[发明专利]“一炉两用”同时出热和生产水泥熟料的方法、产品、设备及应用

说明书

本发明涉及煤粉锅炉“一炉两用”同时生产热力和生产水泥熟料的方法，涉及为实施该方法而设计的设备，涉及由该方法生产的水泥熟料，还涉及这种水泥熟料的应用；本发明还进一步涉及煤粉在热力锅炉中燃烧时炉内直接改性粉煤灰的方法，涉及由这种方法生产的改性粉煤灰，涉及这种改性粉煤灰作为水泥熟料的应用，涉及煤粉锅炉在生产改性粉煤灰中的应用，还涉及生产这种改性粉煤灰的设备；本发明更进一步涉及一种脱除煤粉锅炉烟气中SO₂的脱硫方法。

水泥是建筑工业的三大基本材料之一，用途广，用量大。最常用的为硅酸盐系列水泥，其国家标准见GB 175-92。

水泥熟料生产的主要原料为石灰石、粘土和铁粉；所用燃料主要为煤。水泥熟料中的活性成分是以硅酸钙为主的矿物组成，它们通常在1450℃的温度下即可生成，加矿化剂后在1300℃左右就可以形成。水泥生产的主要环节，无论哪一种方法和窑型，均可概括为“两磨一烧”，即生料配制与粉磨、熟料锻烧和水泥粉磨三个基本过程。图1是一个较先进的窑外预分解干法回转窑工艺流程示意图，其中最关键的设备是熟料锻烧回转窑。在熟料锻烧过程中，燃料和生料分别入窑，煤粉通过窑头的一个火嘴喷入回转窑内，在中心线的位置形成一支毛笔头似的火焰，其高温火焰达1600～1700℃，通过对流和幅射传热给随窑转动而呈堆积前进的物料，物料在回转窑中的填充率为12-14％左右。这样的传热方式有两个主要问题：一是传热效率低，一般只有22％左右，这导致即使是先进的窑外预分解干法回转窑工艺的总热效率也才达到约50％；第二是由于物料呈堆积状态，传热不均匀，导致从生料入窑到烧成熟料并冷却这一过程需花较长时间，一般约需1.5小时，窑外分解窑也要40分钟至1个小时，这一现象可用“慢烧慢冷”四个字概括；此外，也容易出现熟料过烧现象。锻烧温度很高、锻烧不均匀和过烧现象的存在，使得矿物活性较低，最终将影响水泥熟料的性能。除了上述的由于热效率不高导致能耗大、传热不均匀以致影响产品质量等缺陷外，水泥生产还带来其它问题如消耗大量矿山资源、占用土地、大量的物资运输耗费、导致环境如土地、水源、大气等方面的污染。

煤粉锅炉是广泛使用的生产热力的设备，它产生的高温高压蒸汽例如可用于发电或用作其它动力。其主要流程和设备见图2。从图2可以看出，煤粉锅炉主要由以下几个子系统构成：原煤配料系统(包括1，2，3)、煤粉磨制系统(包括4，5和6)、供煤粉和燃烧出热系统(包括7，8，9，10)和副产物处理系统(包括11，12，13)。其中的关键设备是煤粉锅炉(9)。煤粉经喷嘴喷入炉膛内，呈高度分散的悬浮状态，在炉膛燃烧区与1300-1600℃的高温气流相遇后，急剧升温并燃烧放热；煤粉燃烧放热而在锅炉中产生的高温高压蒸汽可直接用于推动涡轮透平和其它动力、热工设备如发电设备。煤粉或其灰质在炉膛高温区的停留时间一般平均约为2-6秒、最高可达8秒，形成的粉煤灰随烟气流离开炉膛，进入含尘烟气输送通道，在其中与锅炉供水、供风进行间接对流传热，均匀而迅速地冷却，离开炉膛时废气温度为约1200℃，经迅速冷却然后进入电除尘器(11)并被收集下来。煤粉在锅炉中快速燃烧放热、生成的粉煤灰迅速冷却的这一过程特征可概括为“速烧速冷”；收集的粉煤灰通常用水力输送到专门修建的堆灰池(13)中堆置，或用气力输送到诸库中储存；大量的粉煤灰除掉后，仍含少量粉煤灰灰尘和较大量SO₂的废气排入大气中。

这种煤粉锅炉的传热面积大，传热系数和传热效率都较高，故其热效率可达到90％或更高。但这种煤粉锅炉的运行带来两个较严重的问题，一是副产的大量粉煤灰将产生较严重的污染问题，例如一个85万kw/年规模的热力电厂每年要花费2000多万元人民币、并占用土地用于修建或扩建堆灰池，输送粉煤灰要耗费水及其动力，堆灰池中的粉煤灰随风飞扬和随雨水漏失将污染环境；第二是从烟囱中排出的废气中带有较大量的SO₂和少量粉尘，这也将造成大气污染。