在广泛使用的水泥生产工业方法中，通过使包括石灰质矿、硅石 和矾土的细分原料经过一个被加热的倾斜回转炉或窑来完成水泥原料 的干燥、煅烧以及熟烧。在很早就被称为干法或湿法长窑中，在通常 被称为“回转炉”的加热回转窑圆炉内实施整个矿物加热方法。该回 转炉通常直径为10英尺-15英尺、长200英尺-700英尺并且是倾斜的， 所以当炉回转时，注入窑体上端的原料在重力作用下朝下“烧制”端 移动，在“烧制”端发生了最终的熟烧过程并且水泥熟料产品被排出 以进行冷却及随后的处理。窑的烧制熟烧区的窑气温度范围从约1300 ℃(～2400°F)到2200℃(～4000°F)。窑气出口温度在所谓湿法窑 顶部的矿物接收端低至约250℃(～400°F)-350℃(～650°F)。高达 1100℃(～2000°F)的窑气温度位于干法回转窑的顶端。
通常，当原料从冷却气出口矿物供给端流向回转窑炉的烧制/熟烧 下出口端时，专业技术人员认为在回转窑内的水泥制造过程分几个阶 段发生。当矿料沿窑长度向下移动时，它经历了升高的窑气温度。因 此，在窑气温度最低的窑体顶部内，正处理的矿物首先经历干燥/预热 过程，随后沿窑体向下移动，直到温度被升高到煅烧温度。矿物正经 历煅烧过程(释放二氧化碳)的窑段被指定为煅烧区。正处理的矿物 最后沿窑体向下移入气体温度最高区域，即在窑体烧制下端的熟烧区 内。窑气流与正处理的矿物流相反地从熟烧区经中间煅烧区及矿物干 燥/预热区并经窑顶部的气体出口端流出进入到窑尘收集系统中。通过 位于窑废气流中的抽风通风机，可以从一定程度上控制流经窑的窑气 流。在过去的十到二十年里，预热/预煅烧水泥窑被证实在能效方面要 比传统的长窑更有效。在落入被加热的回转炉以进行高温熟烧反应之 前，在预煅烧窑内，供应原料在一个静止逆流预煅烧炉内被加热到煅 烧温度。

响应于环保方面和更严格的控制排放标准，矿物处理业已投资致 力于减少水泥和其它矿物处理窑排放的研究。本发明提供在制造热处 理矿物产品如水泥和石灰石期间内提高热效并减少废气排放的方法和 装置。
本发明被用于所谓的矿物处理长窑以及在制造水泥情况下被用于 预煅烧窑，其熟烧水泥的高能效制造已得到了人们的认可。本发明提 供了减少排放并提高补充燃料能效的优势，释放气体的热处理矿物包 括但不局限于铁燧岩、石灰石、水泥原料以及用于制造轻型骨料的粘 土。
在本发明的一个方面中，高能/高速空气被喷入窑气流中以减少或 消除在热处理期间内的窑内气体分层，所述热处理在对矿物进行处理 时释放气体。
在本发明的另一个方面中，通过把空气高速喷入回转窑内，把旋 转动量赋予回转窑内的窑气，从而把窑气混合能量传给窑气流。已经 发现，用于促进矿物处理窑内的横截面混合的高速气体喷射有效地通 过促成能量输入矿层而提高了能效，伴随着这种空气喷射，在主燃烧 区内的燃烧化学计算及温度剖面分布改变了，从而减少副产品氮氧化 物的形成。
根据本发明的一个方面，提供一种减少NOx排放并且在进行矿物处 理期间在回转窑内提高能效的方法。窑包括一个倾斜的回转炉，所述 回转炉有一个主燃烧器和在底端与顶端处的一个燃烧气体入口以便供 给输入原料。该方法特别用于这样的用途，即在回转炉内矿层中的矿 物在炉窑内热处理期间里经历了释放气体的化学反应。该方法包括以 约100英尺/秒-1000英尺/秒的高速把空气通常从提供大于约0.15个 大气压的空气压缩源喷入回转炉的步骤，而在本发明的一个方面中， 是在沿回转炉的下半段的某处，在那里，窑气与矿物之间的温差最大， 以使矿物所释放的气体与来自主燃烧器的燃烧气体混合。被喷射的空 气的质量流量最好约是窑用助燃空气的质量流量的约1％-15％。
