專利名稱：一種替代燃料、同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種替代燃料、在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法，涉及可由該方法生產的水泥熟料、涉及實施該方法而設計的設備、涉及該設備的應用、還涉及由這種水泥熟料制得的水泥。
背景技術：
高溫鍋爐是常見的熱力供應設備，燃料在爐膛中燃燒，使其高溫區(qū)的溫度至少為900℃，蒸發(fā)出的高溫高壓蒸汽供應給熱力用戶如熱力電廠供發(fā)電用。高溫鍋爐通常包括燃煤、燃油和燃氣高溫鍋爐較常見；而在煤較易獲得的地方則常采用燃煤高溫鍋爐。由于火力發(fā)電目前仍然是電力生產的一個主要方式，還由于這些高溫鍋爐的高壓蒸汽生產能力大，傳熱系數和熱效率都較高，例如對煤粉爐而言，熱效率可達到90％或更高，故這三類高溫鍋爐得到廣泛采用。
這三類高溫鍋爐的結構基本相同，但隨燃料的不同，對燃料的處理、運輸方式及對燃燒后燒余物的處置方式有些不同，因此設備的配置有些區(qū)別。舉例而言，煤粉鍋爐使用最早、且仍是最常見的高溫鍋爐，其主要流程和設備見圖1。從圖1中可以看出，煤粉爐主要由以下幾個子系統(tǒng)組成原煤配料系統(tǒng)(包括1、2、3)、煤粉磨制系統(tǒng)(包括4、5、6)、煤粉供應和燃燒出熱系統(tǒng)(包括7、8、9、10)和副產物處理系統(tǒng)(包括11、12、13)。其中的關鍵設備是煤粉鍋爐(9)。煤粉經噴咀噴入爐膛內，呈高度分散的懸浮湍動狀態(tài)，在爐膛燃燒區(qū)與900-1700℃的高溫氣流相遇后，急劇升溫并燃燒放熱；煤粉燃燒而使鍋爐中產生的高溫高壓蒸汽可直接用于推動渦輪機或其它動力、熱工設備如發(fā)電設備。煤粉在爐膛高溫區(qū)內的平均停留時間一般為2-10秒，形成的粉煤灰隨煙氣流離開爐膛。離開爐膛時煙氣的溫度約為1000-1200℃，進入含塵煙氣輸送通道，在其中與供汽、鍋爐供水、供風等設施進行間接換熱，在1-5秒內均勻而迅速地冷卻至200℃以下，然后進入電除塵器(11)，粉煤灰即被收集下來。另處，沉落于爐膛底部的爐渣經水淬急冷后由扒渣機卸出。煤粉在鍋爐中快速燃燒放熱、生成的煙氣和粉煤灰渣迅速冷卻；收集的粉煤灰通常用水力輸送到專門修建的堆灰池(13)中堆置，或用氣力輸送到儲庫中儲存；大量的粉煤灰除掉后，仍含少量粉煤灰灰塵和一定量SO2的廢氣排入大氣中。與傳統(tǒng)水泥窯爐相比，其它燃煤高溫鍋爐也具有相似的熱工條件。
燃煤的旋風爐的基本構造和操作流程與煤粉爐的基本相同，只是煤粉不是如在煤粉爐中那樣在爐膛中呈懸浮湍動狀態(tài)，而是受風力引導而沿爐壁作螺旋前行運動，其在爐中900-1700℃的高溫區(qū)中的平均停留時間一般為約3-15秒鐘。
流化床爐與煤粉爐的不同之處主要在于，在爐膛中流態(tài)化懸浮燃燒的不是煤粉，而是有一定顆粒尺寸如直徑為0.6-1.2cm的煤顆粒，它們逐層燃燒、剝灰直至燃燒完全，顆粒在爐膛高溫區(qū)中的平均停留時間為15-30分鐘。
鏈條爐則是使用較大尺寸的煤塊，用鏈條傳送帶水平傳送到并緩慢通過爐膛燃燒區(qū)，在其中鼓風燃燒，燒余的煤灰隨鏈條傳送帶帶出爐膛并作后處置。煤塊在爐膛高溫區(qū)的平均停留時間一般為2-5分鐘。
對于燃油和燃氣鍋爐而言，其結構和流程就相對較為簡單，因為其中不再需要煤的粉磨和/或預制及輸送裝置。燃料油或燃料氣從庫中取出，經計量后可直接泵壓，經噴咀噴入爐中燃燒，也不再需要灰渣收集和后處置系統(tǒng)。
這一類高溫鍋爐具有共同的特點是，其爐膛高溫區(qū)的溫度高、高溫區(qū)域較大且均勻；同時，燃料從進入到離開高溫區(qū)的停留時間較短，在爐膛中的分散度較高且均勻燃燒(鏈條爐除外)。這些特點能為煅燒水泥熟料提供極為有利的熱工條件。
另一方面，水泥是建筑工業(yè)的三大基本材料之一。最常用的為硅酸鹽系列水泥。其國家標準見GB175-1999。
按常規(guī)方法，常規(guī)水泥熟料生產的主要原料為石灰石、粘土和鐵粉，鍛燒所用的燃料主要為煤。常規(guī)水泥熟料中的礦物組成主要是硅酸鈣，其中的硅酸二鈣(以下簡稱C2S相應地，硅酸三鈣則表示為C3S)礦物組成通常在大于1100℃的溫度下就開始生成，生料中加入礦化劑后其生成溫度還可降低。水泥生產的主要環(huán)節(jié)，無論哪一種方法和窯型，均可概括為“兩磨一燒”，即生料的配制和粉磨、熟料鍛燒、和水泥粉磨三個基本過程。圖2是一個較先進的窯外預分解干法回轉窯工藝流程示意圖，其中最關鍵的設備是鍛燒熟料的回轉窯。在熟料鍛燒過程中，燃料和生料分別入窯，煤粉通過窯頭的一個火嘴噴入回轉窯內，在中心線的位置形成一支毛筆頭似的火焰，其高溫火焰可達1600-1700℃；主要通過對流和幅射方式傳熱給隨窯轉動而呈堆積前進的物料，物料在回轉窯中的填充率為12-14％左右。