用于改善回转窑中副燃料的燃烧的方法和设备以及用于使用燃烧器组件改装回转窑的方法

摘要

本发明涉及一种用于改善回转窑(1)中以第一流(7)供给的副燃料(10)的燃烧的方法和设备，其中回转窑(1)具有燃烧器组件(9)，该燃烧器组件包括主燃烧器(5)和用于各种介质的多个给送通道(16，17，18，19，20)，其中一个给送通道(19)被设计成用于特别是以压缩空气流中的颗粒或碎屑形式供给副燃料(10)。根据本发明，在燃烧器组件(9)的给送通道(20)中或给送通道上布置了用于富氧气体、特别是工业级气态氧(11)或富氧液体、特别是工业级液氧(11)的管状氧气喷枪(12)，该氧气喷枪在其端部具有倾斜喷嘴(14)，其中氧气喷枪(12)处于这样的位置，即从喷嘴(14)出来的氧(11)形成撞击副燃料的第一流(7)的第二流(8)。可对用于回转窑的燃烧器组件的新构造考虑本发明，但本发明主要用于改装已有的燃烧器组件——其中可如需地获得用于插入本发明的氧气喷枪的大部分给送通道。向副燃料定向输送气态氧或液氧或富氧气体或液化气可以显著改善燃烧过程，并因此显著减少排气排放，特别是一氧化碳的排放。

说明书

技术领域

本发明属于例如用于水泥制造的回转窑的领域。

背景技术

回转窑可以是特别大型的设施，通常窑或炉子的长度大于50m。

可以使用不同燃料来加热窑。

一般而言，回转窑具有用于诸如油、气和粉煤之类的主燃料的至少一个主燃烧器。可以提供添加其它燃料——即所谓的副燃料——的选择。作为副燃料，可以考虑许多材料，包括废塑料、纺织废料、旧轮胎等。这些副燃料通常作为小颗粒、碎屑或碎片通过压缩空气供给。通常，副燃料具有比主燃料低的热值。因此，它的完全燃烧通常需要另外的措施，特别是为了防止或减少污染物的排放。

回转窑的基本结构例如被记载在EP 0 866 295 A1中。该申请提出通过使用氧气喷枪供给液氧来改善燃烧。

同样，回转窑的基本结构例如被记载在EP 1 065 461 B1中。其中还提出了通过添加氧来改善副燃料的燃烧。

在US 6 318 278 B1中，描述的回转窑的构造同本发明。该文献还显示了在后内部燃烧区域中使用氧气喷枪，其中还考虑了保持与主燃烧器的方向成一定角度的供氧。

EP 0 726 437 A1涉及回转窑中的不同氧气喷枪，其中氧气喷枪之一被导入燃烧器组件的中心。然而，在此未涵盖副燃料的使用。

发明内容

本发明的目标是优选通过利用典型燃烧器组件的可行方案来改善回转窑中的副燃料的燃烧，特别是为了减少一氧化碳的排放而不由此使诸如氮氧化物之类的其它不期望的污染物的排放增加到规定极限之上。

为了实现该目标，采用根据权利要求13的方法和根据权利要求5的设备。可单独或相结合地使用的有利实施例在相应从属权利要求中公开。

根据本发明，改善供给到回转窑的副燃料的第一流的燃烧的方法——其中回转窑燃烧器组件优选具有圆柱形燃烧器组件，带有几何中心轴线、被设计成供给主燃料的主燃烧器组件和用于各种介质的多个给送通道，所述通道之一被设计成例如以压缩空气流中的颗粒或碎屑形式供给副燃料——的特征在于，用于富氧气体、特别是氧气或富氧液体、尤其是液氧的管状氧气喷枪具有配置在其给送端的倾斜喷嘴，并位于燃烧器组件的给送通道中或给送通道上，其中氧气喷枪定位成从喷嘴出来的氧形成朝向第一流并冲击或撞击第一流的第二流。

