两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法及其装置和应用

1.本发明涉及固废处理生产水泥领域，具体涉及一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法及其装置和应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.现代各类工程建设的发展对水泥需求量较大，水泥企业在水泥生产过程中需要大量的料，其中以煤炭为主，煤炭是一种不可再生资源，随着使用量的增加出现了一定的能源危机。水泥窑协同处置是水泥企业进行废物处置的一种新型方法，将预处理后满足入窑要求的固体废物投入水泥窑，同步实现了水泥熟料生产期间对固体废物的无害化处置。
4.水泥窑协同处置固废技术利用水泥窑内高温碱性环境实现对固废有机成分的热值利用，同时无机成分能够替代部分原料进行水泥生产，但经长期实验研究发现，固体废弃物种类复繁杂，成分间差异性较大，水泥窑协同处置固废过程必须优先保障水泥的质量，固废的投加受水泥熟料成分的限制，导致水泥窑协同处置固体废弃物的处理规模较小，且处置固体废弃物的种类较为单一；同时目前水泥企业的固废预处理程序仅满足入窑焚烧要求，并未对固废的热值进行调配，由于固体废弃物成分的差异性导致其热值具有较大差异，与水泥窑间的耦合程度较低，在水泥窑协同处置过程中会导致回转窑烟室温度不断波动，稳定水泥熟料的煅烧温度较为困难，从而对水泥熟料的品质造成一定影响；固废焚烧处理过程中产生的废气废渣处理困难，成本较高，且在废气、废渣合理化利用方面仍存在资源浪费的情况，现有气化技术中气体净化较为困难，但在水泥生产系统中能够被充分利用。


技术实现要素：

5.为了解决现有水泥窑协同处置固废技术存在的处置固体废弃物的种类较为单一，水泥熟料的品质易受成分和温度波动影响以及废气、废渣难以合理利用的问题，本发明提出一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法及其装置和应用。增加固体废弃物处置规模及种类的同时，降低协同处置过程中固体废弃物因成分的差异性而引起水泥回转窑烟室温度波动的影响，稳定水泥熟料的煅烧温度，从而保障水泥熟料的产量及质量。第一段窑炉(气化炉)为有机固废预处理段窑炉，入窑前对固体废弃物进行配伍，固体废弃物的热值在第一段窑炉(气化炉)中以气态的形式释放出来，产生的气体进入第二段窑炉(分解炉)进行合理地利用与处置，代替部分煤粉燃烧，减少水泥生产过程能源的消耗，同时有机固废配伍后焚烧气化产生的灰渣具备类生料特性，成分组成与水泥原料组成具有很高的相似性，与其他无机固废或水泥原料配合后作为类生料进入第二段窑炉(回转窑)进行水泥的生产，增大水泥窑协同处置固废的规模的同时，不影响第二段回转窑内水泥的生产，两段式回转窑水泥生产固废处置联产方案能够实现固体废弃物焚烧后废气、废渣的合理化利用，实现固
体废弃物减量化、无害化、资源化利用的目标。
6.具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
7.本发明第一方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法，包括：
8.工序一：将无机固废通过水泥生料相同的路线进入回转窑
9.工序二：将有机固废经气化处理；
10.工序三：气化处理产生的气体进行热解，热解产生的气体用于预热和分解无机固废中的矿物；
11.工序四：气化处理产生的固态产物进行高温粉磨输送至回转窑，与预热分解后的无机固废或水泥原料配合作为类生料进行水泥熟料的生产。
12.本发明第二方面，提供一种实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置，包括：