在一个实施例中，空气最好是经过一个空气喷射管被喷入回转炉 内，空气喷射管从回转炉壁上的一个开口伸入回转炉并且终止在一个 用于在回转炉内沿预定路径输入被喷射的空气的喷嘴处。通常，空气 经至少两个或多个离回转炉壁约H-2H距离、在回转炉内的喷嘴被喷入 回转炉里，其中“H”为炉内的矿层最大深度。喷射空气的预定路径最 好是为了把旋转动量赋予流过回转炉的燃烧气体。在本发明的一个方 面中，该方法进一步包括使补充燃料燃烧的步骤，所述燃料在窑内相 对窑气流从空气入窑点被输入回转炉的下游。在本发明的另一个实施 例中，该方法进一步包括以约100英尺/秒-1000英尺/秒的高速在相 对窑内气流的下游点把空气从补充燃料输入口喷入回转炉的步骤，从 而使矿层和燃烧的补充燃料所释放的气体与来自主燃烧器的燃烧气体 混合。空气喷入窑内的速度通常约为窑运转期间内的单位时间所需要 的助燃空气总量的1％-15％并最好为1％-7％。在本发明的一个特殊实施 例中，空气喷嘴有一个长宽比大于1的口，如一个矩形或椭圆形横截 面的口。
在本发明的另一个方面中，提供一种减少NOx排放并提高预热窑/ 预煅烧(PH/PC)水泥窑内的燃烧效率的方法。预煅烧窑包括一个有一 个主燃烧器燃烧区的回转炉部分以及一个有第二燃烧器燃烧区的固定 不动的预煅烧炉部分。每个主燃烧器和预煅烧部分都充满了数量受到 控制的预热助燃空气。在运转中，来自主燃烧区的燃烧气体不断流过 回转炉、预煅烧炉部分并且与矿物供应流相反地流入一连串气漩中。 在被用于预煅烧窑时，本发明的方法包括在第一气漩前的某处以对应 于炉窑所需的单位时间总助燃空气的约1％-7％的质量速率把压缩空气 注入炉窑的预煅烧炉部分的步骤。最好是通过至少两个空气喷嘴以约 100英尺/秒-1000英尺/秒的速度注入空气。在一个实施例中，空气在 被喷入预煅烧炉部分之前被压缩到约4-150个大气压，更典型地约为 每平方英寸40磅-100磅。喷嘴最好是朝着预煅烧容器，以优化包含气 体与流态化矿物的横截面混合。在一个实施例中，这些喷嘴被安置成 能促进容器内的紊流，而在另一个实施例中，这些喷嘴指向预煅烧容 器，以促进其中的旋转流动或漩流。
在本发明的一个替换实施例中，提供一个改进型预煅烧水泥窑， 其中该改进方案包括一个位于固定预煅烧炉之内或之上的空气喷嘴以 及把压缩空气输送给喷嘴并以约100英尺/秒-1000英尺/秒的线速度 输入炉的装置。改进型炉窑最好装有许多被安置用来把压缩空气传输 到预煅烧炉内的喷嘴。
在本发明的另一个实施例中，提供一个减少NOx排放并提高能效的 改进型矿物处理窑。该窑包括一个有一个主燃烧器且下端有燃烧气体 入口的倾斜回转炉。该窑尤其被用于热处理在热处理期间内经历了放 气化学反应的矿物。炉窑被改造成包括一个以约100英尺/秒-1000英 尺/秒的速度把空气喷入回转炉的空气喷射管。空气喷射管自容器壁上 的一个开口伸入回转炉内并且终止于一个在容器内沿预定路径引导被 喷射的空气的喷嘴内。所述开口最好位于沿回转炉下半段的某点上， 以使矿层释放的气体与来自主燃烧器的燃烧气体混合。炉窑的附加改 进点包括一个与空气喷射管空气流通的风机或压缩机以及一个调整空 气喷入窑内的速度的风机或压缩机控制器。风机或压缩机可以是固定 的并且通过如一个在该炉旋转期间里与开口流道对准的环形压力通风 腔与在容器壁上的开口空气流通。或者，可以把风机或压缩机安装在 回转炉壁上，以便把被喷射的空气输入炉窑内。通过一个切向功率环 把电能传输给被装在回转炉表面上的风机或压缩机。
