一种水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备的制作方法

本发明涉及环保装备技术领域，具体涉及一种实施干法水泥生产线水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备。

背景技术：

当前，我国水泥的实际产能达45亿吨，人均约3吨，占世界水泥总产能比例逾60%，且水泥生产是公认的高能耗高污染行业，采用生物质燃料替代部分化石燃料是实现碳减排的必然趋势。替代化石燃料的生物质燃料的植物类包括农作物秸秆、枯枝败叶、废弃林木、动物排泄物及动植物加工有机废弃物等。但众所周知的是，水泥窑生产熟料系统的核心是烧好两把火，即烧好窑头一把火和分解炉一把火，其中熟料的烧成质量更取决于窑头一把火。因为普通硅酸盐熟料的烧成温度是1450℃，即回转窑窑内烧成带翻滚的物料温度需要达到1450℃，这要求窑头燃料燃烧的火焰温度达到1700℃以上。

而利用生物质能的生物质燃烧技术按照燃料分类，可将生物质燃烧技术分为生物质的直接燃烧技术及生物质和矿物燃料（煤、油）混合燃烧技术。生物质直接燃烧技术是一种通过燃烧把生物质能转换成为热能的古老的能源转换技术，一直沿用至今，随着文明和科技的进步，燃用生物质的设备设施和方式在不断的改进，生物质直接燃烧技术的装备主要包括炉灶、锅炉等。生物质和煤或油的混合燃烧技术是目前比较热门的技术，目前主要应用于生活垃圾等废弃物的焚烧处理，主要有盘式炉、流化床炉、炉排炉、层燃炉。

当前，国内在生物质燃烧应用研究方面主要集中于生物质的气化、固化、热解和液化等，且财政支持的大量相关实际项目正在实施中，而关于生物质直接燃烧技术方面进展并不是很顺利。而在国外，生物质气化、液化项目并不太受关注，生物质直燃技术尤其是生物质直燃发电技术在国外的应用已取得快速发展且已相当成熟，因为生物质气化、液化需要外热源和二次能源电，必然导致利用成本增加，无法产生直接利益。生物质直燃技术发电，处理的生物质大部分是经干燥加工处理的农林废弃物、木材厂、造纸厂的残余物等或其成型燃料，且已经有各类生物质燃烧的专用设备以及其应用技术。如，专门针对燃烧林木业废弃材料的蒸汽锅炉、生物质流化床炉。我国亦于20世纪90年代初开始对生物质流化床锅炉的探索，如哈工大开发的用于燃用稻谷壳、木屑等生物质废弃物的系列生物质流化床锅炉，也开发了能够燃烧各种林业废弃物的层燃式锅炉。但国内外所有应用均采用经干燥粉碎处理加工的生物质燃料，或经干燥、粉碎、成型加工的生物质成型燃料，主要设备为烘干、破碎、成型等装备系统。生物质成型燃料有棒状、块状和颗粒状等形状。但，成型燃料的最大的缺陷是加工难，加工设备损坏过快，加工的成型燃料能耗高、成本高，且成型燃料燃烧时与空气接触面积较小，燃烧速率慢，燃烧温度较低。中国的余有芳等在棉杆成型燃料燃烧实验中获得的最高温度为720℃。

