控制窑炉温度的方法

本发明涉及一种控制水泥熟料制造窑炉温度的方法。

由多种原料，特别是石灰石(CaCO3)、粘土、砂子、黄铁矿灰、粉煤 灰和其它物料，通过混合并磨碎成氧化物CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3含量必 须特别限定在相当窄的范围内的原料粉料来制造水泥，这是一种普通技术。 然后将原料粉料预热并煅烧，在该过程中，H2O和CO2被排出。然后在这些 氧化物之间发生一些列反应，最初的和最重要的是下列反应：

2CaO+SiO2→(CaO)2(SiO2) (硅酸二钙)

(CaO)2(SiO2)+CaO→(CaO)3(SiO2) (硅酸三钙)

在固体物料之间的这些反应在熔融物料发生，其中氧化铝和氧化铁是 形成熔融物料所必需的。

对于每一个燃烧过程来说，总的目标是确保形成足量的硅酸三钙以及 同时使游离的尚未消耗的CaO降低到足够低的量。传统地，燃烧过程发生 在回转窑中，而最后的反应发生在回转窑的燃烧区中，通过调节燃烧速度 和火焰参数来调节温度，从而控制该反应过程。对于普通熟料来说，燃烧 过程的温度接近1400-1500℃。

因此，必须进行测量，以提供连续的窑内温度数据，从而表明熟料的 组成和质量，但至今人们还不能直接测量所述的温度。

由于与硬熟料接触，热电偶(Pt-PtRh)不能以不在短时间内受到损坏 的方式安装。

可以使用辐射高温计，但它只有在燃烧区中具有良好的可见度时才能 使用，由于在燃烧过程中不可避免地要产生一些灰尘，因此这种情况很少 见。

被广泛用来表示温度的一种间接信号是用来旋转该窑的力的测量值。 可以采用该信号的原因在于熟料的温度越高，所形成的熔融物料的量越大， 从而在旋转过程中使更多的物料沿回转窑的壁带到高处。结果，力矩(力× 臂)增加了，从而增加了用来旋转窑的功率。但是，力矩是一个受到多个 因素影响的相对信号：外皮形成过程中的任意偏移，原料沿窑的整个长度 的粘接性能等等。因此，不能确切地表明什么力矩可以确保充分燃烧。

另一种测量燃烧区中温度的方法是测量该窑的NOx排出量。在燃烧区中 形成的NOx特别与火焰的温度有关，在生产稳定和燃烧器参数不变时，它仅 受燃烧过程所需的过量空气的影响，由于总的目标是保持过量空气恒定， 因此NOx排出量是燃烧温度的直接测量值。由此根据NOx测量值操作窑炉许 多年，例如通过模糊逻辑进行手工和自动控制。

但是，NOx的排放对于环境是有害的，这是一个已经证识的事实，因此 许多努力主要集中在NOx排放量的降低上，包括水泥窑设备的回转窑的NOx排放量。

这些手段严重降低了控制窑炉的可能性。通过作为温度T(℃)的函数 的NOx形成量的曲线可以最好地理解这一点(参见图1)。通过测量作为具 有特定火焰参数的熟料的最终温度的函数的NOx形成量可以建立该曲线。

当煅烧普通熟料时，存在一个位于与A相同位置的操作点。在这里， 所形成的NOx主要是热源，即NOx中的氮原子来自空气中的N2，与目标温度 的高/低偏差很明显地反映在所形成的NOx量的显著变化上。

当为了降低NOx量而引入一些手段时，对应于窑中低温，将会接近操作 点B，在这里，所形成的NOx主要来自燃料中。在点B的附近，温度对NOx的形成量的依赖性是可以忽略的，并且在实际操作中，NOx测量值不能在这 种低NOx操作方式中用作控制参数。

