本发明属于水泥热工设备技术领域，特别是涉及一种喷旋叠加多点来料再循环型分解炉。
背景技术：
目前新型干法水泥发展迅速，对能源的消耗和依赖依然强劲，采用价格低廉的劣质烟煤作为水泥熟料煅烧用燃料势在必行，在无烟煤资源丰富的地区，采用无烟煤作为水泥煅烧的燃料也在进行中。因此，有必要对低质烟煤以及无烟煤的燃烧特性进行研究，在此基础上开发出性能优良的预热预分解系统，适应低质烟煤和无烟煤的煅烧要求。
新型干法水泥生产中原燃料的有害成分会造成分解炉内结皮等危害，造成熟料产质量和系统运转率的降低，甚至可能造成安全事故。预热预分解系统是新型干法水泥熟料生产的核心装备，预热预分解系统的核心设备是分解炉。自上世纪70年代问世以来，分解炉虽已得到了迅速发展，但如何在分解炉中合理布局和匹配风、煤、料，使燃料在生料浓度很高的分解炉内稳定、完全燃烧，使炉内温度场均匀，不产生局部高温，并在很短时间内完成生料碳酸钙分解，并且操作弹性大，对不同煤质的适应性强等等，仍然是困扰行业的问题。
另外，在高海拔地区，大气压力低对水泥生产系统尤其是热工系统的影响较大，例如，燃料燃烧特性变化很大，对料悬浮、热交换、气力输送、物料烘干等的影响很大，对预热器系统的隔热保温以及回转窑表面的散热也有很大的影响。
因此，目前国内外实际生产应用的主流预热预分解系统与高海拔条件下的自然环境、原燃料的适应性还有待进一步的提高，操作弹性比较小，生料换热效果不尽理想，入窑生料分解率一般在90％左右，系统能耗也比较高。
技术实现要素：
本发明提出了一种喷旋叠加多点来料再循环型分解炉，该分解炉使用低质煤或无烟煤作为燃料，通过本发明的技术方案，能够使得燃料在分解炉内的完全燃烧，不产生局部高温，保证分解炉安全运行。进一步地，本发明强化了生料在分解炉内的有效换热，提高了碳酸盐 的分解率。更进一步地，本发明消除了由于原料挥发性组分偏高造成的系统结皮的问题。此外，本发明还解决了分解炉在不同海拔高条件下对自然环境的适应性问题。另外，本发明降低出炉NOx的起始浓度。
本发明提出的一种喷旋叠加多点来料再循环型分解炉，包括分解炉主体、鹅颈管和物料分离及循环装置，其中，分解炉主体、鹅颈管和物料分离及循环装置依次连接，来自回转窑的烟气经窑尾烟室后进入分解炉主体，再经鹅颈管进入CN旋风筒；
CN-1旋风筒下料口中的全部物料、CN-2旋风筒下料口中的部分物料以及物料分离及循环装置中的物料作为物料来源，进入分解炉主体内，该分解炉主体在这些物料进入到炉内的位置处的上下方分别设置缩口，并在物料进入到炉内的位置处沿烟气行进方向的前端设置以切线方向进入分解炉的三次风入口和煤粉入口；
分解炉主体内的物料沿烟气方向进入鹅颈管，鹅颈管中的部分物料借助在烟气中运动的惯性和离心力进入物料分离及循环装置，进入物料分离及循环装置的该部分物料即为所述的物料分离及循环装置中的物料，其余物料随烟气进入CN旋风筒；
这里的N表示旋风筒的级数，各旋风筒自上而下排列，最低一级旋风筒用CN旋风筒表示，倒数第二级旋风筒用CN-1旋风筒表示，倒数第三级旋风筒用CN-2旋风筒表示，以此类推。
进一步地，该分解炉主体包括三次风入口、窑尾缩口、煤粉锥体入口、分解炉下锥体、CN-1下部进料口、煤粉柱体入口、炉中部下缩口、CN-1中部进料口、CN-2中部进料口和炉中部上缩口；
炉中部下缩口和炉中部上缩口分别设置在分解炉主体中部的下端和上端；
分解炉下锥体位于分解炉主体下部，物料分离及循环装置中的物料进入分解炉下锥体的上部；
三次风沿向下倾斜设置的三次风入口从分解炉下锥体的上端以切线方式进入分解炉主体内部，在炉内旋回前进，呈旋风效应；
分解炉的窑尾缩口位于分解炉下锥体的下端，并向下与该窑尾烟室连接；
煤粉锥体入口位于分解炉下锥体上，煤粉柱体入口位于分解炉下锥体和炉中部下缩口之间的分解炉柱体上；煤粉分别从煤粉锥体入口和煤粉柱体入口喷入，每个入口的两个喷煤管以非对称方式沿着某一直径的圆周方向切向喷入，形成旋风效应；