对于植物类生物质燃料，当前技术有效利用的是干燥粉碎生物质燃料或生物质成型燃料，其本身的热值较低，能量密度较低，燃烧的火焰温度较低，一般不会超过1000℃，既便是生物质所含的大量内水产生的气体也会带走大量热量，降低热效率，而含湿的生物质燃烧更是非常困难，现有炉灶或锅炉的燃烧技术不能有效地稳定着火燃烧，这就是须干燥粉碎加工或干燥粉碎成型加工为成型燃料的根本原因；其次，干燥加工或干燥成型生物质燃料较粗大颗粒的燃烧速度慢、燃尽率低，导致热效率更低。为提高生物质的燃烧性能，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室邓磊等采用热水浸泡水洗的方式对小麦秸杆、稻壳和桐木木屑进行粉碎、浸泡、水洗、干燥等处理，除去部分有害杂质，以提高其应用性能，但能耗高、成本高、处理量有限，且客观上造成二次污染。为解决生物质成型燃料的燃烧速度偏慢、粗颗粒燃尽率低的问题，河南科技大学魏学锋等采用固态催化氧化剂mno2和kmno4和干燥粉碎的秸杆粉末按mno2/kmno4:秸杆粉=2:1的质量比例混合进行燃烧实验，可有效解决燃尽率问题，达到完全燃尽，且燃烧温度可达1000℃左右，但催化剂用量过大（为秸杆粉的2倍），生产中没有经济性；湘潭大学环境工程系罗婕等以固体氧化剂与生物质（20目筛下的米糠和木屑）按质量比固体氧化剂2:生物质1的比例混合试验，可降低着火温度，提高燃尽率，但固体氧化剂用量为生物质量的2倍，工业生产中没有应用价值。为提高生物质燃料的燃烧温度拓展应用范围，华中科技大学开发了生物质高温燃烧技术进行了生物质微米燃料煅烧水泥的研究，选用研磨至粒径范围在80-160目(177um-100um)之间的锯末生物质微米燃料旋风燃烧技术方法，将粒径范围在80-160目(177um-100um)之间的锯末粉制成生物质成型燃料，以此生物质微米燃料的旋风燃烧方法，将生物质燃烧温度提高到1385℃，极大的改善破碎生物质的燃烧状态和燃烧效率，提升生物质燃料的品位。并在粉体燃料旋风燃烧方法实验中发现，在燃烧过程中粒径大于0.465mm的粉体很难点燃，没有出现理想的轰燃和持续、稳定燃烧的现象，烟气中co含量较高燃烧不充分，燃烧过程中除尘器中落出的灰分呈黑色，炉膛温度不稳定。该研究取得了显著的成果，但将生物质粉碎至20目已很困难且能耗很高，粉碎至80-160目的粉体工业生产中缺失可行性。

在水泥窑炉中的应用，国内科技工作者进行了大量的研究和实践。如《上海建材》（2014年第2期）《农作物秸秆在水泥焚烧替代燃料应用中的关键问题探讨》介绍了上海建筑材料集团水泥有限公司卢波等，以收集的秸杆输送至成型加工厂，经干燥、粉碎、固化成型制成秸杆成型燃料，与天津水泥工业设计研究院有限公司合作，在新型干法水泥生产线的窑尾塔架外增加流态化分解炉协同处理废弃物，该流态化分解炉不是按正常的新型干法分解炉设计，而是适当增加了塔内面积（塔内炉底设置大量的风管风帽），三次风从炉底鼓入，计量后的秸杆成型燃料喂人流态化分解炉焚烧。流态化分解炉设有喂煤装置，煤粉与炉底进入的三次风混合后燃烧，炉内温度一般在850℃～900℃。该项目以成型秸杆燃料替代一部分燃煤取得了良好的减排效果，每1.5吨成型秸杆燃料可替代1吨燃煤，但存在如下主要问题：一是干燥成本问题，使用燃料烘干则没有经济性，只能人工晒干，无论从使用还是从脱水考虑，秸秆燃料的利用都需要很大的储存用地，其季节性、占地、脱水、防火成了不可忽视的问题；二是加工的成型设备磨损快，电耗高；三是成型秸杆燃料和煤粉在特殊的流化床式分解炉内的混合燃烧速度匹配性差，使系统操作难度增加，对窑系统工况的稳定性也产生了影响，客观上造成了熟料产量损失。又如《水泥》（2016.no.1)《生物质燃料应用于水泥窑的工业试验》介绍了河北金隅鼎鑫水泥有限公司韩永鹏等以糠醛渣作为生物质燃料，将糠醛渣粉磨后通过0.08mm方孔筛，试烧完全燃尽时间约60min，然后，按煤粉用量的3%～5%，将磨细的糠醛渣加入新型干法水泥生产线的窑尾烟室内焚烧，加入量不超过煤粉用量的3%时能保证水泥窑系统连续运行，窑台时产量有所降低。该方法虽然能协同处理生物质—糠醛渣，但处理量有限，且客观上影响了窑系统工况，降低熟料产量。

中国专利cn104428397a，khd洪保德韦达克有限公司提供了一种用于在生产水泥的设施中处理生物质的方法和与之相应的设施，其方法是采用换热装置，利用水泥预热器系统的废热能，干燥湿润的农业生物质并在反应器中碳化，以干燥并碳化的生物质作为燃料。该方法投资大，且换热以干化、碳化过程中易产生二次污染，不适合我国国情。