除了降低NOx排出量，在火焰温度降低时还实现了节能，它使得这些条 件特别适用于窑炉的操作过程中。

为了获得具有低NOx排出量的操作条件，可以采用在该窑中的火焰延伸 方案，例如通过降低燃烧器的一次空气流量或一次流速。利用这种方法， 熟料可以具有较低的终温度，但是，另一方面，熟料需要在高于形成硅酸 三钙最低温度极限的温度下保持较长的时间。

另一种获得具有低NOx排出量和低火焰温度的方法是向原料中加入矿 化剂，从而降低硅酸三钙形成所需的温度，举例来说，加入硫和氟化物使 得熟料煅烧过程可以在低于正常温度大约125℃的温度即1275-1325℃下 发生。

因此，本发明的目的在于确保可以对窑中的温度进行控制，并且在水 泥窑中产生的熟料的制备过程同时将窑中NOx排出量降低到绝对最低值。

这一点可以通过本发明的方法而获得，在该方法中，对窑中硫的挥发 量进行测量，从而获得燃烧区中瞬时温度的测量值。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制水泥熟料制造窑炉温度的方 法，其特征在于相对时间t测定从该窑排出的或进入该窑的硫含量S(t)， 然后对送入该窑的燃料进行控制，从而对于送入该窑的硫来说保持所需的 蒸发因子E。

根据本发明方法的一个优选方案，该窑燃料区中的温度在1100-1500 ℃范围内，优选在1100-1350℃，更优选在1275-1325℃范围内。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备水泥熟料的设备，其中 原料粉料首先经过预热器，然后任选地经过一种煅烧器，最后在窑中煅烧， 窑中的温度条件可以通过改变送入该窑中的燃料比而调节，其特征在于在 该窑和预热器之间设置一种测定仪，用来记录流出和流入该窑的硫含量， 并且其特征在于送入该窑的燃料比作为硫的测定量的函数而变化。

根据本发明设备的一个优选方案，所述测定仪位于该窑的排出气体通 道中。

根据本发明设备的另一个优选方案，所述测定仪位于该窑的加料物流 通道中。

下面将参照附图对本发明作详细描述，其中

图1表示作为温度的函数的所形成的NOx的量；

图2表示作为该温度的函数的蒸发因子E；

图3表示水泥制造设备中物料流动的示意图。

在本文中，采用蒸发来表示在高于1100℃的温度下发生的分解反应：

CaSO4→CaO+SO2+1/2 O2

K2SO4→K2O+SO2+1/2 O2

蒸发因子E定义为与煅烧原料一起送入窑炉燃烧区并受到蒸发的硫S的分数。该分数是非常有趣的，因为当温度在1100-1500℃范围内时它会 增加(参见图2)而且因为该温度范围是用于熟料煅烧过程的。

通过使用于水泥熟料制备的设备的两种物料平衡，可以发现蒸发因子E 的表示值(参见图3)。

这种设备由制备原料用于煅烧的系统I和发生煅烧的系统II组成。系 统I中可以引入旋转预热器和可能的煅烧器，而系统II中可以引入回转窑。

不同料流中的硫含量，即流进和流出系统I和系统II的硫S的含量可 以作为kg硫/小时或作为kg硫/kg在该设备中制得的熟料来测量。

硫含量为S进料的原料1和硫含量为S窑气的来自回转窑的排出气体2被 送入系统I中。

还可以将硫，S二次燃料通过二次燃料在3处送入煅烧器或上升通道中。

硫含量为S排出气体的经过冷却的排出气体4由系统1排出，而经过预煅 烧的或仅仅预热过的物料在5处(通常来自旋风器)以硫含量为S旋转向下 进入到窑中。

进入系统II的料流由经过预热的或经过预煅烧的物料S旋转5和窑燃料 6，即硫含量为S一次燃料的一次燃料组成。出口料流则由来自该窑的排出气体 S窑气2和硫含量为S熟料的成品熟料7组成。