CN-1下部进料口位于分解炉下锥体上方并靠近分解炉下锥体，CN-1中部进料口位于炉中部下缩口上方并靠近炉中部下缩口；来自CN-1旋风筒的物料全部从CN-1下部进料口进入分解炉下锥体上方；或者一部分从CN-1中部进料口进入分解炉中部下缩口上方，另一部分从CN-1 下部进料口进入分解炉下锥体上方；
CN-2中部进料口位于炉中部下缩口上方并靠近炉中部下缩口，来自CN-2旋风筒的物料从CN-2中部进料口进入分解炉中部下缩口上方。
更进一步地，该鹅颈管包括鹅颈管氨水喷口、防堵式180°弯头、风管和变径弯头；其中，
鹅颈管氨水喷口位于鹅颈管上行管上；
该鹅颈管借助防堵式180°弯头与分解炉主体上部连接，借助风管与CN旋风筒连接；
变径弯头与CN旋风筒水平连接。
此外，所述防堵式180°弯头用蜗旋式管道转弯装置代替。
再者，物料分离及循环装置包括集料锥体、锁风阀和管道；其中，
鹅颈管中的物料分别进入CN旋风筒与集料锥体，进入集料锥体的物料通过锁风阀、管道送入分解炉下锥体的上部。
优选地，三次风入口的倾斜角度为10°～15°。
再者，所述从煤粉锥体入口(104)喷入的煤粉占分解炉用煤量的15％～30％，所述从煤粉柱体入口(107)喷入的煤粉占分解炉用煤量的70％～85％。
另外，CN-2旋风筒的下方设置分料阀，用于调节CN-2旋风筒下料口中进入分解炉主体的物料的比例，和/或CN-1旋风筒的下方设置分料阀，用于调节进入CN-1下部进料口和CN-1中部进料口的物料的比例。
优选地，上述分料阀的调节比例范围为0～50％。
另外，分解炉中部上缩口的上部设置炉主体氨水喷口，和/或在鹅颈管上行管部位设置鹅颈管氨水喷口。
本发明的有益效果：
1.本发明的分解炉主体在结构设置上具有独特优势。燃烧效率主要取决于燃烧装置、燃料自身的特性和自然环境等因素，而分解炉承担燃料燃烧和生料分解的关键任务。本发明分解炉主体通过三个烟气缩口、三个来料源以及一个三次风和两个煤粉的组成的三个切向旋风的设置，料粉、烟气和煤粉在炉内形成三次喷腾效应和三个旋风效应，以及喷腾和旋风的叠加效应，使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高炉内料气比，大大延长了料粉和煤粉在炉内的停留时间，进而提高了换热效率，提高了煤粉的燃烬率。另外，分解炉为细长形状，由于煤粉燃烧的原因，上部烟气量较大，气流较快，有利于烟气与物料的混合和煤粉的完全燃烧；下部气流较慢，较大颗粒的生料可在炉的下部再循环，有利于物料的分解。
2.本发明对分解炉窑尾缩口和鹅颈管顶部弯头进行结构改良，有效防止了高温物料在关键部位的堆积、堵塞和结皮，保证了分解炉的稳定运行，提高了运转率。
3.本发明采用不同于现有技术的来料路径，将倒数第三级旋风筒出口的一部分生料(0～50％可调)从分解炉中部送入，首先，利用高温烟气和物料的大温差增加生料的换热量，有效提高换热效率；其次，防止了由于使用低质烟煤或无烟煤时燃烧区后移造成的分解炉中部局部高温和结皮等问题的出现，确保分解炉的运行安全，为分解炉使用低质烟煤或无烟煤提供了必要的技术保障；另外，降低分解炉出口温度，防止了分解炉与最低一级旋风筒出口温度倒挂的现象，降低了最低一级旋风筒高温堵塞的几率。
4.本发明的物料分离及循环装置在直接提高炉内固气比的同时，强化了换热效率，既是对分解炉容积的有效补充，也为有效发挥分解炉的功能起到了重要的把关作用。在分解炉烟气进入最低一级旋风筒之前，利用物料在烟气中运动的惯性和离心力，将烟气中的高温物料分离出一部分(约25％～30％)，经收集后送入分解炉内再循环，使未分解的生料和未燃净的煤粉在分解炉内进一步换热和燃烧，在直接提高炉内固气比的同时，最大限度地提高了生料分解率和煤粉的燃烬率，稳定了烧成系统的热工制度，降低了回转窑的热负荷，提高了熟料产质量。同时，消除了高温物料在变径弯头底部的堆积、堵塞和结皮造成的通风不畅和系统不稳定等问题，提高了系统的运转率，降低了生产成本。