中国专利cn105829262a，纳幕尔杜邦公司提供了一种用于水泥窑的木质纤维素生物质发酵过程的联产品燃料，其方法是将木质纤维素生物质以醇曲酶发酵过程提醇产生的废弃物木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆为原料，然后将木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆按一定的比例再混合，再将混合物干燥成型作为燃料，用于水泥窑中燃烧。但这种混合物干燥能耗高，干燥成型制成生物质燃料的过程中所需能耗产生的co2与这种生物质燃料的减排co2量相当，更重要的是这种成型燃料燃烧速度偏慢，燃烧的火焰温度远达不到1680℃以上。

另一方面，众所周知的，催化燃烧具有显著的优势，适宜的催化燃烧方式可以大幅提高燃烧速度，燃烧速度的大幅提高，可以大幅提高火焰温度。但在如何经济的利用催化燃烧的优势解决水泥窑头生物质燃料的快速燃烧提高火焰温度方面，至今未见任何研究或实践的报道。

我国是世界水泥最大产能国，水泥行业实施节能减排的生物质可替代燃料之一，就是我国每年产量逾10亿吨的植物纤维如农作物果枝、秸秆就是生物质能源，它在燃烧过程中排放的二氧化碳同其生长时吸收的二氧化碳达到碳平衡，被认定为具有二氧化碳零排放的特点。但目前，由于尚缺少全新的生物质燃烧技术方法与装备，我国政策和环保标准中，直接燃烧生物质属于高污染燃料，只允许在农村的大灶中使用，不允许在城市中使用。生物质燃料的应用，实际主要是生物质成型燃料，是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等)的可直接燃烧的一种新型清洁燃料。客观点说，这种新型清洁燃料对于使用单位而言是清洁的，其干燥、加工成型等加工过程中是耗能的、有排放的，且其加工过程所消耗的能源与其清洁燃料的能源数量上几乎相当或处在同一数量级上，且燃烧的火焰温度偏低，远达不到窑头一把火熟料烧成的火焰温度要求。因此，对于水泥企业替代部分燃煤的生物质能源尤其是植物纤维燃料的应用，迫切需要一种全新的技术方法与装备系统使之可高效替代干法水泥生产线回转窑窑头一把火的部分头煤，而不影响窑系统生产工况。

技术实现要素：

为解决背景技术中的问题，克服现有装备技术的不足，提供一种可低成本协同利用高温催化氧化燃烧技术优势将植物纤维类生物质燃料作为水泥窑窑头生产用替代性燃料、且不影响窑系统工况、不会造成熟料产量损失的水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备。

本发明采用的技术方案是：

一种水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备，包括计给料泵，所述计给料泵通过管道与催化氧化剂储罐的出口相连通，计给料泵通过另一管道与均质装置的雾化喷淋进液管相连通，均质装置的卸料口与第一输送机的入料端相连，第一输送机的卸料端与生物质燃料仓的进料口相连，所述生物质燃料仓的底部出料口与计给料装置相连，所述计给料装置与锁风喂料装置相连，所述锁风喂料装置与生物质燃料旋流燃烧器的进料口相连通，生物质燃料旋流燃烧器的进风口通过风管与高压风机相连通，生物质燃料旋流燃烧器与煤粉燃烧器平行设置，且生物质燃料旋流燃烧器位于煤粉燃烧器的上方，生物质燃料旋流燃烧器的旋流喷嘴伸入回转窑的窑口内或置于窑口外，生物质燃料旋流燃烧器的旋流喷嘴可于回转窑的窑口内或窑口外移动，煤粉燃烧器的出口端伸入回转窑的窑口内或置于窑口外。

进一步，还设有生物质储仓、剪切/磨削式粉碎装置、第二输送机、第三输送机、配料给料装置，所述第三输送机的卸料端与剪切/磨削式粉碎装置的进料口相连，所述第二输送机的卸料端和入料端分别与生物质储仓的进料口、剪切/磨削式粉碎装置的出料口相连，所述配料给料装置的入料口和出料口分别与生物质储仓的底部卸料口、均质装置的进料口相连。