13.无机固废储存仓和无机固废储存仓，所述无机固废储存仓、预热器、回转窑、篦冷机、熟料仓顺序连接，所述有机固废储存仓、气化炉、超音速高温气流磨、回转窑顺序连接，所述气化炉底部设有至少两个出口，第一出口与分解炉连接，第二出口与超音速高温气流磨连接，所述分解炉一端与回转窑连接，另一端与预热器底部连接。
14.本发明第三方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法制备得到水泥材料。
15.本发明第四方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法和/或实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置在处理固废原料或者生产水泥领域中的应用。
16.本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
17.1)将固废分为有机固废和无机固废，分别进行两种不同的处理途径，既能避免有机固废燃烧不完全对水泥熟料煅烧的影响，又能根据有机固废、无机固废各自的特点，实现原料配伍，提高水泥质量，对废气、废渣、热量进行再利用。
18.2)实验首次发现，相比于直接将有机固废输送至回转窑直接生产水泥的方法，将有机固废经双层气化炉气化处理后得到的固体产物灰渣焦油含量极低，具备类生料特性，灰渣主要成分为cao、sio2、fe2o3、al2o3，其成分组成与水泥原料组成具有很高的相似性，与其他无机固废或水泥原料配合作为类生料进行水泥熟料的生产，实现对焚烧废渣的资源化利用。
19.3)将第一段窑炉(气化炉)焚烧热解产生的气体(ch4、h2、h2o、co、co2、nh3、h2s、hcn、二噁英以及少量焦油等)，有机固废的热值以气态释放，并将能量储存在其中，经保温管道通入分解炉之中，分解炉的温度在880℃～1200℃之间，将气体通入分解炉靠近回转窑窑尾的下端，温度在1000℃以上的区段，高温环境能够将第一段窑炉焚烧后产生的气体中有毒有害物质进一步分解，气体中含有的少量焦油能够被充分氧化燃烧，形成二氧化碳与水，经过第一段配伍优化后的有机固废，由于形状和热值固定，气化后的气体同样具备稳定的热值，可以代替部分煤粉燃烧。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
21.图1为本发明实施例1所述实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置示意图；
22.其中：1、无机固废运输车，2、无机固废储存仓，3、配料计量室，4、原料磨，5、生料均化库，6、喂料计量室，7、预热器，8、分解炉，9、回转窑，10、篦冷机，11、熟料仓，12、有机固废运输车，13、粉碎机，14、有机固废预处理系统，15、有机固废储存仓，16、类生料配料计量室，17、造粒机，18、气化炉，19、超音速高温气流磨，20、余热锅炉，21、除尘器，22、烟囱。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.需要理解的是，术语“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.为了解决现有水泥窑协同处置固废技术存在的处置固体废弃物的种类较为单一，水泥熟料的品质易受成分和温度波动影响以及废气、废渣难以合理利用的问题，本发明提出一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法及其装置和应用。增加固体废弃物处置规模及种类的同时，降低协同处置过程中固体废弃物因成分的差异性而引起水泥回转窑烟室温度波动的影响，稳定水泥熟料的煅烧温度，从而保障水泥熟料的产量及质量。第一段窑炉(气化炉)为有机固废预处理段窑炉，入窑前对固体废弃物进行配伍，固体废弃物的热值在第一段窑炉(气化炉)中释放出来，产生的气体进入第二段窑炉(分解炉)进行合理地利用与处置，同时发现有机固废配伍后焚烧气化产生的灰渣具备类生料特性，成分组成与水泥原料组成具有很高的相似性，与其他无机固废或水泥原料配合后作为类生料进入第二段窑炉(回转窑)进行水泥的生产，增大水泥窑协同处置固废的规模的同时，不影响第二段回转窑内水泥的生产，两段式回转窑水泥生产固废处置联产方案能够实现固体废弃物焚烧后废气、废渣的合理化利用，实现固体废弃物减量化、无害化、资源化利用的目标。