這樣的傳熱方式有兩個主要的問題一是熱效率低，一般只22％左右，即使是先進的窯外預分解干法回轉窯工藝，其總效率也才達到約50％，這造成燃料熱值的較大浪費；第二是物料呈堆積狀態(tài)，受熱不均勻，導致從生料入窯到燒成熟料并冷卻下來這一過程需花較長時間，一般約需1.5-2小時，窯外預分解窯也要40分鐘至1個小時，這體現了“慢燒”特征；這也容易導致熟料過燒。煅燒溫度很高、鍛燒不均勻和過燒現象的存在，使得礦物活性受到不利影響，最終降低常規(guī)水泥熟料的質量。這都是由于在傳統(tǒng)窯型中，物料與窯中的熱工條件配合不夠好，物料的傳熱和傳質或是不足或是過度造成的。除了上述缺陷外，常規(guī)水泥生產還帶來其它問題，如占用土地、燃料、原料和產品的往返運輸耗費，導致環(huán)境如土地、水源、大氣等方面的污染。
能否利用高溫鍋爐中的有利條件來煅燒水泥熟料？中國專利申請96111664.1(申請日1996年8月14日)對此進行了有益的探索。其中考慮到煤中灰質所含的化學成分及相互比例與常規(guī)硅酸鹽水泥熟料的化學成分及其相互比較為接近、但鈣質成分太少這一特點，通過向煤中摻入一種以CaO為主要成分的摻燒劑，來補充煤灰質中缺少的鈣質，以使燒余物中的化學元素組成盡量接近常規(guī)硅酸鹽水泥熟料的化學成分，并利用煤粉爐中煤粉燃燒過程中的“速燒速冷”特性和爐膛中有利的熱工條件，使摻入了摻燒劑的煤在爐中燃燒的同時，使煤灰質和摻燒劑成分之間發(fā)生固相礦化反應，在生產高壓蒸汽的同時，得到具有一定水硬膠凝活性的灰渣，同時，燃煤中含有的硫也不再主要以SO2形式隨煙道氣排到大氣中，而是被固結到水泥熟料中，脫硫率大大提高。
但是，該方法有三個明顯的不足；第一，它只限于在煤粉爐中實施，因為其發(fā)明構思中的一個重要方面是利用煤灰質，它只限于在燃煤高溫鍋爐中實施，不能在燃油、燃氣高溫鍋爐中實施；第二、為了在煤粉爐這樣的燃煤鍋爐中利用煤灰質，它雖然向煤中配入了一種主要含CaO的摻燒劑，使燒余物的元素化學組成盡量接近硅酸鹽水泥的元素化學組成，以圖在燃燒中這些元素之間能發(fā)生礦化反應，生成硅酸鹽礦化物質，但在實際入爐燃燒過程中礦化反應程度并不高，主要表現在游離鈣過高，硅質和鈣質材料的較大部分仍處于分離的狀態(tài)，礦化反應并不充分，灰渣的水硬膠凝活性不如所預期的那樣好；第三，由于在爐膛中并未充分發(fā)生礦化反應，故礦化反應熱也并未充分釋放出來，未觀察到生成C2S的礦化反應能放出大量的固相礦化反應熱這一事實，故入爐燃燒的物料不可能以水泥生料物質為主。這三方面的原因限制了中國專利申請96111664.1中公開的技術的可應用范圍。
通過長期的研究和對大型燃煤高溫鍋爐的實際運行狀況的觀察分析，發(fā)現按中國專利申請96111664.1號公開的技術之所以并未觀察到大量的礦化反應放熱，是因為相對含量較小的煤灰質是與煤中的碳混在一起，整體上看被碳成分包裹，它與外加的CaO之間隔了一層碳層，硅質與CaO之間不容易發(fā)生直接的接觸。只有在碳層燃燒成CO2后才使煤灰質與CaO有較多的直接接觸的可能，才有發(fā)生礦化反應的機會，但等碳層燒完，CaO與煤灰質可以發(fā)生直接接觸和反應時，煤粉在爐膛高溫區(qū)的平均停留時間已差不多用完了，煤灰質要開始離開高溫區(qū)而被冷卻了，因而不具備充分的、使CaO與煤灰質發(fā)生進一步固相礦化反應的高溫條件；另外，生成的CaO要逃逸離開煤粉顆粒，這種逃逸作用也有妨礙CaO與煤灰質發(fā)生接觸的效果。總而言之，外加的CaO與煤中含有的灰質成分難以發(fā)生直接的接觸、不能充分利用高溫條件發(fā)生生成C2S的礦化反應，這就能合理地解釋為什么按96111664.1號專利技術實施時，燒余物中游離鈣含量高，灰渣的水硬膠凝活性并不理想，以及并未觀察到大量的礦化反應放熱這幾種現象。
基于以上認識，本發(fā)明人認為，必須改變利用煤灰質作為水泥生料的一部分的發(fā)明構思。對燃煤高溫鍋爐而言，必須撇開煤灰質，向煤中直接加入已配好的、以生成C2S為目的的水泥生料，以便使水泥生料中的各成分在入爐前就已有了密切的接觸，在經與煤共同粉磨均勻后，直接進入或經造粒后進入高溫區(qū)，有足夠的接觸機會和接觸時間，因而可能發(fā)生主要生成C2S的固相礦化反應；并放出大量的礦化反應熱。對于燃油和燃氣高溫鍋爐而言，沒有與煤粉磨的問題，只須將水泥生料粉磨均勻，與油、氣燃料共同入爐燃燒即可發(fā)生大量的固相礦化反應，放出大量的反應熱能。這時，在爐中煅燒水泥熟料就不再是如96111664.1號申請公開的方法那樣僅是燃煤生產高壓蒸汽的一個副產品，也不僅限于只在煤粉爐中才能進行，而是所有高溫鍋爐能同時實現的兩個主要目的之一。本發(fā)明人還發(fā)現，按本發(fā)明的入爐物料只要在爐中高溫區(qū)溫度達到900℃以上、優(yōu)選1100℃以上后，即可開始被引發(fā)燃燒和發(fā)生固相礦化反應，釋放出大量的熱量。