本发明涉及长直燃式倾斜逆流回转窑。
回转窑是耐火材料衬里的基本上圆柱形的加热容器，围绕纵向轴线旋转，并且在其中材料进行在高温下的热处理。
直燃式回转窑通过窑内的燃料与氧化剂的燃烧而被加热。
在下文中，燃料和氧化剂统称为燃烧反应物。
在逆流直燃式回转窑中，待处理的材料在位于窑的纵向末端之一的入口端处被引入窑内并沿其纵向方向行进通过该窑。经处理的材料从位于该窑的相对纵向末端处的出口端排出。为了加热窑，将燃料和氧化剂在出口端处引入窑内，以便在窑内产生燃料与氧化剂的燃烧，并且由此产生的燃烧气体以与该材料逆流通过该窑(即从出口端朝向入口端)，之后在入口端处从该窑中排出。
逆流回转窑通常相对于水平面略微倾斜，其中入口端具有比出口端更高的位置，从而促进材料从入口端朝向出口而移动通过该窑，同时还促进热燃烧气体从出口端移动到入口端处的燃烧气体排出口。
回转窑并且特别是倾斜回转窑可以具有宽范围的尺寸，典型地取决于决定材料在回转窑中所需的停留时间的因素，例如：待处理材料的性质以及材料在窑内进行的物理和/或化学/热处理过程。窑内部直径根据在标准/标称窑操作下通过窑的气体流量和在窑中所需的气体速度来选择。
在本发明上下文中，当内部长度l内为至少20m，典型地从20至100m，并且当内部直径d内为该内部长度l内的最多十分之一(1/10)时，回转窑被认为是“长”的。
长直燃式倾斜回转窑通常用于煅烧材料如水泥或石灰。
在长直燃式倾斜回转窑内，典型地分为两个不同的区：主燃烧区和热交换区。主燃烧区或简称为燃烧区，是在窑的出口端处的回转窑的一部分，在这里发生燃料与氧化剂的燃烧。典型地桥接回转窑的纵向中间部m的热交换区是在燃烧区上游(就材料的行进方向而言)的窑的一部分并且在那里当所述燃烧产生的热燃烧气体行进到入口端处的燃烧气体排出口时它们将该材料加热。因此，热交换区对于最大化地利用在燃烧区内产生的热量来说是重要的。
燃烧区内的较高温度通常意味着更高的生产能力和效率。然而，燃烧区内的过高温度可能会导致耐火材料损坏和过度燃烧材料。
相应的权衡产生了折衷，该折衷在诸如石灰窑的长直燃式回转窑中通常导致在窑的入口端(也被称为“冷端”)处的低燃烧气体温度。
在冷端的低燃烧气体温度的发生严重地限制了至在该窑的该部分中的材料(例如：白泥)的热传递。
至少部分地克服这个问题的一种已知的方式是在窑的冷端中安装金属链条的“帘”。这些链条有助于在相对低温燃烧气体与白泥之间的热传递。us-a-2006169181中描述了这种链条帘的实例。这些链条帘系统的安装和维护可能是复杂且昂贵的。
本发明的目的是增加至长的倾斜直燃式回转窑的入口端附近的回转窑内的材料的热传递，而不必依靠链条帘系统。
根据本发明，这是通过以下操作直燃式逆流回转窑用于材料热处理的方法实现的，该回转窑呈现纵向轴线(该窑围绕该轴线旋转)并且具有从20m至100m的内部长度l内和内部直径d内并且进一步呈现从10至100的l内/d内比率。窑的纵向轴线相对于水平面是倾斜的并且在窑的上部入口端与窑的下部出口端之间延伸。
将待处理的材料在入口端处引入窑内。在窑内对其进行热处理，之后将如此处理的材料在出口端处从该窑中排出。
通过在出口端处将主燃料和主氧化剂引入该窑内而在窑内产生热能，以便在主燃烧区中产生所述主燃料与所述主氧化剂的主燃烧，该主燃烧区在该窑内在距该出口端的该窑的内部长度l内的1/4至1/3的距离上延伸。
由所述主燃烧产生的燃烧气体从该主燃烧区朝向该入口端穿过热交换区而行进通过该窑，在该热交换区中不发生燃烧但是热量从这些燃烧气体传递到与这些燃烧气体逆向流动/逆流行进的材料。热交换区位于主燃烧区的上游，典型地主燃烧区的直接上游。