本发明以计给料泵抽取催化氧化剂储罐中的催化氧化剂喷洒至均质装置内经粉碎的生物质物料上，均质混合，将碎裂的生物质物料均化改性处理为可在高温条件下高效催化氧化燃烧的改性生物质燃料。改性生物质燃料经第一输送机送入生物质燃料仓中，生物质燃料仓中的改性生物质燃料经仓底部出料口的计给料装置连续计量给料、再经锁风喂料器连续送入生物质燃料旋流燃烧器内，经高压风机鼓入生物质燃料旋流燃烧器内的高压风推送高速旋转冲入回转窑窑头内，并借下面的煤粉燃烧器产生的高速煤粉流燃烧产生的膨胀性火焰流的作用使生物质燃料悬浮于回转窑窑头内中上部空间，防止生物质燃料直接落入窑内物料中产生强还原作用，利用回转窑窑头内1600-2000℃的托底温度场，实现改性生物质燃料于回转窑窑头内的悬浮高效催化氧化燃烧。改性生物质燃料于回转窑窑头内悬浮高效催化氧化燃烧产生的热量直接供给回转窑内水泥物料的煅烧。

本发明针对生物质植物材料的成份特点和燃烧特性，结合生物质材料的高温催化氧化燃烧的条件，利用高温催化氧化燃烧的优势，将能有效促进高温催化氧化的物质直接吸附于粉碎的生物质物料上，对粉碎的生物质物料进行改性处理，以生物质燃料旋流燃烧器高压旋流推力高速旋转送入回转窑窑头内的上部空间，利用平行设置于下面的煤粉燃烧器产生的高速煤粉流燃烧产生的膨胀性火焰流的作用使生物质燃料悬浮于回转窑窑头内中上部空间，防止生物质燃料直接落入窑内物料中产生强还原作用，利用回转窑窑头内高达1600-2000℃的托底温度场，实现改性生物质燃料于回转窑窑头内的悬浮高效催化氧化燃烧，大幅提高火焰温度，使之能高热效率的大量用作水泥窑头用替代性燃料。

本发明的有益效果：

1）装备简单，并有相对成熟的设备可供选用，生物质作为替代燃料利用成本低，不影响窑系统工况、不会造成熟料产量损失，经济性好，便于推广。

2）可有效降低植物类生物质物料加工过程中的能源消耗和环境污染，利于环保。

3）为水泥企业利用生物质植物燃料作为窑头的替代性燃料提供了一种经济而实用的新装备，利于水泥企业节能减排和降本增效。

附图说明

图1为本发明实施例1所示水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备结构示意图；

图2为本发明实施例2所示水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

参照图1，一种水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备，包括煤粉燃烧器2、生物质燃料旋流燃烧器3、锁风喂料装置4、高压风机5、计给料装置6、生物质燃料仓7、第一输送机8、均质装置9、计给料泵10和催化氧化剂储罐11，所述计给料泵10通过管道与催化氧化剂储罐11的出液口相连通，所述计给料泵10通过另一管道与均质装置9的雾化喷淋进液管相连通，均质装置9的卸料口与第一输送机8的入料端相连，第一输送机8的卸料端与改性生物质燃料仓7的进料口相连，所述生物质燃料仓7的底部出料口与计给料装置6相连，所述计给料装置6与锁风喂料装置4相连，所述锁风喂料装置4与生物质燃料旋流燃烧器3的进料口相连通，所述高压风机5通过风管与生物质燃料旋流燃烧器3的进风口相连通，所述生物质燃料旋流燃烧器3与煤粉燃烧器2平行设置，且生物质燃料旋流燃烧器3位于煤粉燃烧器2的上方，生物质燃料旋流燃烧器3的旋流喷嘴伸入回转窑1窑头的窑口内或置于窑口外，生物质燃料旋流燃烧器3的旋流喷嘴可于回转窑1窑头的窑口内或窑口外移动。煤粉燃烧器2的出口端伸入回转窑1窑头的窑口内或置于窑口外。

催化氧化剂储罐11中装有催化氧化剂。所述催化氧化剂为现有催化剂，如市售的高铁酸锂、重铬酸铵、高氯酸镍、硝酸铜等的复合物及湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司的zc系列催化氧化剂等。