在此基礎上，本發(fā)明人提出了一種新方法，從而完成了發(fā)明。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一種替代燃料、在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法，其中的高溫鍋爐是指其爐膛的高溫區(qū)至少為900℃、優(yōu)選1100℃的燃煤、燃油和燃氣鍋爐。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一套適合于實施本發(fā)明方法的設備，其主要部分是所說的高溫鍋爐。
本發(fā)明的又另一個目的是，提供按本發(fā)明的方法可制得的水泥熟料，及任選配入水泥輔料后制得的水泥產品。
本發(fā)明的再另一個目的是，提供現有高溫鍋爐在生產按本發(fā)明的水泥熟料中和/或在制造按本發(fā)明的設備中的應用。
本發(fā)明的更進一步的目的是，提供一種大量降低從高溫燃煤鍋爐排放的煙氣中SO2含量的方法。
按本發(fā)明的一個方面，提供了一種替代燃料、在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法，其中將燃料送入鍋爐爐膛中燃燒，使其高溫區(qū)中的溫度至少達900℃、優(yōu)選至少達1100℃，產生的高溫高壓蒸汽輸送給熱力用戶，其特征在于，向燃料中摻入一種主要包含CaO、鋁質成分、鐵質成分和硅質成分的水泥生料，水泥生料中的元素組成和相互比例要使其經鍛燒后盡量接近以C2S為主要固相成分的水泥熟料的元素組成和相互比例，其中所說水泥生料摻燒量是燃料總重量的0.25-4倍，更優(yōu)選為0.6-2倍；水泥生料要粉磨至通過0.080mm篩的篩余小于15％、優(yōu)選小于10％、更優(yōu)選小于6％的粒度；將水泥生料粉末與燃料密切混合并送入爐膛中燃燒，在高溫區(qū)中的平均停留時間為2秒至30分鐘，優(yōu)選4秒至10分鐘，更優(yōu)選6秒至6分鐘，使燒余物成分之間發(fā)生固相礦化反應，生成水泥熟料并退出爐膛。
退出爐膛后的水泥熟料可在1-5秒內迅速冷卻到200℃以下并收集。
按本發(fā)明的水泥生料的用量可以為燃料重量的0.25-4倍，優(yōu)選0.5-2倍，更優(yōu)選0.7-1倍。
按本發(fā)明的水泥生料中還可任選包含2-9重量％的礦化劑，2-9重量％的早強劑/硫渣劑。
按本發(fā)明的方法較好是在1100-1700℃，優(yōu)選在1250-1450℃，更優(yōu)選在1300-1400℃下進行。
本發(fā)明方法的發(fā)明構思是在發(fā)現了下列事實后提出的首先，使用石灰石、粘土等生料配料的煅燒常規(guī)水泥熟料的傳統(tǒng)窯型如立窯、回轉窯要使用大約占入爐料總量為20％的煤作為煅燒水泥熟料的熱源。熟料的理論熱耗一般在1630-1800KJ/公斤熟料范圍之內波動，平均為1715KJ/公斤熟料。
理論熱耗主要用于干燥入爐物料，以蒸發(fā)掉入爐物料中含的自由水；用于使粘土物質脫去結晶水；用于使碳酸鈣(CaCO3)分解成為CaO+CO2等。而熟料中固相礦物成分主要是硅酸三鈣(C3S)，約占熟料的55％以上，從C2S進一步吸收CaO生成C3S的反應也是吸熱反應。熟料的實際熱耗大大高于平均為1715KJ/公斤熟料的理論熱耗，例如先進的預分解回轉窯的實際熱耗約為4187KJ/公斤熟料，是其理論熱耗的2.44倍，兩者相差2472KJ/公斤熟料，這主要是窯的熱耗散造成的，這說明在降低熱耗散方面有很大的潛力可挖。當在高溫鍋爐中實施本發(fā)明方法時，由于以下幾方面的原因，將大大降低熟料的實際熱耗入爐物料中自由水和結晶水較少，用于干燥物料、降去水分的熱耗基本節(jié)省了，下降量大約為800KJ/公斤熟料；將用CaO代替CaCO3作為鈣源，這省去了約1990KJ/公斤熟料的吸熱熱耗；速燒速冷的工況使固相礦化反應生成的礦物組成主要為C2S，節(jié)省了由C2S生成C3S的吸熱熱耗；高溫鍋爐的總體熱效率達90％以上，大大高于傳統(tǒng)窯爐的總體熱效率，熱耗散較低，可以省下傳統(tǒng)窯爐的熱耗散2472KJ/公斤熟料中的絕大部分。
這幾項降低熱耗的效果集總起來，在未考慮由C2S生成C3S所需的吸熱熱耗的情況下，使生成每公斤水泥熟料所需熱耗至少降低約5200KJ，也即在高溫鍋爐中“速燒速冷”鍛燒水泥熟料的過程總體上不但不吸熱，反而是一個顯著的放熱過程。
其次，按照現有的對煅燒機理的認識，在傳統(tǒng)窯爐中煅燒常規(guī)水泥熟料時，當入爐物料進入溫度為1100℃-1250℃的固相礦化反應放熱帶時，發(fā)生生成C2S等的放熱固相反應，放出的熱量足以使該部分物料自身的溫度很快升高300-400℃，這說明固相反應的放熱量是很大的。
