案包含下述两个实现途径第一种是在水泥窑煤粉燃烧带增加纯氧给送装置，
使燃烧带形成局部的热核区。第二种是在水泥窑燃烧区域增加氧气给送装置，使燃烧区域的
助燃空气中的含氧量提高并稳定控制在21.8%—33%范围内。
按第一种方案流程为由制氧系统制出90%以上浓度的纯氧经过输氧专用截止阀门、流 量调节阀门、压力表、流量计、回火安全阀等一系列调整安全设备，最后经过耐高温氧气喷 嘴送进水泥窑燃烧带。
按第二种方案流程为由制氧系统制出90%以上浓度的纯氧或浓度在40%-100范围内的 氧气经过输氧专用截止阀门、流量调节阀门、压力表、流量计、回火安、^阀等一系列调整安 全设备，最后经过耐高温氧气喷嘴送进水泥窑燃烧区域。保证水泥窑燃fe区域的助燃空气中 的含氧量稳定控制在21. 8%—33%范围内。
本发明的技术术语说明
所述的热核区是指纯氧在喷嘴出口处与煤粉发生反应后小范围内形成的，在这个小范围 内即使是劣质煤也能充分的燃烧，释放出全部的热量，形成局部的高温区，高温区逐步扩大， 进而提高并稳定控制整个水泥窑煅烧温度。
所述的助燃空气中的含氧量要求控制在21. 8%—33%之间，主要是根据所燃煤的热值和水 泥窑设计燃烧所需的最优温度来调节。
所述的燃烧区域是水泥窑内煤粉的燃烧区域，即对于新型干法水泥窑指的是窑头煤粉器 和窑尾分解炉燃烧器的煤粉燃烧范围。
所述的氧气是指浓度在40%-100%范围内的工业氧气。
所述的一种提高水泥窑发热能力的富氧燃烧装置由设置在水泥窑内每一个独立燃烧区域 的最少l个耐高温氧气喷嘴以及输送氧气的管道，氧气产生装置、氧气供给量调节装置，DCS 控制装置等构成。
所述的耐高温氧气喷嘴是设有使氧气能与助燃空气充分混合的旋转通道氧气专用高温喷 嘴， 一方面能使得高含氧助燃空气能够分散均匀，另一方面在喷嘴出口处形成小区域的高含 氧助燃空气束，即局部的热核区，加速煤的燃烧速度，提高煤的燃烧效率，节省了水泥窑正 常运行的煤耗，也节省了高含氧助燃空气的输送量，相应的节省了输送风机的用电。
所述的给耐高温氧气喷嘴供送氧气的管道 一种是将原水泥窑使用的喷煤嘴增设一个通道，所增设的通道输运氧气；另一种是在燃烧区域的不同角度增设给耐高温氧气喷嘴供送氧 气的管道和耐高温氧气喷嘴。
所述给耐高温氧气喷嘴供送氧气的管道上还设置有回火安全阀，保证了整个富氧燃烧系 统的安全。
所述氧气供给量调节装置由氧气专用流量计、流量调节阀和压力变送器等组成，保证了 高含氧助燃空气用量的可视化、可调节性和安全性，提高了可操作性和操作的安全性，还有 利于成本的核算。
所述的DCS控制装置对输送氧气的流量、压力起到自动连锁控制，进一步提高了操作的 安全性，同时降低了人工成本。 实验表明
1) 热核区燃烧是纯氧在喷嘴出口小范围内形成的，在这个小范围内即使是劣质煤也能充 分的燃烧，释放出全部的热量，形成局部的高温区，高温区逐步扩大，进而提高并稳定控制 整个水泥窑的运行温度。水泥窑的运行温度的提高和稳定也相应地使得水泥窑的投料量提高 和稳定。在同等燃烧温度的情况下水泥窑运行的用煤量相应降低。
2) 用26. 7%氧含量的混合空气燃烧褐煤或用21.8%的浓氧空气燃烧无烟煤所得到的理论 燃烧温度相当于普通空气燃烧重油所得到的温度。提高助燃风中含氧量，氮气含量减少,所用 空气量及排出的烟气量均显著减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高， 此种富氧浓度不宜过高， 一般富氧(混合后的助燃风)浓度在23-33%时为最佳，因为富氧浓 度再高时，火焰温度增加较少，而制氧投资等费用会大大增加，综合效益反而下降。
在水泥窑燃烧系统中增加富氧燃烧技术的优点在于1)提高水泥窑内火焰的温度并保持 稳定，这样就保证了水泥的质量，同时也延长了水泥窑各种受热设备的使用寿命；2)降低燃 料的燃点温度；3)加快燃烧速度，促进燃烧完全；4)减少燃烧后的烟气量；5)增加热量利 用率；6)降低空气过剩系数；7)降低黑烟的排放，保护环境。
图1为本发明装置窑头结构示意图。 图2为本发明装置窑尾结构示意图。 图3为耐高温氧气喷嘴结构示意图。
图4为输氧喷嘴替换输油喷嘴示意图。 '
图5为改造后的窑头输氧喷嘴示意图。
图6为在窑头罩侧面或顶部安装输氧喷嘴示意图。
图7为改造后的窑尾输氧喷嘴示意图。