5.本发明采用阶段燃烧和优化燃烧制度的低氮燃烧技术，还原了出窑烟气中的部分NOx，抑制了分解炉内NOx的产生，有效降低了废气中NOx的浓度。
通过以上技术手段，使分解炉在容积相同的情况下，提高了炉内固气比，强化了生料的换热，大大延长了物料在炉内停留时间，保证了低质烟煤和无烟煤在炉内的充分燃烧，使分解炉对高海拔自然环境和原燃材料变化的适应性增强，热工制度稳定，操作弹性增大。其效果是提高生料分解率3～5个百分点，提高熟料产量7％～12％；降低熟料分步电耗2.5～4.1kW·h/t；降低预热器出口温度30℃～50℃，降低熟料烧成煤耗2.5～4.1kgce/t；分解炉融入低氮燃烧技术，降低废气中NOx含量100～150ppm。因此，达到了提高熟料产质量、降低能耗和环保减排的目的。
以1700m海拔高的2500t/d熟料生产线为例，按照年运行310天计算，年增产熟料5.4～9.3万吨，年节电195～320万千瓦时，年节约标准煤1930～3190吨，年减少CO2排放量5660～9305吨，年减少SO2排放量52～86吨，年减少NOx排放量180～355吨。年增加利润总额550～920万元以上，经济效益和环境效益显著。
附图说明
图1是本发明的分解炉的结构示意图。
附图标记说明如下：
1—分解炉主体：101—三次风入口；102—窑尾缩口；103—方圆变换管；104—煤粉锥体入口；105—分解炉下锥体；106—C4下部进料口；107—煤粉柱体入口；108—炉中部下缩口；109—C4中部进料口；110—C3中部进料口；111—炉中部上缩口；112—分解炉主体氨水喷口。
2—鹅颈管：201—膨胀节；202—鹅颈管氨水喷口；203—防堵式180°弯头；204—风管；205—变径弯头。
3—物料分离及循环装置：301—集料锥体；302—锁风阀；303—下料管；304—膨胀节。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明所说的旋风预热器系统最低一级旋风筒是指旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的最低一级旋风筒，对4级旋风预热器来说是C4，对5级旋风预热器来说是C5，对6级旋风预热器来说是C6。所说的预热器系统倒数第二级旋风筒是指旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的倒数第二级旋风筒，对4级旋风预热器来说是C3，对5级旋风预热器来说是C4，对6级旋风预热器来说是C5。所说的旋风预热器系统倒数第三级旋风筒是指旋风预热器系统各级旋风筒自上而下排列的倒数第三级旋风筒，对4级旋风预热器来说是C2，对5级旋风预热器来说是C3，对6级旋风预热器来说是C4。为简单起见，在下面的描述中，对N级旋风预热器来说，用CN旋风筒代表旋风预热器系统最低一级旋风筒，用CN-1旋风筒代表旋风预热器系统倒数第二级旋风筒，用CN-2旋风筒代表旋风预热器系统倒数第三级旋风筒，其中N表示旋风预热器的级数，可以为大于等于3的自然数。
本发明的构思是：物料在从CN-1旋风筒进入CN旋风筒之前，先经过分解炉进行处理。该分解炉将来自CN-1旋风筒的全部物料和CN-2旋风筒的部分物料以及经过该分解炉处理后的部分物料作为来料源，该分解炉在这些物料进入到炉内的位置处的上下方分别设置缩口，并在物料在分解炉内运行轨迹的前端设置三次风入口和煤粉入口，当出窑高温烟气自下而上以喷腾方式进入分解炉内时，即可达到旋风效应与出窑高温烟气的喷腾效应相互叠加的效果，从而使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高炉内料气比，大大延长了料粉 和煤粉在炉内的停留时间，进而提高了换热效率，提高了煤粉的燃烬率。进入分解炉主体内的物料沿烟气行进方向进入鹅颈管，鹅颈管中的部分物料借助在烟气中运动的惯性和离心力进入物料分离及循环装置，其余物料进入CN旋风筒，物料分离及循环装置中的物料作为来料源之一进入分解炉主体内。由此本发明能够实现喷旋叠加、多点来料和再循环。