氧气喷枪优选地安装或定位在燃烧器组件的所述给送通道中(即，内部)。对于这种实施例，氧气喷枪还可从燃烧器的后端(即，从远离炉子内部的冷侧)接近。

然而，还可以将所述氧气喷枪安装在所述通道上，即通道的位于燃烧器热侧(即朝炉子内部)的末端上。在后一种情况下，氧气喷枪可以特别短，或甚至可以基本由这种倾斜喷嘴组成。

所使用的氧气具有技术上可行的纯度和浓度。同样，液氧也可具有工业上可行的纯度。

在本文中：

·“富氧气体”指的是氧(O2)含量介于50％与100％体积含量之间、优选介于80％与100％体积含量之间的气体；

·“氧气”指的是氧(O2)含量介于90％与100％体积含量之间、优选介于95％与100％体积含量之间且更优选介于99％与100％体积含量之间、优选介于80％与100％体积含量之间的气体；

·“富氧液体”指的是氧(O2)含量介于50％与100％体积含量之间的液体；

·“液氧”指的是氧(O2)含量介于90％与100％体积含量之间、优选介于95％与100％体积含量之间且更优选地介于99％与100％体积含量之间的液体；

·两股流体流在流的取向为这样时被说成是彼此冲击或撞击，即它们成一定角度朝向彼此定向成使得两股流在它们各自的喷射位置下游的一位置处交汇；

·“弯曲喷嘴”与“倾斜喷嘴”同义且指的是这样的喷嘴：其在枪的给送端定位成沿一喷射方向(该喷射方向与位于喷嘴上游的枪的轴向、也就是与几何中心轴线形成非零角度)引导流体流。

燃烧器组件通常在回转窑的一个纵向端如此地定位：通常使得燃烧器组件的几何中心轴线与回转窑的纵向轴线重合。燃烧气体通常在与燃烧器组件相对的纵向端处从窑排出。

一般而言，副燃料在主燃烧器上方或在主燃烧器的上部区域中供给到回转窑，使得副燃料通过主燃烧器的主燃料火焰的上升热点燃并利用周围的氧燃烧。

实验表明，在副燃料的点燃之前或期间已经专门地向副燃料的第一流供氧可以显著改善其燃烧。如果氧或富氧流体的第二流遭遇或冲击副燃料的第一流，则在副燃料的随后燃烧中产生比在这两股流之间没有这种冲击的情况下少得多的一氧化碳。

对于本发明，由氧气喷枪供给的氧或富氧流体可以比对于回转窑中的非定向氧给送有效得多地使用。

应当指出的是，用于大型回转窑的典型燃烧器组件自身可具有约10m的长度。因此不存在将氧气喷枪布置成倾斜于主流动方向(其通常与燃烧器组件的几何中心轴线重合)倾斜或倾斜于副燃料(第一流)的流动方向延伸而不对设施或组件作出显著改变的实用方式。

根据本发明，氧气喷枪经给送通道导入之中，典型的燃烧器组件会具有若干给送通道，但在窑的给定操作状态下不使用给送通道。这种给送通道例如可平行于燃烧器组件的几何轴线。位于氧气喷枪的给送端的弯曲或倾斜喷嘴沿期望方向引导(氧或富氧流体的)第二流。

当使用副燃料时，主燃烧器继续使用主燃料工作，其中主燃料的所述燃烧在回转窑的进一步操作中支持或促进副燃料的完全燃烧。

一般而言，为了实现本发明的目标，以氧气喷枪及其倾斜喷嘴相对于用于副燃料的给送通道的正确旋转角度将氧气喷枪插入可用的给送通道中(或将氧气喷枪安装在所述给送通道上)、实现第二流相对于第一流的正确取向并由此实现第二流与第一流之间的冲击即可。

特别地，在几何上困难的状态下以及对于回转窑中可能的旋流，仍然有用的是测量排气中非期望成分、特别是一氧化碳的量，并通过精确调整的方式来旋转氧气喷枪和/或修改氧的供应以实现所述非期望成分的最低排放或至少对于排气中的全部各种非期望成分而言可接受的值。实际上，许多国家对此类排放规定了最大值。这允许即使对于窑内的复杂流动状态也可以实现特别清洁的燃烧。这种精确调整在氧气喷枪安装在给送通道内部时最容易实现。