在任何时候，蒸发因子E代表在燃烧区中蒸发的硫量与流入燃烧区的 固态结合硫的数量之比。但是测定燃烧区中这两种料流的硫含量的可能性 不存在。

具体情况是这样的，在燃烧区中蒸发的硫量大约等于在2处流出窑的 硫量S窑气减去来自一次燃料的硫量S一次燃料，而固态结合流入燃烧区的硫的 数量大约等于在5处由系统I向下流出的量S旋转。也就是：

一次燃料中的硫含量对于特定的燃料种类来说是恒定的，因此，如果 在时间范围t内的燃料消耗量是已知的，则S一次燃料就是已知的。由于送入 燃烧区的硫的波动以及燃烧区中温度的变化，S旋转随着时间而变化。在一种 从测定S旋转处的窑入口到燃烧区的物料路径需要较长时间的回转窑中，相 对S窑气的测定(它几乎瞬时发生)来说，可以采用一个时间延迟量τ，也 就是说：

在任何一个时间点，在5处向下进入窑的硫含量大约等于在1处流入 的硫(S进料)，在2处流入的硫(S窑气)和在3处流入的硫(S二次燃料)的总 和减去在4处流出的硫量(S排出气体)。在大多数窑系统中，在上述气流中的 硫含量，S排出气体＝0，因此可以得出： S旋转＝S进料(t)+S窑气(t)+S二次燃料(t) 或者S窑气＝S旋转(t)-S进料(t)-S二次燃料(t)

这就是说E(t)可以通过测定窑排出气体中的硫含量和测定送入窑中 的物料中的硫含量而计算出来： 或者

这两个表达式仅仅在该窑炉是回转窑时才有效，但是，对于其它的窑， 如静止窑，可以采用类似的表达式。

一般说来，在回转窑的排出气体通道中无需设置SO2-测定仪。这是因 为窑系统向环境中放出这种有害气体成分与所测定的S窑气值没有任何关系， 其原因在于，在有相当大量过量空气存在的下部预热阶段或煅烧器中SO2的吸收率差不多为100％。

通常，根据现行分析和物料加入量不难确定原料和燃料使硫含量增加 的量。

然后，根据基于窑炉排出气体中SO2含量的测定量，S窑气，由公式(A)， 或者，如果硫含量是在从煅烧器之后的旋风分离器中流出并向下进入窑中 的气流中测定的(S旋转)，根据(B)，可以计算出E(t)。

由于SO2在高温和空气过量时为唯一的含硫成分，因此用来测定S窑气 的最早的方法是在窑出口中安装一种SO2-测定仪，该测定仪连续地分析窑 炉排出气体。

于该方法有关的一种主要偏差来源是被烧结的原料粉料被包裹在排出 气体当中，从而使二氧化硫通过下列反应而化学结合： (C) SO2+1/2O2+CaO→CaSO4

如果用水清洗并冷却排出气体样品(在一些系统中它是碱性操作原 则)，一部分SO2还会与水(由于CaO它是碱性的)结合。结果，气体分析 仪的信号太小。

但是，如果对这些偏差来源给与足够的重视，经常就可以推断有固定 部分的SO2会消失，因此，由于被蒸发的SO2的真实数量与SO2的测定量成 比例，S窑气，测定值＝常数×S窑气，该信号仍然可以用来控制温度。

如果从该窑排出的SO2气流(例如由于设置了副通道以降低该窑系统中 的SO2和氯化物循环)的尺寸被限制成使得差不多全部的SO2被旋转的CaO吸收，则该方法不能用于控制目的。当SO2存在时，并不表明高燃烧区温度， 而表明窑中空气缺少，参见等式(C)。

送入回转窑的硫量可以通过几种已知的方法来确定。举例来说，通过 Outokumpo X射线分析仪，可以连续测定旋风分离后物质中的元素Fe、Ca和S的含量。为此，从该旋风器中取出部分原料粉料气流，将其冷却并压 缩，然后送入该分析仪中。由S-含量或S/Ca比所获得的信号可以提供向 下流入到回转窑中的硫含量的精确值。