第三，在大型熱電廠所使用的煤粉爐中進行工業(yè)試驗時，向煤中摻入了以CaO為主要成分的一種摻燒劑時，摻入量從15％至大約30％不等，這時仍能保持鍋爐中蒸汽蒸發(fā)量的高低負荷不變，爐膛不但未滅火，實際上燃燒狀況良好。這說明，摻入了該摻燒劑后，含15-30重量％摻燒劑的入爐燃燒物的放熱效果基本上等效于燃燒未加入摻燒劑的原煤時的放熱效果。
不希望受到任何理論的束縛，本發(fā)明人認為，從上述三個事實似乎可以理解到，若在高溫鍋爐中煅燒水泥熟料，除了基本上省去了傳統(tǒng)窯爐中的用于蒸發(fā)入爐料中的水份、分解CaCO3所需熱耗和大量的熱耗散這幾個節(jié)能因素的貢獻外，更重要的是，生成C2S為主的避免生成C3S的活性成分的固相礦化反應能釋放出大量的反應熱，其放熱量與燃燒等量煤時的放熱量可比。因此，釋放的固相反應熱可當作一種能源來利用，以下稱作反應能。只不過該反應能要在按本發(fā)明的入爐物料在高溫鍋爐中達到900℃以上、優(yōu)選1100℃以上的高溫條件和足夠的氧氣，按本發(fā)明的水泥生料就能發(fā)生固相礦化反應，釋放出巨大的反應能，成為高溫鍋爐中熱源的主要提供者之一，甚至是主要的提供者。
按本發(fā)明的方法中，高溫鍋爐包括燃油、燃氣和燃煤高溫鍋爐。在燃油和燃氣高溫鍋爐中實施本發(fā)明較為簡單，因為燃料油或燃料氣燃燒后基本沒有燒余物，由CaO、鋁質成分、鐵質成分和硅質成分配成的水泥生料中，使鈣/硅比(按CaO/SiO2計)為2∶1-3.0∶1，優(yōu)選2∶1-2.5∶1。將水泥生料預先粉磨，其粉末與燃料油或燃料氣在入爐前混合均勻，再噴入爐內，或將燃料油或燃料氣與水泥生料粉末分別噴入爐中，在爐膛內湍動混合均勻，共同燃燒放熱，維持爐膛中的高溫條件。燒余物收集起來，即是按本發(fā)明的水泥熟料。
燃煤高溫鍋爐包括煤粉爐、旋風爐、流化床鍋爐和鏈條爐。在煤粉爐和旋風爐中燃燒的是煤粉，流化床鍋爐和鏈條爐中燃燒的是造粒了的煤粒或煤塊。在燃煤高溫鍋爐中實施本發(fā)明方法時，主要由CaO、鋁質成分、鐵質成分和硅質成分組成的水泥生料，使其元素組成和相互比例盡量接近以C2S為主要固相成分的水泥熟料的元素組成和相互比例，其中使CaO/SiO2比率為2∶1-3.0∶1，優(yōu)選2∶1-2.5∶1，并粉磨到所需粒度，在向煤中摻入該水泥生料后，使其與煤混合均勻并發(fā)生密切接觸，得到一種配煤粉末，在煤粉爐和旋風爐的情況下直接入爐燃燒，燃燒后剩余下來的灰渣就是水泥熟料，收集起來即可備后用。
按本發(fā)明的水泥生料中的鋁質成分包括在入爐燃燒后能提供活性Al2O3的那些材料，具體的例子包括但不限于鋁粉、Al2O3及其它含鋁較多的工業(yè)廢渣和礦物等。
按本發(fā)明的水泥生料中的鐵質材料包括但不限于鐵粉、Fe2O3、鐵礦石及含鐵較多的工業(yè)廢渣等。
按本發(fā)明的水泥生料中的硅質成分包括但不限于頁巖、硅石和含硅較多的工業(yè)廢渣料。
在本發(fā)明范圍內，以下術語具有下面給定的意義“水泥熟料”是指按本發(fā)明方法制得的具有水硬膠凝活性的硅酸鹽類材料。
“常規(guī)水泥熟料”是指按常規(guī)方法、在常規(guī)窯爐如在立窯和回轉窯中生產的水泥熟料。
“水泥生料”是指能按本發(fā)明方法制成水泥熟料的生料。
“煤灰質”是指燃煤中含有的不可揮發(fā)和不可燃的物質成分，在煤燃燒完全后，它們以煤灰渣形式殘留下來。
按本發(fā)明的另一個方面，提供了一種專門用于實施本發(fā)明方法的設備，如圖3所示，它包括一套燃料倉儲及任選的均化裝置；一套用于燃料的計量裝置，它上接燃料倉儲裝置，計量后的原料經下接的輸送裝置送去與水泥生料粉末密切混合和均化；一套用于水泥生料中各原料成分的倉儲裝置；一套用于水泥生料中各原料成分的計量配料裝置，它上接的倉儲裝置，計量配料后的水泥生料送去粉磨裝置；一套水泥生料的粉磨和粉末分篩及粒度控制裝置；一套混合均化裝置，它使來自燃料計量配料裝置的燃料和來自水泥生料粉磨和粒度控制裝置的水泥生料粉末進行密切混合和均化，必要時接入造粒裝置，形成入爐配料，并下接入爐配料的輸送裝置；一套入爐配料的輸送裝置，用于將入爐配料送入高溫鍋爐爐膛中燃燒；一套高溫鍋爐系統(tǒng)，包括一套燃料燃燒裝置、一套蒸汽發(fā)生和輸出裝置，以及一套含塵煙氣和液態(tài)渣的排出和冷卻裝置；一套電收塵和爐渣收集裝置；一套灰渣形式的水泥熟料倉儲裝置；和一套任選接入的水泥配料、粉磨、包裝、倉儲裝置。


附圖1是現有煤粉爐的主要設備和流程示意圖。
附圖2是一個用于生產水泥熟料的常規(guī)窯外預分解干法回轉窯工藝流程示意圖。
附圖3是按本發(fā)明方法的主要設備和流程的示意圖。
附圖4是在煤粉爐中實施按本發(fā)明方法的一個實施方案的流程示意圖。
具體實施例方式