图8为输氧喷嘴安装在三次风管与分解炉窝壳相接处示意图。图9为输氧喷嘴安装在分解炉窝壳四周任意一处示意图。
图中l为原窑头喷煤嘴，2为窑头输氧喷嘴，3为球阀，4为回火安全阀，5为输氧流 量计，6为压力变送器，7为电动调节阀，8为针型阀，9为制氧机组，IO为窑尾窝壳，11为 窑尾输氧喷嘴，12为喷嘴固定体，13为喷嘴旋转头，14为改造后窑头喷嘴，15为窑头罩， 16为改造后窑尾喷嘴。 具体实施例
实施例1:
2000t/d新型干法窑燃烧系统中的应用
项目简介此项目2005年投产试验，至2006年底所用煤质热值基本保证在20090KJ/KG 以上，投料量一般在175t/h以上，生产较正常。2007年由于优质煤的供应缺口增大，所用 煤的热值基本在17200KJ/KG左右，导致窑头罩平均温度IOO(TC左右(设计值1350。C)、 二次 风均温度850。C左右(设计值大于950°C)、三次风均温度65(TC左右(设计值大于800°C )、 平均投料量140t/h左右(设计值175t/h)，实际产量严重不足，各设备寿命也无法达到设计 要求，运行成本严重增高。操作调来调去无法使窑系统稳定运行。
设计方案
窑头富氧燃烧系统将窑头喷油管取下，把高温喷嘴及连接无锈钢管安装到原喷油管位 置，用输氧软管连接回火安全阀，制氧设备出口连接流量调节阀、流量计和压力变送器，再 用输氧软管和回火安全相连，把压力变送器、流量调节阀和流量计的测量数据信号传到DCS 系统。选用此种方案举例主要是因为，此方案简便易行，没有改变原喷煤嘴的结构，节省投 资，如图1。
窑尾富氧燃烧系统将喷嘴安装到三次风管与分解炉下端窝壳的连接处，用输氧软管连 接回火安全阀，制氧设备出口连接流量调节阀、流量计和压力变送器，再用输氧软管和回火 安全相连，把压力变送器、流量调节阀和流量计的测量数据信号传到DCS系统，选用此种方 案举例主要是因为，此方案简便易行，没有改变原喷煤嘴的结构，节省投资，如图2。
设计方案中所说的流量调节阀是采用无锡工装(KOSO)的501T系列电动调节阀(型号 501T-90JW118-3600LA );压力变送器是采用美国罗斯蒙特1151系列(型号 1151GP-6S22B1M1IFJ1DF);流量计是采用承德国诚电子公司的SF12系列金属转子流量计(型 号SF12-R0YM2EK3 EX，规格DN50、浮子号H15.8、 PN1.6); DCS系统是采用德国ABB公司 的Freelance v8. 1。
效果说明
1、窑头先把纯氧出口压力控制在0.25MPa，流量控制在4m3/h。试验结果窑头温度从 IIO(TC上升到1200°C，火焰明显变亮(提高了煤的燃烧率)，此时投料量由135t/h上升到145t/h，喷煤管投煤量由6. 3t/h减少到6. 15t/h ;当把纯氧出口压力控制在0.5MPa,流量控 制在6m3/h，窑头温度从1200'C上升到135(TC，火焰变成蓝色，温度很稳定，二次风温、三 次风温也达到了设计的要求(设计值二次风温大于95(TC、三次风温大于800°C)，此时投料 量由145t/h上升到165t/h ,喷煤管投煤量由6. 15t/h减少到5. 9t/h，并且投料量还有上升的 趋势。
2、窑尾先把纯氧出口压力控制在0.25MPa,流量控制在6m3/h，分解炉温度从950'C上 升到105(TC,喷煤管投煤量由9. Ot/h减少到8. 8t/h 。当把纯氧出口压力控制在0. 5MPa，流 量控制在9m3/h，分解炉温度从105(TC上升到130CTC ，喷煤管投煤量由8. 8t/h减少到8. 4t/h。
窑头和窑尾共节约用煤lt/h，目前非优质煤的市场价约为500元/吨，即采用富氧燃烧技 术后每小时节约500元。每小时共用纯氧15m3 ，纯氧的市场价约为4. 5元/每立方，即采 用富氧燃烧技术后每小时多花费15*4. 5=67. 5元。这里仅从用煤的减少和耗氧两方面考虑的， 还未计算产量增加带来的直接经济效益、设备寿命延长产生的设备折旧成本降低和加入富氧 燃烧技术后减少黑烟的排放进而减少环境污染等成本。所以说富氧燃烧技术应用于新型干法 窑的燃烧系统，即有利于降低水泥的生产成本，又有利于环境的保护，是完全符合国家"十 一五"计划的要求的。
实施例2:
喷嘴的安装方式采用如下方式.-
1、 窑头把原有窑头喷煤嘴系统的喷油嘴取下，安装旋转流道专用输氧高温喷嘴，如图