下面以单系列5级旋风预热器所用的分解炉为例说明喷旋叠加多点来料再循环型分解炉的结构，如图1所示。
分解炉主体1包括三次风入口101、窑尾缩口102、方圆变换管103、煤粉锥体入口104、分解炉下锥体105、C4下部进料口106、煤粉柱体入口107、炉中部下缩口108、C4中部进料口109、C3中部进料口110、炉中部上缩口111和炉主体氨水喷口112。
鹅颈管2包括膨胀节201、鹅颈管氨水喷口202、防堵式180°弯头(或蜗旋式管道转弯装置)203、风管204和变径弯头205。其中，膨胀节201可根据需要设置。
物料分离及循环装置3包括集料锥体301、锁风阀302、管道303以及膨胀节304。其中，所述物料分离及循环装置3的物料分离原理主要包括：烟气中的粉尘受重力沉降、离心力等固有特征力及惯性的作用而将粉尘收集下来。所述物料分离及循环装置3的集料锥体301包括：上口形状各异、角度不同的圆锥体、多边形锥体等。其中，膨胀节304可根据需要设置。
分解炉主体1、鹅颈管2和物料分离及循环装置3之间依次连接组成分解炉系统。分解炉的窑尾缩口102向下与窑尾烟室连接，变径弯头205水平与C5旋风筒连接。各部件由钢板制造，内部敷设耐火材料。
下面结合图1从分解炉结构、风、煤、料的进炉方式以及脱硝方式对本发明进行详细介绍。
一、分解炉结构
分解炉主体1的下部与窑尾烟室连接部位设置第一个缩口，即窑尾缩口102，使出窑烟气呈初次喷腾效应入炉，形成第一个燃烧区，使燃料分解和燃烧。在窑尾缩口102上方设置方圆变换管103。分解炉主体内部设置两个缩口，即炉中部下缩口108和炉中部上缩口111，使分解炉中的烟气呈第二次和第三次喷腾效应，加速气流与生料的混合、搅拌过程，并形成两个后续燃烧区，在较低的过剩空气下使煤粉完全燃烧，加速与生料的热交换过程。
分解炉主体1的上部与鹅颈管2连接，鹅颈管的作用是在不增加框架高度的情况下，例如借助防堵式180°弯头(或蜗旋式管道转弯装置)203和风管204，与旋风预热器系统最低一级旋风筒进行连接，有效利用预热器框架的空间，增加分解炉容积，延长物料在分解炉内的停留时间，提高入窑生料的分解率。
在鹅颈管2向下与旋风预热器系统最低一级旋风筒与集料锥体301连接，集料锥体301利用物料在烟气中运动的惯性和离心力收集出炉烟气中的部分高温物料(约占总量的25％～30％)，并将物料通过锁风阀302、管道303等送入分解炉下锥体105的上部，在分解炉内部进行再循环，达到提高生料换热效率，提高生料分解率，稳定分解炉操作，以及达到消除变径弯头205底部的高温物料堆积、堵塞和结皮的目的。
二、风、煤、料的进炉方式
1.窑气和三次风进炉方式
出窑高温烟气自下而上通过窑尾缩口102以喷腾方式进入分解炉下锥体105，将分解炉下锥体四周的气体及料粉和煤粉不断卷吸进来，向上喷射，造成许多由中心向边缘的旋涡，形成喷腾效应，大大延长料粉和煤粉在炉内的停留时间，加速各种化学反应。
三次风入口101以向下倾斜一定角度(10°～15°)的方式设置，三次风沿三次风入口101从分解炉下锥体105的上端以切线方式进入分解炉主体1内部，在炉内旋回前进，呈旋风效应。
三次风的旋风效应与出窑烟气的喷腾效应相互叠加，大幅度延长料粉在炉内的停留时间，使炉内气流中的料粉浓度大大高于进口或出口浓度，提高了料气比，进而提高换热效率，加速了各种化学反应。这种进风方式，一方面使出窑烟气量与三次风量之间获得平衡，另一方面使得分解炉结构简单，方便了工艺布置，减少了炉内结皮。
2.煤粉进炉方式
煤粉分别从煤粉锥体入口104和煤粉柱体入口107喷入，每个入口的两个喷煤管以非对称方式沿着某一直径的圆周方向切向喷入，形成旋风效应。优选地，煤粉锥体入口104喷入的煤粉占分解炉用煤量的15％～30％，煤粉柱体入口107喷入的煤粉占分解炉用煤量的70％～85％。