均质装置9为现有设备。均质装置9内装有已粉碎的生物质物料。

锁风喂料装置4为现有设备，用于物料的连续布送。

生物质燃料旋流燃烧器3为现有设备。

工作时，计给料泵10抽取催化氧化剂储罐11中的催化氧化剂喷洒至均质装置9内经粉碎的生物质物料上，对粉碎的生物质物料进行改性处理，改性生物质燃料经第一输送机8送入生物质燃料仓7中，生物质燃料仓7中的改性生物质燃料经仓底部出料口的计给料装置6连续计量给料、再经锁风喂料装置4连续布送入生物质燃料旋流燃烧器3内，经高压风机5鼓入生物质燃料旋流燃烧器3内的高压风推送高速旋转冲入回转窑1窑头内，并借助下面的煤粉燃烧器2产生的高速煤粉流燃烧产生的膨胀性火焰流的作用使生物质燃料悬浮于回转窑1窑头内中上部空间，防止生物质燃料直接落入窑内物料中产生强还原作用，利用回转窑窑头内高达1600-2000℃的托底温度场，实现改性生物质燃料于回转窑窑头内的悬浮高效催化氧化燃烧，大幅度提高火焰温度，使之能高热效率的大量用作水泥窑窑头用替代性燃料。

实施例2：

参照图2，一种水泥窑窑头利用生物质燃料催化燃烧的装备，包括煤粉燃烧器2、生物质燃料旋流燃烧器3、锁风喂料装置4、高压风机5、计给料装置6、生物质燃料仓7、第一输送机8、均质装置9、计给料泵10、催化氧化剂储罐11、配料给料装置12、生物质储仓13、第二输送机14、剪切/磨削式粉碎装置15和第三输送机16，所述第三输送机16的卸料端与剪切/磨削式粉碎装置15的进料口相连，所述第二输送机14的卸料端和入料端分别与生物质储仓13的进料口、剪切/磨削式粉碎装置15的出料口相连，所述配料给料装置12的入料口和出料口分别与生物质储仓13的底部卸料口、均质装置9的进料口相连，所述计给料泵10通过不同的管道与催化氧化剂储罐11的出液口、均质装置9的雾化喷淋进液管相连通，所述第一输送机8的卸料端和入料端分别与生物质燃料仓7的进料口、均质装置9的卸料口相连，所述生物质燃料仓7的底部出料口与计给料装置6相连，所述计给料装置6与锁风喂料装置4相连，所述锁风喂料装置4与生物质燃料旋流燃烧器3的进料口相连通，所述高压风机5通过风管与生物质燃料旋流燃烧器3的进风口相连通，所述生物质燃料旋流燃烧器3与煤粉燃烧器平行设置，且生物质燃料旋流燃烧器3位于煤粉燃烧器的上方，生物质燃料旋流燃烧器3的旋流喷嘴伸入回转窑1窑头的窑口内或置于窑口外，生物质燃料旋流燃烧器3的旋流喷嘴可于回转窑1窑头的窑口内或窑口外移动。煤粉燃烧器2的出口端伸入回转窑1窑头的窑口内或置于窑口外。

剪切/磨削式粉碎装置为现有设备。

工作时，将生物质燃料通过第三输送机16送入剪切/磨削式粉碎装置15粉碎，粉碎后的物料以第二输送机14送入生物质储仓13，经生物质储仓13底部的配料给料装置12配料后送入均质装置9，在均质混合的同时，以计给料泵10抽取催化氧化剂储罐11中的催化氧化剂喷洒至均质装置9内的物料上，均质混合，将碎裂的生物质物料均化改性为可在高温条件下高效催化氧化燃烧的生物质燃料，改性生物质燃料经第一输送机8送入改性生物质燃料仓7中，改性生物质燃料仓7中的改性生物质燃料经仓底部出料口的计给料装置6连续计量给料、再经锁风喂料装置4连续布送入生物质燃料旋流燃烧器3内，经高压风机5鼓入生物质燃料旋流燃烧器3内的高压风推送高速旋转冲入回转窑1窑头内，并借助下面的煤粉燃烧器产生的高速煤粉流燃烧产生的膨胀性火焰流的作用使废弃物燃料悬浮于回转窑1窑头内中上部空间，防止废弃物燃料直接落入窑内物料中产生强还原作用，利用回转窑窑头内高达1600-2000℃的托底温度场，实现改性生物质燃料于回转窑窑头内的悬浮高效催化氧化燃烧，大幅度提高火焰温度，使之能高热效率的大量用作水泥窑窑头用替代性燃料。