下面以熱電廠用的煤粉爐為例，說明本發(fā)明方法在燃煤高溫鍋爐中實施時的一些具體步驟和其結果。
中國專利申請96111664.1中公開了利用煤灰質作為煅燒水泥熟料的主要物料，再摻入主要為CaO、并包括少量其它輔助摻燒劑如晶種、礦化劑和早強劑等的所謂“AMC”摻燒劑來形成配煤混合物，在煤粉爐中同時生產高壓蒸汽和水泥熟料的方法。如其說明書中所述，該方法只限于對煤灰質的利用，其中要解決的三個主要問題是第一、如何使從煤粉爐中以灰渣形式排出的產物的化學組成盡量接近預期水泥熟料的化學組成；第二，如何使粉煤灰中的化學成分發(fā)生固相反應，大量生成具有較好水硬活性的礦物成分；第三，如何保證在煤灰質與摻燒劑各成分發(fā)生固相反應時，不吸收煤粉燃燒時放出的熱量，以保證爐膛高溫條件，保證鍋爐出熱能力不降低。它所采用的技術解決方案是，根據煤灰質的含量和化學成分的分布，向煤中配入一種“AMC”，其中含有以CaO為主的富鈣物質和任選其它輔助摻燒劑如晶種、礦化劑和早強劑，“AMC”的用量要使得配煤混合物燃燒后得到的速燒水泥熟料中CaO含量(都以CaO％表示)為20-70％(基于得到的水泥熟料的重量計)；將這種配煤混合物充分混勻并磨細，其粉末粒度應達到通過0.008mm篩的篩余小于30％；將這種配煤混合物粉末噴入爐膛內，使其在1300℃以上的高溫區(qū)充分燃燒，同時灰質間發(fā)生礦化反應，得到水泥熟料。
但在煤粉爐中實施本發(fā)明方法時，有以下幾個方面不同于96111664.1號申請中的方法。
—按本發(fā)明的水泥生料不同于所說的“AMC”；利用煤灰質作為水泥熟料的原料時所需加入的那些物料，例如CaO、晶種、礦化劑、早強劑等?！癆MC”摻燒劑的總用量和其中各成分的含量要根據煤灰質的含量和化學成分的分布而定，以使煤灰分加上這部分摻燒劑后的化學組成盡量達到或接近以C2S為主要活性成分的水泥熟料的化學組成。
表1列出了常見的燃煤中灰質分布數據和摻入“AMC”摻燒劑后實際達到的組成和各成分的含量。煤中灰分占大約15-30重量％。
表1.粉煤灰的和經“AMC”摻燒劑調整后預期的化學組成(重量％)

從表1中列出的粉煤灰的組成和含量分布數據可見，“AMC”摻燒劑中只需主要含CaO，以用于調整CaO/SiO2比率至大致為2或略高；而在按本發(fā)明的方法中，根本不考慮煤灰質的利用問題，向煤中加入的是按本發(fā)明的水泥生料，它主要由CaO、鋁質成分、鐵質成分和硅質成分組成，各成分的含量應基本上達到如表1第四行中所列的各成分含量范圍，但應調整其CaO/SiO2比例大約為2或略高；水泥生料的用量可以為燃煤重量的0.25-4倍之間。
按本發(fā)明的水泥生料還可任選包含2-9重量％礦化劑，2-9重量％的早強劑/焦渣疏松劑。——按本發(fā)明的方法只需要求在其高溫區(qū)在900℃以上、優(yōu)先1100℃以上的燃煤鍋爐中操作；這種燃煤鍋爐可包括煤粉爐、旋風爐、流化床爐和鏈條爐，利用其爐膛高溫區(qū)可達到的至少900℃以上、優(yōu)選1100-1700℃、更優(yōu)選1250-1450℃、最優(yōu)選1300-1400℃的溫度范圍，可使發(fā)生的礦化反應主要為生成C2S的放熱反應，通過控制物料的CaO/SiO2比率等于或略高于2、控制反應溫度不太高和停留時間一般不超過10分鐘來盡量抑制C2S吸收CaO而生成C3S的反應。
圖4是在煤粉中實施按本發(fā)明方法，同時生產高壓蒸汽和鍛燒水泥熟料的一個流程示意圖。
按照圖4，原煤在預均化堆場(13)進行預均化，以保證煤質穩(wěn)定，經原煤儲倉(1)和微機配料(2)而計量進入輸送機(3)；水泥生料經其原料堆場(14)進入其料倉(15)，經微機配料(16)計量送入水泥生料預磨機(24)，然后再進入輸送機(3)，在此配入原煤中，形成配煤混合物；該配煤混合物進入配煤混合物粉磨機(4)及粗粉分離器(5)，在此粉磨至所需細度；配煤粉進入旋風分離器(6)，再經配煤粉儲倉(7)和配煤粉給煤機(8)，用一次風送入煤粉爐(9)的爐膛中燃燒、反應；鍋爐出熱送給熱力用戶如發(fā)電設備(10)，含塵煙氣經電除塵器(11)收塵，廢氣放空；而以爐渣形式收集下來的和以粉塵形式收集下來的水泥熟料共同進入水泥熟料庫(12)；這種水泥熟料既可直接銷售出廠，也可進選接入的虛線框內的系統(tǒng)，配制成水泥成品后銷售出廠。虛線框內的系統(tǒng)包括混合材及石膏料倉(17)、微機配料(18)、水泥粉磨機(19)、水泥儲庫(20)、水泥散裝(21)并出廠、袋裝水泥包裝機(22)、水泥成品庫(23)，袋裝成品由此出廠。