如果主燃料在主燃烧区完全燃烧，则离开主燃烧区的燃烧气体不含可燃物质。然而，当主燃料区域内的主燃料的燃烧不完全时，则离开主燃烧区的燃烧气体含有可燃物质，例如像co。
最后，燃烧气体经由位于窑入口端处的烟道气出口从该窑中排出。
根据本发明，将补充氧化剂和任选地还有补充燃料在入口端处引入窑内以便燃烧：
a)来自主燃烧区的燃烧气体中的任何可燃物质(如果存在的话)，并且
b)如果将补充燃料引入窑内，则补充燃料
与所述补充氧化剂在该窑的补充燃烧区内燃烧。
这种与补充氧化剂的燃烧被称为“补充燃烧”。
补充燃烧发生在窑内的补充燃烧区内，该补充燃烧区在热交换区的上游并且在距该入口端的内部长度l内的最多1/4的距离上延伸。由所述补充燃烧产生的燃烧气体与由该主燃烧产生的燃烧气体一起经由窑的烟道气出口从该窑中排出。
使用具有氧含量为从50％体积至100％体积、优选至少80％体积、更优选至少90％体积、并且最优选至少97％体积的补充氧化剂来实现该窑内的所述补充燃烧。
只有当由主燃烧产生的燃烧气体含有可燃物质(在本领域中也称为“剩余燃料”)，如co时，设想引入补充氧化剂而不补充燃料。
在本发明上下文中，“主燃烧区”应理解为从窑的出口端延伸到窑内主燃烧停止的点，即出口端的上游。同样地，“补充燃烧区”应理解为从窑的入口端延伸到窑内补充燃烧停止的点，即入口端的下游。
在本发明上下文中并且除非另有说明，术语“上游”和“下游”相对于在回转窑中(待处理的)材料的行进方向使用。
在ep-a-0451648中已经提出，在短回转窑并且特别是移动式回转窑的出口端处喷射氧化剂和燃料，与在入口端处喷射氧化剂和任选的燃料相组合。在ep-a-0451648中，目的是提供具有降低的温度梯度并且具有从窑的进料入口端到进料出口端的更均匀温度的所希望的温度特征曲线，以便提高回转窑的生产量，而不会产生耐火材料损坏或有利于nox形成的条件的高可能性。
ep-a-0451648中描述的回转窑明显地不构成如本发明上下文中定义的长回转窑。此外，由于所述炉的不同尺寸，最显著地较短的长度和/或在炉中处理的材料的性质，例如含有可燃物质的废物，这些窑不呈现桥接其中不发生燃烧的炉的纵向中间部m的热传递区。相反，在根据ep-a-0451648的炉中，燃烧在回转窑的整个长度上发生。
因此，如果这种炉用于不可燃材料的热处理，则与在长直燃式回转窑中的情况相比，更低百分比的由燃烧产生的热量被传递到材料。
如上所述，本发明使得可能增加在窑冷端处至材料的热传递，而不需要在所述冷端中安装链条帘或类似设备。
从ep-a-2631582中，还已知一种借助于以下系统制造水泥熟料的方法，该系统不具有专用的、燃料供应的、预煅烧炉设备并且包括用作回转窑的旋转隔热管、设置在该旋转管的第一端中的主燃烧器、设置在该旋转管上游的第二端处的提升管、与该主燃烧器相对的第二燃烧器，用于以某一速度将空气推进的蓬松粉碎的燃料颗粒从废物喷射到该旋转管内，以使得蓬松粉碎的燃料颗粒的燃烧主要发生在窑上游的提升管中，以便将窑上游的提升管中的温度升高到石灰石的有效脱碳可以发生的温度水平。
根据ep-a-2631582，蓬松粉碎的燃料颗粒与推进剂空气(这两者都借助于第二燃烧器喷射)的燃烧主要发生在回转窑上游在提升管中，从而引起材料在其被引入回转窑内之前脱碳。
因此，根据ep-a-2631582的方法没有寻求通过在入口端处窑内的补充燃烧来增加至回转窑内的材料的热传递。
应当理解，即使当已经达到主氧化剂供应系统的最大容量时，本发明还使得可能增加至窑内的加料的热传递。
长逆流回转窑的主氧化剂通常是空气。
主氧化剂也可以是富氧空气。主氧化剂可以进一步作为空气和氧气射流的组合引入窑内。
主氧化剂供应系统的最大容量可以是由于：