该方法优选配置成使得：第二流在离燃烧器组件一距离处冲击或撞击第一流，该距离对应于低于窑内部长度的10％、优选低于窑内部长度的4％。

例如，在如上所述的大型设施的情况下，该方法优选配置成使得：第二流在离开燃烧器之后在不足5m内、优选在不足2m内撞击第一流。这样，使得来自氧气喷枪的氧不会主要用来升高在回转窑中更下游发生的主燃料燃烧期间的温度(这会引起一氧化氮的产量增加)，而是主要用来促进副燃料的燃烧。

由氧气喷枪供给的氧还可以用来实现轻微的超化学计量比，即氧相对于炉子中的燃料的过剩，以实现沿回转窑长度所有燃料(主燃料和副燃料)的可能的最完全的燃烧。

还公开了用于改善作为第一流供给到回转窑的副燃料的燃烧的根据本发明的装置。该回转窑具有燃烧器组件，该燃烧器组件包括用于主燃料的主燃烧器和用于各种介质的多个给送通道，所述给送通道之一——称为副燃料通道——是用于例如以压缩空气流中的颗粒或碎屑供给副燃料的第一流的给送通道。该装置或设备的特征在于，用于富氧气体、特别是氧气或用于富氧液体、尤其是液氧的管状氧气喷枪位于另一个所述给送通道——称为氧通道——中。所述氧气喷枪具有布置在其给送端的弯曲或倾斜喷嘴。从喷嘴出来的富氧气体或液体形成第二流。氧气喷枪的倾斜喷嘴定位成使得：在回转窑工作期间，所述富氧气体或液体的第二流冲击由副燃料通道供给的副燃料的第一流。氧气喷枪的倾斜喷嘴因此精确地定位成使得它朝用于副燃料的第一给送通道转向。

为了有利于喷嘴沿正确位置的取向，氧气喷枪优选具有用于指示倾斜喷嘴在回转窑内部的方向/取向的装置(角位置指示器)。氧气喷枪优选具有当枪位于氧通道中时在燃烧器组件的后部或后端突出的角位置指示器。这例如可以是位于氧气喷枪外侧并与倾斜喷嘴对齐的标记或方向箭头。如果该标记指向用于副燃料的副燃料通道的入口，则回转窑内部的喷嘴也指向正确的方向(即副燃料通道的给送端)。

根据本发明，倾斜喷嘴与枪的轴向形成在从5°至45°、优选从5°至30°、更优选从5°至25°并且最优选从10°至20°的范围内的角度。

这样，可以实现富氧流体的第二流在离开燃烧器组件之后的较短距离内撞击副燃料的第一流。当与富氧液体一起使用时，喷嘴的设计可以影响第二流的性质。特别地，喷嘴可以设计成实现第二流中的富氧液体的一定程度的雾化。

已通过实验发现，特别是当通过使用适当的喷嘴而使得氧流在回转窑内具有足够长的行程时，可以利用氧气喷枪上的非倾斜喷嘴、也就是通过氧的轴向喷射来实现一定程度的燃烧改善。由此，可以在氧气喷枪的端部设置具备该功能的非倾斜或倾斜较少的辅助喷嘴作为第二喷嘴。

经氧气喷枪供给的氧(O2)的比例较小。通常，进入回转窑的氧(O2)的3％至10％、优选4％至6％经氧气喷枪供给。这使得氧气喷枪能够具有比它布置在其中的给送通道的内径小的外径。优选地，氧气喷枪的外径比氧通道的内径小至少20％。

典型的燃烧器组件包括用于不同燃料或其它目的的若干不同的给送通道。它们之一于是可被适当地选择作为用于氧气喷枪的氧通道。直径差确保了当即使在存在污垢的情况下插入、转动或移除氧气喷枪时也不会存在问题。

优选地，氧气喷枪布置成可在给送通道中旋转和滑动，使得它的位置由它自身重量(即重力)决定并由此被充分固定。氧气喷枪的重量将确保它在氧通道中始终位于底部，并且摩擦足够大以防止所述枪在氧通道内的任何意外的、非期望的旋转或移位。