將圖4與圖1對比可知，它的流程主要部分與現有煤粉爐的基本相同。但按本發(fā)明的方法，流程中增設了水泥生料的堆儲、配料及預磨系統(tǒng)；原煤預均化堆場；在流程的后部取消了原來的粉煤灰輸送及堆灰池系統(tǒng)，增設了水泥熟料庫，還可任選包括水泥的配料及粉磨、包裝和倉儲系統(tǒng)。另外，在與原來煤粉爐設備基本相同的部分中，需增加磨煤機的處理能力，以適應對加入了水泥生料后進行粉磨的需要，同時需適當調整鋼球配比，以滿足本發(fā)明對粉末細度的要求；必要時還需調整爐膛的尺寸和結構參數，使粉末在爐膛內900℃以上、優(yōu)選1100℃以上的高溫區(qū)的停留時間不少于2秒、優(yōu)選不少于4秒、更優(yōu)選不少于6秒。這樣使配煤物在高溫區(qū)內有足夠的燃燒和發(fā)生礦化反應的時間，以滿足同時生產高壓蒸汽和鍛燒水泥熟料的需要，獲得最大的技術經濟效益。
若利用現在煤粉爐來作為主要設備實施本發(fā)明的方法，則其主要流程仍同圖4。為了節(jié)省篇幅，在此不再逐一敘述各裝置及物料的流程。這種通過對現有設備進行技術改造后形成的設備的重要優(yōu)點在于，充分利用了現有設備，只需少量投資對少數幾個子系統(tǒng)進行改造，甚至利用省去的、過去每年需花費的粉煤灰輸送和增擴建堆灰池的費用，就可以實現在現有煤粉爐中同時生產高壓蒸汽和鍛燒水泥熟料的目的。另一個重要優(yōu)點在于，現有煤粉爐的成熟的操作和維護經驗可以完全運用于本發(fā)明方法中，設備的運行可靠性好。
按本發(fā)明同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法賦予了按本發(fā)明得到的水泥熟料一些新的物化特性。通過對若干典型樣品進行X-光衍射分析，所得結果表明，按本發(fā)明的水泥熟料顯示了硅酸鹽礦物相的X-光衍射特征，尤其是其中C2S占主導地位；對由它們制得的水泥的物理性能檢測結果表明，這種水泥同時具有早期強度和晚期強度都高的特點。這表明它具有以C2S為主要活性成分的貝利特水泥的新特點。
由于本發(fā)明方法中加入的水泥生料能利用爐膛中的高溫條件而鍛燒，發(fā)生大量放熱的固相反應；還由于按本發(fā)明對配煤混合物進行充分粉磨，所達到的細度有利于煤的充分燃燒。這兩個方面的放熱效應使得煤耗可顯著降低，節(jié)煤率可達20-80％。
按本發(fā)明得到的水泥熟料具有良好的水硬活性，由其作為唯一活性成分或作為主要成分(例如它占水泥產品總重量的65-95％)制成的水泥產品符合GB175-1999標準，其等級達325#以上，較好的達425#以上。
按本發(fā)明的方法還具有良好的固結硫成分、降低煙道氣中SO2含量的脫硫效果，因為在配煤混合物在高溫區(qū)燃燒時，煤中含的硫成分易于與CaO和其它成分發(fā)生反應，生成硫酸鈣(CaSO4)、無水硫鋁酸鈣(4CaO 3Al2O3CaSO4)和氟硫硅酸鈣(3C2S 3CaSO4CaF2)等礦物質，使過去以SO2形式隨煙氣排入大氣的硫大量地固結轉移到灰渣中來，成為有利無害的物質。經檢測，脫硫效果可達到80％。
本發(fā)明具有突出的優(yōu)點首先，它開辟了一條在高溫鍋爐中替代燃料、同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料及脫硫的新工藝。按本發(fā)明，只要是其高溫區(qū)達900℃以上、優(yōu)選1100℃以上的高溫鍋爐，都具備實施本發(fā)明方法的基本條件?，F在生產水泥熟料既不限于在傳統(tǒng)窯爐中進行，也不必如96111664.1號申請那樣，只能利用煤粉爐或旋風爐、只限于將煤灰質作為生產水泥熟料的主要原料物質加以利用。按本發(fā)明，所有燃油、燃氣和燃煤的高溫鍋爐均可用于實施按本發(fā)明的方法，這大大方便了缺煤而油氣燃料易于得到的地區(qū)生產制備水泥熟料；即使在燃煤高溫鍋爐中，也不限于利用煤灰質、再摻入缺少的鈣質作為煅燒水泥的原料，它可直接將水泥生料送入高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒成水泥熟料。按本發(fā)明的方法生產的水泥熟料已證實是C2S為主要活性成分的貝利特型水泥熟料，這是一條以更大的工業(yè)規(guī)模來生產優(yōu)質貝利特水泥的新途徑。
其次，按本發(fā)明方法能產生非常顯著的部分替代而節(jié)約燃料的效果。與常規(guī)的水泥熟料的生產工藝相比，按本發(fā)明的方法充分利用高溫鍋爐的有利熱工條件，利用其中的高溫場和水泥生料成分間已存在的密切接觸來引發(fā)礦化反應，一旦發(fā)生了固相反應，則能向爐膛中釋放出大量的反應能，這種反應能可以部分替代燃料的燃燒放熱，再加上這種鍋爐的高熱效率，不再需分解CaCO3及可避免C2S繼續(xù)反應生成C3S的吸熱、殘?zhí)匡@著下降等因素，使得常規(guī)的水泥熟料生產所需的燃料消耗量可完全省掉。相對于96111664.1號申請中的方法而言，按本發(fā)明方法突破了其中的“AMC”摻燒劑組成和摻燒量只能適應利用煤灰質的需要這一限制，按本發(fā)明的水泥生料加入量可顯著增加，因而對固相反應能的利用率增大了，相應地節(jié)約燃料的效果也增大了。