27.具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：
28.本发明第一方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法，包括：
29.工序一：将无机固废通过水泥生料相同的路线进入回转窑；
30.工序二：将有机固废经气化处理；
31.工序三：气化处理产生的气体进行热解，热解产生的气体用于预热和分解无机固废中的矿物；
32.工序四：气化处理产生的固态产物进行高温粉磨输送至回转窑，与预热分解后的
无机固废或水泥原料配合作为类生料进行水泥的生产。
33.在本发明一些实施方式中，所述两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法包括至少两次配伍，具体包括有机固废根据热值、成分进行配比和气化后的固态成分与预热后的无机固废进行配比；
34.优选地，所述有机固废包括但不限于市政污泥、油泥、密度板、药渣、木屑、生物秸秆；
35.优选地，根据硅酸盐水泥及特种硫铝酸盐水泥熟料的三率值，调整固废配伍方案；
36.优选地，配比后的有机固废热值为3000～4000kcal，热气化后的固态产物具备类生料特性。
37.在本发明一些实施方式中，所述气化温度为900～1000℃；
38.优选地，所述气化处理产生的气体包括ch4、h2、h2o、co、co2、nh3、h2s、hcn、二噁英以及少量焦油中的至少一种；
39.优选地，气化后的固态成分为cao、sio2、fe2o3、al2o3中的至少一种；
40.优选地，所述热解温度为880℃～1200℃；
41.优选地，所述气化处理产生的固态产物经超音速高温气流磨输送至回转窑。
42.在本发明一些实施方式中，所述水泥生产产物经篦冷机输送；
43.优选地，所述超音速高温气流磨过程中，利用与篦冷机篦床上水泥熟料发生热交换的余风，进行超音速高温气流粉磨输送；
44.优选地，所述热解产生的气体用于预热和分解无机固废后还包括锅炉回用、除尘步骤。
45.具体过程为：
46.(1)将运送来的固体废弃物在破碎机、烘干机中进行破碎、烘干，测定固体废弃物的成分及热值，根据测定结果对固体废弃物进行分类，分为有机固废与无机固废，有机固废(如市政污泥、油泥、密度板、药渣、木屑、生物秸秆等)进入第一段窑炉(气化炉)，无机固废根据测定成分进行预处理及类生料的配伍进入第二段窑炉(分解炉和回转窑)，若固体废弃物中氯、硫、碱金属等对窑工况有较大影响的元素含量较高时，需要进行预处理进行脱除；
47.无机固废是经过分解炉的，在分解炉中实现矿物的分解，有机固废经过气化炉处理变为无机固废并实现其矿物的分解，无机固废不需要经过气化炉处理有机物，但需要在分解炉中进行部分矿物的分解。
48.无机固废预处理操作指：
49.部分无机固废含有高浓度的氯、硫、碱金属等化合物，需要经过水洗或者热处理等方式进行脱除，例如：垃圾焚烧飞灰含有高浓度的氯化物会引起水泥窑的腐蚀和堵塞且含有垃圾焚烧飞灰的混凝土存在抗压强度和耐久性下降的问题，可以通过水洗或者热处理的方式进行氯和碱金属等化合物的脱除。
50.有机固废预处理操作指：
51.部分有机固废含水量高，必须絮凝、压缩、干化进行预处理降低其含水量，例如：市政污泥可以采用铁盐絮凝压缩后进入超圆盘干化机中干化降低其含水量对于氯含量高的生活垃圾需要在分解炉上设置旁路除氯系统等；其他预处理包含在以下所述步骤中。
52.(2)测定预处理后固体废弃物的成分及热值，根据硅酸盐水泥或特种硫铝酸盐水