喷入分解炉下锥体的煤粉与缺氧的窑气接触后形成还原气氛，还原了出窑烟气中的部分NOx，抑制了分解炉内NOx的产生，降低系统的NOx排放浓度。
大部分煤粉在三次风上方的分解炉柱体以切向喷入，形成旋风效应，延长煤粉进入分解炉起始段的停留时间，使之迅速加热、起火、预燃，在富氧条件下立即分解、氧化和燃烧，其热量迅速传递给呈悬浮状态的生料，满足生料分解的要求。
对低挥发分的燃煤，采用分解炉专用燃烧器，进一步强化风、煤混合；根据生产规模、分解炉用煤量、煤种和煤质的不同，对喷煤点位置和数量进行调整。
各进煤点与三次风的位置密切配合，合理布置。
3.生料进炉方式
本发明采用的来料路径与进炉方式与传统的来料路径与进炉方式不同，本发明的分解炉生料分别来自C3、C4和物料分离及循环装置3，C3来料从C3中部进料口110进入分解炉中部下缩口108上方；C4来料既可全部从C4下部进料口106进入分解炉下锥体105上方，也可一部分从C4中部进料口109进入分解炉中部下缩口108上方，另一部分从C4下部进料口106进入分解炉下锥体105上方；物料分离及循环装置3的来料从分解炉下锥体105上方进入。各点来料入炉后立即悬浮于喷腾和涡旋层之中，加速与生料的热交换过程。
根据炉用煤质、海拔自然环境的不同，C3和C4各进料口的来料量通过旋风筒之下的分料阀进行比例调整，C3来料量的比例优选为0～50％可调。当炉用煤质较好时，从分解炉下锥体105上方送入C4和物料分离及循环装置3来料的同时，从分解炉中部下缩口108上方送入分料比例较小的C3来料，利用C3低温料与炉内高温气体形成的大温差换热，吸收炉内气体的热焓，降低分解炉出口温度；当使用低质烟煤或无烟煤时，将C4和物料分离及循环装置3来料送入分解炉下锥体105上方的同时，从分解炉中部下缩口108上方送入C3和C4来料，以更多的吸收炉内高温区气体的热焓，消除由于使用低质烟煤或无烟煤时主燃烧区后移造成的局部高温和结皮等问题，同时，也降低分解炉出口温度，有效防止了分解炉与C5旋风筒温度倒挂，以及C5旋风筒的高温堵塞。
各进料点与三次风、进煤的位置进行密切配合，合理布置。
根据前述对风、煤、料进入分解炉的方式以及在分解炉内的运行状态可知，本发明使用的关键技术为三个旋风(1个三次风、2个煤粉)、三次喷腾(窑尾缩口、分解炉中部下缩口和炉中部上缩口)和三来料源(C3、C4、物料分离及循环装置)。
三、脱硝方式
出窑烟气的过剩空气系数较小(一般在1.05～1.10)，在分解炉下锥体喷入炉用煤量的15％～30％，煤粉在缺氧的情况下裂解、燃烧，生成H2、CO和CmHn等还原性气体，生料中Al2O3和Fe2O3作为催化剂，将出窑烟气中的NOx置换成N2和H2O等无害气体，使预热器系统排出的废气中的NOx含量降低100～150ppm。在环保标准要求严格的情况下，根据分解炉温度的高低，在分解炉中部上缩口的上部，例如炉主体氨水喷口112，或者鹅颈管上行管部位设置氨水喷入点，例如鹅颈管氨水喷口202，使氨水与NOx反应，从而降低NOx排放浓度。
本发明的分解炉可适用于新建和现有水泥预热预分解系统的改造，也可用于冶金、化工等行业中的粉料换热系统。
下面以海拔1700m、熟料产量2500t/d、熟料热耗760kcal/kg-cl、熟料分步电耗38kW·h/t-cl的条件为例，对采用原有分解炉的系统和采用本发明分解炉的系统的主要技术指标进行了比对，比对结果如下表所示：
按照年运行310天计算，年增产熟料5.4～9.3万吨，年节电195～320万千瓦时，年节约标准煤1930～3190吨，年减少CO2排放量5660～9305吨，年减少SO2排放量52～86吨，年减少NOx排放量180～355吨。年增加利润总额550～920万元以上，经济效益和环境效益显著。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。