2、 窑尾把原有二通道的喷煤嘴改造成三通道喷煤嘴，中间通道输送富氧助燃空气，如 图7。
其余与实施例l相同。
实施例3:
喷嘴的安装方式采用如下方式-
1、 窑头把原有五通道的喷煤嘴改造成六通道喷煤嘴，中间通道输送工业氧气，如图5。
2、 窑尾在三次风管接分解炉窝壳处安装旋转流道高温喷嘴，如图8。 其余与实施例l相同。
实施例4:
喷嘴的安装方式采用如下方式
1、 窑头在窑头罩侧面或顶部安装旋转流道专用输氧高温喷嘴，如图6。
2、 窑尾在分解炉窝壳四周任意一处安装改造后的窑尾喷嘴，如图9。 其余与实施例l相同。
权利要求
1、一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法，在水泥熟料煅烧过程中其特征在于在水泥窑燃烧区域增加一个以上的氧气给送装置，对其所在位置区域给送氧气，使燃烧火焰形成局部的热核区、使助燃空气中的含氧量提高并稳定控制在22％-35％范围内，将实际燃烧温度提高并控制在1600℃～1800℃。
2、 根据权利要求1所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法，其特征在 于所述的氧气给送装置是设置在水泥窑煤粉燃烧火焰处。
3、 根据权利要求1所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法，其特征在 于所述的氧气给送装置是设置在水泥窑各个燃烧区域处。
4、 根据权利要求1所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧工艺方法，其特征在 于氧气是指浓度在40%-100%范围内的工业氧气。
5、 一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，它由水泥窑和其特征在于在水泥窑一个独立燃烧区域内设置至少1个耐高温氧气喷嘴以及输送氧气的管道，氧气产生装置、氧气供给量调节装置，DCS控制装置组成。
6、 根据权利要求5所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，其特征在于耐高温氧气喷嘴是设有使氧气能与助燃空气充分混合的氧气喷嘴。
7、 根据权利要求5所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，其特征在于输送氧气的管道是将原水泥窑使用的喷煤嘴增设一个通道，所增设的通道输运氧气。
8、 根据权利要求5所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，其特征在于输送氧气的管道是在燃烧区域的不同角度增设输送氧气管道和耐高温氧气喷嘴。
9、 根据权利要求5所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，其特征在于氧气供给量调节装置由流量计、流量调节阔和压力变送器等组成。
10、 根据权利要求5所述的一种提高水泥窑熟料煅烧温度的富氧燃烧装置，其特征在于DCS控制装置对输送氧气的流量、压力起到自动连锁控制，保证系统安全。
全文摘要
本发明涉及一种提高水泥窑发热能力的富氧燃烧工艺方法及其装置。在水泥熟料煅烧过程中其特征在于1)在水泥窑煤粉燃烧带增加纯氧(90％以上)给送装置，使燃烧带形成局部的热核区，随热核区的高温逐步扩散，进而提高并稳定控制整个水泥窑的发热能力；2)在水泥窑燃烧区域增加氧气给送装置，使燃烧区域的助燃空气中的含氧量提高并稳定控制在21.8％-33％范围内。在水泥窑供煤系统、空气供给系统中，由在水泥窑每一个独立燃烧区域内设置至少1个耐高温氧气喷嘴以及输送氧气的管道，氧气产生装置、氧气供给量调节装置，DCS控制装置等构成了富氧燃烧系统。其优点是能提高劣质煤的燃烧效率，提高水泥窑的发热能力并稳定窑的热工制度，从而提高了水泥的质量，同时也延长了水泥窑各种受热设备的使用寿命。
文档编号C04B7/44GK101407381SQ200810233560
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者张自意, 明 李, 李波文, 杨振立 申请人:昆明阳光基业股份有限公司