泥熟料的三率值，调整各类固废配伍方案，配伍后进入第一段窑炉的有机固废热值在3000～4000kcal，热解气化后的固态产物具备类生料特性，便于后续处理；
53.(3)将具备类生料特性潜质的有机固废混合料进行均化处理后储存在混合料均化库中，经喂料计量，投入第一段窑炉，第一段窑炉为固废预处理段窑炉(可以采用双层气化炉作为固废预处理段的窑炉)，采用双层气化炉，双层气化炉根据固废的下落过程，分为上下两层两段点火，处理固体废弃物的温度在900～1000℃之间，配伍后的各类固废在其中进行双层两段高温热解气化，固废中的有机物被充分热解气化，气化炉上安装旋转控制装置，通过转速来控制气化炉中有机固废的气化量以及类生料灰渣的入窑量，气化炉具有足够的高度，固体废弃物焚烧热解后产生的气体在窑内的滞留时间在2秒以上，能够实现各类固体废弃物稳定地热解气化，气化后固体灰渣焦油含量极低，具备类生料特性，并且能够抑制和减少二噁英等有毒有害物质的生成，气化炉采取双层护罩结构，能够减少热量的散失，同时能够将固废进入气化炉产生的粉尘、气味、噪音与外部环境隔绝，改善工作环境；
54.(4)将第一段回转窑焚烧热解产生的气体(ch4、h2、h2o、co、co2、nh3、h2s、hcn、二噁英以及少量焦油等)经保温管道通入第二段水泥生产段分解炉之中，分解炉的温度在880℃～1200℃之间，将气体通入分解炉靠近回转窑窑尾的下端，温度在1000℃以上的区段，高温环境能够将第一段窑炉焚烧后产生的气体中有毒有害物质进一步分解，气体中含有的少量焦油能够被充分氧化燃烧，形成二氧化碳与水，第一段配伍优化后的有机固废经过干燥、粉碎、压缩和造粒，成为均匀一致的球形颗粒，由于形状与热值固定，气化后的气体同样具备稳定的热值，可以代替部分煤粉燃烧，并且能够利用水泥窑生产线本身的气体处理装置(烧成系统和废气处理系统)，使燃烧之后的废气在较长的路径和良好的冷却和收尘设备中完成吸附、沉降和收尘，收集的粉尘经过输送系统返回原料制备系统可以重新利用，实现对焚烧气体后续的无害化处理，同时水泥生产线中的余热锅炉能够充分利用焚烧气体及可燃气体燃烧后的热量，从而实现对焚烧废气的合理利用；
55.(5)将第一段气化炉中产生的具备类生料特性的灰渣经保温材料包裹的船型灰斗收集后，利用与篦冷机篦床上水泥熟料发生热交换的余风，温度在950℃以上，进行超音速高温气流粉磨输送，多孔超音速喷嘴喷射的高速气流可以将类生料灰渣在粉磨箱中充分粉磨，高温空气能够使类生料灰渣保温在900℃以上，直接靶向投加至回转窑窑尾，作为水泥生产的原料在回转窑中参与水泥熟料的烧制，经过第一段窑炉处理后，灰渣中固定碳含量极低，有机物被充分汽化热解，在高温气流粉磨中，固定碳进一步燃尽，如市政污泥经过第一段窑炉气化热解后，固定碳含量低于0.01％，固废投加进入第一段窑炉前经过配伍优化，灰渣主要成分为cao、sio2、fe2o3、al2o3，其成分组成与水泥原料组成具有很高的相似性，与其他无机固废或水泥原料配合作为类生料进行水泥的生产，实现对焚烧废渣的资源化利用，同时在气化炉中有机物被热解气化，固废中氯元素、碱金属等有害元素被进一步控制脱除，实现固废进一步预处理，达成水泥生产与固体废弃物处置联产的目的。
56.本发明第二方面，提供一种实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置，包括：
57.无机固废储存仓和无机固废储存仓，所述无机固废储存仓、预热器、回转窑、篦冷机、熟料仓顺序连接，所述有机固废储存仓、气化炉、超音速高温气流磨、回转窑顺序连接，所述双层气化炉底部设有至少两个出口，第一出口与分解炉连接，第二出口与超音速高温
气流磨连接，所述分解炉一端与回转窑连接，另一端与预热器底部连接。
58.在本发明一些实施方式中，所述预热器与回转窑连接处，分解炉与回转窑连接处，超音速高温气流磨与回转窑连接处，三处位于回转窑的同一端。