由于氧气喷枪根据需要和尺寸必须在较高压力下被供给氧，所以有利的是设置用于连接两个柔性管的两个入口连接件，例如法兰，以便保持从富氧流体供给储器到氧气喷枪的所述管子中的压降为低。

在本发明的优选实施例中，氧气喷枪及其喷嘴如此地设计尺寸并与液态或气态富氧流体的供给源连接：使得从倾斜喷嘴射出的第二流在与第一流汇合/冲击时具有与副燃料的第一流的直径相同或比它小的直径。这样，避免了第二流的富氧流体的很大一部分经副燃料(的第一流)流到回转窑的上部区域，在该区域中所述富氧流体对改善燃烧的贡献小。

如果如上所述在氧气喷枪中设置了辅助喷嘴，则所述辅助喷嘴被设计成使得从它射出的氧在回转窑内具有尽可能大的行程。这优选可以利用拉瓦尔式辅助喷嘴来实现。

由于对于本发明而言应当优选利用燃烧器组件的可用特征，所以不能总是假设氧通道和副燃料通道可分别获得对称位置(关于燃烧器组件的几何中心轴线)。事实上，甚至在连接分别用于副燃料和氧气喷枪的两个给送通道的(假想)几何直线不与燃烧器组件的几何中心轴线相交的情况下也可以是有利的。当氧气喷枪倾斜地布置在第一流下方时，第二流不会从竖直正下方撞击第一流，而是稍微从侧面(即从下方，但与穿过副燃料第一流的竖直平面成一定角度)撞击第一流。这甚至可带来期望的涡旋效应、以及随后副燃料与通过主燃料燃烧产生的主火焰的改善的混合。借助于这种布置，还实现了富氧流体流在其移行路径中不会主要与主燃料反应、并且不会被用于主燃料的燃烧空气强烈地转向。

在任何情况下，有利的是第一流在竖直方向上比第二流高地进入回转窑，并且第二流从下方竖直地或倾斜地撞击第一流。

附图说明

在下文中，将参考附图中的若干实施例详细说明本发明。示出了：

图1是回转窑纵向截面的示意图，

图2是根据本发明的燃烧器组件的示意性截面图，

图3是穿过根据本发明的氧气喷枪的中间部分的示意性纵向截面，

图4是根据本发明的氧气喷枪的示意性侧视图，

图5是本发明的工作原理的示意性透视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于制造水泥2的典型回转窑1，该水泥呈粉末形式从回转窑1通过。在回转窑1的下端，布置了优选呈大致圆柱形的燃烧器组件3。所述燃烧器组件3包括被给送以主燃料的主燃烧器5。在回转窑1工作期间，主燃料的燃烧形成主火焰6，所述燃烧产生窑中的大部分热(即，热的50％以上，优选60％以上)。然而，特别是鉴于使用替代燃料(诸如生物物质)的增加的压力，还可以将窑操作成使得主燃料的燃烧提供窑中的全部热的50％以下，优选30％以下或甚至25％以下。必须指出的是，尽管通常使用普通类型的燃料如煤或油作为主燃料，但也可单独地或与普通类型燃料混合地使用称为替代燃料的其它类型的燃料作为主燃料。燃烧器组件3还包括用于也称为毛团(fluff)的副燃料10的至少一个给送通道19，所述副燃料通常借助于输送流体流如空气流以小块供给。在回转窑1中，该副燃料10作为第一流7喷射。在根据本发明的燃烧器组件3中，氧气喷枪12还布置成用于在窑工作期间喷射第二富氧流8。由于平行于用于副燃料的给送通道19延伸的氧气喷枪12在其给送端具有弯曲喷嘴14，第一流7和第二流8在接合部9交汇。由此实现了第二流与氧气喷枪12的几何中心轴线27成角度α地离开、并还与燃烧器组件3的几何中心轴线4成角度α地离开。即，通过主燃料和副燃料的燃烧产生的燃烧气体从回转窑1排出到排气罩24——该排气罩24配备有用于测量燃烧气体中的特定成分、尤其是污染物的排放水平的分析仪25。