第三，按本發(fā)明方法還可極大地消除污染。首先是常規(guī)水泥熟料生產中的污染大大降低了；其次尤其是燃煤鍋爐的粉煤灰污染消除了，向空氣中排放的SO2量大大地降低了。這體現了對能源和資源的綜合利用，極為有利于環(huán)境保護。
第四，按本發(fā)明在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法具有極大的技術經濟優(yōu)勢。首先是省去了傳統(tǒng)的水泥熟料生產設備，高溫鍋爐的制造和操作均有成熟可靠的經驗，既安全又高效；再者是省去了傳統(tǒng)的水泥熟料生產所需的燃料消耗，也能節(jié)省高溫鍋爐正常操作所需的部分燃料。綜合這幾個因素，生產單位電能和單位重量水泥熟料的成本將顯著下降，具有很強的競爭力。
下面結合實施例對本發(fā)明進行較詳細的說明。應當注意，這些實施例僅用于說明的目的，而不構成對本發(fā)明的限制。本領域普通技術人員可以根據說明書的敘述，對本發(fā)明的實施方案作出改變或改進，但這些改變或改進均落入后附的本發(fā)明申請權利要求書所限定的保護范圍之內。
實施例1本實施例在進行本發(fā)明的方法的專用設備中進行。它為一種煤粉爐，其流程圖見圖4。其中鍋爐膛高溫區(qū)溫度可達1100-1500℃，配煤混合物在爐膛內的停留時間為6秒以上。所用的煤含約15％的煤灰質，煤灰質的化學分析結果列于表2中。按本發(fā)明的水泥生料的組成列出于表2第4行，其中使CaO/SiO2之比大約為2.2，每公斤燃煤所需水泥生料的量也列于表2中。表2

1)鋁粉；2)鐵粉；3)包括礦化劑、早強劑/焦渣疏松劑。
由表2數據可知，每公斤燃煤中加入的水泥生料的組成與C2S水泥生料的組成近似，見表2中第4行。當設計使配成的煤中不可燃物總含量達到40％時，水泥生料的加入量約為0.42公斤，占配煤重量的大約30％。由于在配制水泥生料時不考慮煤灰質，故配煤物燃燒后，原有的煤灰質作為水泥熟料中的填充料存在。
如圖4所示，將經微機計量后的原煤與從水泥生料料倉計量送來的經預磨的水泥生料混合，送至粉磨系統(tǒng)磨至經4900孔/cm2篩的篩余于小6％的細度，得到配煤粉，它經配煤粉給煤機、隨一次風一起吹入按本發(fā)明設計的煤粉爐爐膛中燃燒，燃燒放熱形成和維持約1100-1500℃左右的高溫區(qū)，這種高溫迅速引發(fā)配煤中水泥生料成分之間的礦化反應，釋放出大量的礦化反應能。這些燃燒放熱和反應能生產的高溫高壓蒸汽送給熱力用戶，而形成的水泥熟料主要隨煙氣離開爐膛，在1-5秒鐘之內迅速冷卻到200℃以下，然后進行電收塵，另一部分水泥熟料則以爐渣形式經水淬冷后回收。在燃燒過程中，觀察到爐膛發(fā)亮，說明燃燒狀況良好。將這兩部分水泥熟料送至水泥熟料庫，在不同時間取3個樣品進行分析，得到的成分分析結果列于表3。將這3個水泥熟樣品與5％石膏混合，再經水泥粉磨機粉磨之后，制成水泥，其性能測試結果列于表4。
實施例2本實施例在天津陳塘熱電廠液態(tài)排渣旋風爐1號爐上進行，其水蒸發(fā)量為220噸/小時。試驗中采用了如實施例1所說的煤和按本發(fā)明的水泥生料配方，但其加入量為每1公斤燃煤加1公斤水泥生料。原來的設備不變，只是將預先粉磨到經過4900孔/cm2篩的篩余于小6％的水泥生料粉末按比例加入原煤輸送帶，與煤一起送至磨煤機一起粉磨，使之混合均勻，成為配煤粉料，然后用壓縮空氣將配煤粉料送入已點火、爐膛溫度達到900℃的旋風筒燃燒區(qū)中燃燒。在給粉量維持與實施本發(fā)明前的給粉量不變的情況下，發(fā)現爐膛火焰明亮，溫度比原來升高20-50℃，高溫蒸汽的溫度比原來有些升高，減溫水的用量增大，液排渣量大大增加，排渣順利。這說明上述配煤粉料在爐內燃燒時放出的熱量比原來所用燃料放出的熱量有些增加，因此產生了非常顯著的節(jié)煤效果。收集其灰和渣樣品，在不同時間共取3個樣，混勻后送去做成分分析，結果列如表3中。同樣制成水泥，其性能檢測結果列于表4。
實施例3(對比例)其余實驗條件同實施例1，但按96111664.1號申請中所述方法那樣，只限于利用煤中的灰質作為鍛燒水泥熟料的原料。為此每公斤燃煤中只需加入如表2第3行所列的“AMC”摻燒劑0.29公斤，就可使配煤后不可燃物中CaO/SiO2比率大約為2.2。這時配煤中不可燃物含量為約34％，“AMC”摻燒劑含量為約22.3％。使這種配煤混合物入爐燃燒，然后收集灰和渣形式的水泥熟料，取樣送去作成分分析，得到的結果列于表3中。同樣制成水泥，其性能檢測結果列于表4。表3水泥熟料的成分分析結果

表4 水泥產品性能檢測數據

權利要求