a)主氧化剂供应系统能够提供的主氧化剂的体积的上限，和/或
b)主氧化剂供应系统可以克服的压降(在窑内)的上限。事实上，由于窑的长度和窑的相对较低的d内/l内比率，所以窑上的压降是很大的。
通过在窑的入口端处喷射补充氧化剂和任选地还有补充燃料，增加了至材料的热传递，而不会显著增加窑上的压降。实际上，随着补充氧化剂和任选地还有补充燃料在窑的入口端处被引入，由补充燃烧产生的燃烧气体仅行进通过上游补充燃烧区并且几乎不会引起窑上压降的任何增加。
因此，即使当窑上的压降几乎处于窑的烟气提取系统可以处理的最大压降的水平时，本发明还使得可能增加至窑入口端处的材料的热传递。
当待热处理的材料具有高水分含量时，特别是当待处理的材料作为泥浆或浆料引入窑中时，本发明是特别有意义的。
在这种情况下，热处理过程的第一步是干燥步骤。通过增加至窑入口端处的材料的热传递，加速了干燥并且减小了在干燥步骤期间材料行进的距离，从而提高了窑的热处理能力。
本发明还可用于当将至少一部分材料在燃料供应的预煅烧炉内进行处理，之后引入回转窑内(例如在回转窑内生产熟料的方法中)时，操作直燃式逆流回转窑用于热处理材料。
当补充燃料含有水时，例如当补充燃料是处于含水糊剂或浆料形式时，并且特别是处于可燃废液体或糊剂的形式时，本发明也可以是特别有用的。
如上所述，来自主燃烧区的燃烧气体可以含有由于主燃料在主燃烧区中不完全燃烧的结果的可燃物质，例如co。当主氧化剂和主燃料以从0.85至1.05，优选从0.85至0.95的主当量比引入窑内时，经常发生这种情况。
在本发明上下文中，术语“当量比”以其常规含义使用，即：
其中：
●f＝燃料流量(其中燃料可以是单一燃料或几种燃料的组合)
●o＝氧化剂流量(其中氧化剂可以是单一氧化剂或几种氧化剂的组合)。
“主当量比”是指主燃烧区内的当量比，即主燃料与主氧化剂的当量比。“补充当量比”是指补充燃料与补充氧化剂的当量比。
在本发明上下文中，当燃烧产物中的剩余燃料的分压低于50mbar时，认为燃烧基本上完全。
当来自主燃烧区的燃烧气体含有可燃物质时，可能向窑内仅引入补充氧化剂而没有补充燃料。当来自主燃烧区的燃烧气体含有可燃物质时，还可能向窑内引入补充氧化剂和补充燃料两者。在这种情况下，补充当量比是小于1。
优选地，含有来自主燃烧区的燃烧气体的可燃物质在至少650℃、优选至少700℃、并且更优选至少750℃，但通常不超过1200℃的温度下进入补充燃烧区，从而确保当可燃物质与所述补充氧化剂接触时，所述可燃物质在窑内的快速燃烧。
根据本发明的不同实施例，将主氧化剂和主燃料在出口端处引入窑内，以便提供主燃料在主燃烧区内的完全燃烧或基本完全燃烧。在这种情况下，来自主燃烧区的燃烧气体含有极少或不含可燃物质，并且补充燃料和补充氧化剂两者都在入口端处被引入窑内。将补充燃料和补充氧化剂然后在入口端处引入窑内，以便提供补充燃料在补充燃烧区内的完全燃烧或基本完全燃烧。
根据本发明，主氧化剂可以以多个主氧化剂射流被引入窑内。特别地，主氧化剂的第一部分可以作为与主燃料的射流接触的一个或多个初级氧化剂射流引入窑内并且主氧化剂的第二部分可以作为与主燃料分开的一个或多个次级氧化剂射流引入窑内。例如，初级氧化剂可以是由鼓风机提供的空气或来自氧源(例如氧气容器)的氧气，其中次级氧化剂是来自材料冷却器的空气，该冷却器用于空气冷却离开窑的经热处理的材料。
将至少一部分并且优选全部的补充氧化剂有利地通过超声波喷射到窑内。这允许补充氧化剂从入口端进一步向下游穿透进入炉中，从而增加补充氧化剂在回转窑内的停留时间。补充氧化剂在窑内的停留时间也可以借助于从入口端延伸到窑内的喷枪将至少一部分并且优选全部的补充氧化剂喷射到窑内来增加。补充氧化剂在窑内的较高的穿透距离也是有利的，特别是当来自主燃烧区的燃烧气体含有可燃物质时，因为所述燃烧气体在它们与补充氧化剂接触时处于较高的温度。