图2示出了穿过燃烧器组件3的截面。燃烧器组件3包括位于不同区域中的独立的给送隧道、通路或通道。一些所述给送隧道与燃烧器组件3的几何中心轴线4同心，其它则偏心。整个燃烧器组件3具有围绕作为环形空间形成的给送通道16的外隔热层26。这例如可以用于主空气的供给。更内部是另一个给送通道，其例如可以用于供给作为主燃料的粉煤。更内部为另一个给送通道，其同样可以例如用于从中央供给的空气。在图示的实施例中，在后一附加给送通道18内存在用于供给副燃料10的至少一个给送通道19、在此不进一步说明用途的又两个给送通道18、以及用于氧气喷枪12的给送通道20。该用于氧气喷枪12的给送通道20具有比氧气喷枪12的外径大、特别是至少大20％的内径D，可选地包括氧气喷枪12的任意的隔热层。在图2的实施例中，用于副燃料的给送通道19成一定角度地位于用于氧气喷枪12的给送通道20的上方。

图3示出了示意性纵向剖面，另外清晰示出了具有可以可选地设置的倾斜喷嘴14和补充喷嘴15的氧气喷枪12的端部。氧气喷枪12具有外径d和几何中心轴线27。在工作期间，倾斜喷嘴14与氧气喷枪12的几何中心轴线27成角度α喷射富氧的第二流8。所述第二流8在交叉区域9中撞击副燃料的第一流7。该交叉区域9具有在5m以下、优选在2m以下的离氧气喷枪12的给送端的距离E。实现这一点是由于倾斜喷嘴14的角度α介于5°与45°之间，优选介于5°与30°之间，更优选介于5°与25°之间，并且最优选介于10°与20°之间。

图4示出了整个氧气喷枪12的示意性纵向截面及其与氧罐21的连接管路。在其后部区域，氧气喷枪12具有角位置指示器13，操作人员可以基于该角位置指示器来识别安装好的枪12的倾斜喷嘴14在回转窑1内部的方向。氧气喷枪12优选具有用于连接管状供氧管路22(所述管状供氧管路22可以仅以很小的压力损失供给来自氧罐21的液态或气态富氧流11)的两个入口法兰23。应当指出的是，富氧流的化学纯度对于该过程而言并非至关重要的，因此所述富氧流可以是氧或氧增浓气体或液体，其中氧体积含量例如在50％以上，优选在80％以上。

图5进一步示出了燃烧器组件3的出口处的空间布置。可以看到，来自给送通道19的副燃料的第一流7在交叉区域9中被富氧流体的第二流8从下方倾斜并侧向地撞击。第二流8的倾斜排出由氧气喷枪12上的倾斜喷嘴14实现，其中倾斜喷嘴14的具体方向还可以借助于角位置指示器13从燃烧器组件1的外部看到。燃烧器组件3的其它给送通道18对该过程的影响很小。

可对用于回转窑的燃烧器组件的新构造考虑本发明，但本发明对于改装其中可按需获得给送通道以用于插入本发明中的氧气喷枪的已有燃烧器组件而言特别有用。向副燃料有目标地输送气态氧或液氧或氧增浓气体或液化气可以显著改善燃烧过程并因此显著减少排气排放，特别是一氧化碳的排放。

附图标记列表

1   回转窑

2   水泥

3   燃烧器组件

4   燃烧器组件的几何中心轴线

5   主燃烧器

6   主火焰(来自主燃料的燃烧)

7   (副燃料的)第一流

8   (富氧流体的)第二流

9   第一流和第二流的交叉区域

10  副燃料

11  氧增浓流体

12  氧气喷枪

13  角位置指示器

14  倾斜喷嘴

15  辅助喷嘴

16  第一给送通道

17  第二给送通道

18  其它给送通道

19  用于副燃料的给送通道

20  用于氧气喷枪的给送通道

21  氧罐

22  氧管路

23  入口法兰

24  排气罩

25  分析仪

26  隔热层

27  氧气喷枪的几何中心轴线

α  喷嘴角度

D   用于氧气喷枪的给送通道的直径

d   氧气喷枪的直径

E   交叉区域与燃烧器组件之间的距离