1.一種替代燃料、在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的方法，其中將燃料送入鍋爐爐膛中燃燒，使其高溫區(qū)中的溫度至少達900℃，優(yōu)選為1100-1700℃，更優(yōu)選在1250-1450℃，最優(yōu)選在1300-1400℃，產生的高溫高壓蒸汽輸送給熱力用戶，其特征在于，向燃料中摻入一種主要包含CaO、鋁質成分、鐵質成分和硅質成分的水泥生料，水泥生料中的元素組成和相互比例要使其經煅燒后盡量接近以C2S為主要固相成分的水泥熟料的元素組成和相互比例；使水泥生料粉磨至通過0.080mm篩的篩余小于15％的粒度，優(yōu)選小于10％、更優(yōu)選小于6％的粒度；將水泥生料與燃料密切混合并送入爐膛中燃燒，在高溫區(qū)中的平均停留時間為2秒至30分鐘，優(yōu)選4秒至10分鐘，更優(yōu)選6秒至6分鐘，使水泥生料成分之間發(fā)生礦化反應，生產水泥熟料并收集。
2.按權利要求1的方法，其特征在于，生成的水泥熟料退出爐膛后，在1-5秒內迅速冷卻到200℃以下。
3.按權利要求2的方法，其特征在于，水泥生料的加入量為燃料用量的0.25-4倍，優(yōu)選為0.5-2倍，更優(yōu)選為0.7-1倍。
4.按權利要求1的方法，其特征在于，所說高溫鍋爐選自燃油鍋爐、燃氣鍋爐、和燃煤的煤粉爐、旋風爐、流化床爐和鏈條爐。
5.按權利要求4的方法，其特征在于，水泥生料中含有2-9重量％的礦化劑，2-9重量％早強劑/疏渣劑。
6.一種水泥熟料，它是按照權利要求1-5中任一項方法制得的。
7.一種水泥，它是以按權利要求6的水泥熟料和任選摻入的少量早強劑或5-30％常規(guī)硅酸鹽水泥熟料作為活性成分、再添加常規(guī)水泥輔料如石膏，經粉磨而制得的。
8.一種替代燃料、在高溫鍋爐中生產高壓蒸汽和煅燒水泥熟料的設備，它包括一套燃料倉儲及任選的均化裝置；一套用于燃料的計量裝置，它上接燃料倉儲裝置，計量后的原料經下接的輸送裝置送去與水泥生料粉末密切混合和均化；一套用于水泥生料中各原料成分的倉儲裝置；一套用于水泥生料中各原料成分的計量配料裝置，它上接水泥生料中各原料成分的倉儲裝置，計量配料后的水泥生料送去粉磨裝置；一套水泥生料預粉磨和粉末分篩及粒度控制裝置；一套混合均化裝置，它使來自燃料計量配料裝置的燃料和來自水泥生料預粉磨和粒度控制裝置的水泥生料粉末進行密切混合和均化，必要時接入造粒裝置，形成入爐配料，并下接入爐配料的輸送裝置；一套入爐配料的輸送裝置，用于將入爐配料送入高溫鍋爐爐膛中燃燒；一套高溫鍋爐系統(tǒng)，包括一套燃料燃燒裝置、一套蒸汽發(fā)生和輸出裝置，以及一套含塵煙氣和液態(tài)渣的排出冷卻裝置；一套電收塵和爐渣收集裝置；一套灰渣形式的水泥熟料倉儲裝置；和一套任選接入的水泥配料、粉磨、包裝、倉儲裝置。
9.按權利要求8的設備，其特征在于，所說高溫鍋爐是煤粉爐，所說的燃料是煤；原煤在預均化堆場(13)進行預均化，以保證煤質穩(wěn)定，經原煤儲倉(1)和微機配料(2)而計量進入輸送機(3)；水泥生料中各原料成分經其原料堆場(14)進入其料倉(15)，經微機配料(16)計量送入水泥生料預磨機(24)然后再進入輸送機(3)，在此配入原煤中，形成配煤混合物；該配煤混合物進入配煤混合物粉磨機(4)及粗粉分離器(5)，在此粉磨至所需細度；配煤粉進入旋風分離器(6)，再經配煤粉儲倉(7)和配煤粉給煤機(8)，用一次風送入煤粉爐(9)的爐膛中燃燒、反應；鍋爐出熱送給熱力用戶如發(fā)電設備(10)，含塵煙氣經電除塵器(11)收塵，廢氣放空；而以爐渣形式收集下來的和以粉塵形式收集下來的水泥熟料共同進入水泥熟料庫(12)；這種水泥熟料既可直接銷售出廠，也可進選接入的虛線框內的系統(tǒng)，配制成水泥成品后銷售出廠，虛線框內的系統(tǒng)包括混合材及石膏料倉(17)、微機配料(18)、水泥粉磨機(19)、水泥儲庫(20)、水泥散裝(21)并出廠、袋裝水泥包裝機(22)、水泥成品庫(23)，袋裝成品由此出廠
10.現有燃煤、燃油和燃氣高溫鍋爐在制造按權利要求8的設備中的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種替代燃料、在高溫鍋爐中同時生產高壓蒸汽和鍛燒水泥熟料的方法,高溫鍋爐包括其高溫區(qū)的溫度至少為900℃、優(yōu)選至少為1100℃的燃油、燃氣和燃煤鍋爐,向燃料中加入一種水泥生料,水泥生料的組成要以生成以硅酸二鈣為主要活性成分的水泥熟料目的。使預磨后的水泥生料與燃料混合均勻并發(fā)生密切接觸,共同送入爐膛中燃燒,水泥生料成分之間發(fā)生礦化反應,釋放出大量的反應能而替代燃料、生成水泥熟料并脫硫。還涉及由它制得的產品和實施該方法的設備。
文檔編號C04B7/00GK1384075SQ0211670
公開日2002年12月11日 申請日期2002年4月26日 優(yōu)先權日2001年4月27日
發(fā)明者劉本恩 申請人:劉本恩