根据一个有利的实施例，将补充氧化剂在平行于窑的纵向轴线的方向上喷射到窑内。
可替代地，将补充氧化剂的若干射流以喷射方向喷射到该窑内，这样使得所述补充氧化剂射流的喷射方向在位于该窑的纵向轴线上的或附近的点处相遇。当来自主燃烧区的燃烧气体含有可燃物质时，后一种构型被认为是特别有用的。
热交换区典型地位于主燃烧区的直接上游。
如前所指出，当待热处理的材料必须在补充燃烧区中至少部分干燥时，本发明是特别有用的。
待处理的材料可以例如以按重量计从20至35％，优选按重量计从24至29％的水含量在入口端处被引入窑内，如典型地对于白泥的情况。
主氧化剂典型地是空气、富氧空气或空气射流和氧气射流的组合。
本发明还涉及根据本发明的方法用于热处理材料，例如用于生产石灰(特别是从白泥)的用途。
换句话说，本发明还涉及一种用于在直燃式逆流回转窑中热处理材料的方法，其中所述回转窑呈现纵向轴线(该窑围绕该轴线旋转)并且其中所述窑具有从20m至100m的内部长度l内和内部直径d内并且呈现从10至100的l内/d内比率。热处理材料的方法进一步包括如上所述的操作回转窑的方法的任一个实施例的步骤。
本发明还涉及一种用于热处理材料的设施。所述设施包括围绕纵向轴线可旋转的长直燃式逆流窑。所述轴线在上部入口端与下部出口端之间延伸并且相对于水平面是倾斜的。窑呈现从20m至100m的内部长度l内。它具有在入口端与出口端之间中间的纵向中间部m。窑还呈现内部直径d内，使得l内/d内的比率是从10至100。
该设施进一步包括用于将待处理材料供应到该窑的材料供应系统。材料供应系统与窑的入口端处于流体连接并且被适配为用于以受控供应速率将待处理材料在入口端处引入窑内。
该设施还包括与该出口端处于流体连接并且被适配为从该窑中排出经热处理的材料的材料排出系统。
至少一个主燃料喷射器和至少一个主氧化剂喷射器位于窑的出口端处。它们被适配为用于将主燃料、对应地主氧化剂引入与窑的出口端相邻的窑的主燃烧区内。该至少一个主氧化剂喷射器和该至少一个主燃料喷射器优选地是位于该窑的出口端处的主燃烧器的一部分。
烟道气出口位于窑的入口端处并且被适配为用于从窑中排出燃烧气体.
该窑还包括位于窑入口端处的至少一个补充氧化剂喷射器和任选地还有至少一个补充燃料喷射器。该至少一个补充氧化剂喷射器被适配为用于将补充氧化剂引入与窑的入口端相邻的补充燃烧内并且，如果存在的话，该至少一个燃料喷射器被适配为用于将补充燃料引入所述补充燃烧区内。
当补充氧化剂喷射器和补充氧化剂喷射器和补充燃料喷射器两者都存在时，这些补充喷射器有用地是位于窑入口端处的补充燃烧器的一部分。
此外，该窑包括纵向中间区段，该区段在该窑的内部长度l内的至少50％上延伸并且在该区段中不存在氧化剂或燃料入口。这个中间区段桥接该窑的纵向中间部m。
在窑的入口端处具有仅至少一个补充氧化剂喷射器并且没有位于窑的入口端处的补充燃料喷射器的设施的实施例对于主燃烧不完全的那些设施是有用的，即，其中由主燃烧产生的燃烧气体仍含有有待与来自该一个或多个补充氧化剂喷射器的氧化剂一起燃烧的可燃物质。
具有在窑的入口端处的至少一个补充氧化剂喷射器和位于窑的入口端处的至少一个补充燃料喷射器两者的设施的实施例对于主燃烧不完全的装置并且对于其中主燃烧完全的设施这两者都是有用的。
根据优选实施例，至少一个补充氧化剂喷射器是超声喷射器和/或呈从入口端纵向延伸到窑内的喷枪的形式。
材料排出系统可以包括用于在窑下游将经热处理材料进行空气冷却的冷却器。在这种情况下，所述冷却器可以包括与窑的主氧化剂入口处于流体连接的空气出口，以便将来自冷却器的冷却空气作为(部分或全部)主燃烧氧化剂供应到炉内。