59.在本发明一些实施方式中，所述装置还包括无机固废储存仓、配料计量、原料磨、生料均化库、喂料计量室，机固废运输车、无无机固废储存仓、配料计量、原料磨、生料均化库、喂料计量室和预热器顺序连接；
60.优选地，所述装置还包括有机固废运输车、粉碎机、有机固废预处理系统、类生料配料计量，有机固废运输车、粉碎机、有机固废预处理系统、有机固废储存仓、类生料配料计量、气化炉顺序连接；
61.优选地，所述装置还包括余热锅炉、除尘器、烟囱，预热器与余热锅炉、除尘器、烟囱顺序连接。
62.在本发明一些实施方式中，所述气化炉产生的气体沿气化炉、分解炉、预热器、余热锅炉、除尘器、烟囱顺序运动；
63.优选地，所述篦冷机与超音速高温气流磨之间设有管线，用于传输篦冷机产生的高温余风；
64.优选地，所述篦冷机与超音速高温气流磨连接处，气化炉与超音速高温气流磨连接处，两处位于超音速高温气流磨的同一端。
65.本发明第三方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法制备得到的水泥材料。
66.本发明第四方面，提供一种两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法和/或实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置在处理固废原料或者生产水泥领域中的应用。
67.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
68.实施例1
69.如图1所示，为本实施例公开的一种实现两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法的装置，无机固废储存仓15和无机固废储存仓2，无机固废运输车1、无机固废储存仓2、配料计量室3、原料磨4、生料均化库5、喂料计量室6和预热器7、回转窑9、篦冷机10、熟料仓11顺序连接，所述有机固废运输车12、粉碎机13、有机固废预处理系统14、有机固废储存仓15、类生料配料计量室16、粉碎机17，气化炉18、超音速高温气流磨18、回转窑9顺序连接，气化炉18为双层气化炉，所述气化炉18底部设有至少两个出口，第一出口与分解炉8连接，第二出口与超音速高温气流磨19连接，所述分解炉8底部与回转窑9连接，顶部与预热器7底部连接。
70.预热器6顶部与余热锅炉19、除尘器20、烟囱21顺序连接。
71.篦冷机9与超音速高温气流磨18之间设有管线，用于传输篦冷机产生的高温余风，篦冷机9与超音速高温气流磨18连接处，气化炉17与超音速高温气流磨18连接处，两处位于超音速高温气流磨18的同一端，高温余风用于输送双层气化炉17产生的固态类生料产物。
72.实施例2
73.使用实施例1所述装置进行两段式水泥窑多源固废耦合热解气化方法，包括：
74.以含油污泥、市政污泥为例，处理有机固废，含油污泥的热值为17.9mj/kg,市政污泥的热值为10.42mj/kg，含油污泥中含有大量的sio2，市政污泥经过铁盐絮凝，具备大量有益于水泥生产的铁元素，经过干燥和粉碎后，将两者以71.5：28.5的比例在造粒机中进行混合造粒，粒径在30mm～50mm，热值在3000kcal以上。
75.以垃圾焚烧飞灰、铝灰、脱硫石膏和电石渣作为无机固废，垃圾焚烧飞灰采用水洗进行预处理脱氯，将有机固废与无机固废进行硫铝酸盐水泥的生料配置，各类固废成分如表1所示：
76.表1：各类固废成分(单位：％)
[0077][0078]
将垃圾焚烧飞灰、气化粉磨后的污泥、脱硫石膏、铝灰、电石渣按质量比：13.74:18.16：29.21：20.22：18.68的比例进行配置，煅烧温度为1200-1250℃，其熟料三率值为：c＝0.92；p＝2.097；n＝1.425，3天净浆抗压强度在85mpa以上，每吨水泥熟料可节省30-40公斤标煤。
[0079]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。