该至少一个补充氧化剂喷射器与氧化剂源处于流体连接，该氧化剂源具有的氧含量为从50％体积至100％体积、优选至少80％体积、更优选地至少90％体积并且最优选至少97％体积。如上所述，通过从此类氧化剂源喷射富氧氧化剂作为补充氧化剂，促进在窑内并且更具体地在窑的补充燃烧区内的完全或基本完全的燃烧。此类氧化剂源的实例是空气分离单元、含有液化富氧氧化剂的容器和用于供应液化或气态富氧氧化剂的管道。
本发明还包括被适配为用于在如上所述的根据本发明的方法的不同实施例中使用的热处理材料的设施。因此，本发明还包括在回转窑上游包括燃料供应的预煅烧炉设备的此类设施。
本发明还涉及根据本发明的设施的任何一个实施例用于热处理材料，例如用于生产石灰或水泥的用途。
本发明及其优点在下面的实例中参照附图示出，该附图是适用于本发明中的长逆流回转窑的示意图。
该实例说明了如上所述的本发明如何可以为回转窑的操作带来真正的优点，更具体地说，在如附图中所示的用于以约115t/天的生产能力生产石灰的回转窑的情况下。
回转窑的特征在于以下数据：
l内＝50m
d内＝2.4m
l内/d内＝20.8
转速＝1.8rpm
相对于水平面的倾角(α)＝3°
将白泥在上部入口端2处引入窑内。材料10在方向11上行进通过窑，并且同时在窑内进行热处理，使得在窑的出口端1处获得煅石灰。
主燃烧器3(位于窑的出口端1处)以空气作为主氧化剂和天然气作为主要燃料进料。一些液体燃料油也被用作附加的主燃料。
天然气约800nm3/h
液体燃料油约210kg/h
主燃料和附加的主燃料与空气的燃烧在主燃烧区6(15m长)内发生并且由所述主燃烧产生的燃烧气体在方向12上行进通过剩余窑区7和8到窑的入口端2，在这里它们经由烟道气出口(未示出)从窑中排出。窑在其入口端2附近没有设置链条帘。
当根据现有技术的实践(即没有补充燃烧)操作回转窑时，因此可以在窑内区分两个区：主燃烧区6和作为热交换区的剩余窑部分(区域7和8)。
在给定的现有技术操作条件(主燃烧器功率和窑生产率)下，烟雾抽吸系统(未示出风扇)已经在其最大值，即100％功率下运行。
在这些情况下并且当不使用本发明时，生产率明显地受到窑内热传递能力限制。
为了提高生产率，窑入口处的温度是关键参数。引入窑内的白泥通常为260℃左右，具有的含水量为24％至29％。在窑内窑入口处的温度应在500℃之上，以保证白泥中所有h2o含量在窑内在上游完全干燥，这对获得足够并且良好品质的生产是很重要的。
增加主燃烧器3的燃烧器功率，特别是为了增加窑入口端2处的温度，需要增加风扇功率，该风扇功率决定了通过窑的燃烧气体的体积流量。然而，尽管风扇已经在其最大值下运行，但这不是可用的选项。此外，主燃烧器功率的任何显著增加将使主燃烧区6过热并损坏该窑的该部分内的窑内衬。
根据实施本发明的实例，通过在窑入口端2处的补充燃烧区5中的补充燃烧器8进行氧气和燃料的补充喷射。这增加了足够的能量来将补充燃烧区5中的燃烧气体的温度保持在500℃之上并且使生产率提高了15％。
因此，当使用根据本发明的方法时，可以沿着窑确定三个区：
i.主燃烧区6-15m长，
ii.热交换区7-20m长，包括窑的纵向中间部m，以及
iii.补充燃烧区5-15m长。
在给定的实例中，补充燃烧器是简单的管中管式燃烧器，具有750kw的额定功率，使用天然气作为燃料以及氧气作为氧化剂。
使用氧气作为氧化剂允许比空气燃烧可以实现的更高的火焰温度，与随后更高的效率和更低的燃料消耗。此外，氧燃烧器比等效功率的空气点火燃烧器更紧凑得多，这极大有利于其在可用空间通常非常有限的窑入口2处安装补充燃烧器8。