改进型矿物处理窑最好被改造成包括至少两个把空气喷入回转炉 的空气喷射管，每个空气喷射管终止于一个在容器内沿预定路径引导 被喷射的空气的喷嘴处。这个喷嘴或这些喷嘴最好在回转炉内距离回 转炉壁约H-2H，其中“H”为回转窑炉内矿层的最大深度。最好这样安 置这些空气喷射管，即由每个喷嘴被喷射的空气的预定路径起到把旋 转动量赋予流经回转炉的燃烧气体的作用。
这些空气喷射管可以被安装成从该开口起垂直于在该开口处的回 转炉切线地延伸入回转炉内并且终止于一个用于沿回转炉内的预定路 径引导空气的喷嘴处，该路径被选择用于把旋转动量赋予窑气流。或 者，(这些)空气喷射管可以被定位成从回转炉的开口起与开口处的 切线成锐角地并基本上垂直于穿过管末端延伸的回转炉半径线地伸入 回转炉。这样配置的空气喷射管用来引导被喷射的空气穿过窑气流， 从而在喷射点把旋转动量赋予窑气流。在一个实施例中，形成长宽比 大于1的喷管口。
空气喷射管被构造成与一个增压空气源最好是一台能够提供大于 约0.15个大气压最好大于约0.20个大气压静压差的压缩机或风机、 鼓风机相通。风机、鼓风机或压缩机有足以把被喷射的空气连续送入 每磅被喷射的空气的输入动能约为1瓦特/小时-10瓦特/小时(相当于 每磅窑气约为0.1瓦特/小时-1瓦特/小时)到窑内的尺寸和功率。这 样选择空气喷嘴口的尺寸，即在施加的静压下把空气喷入回转炉内的 质量速率约为1％-15％，最好是约为1％-10％或约为1％-7％，使得空气被 喷入固定的预热/预煅烧窑内。被喷射的空气的线性速度范围通常约为 100英尺/秒-1000英尺/秒。
在一个实施例中，改进型矿物处理窑进一步包括一个燃料补充输 送口以及一个在相对窑内气流的炉下游上某处从空气喷射管位置起从 开口伸入回转炉内的管。窑可以被进一步改造成包括一个或几个附加 的空气喷射管，这些空气喷射管在与空气喷射管气流连通的风机或压 缩机的影响下把高速空气喷入回转炉内。空气喷射管终止于一个在炉 内沿预定路径引导被喷射的空气的喷嘴内。所述空气喷射管位于气流 从燃料补充输送口开始在相对窑内气流的回转炉下游上的某点，以使 从矿层和燃烧的补充燃料释放的气体与来自主燃烧器的燃烧气体混 合。为风机或压缩机提供一个调整空气在下游被喷射的空气点喷入窑 内速度的控制器。
在本发明的另一个方面中，提供了减少从回转水泥长窑释放的废 气流中NOx的方法，所述回转水泥长窑被改造用于燃烧补充燃料。运转 中的窑包括一个绕其长轴旋转的倾斜圆柱形炉。该炉底端受到主燃烧 器的加热而顶端装载原料。窑气流从带有一个主燃烧器以及一个助燃 空气入口的加热底端流过炉顶。正处理的矿物材料在炉内重力的作用 下与来自回转炉最顶端干燥区的窑气流相反流动地形成了最大深度为 H的矿层。所述矿层流过一个中间煅烧区，并且在作为水泥熟烧离开底 部之前进入高温熟烧区。补充燃料经过一个开口以及一下落管而被注 入炉内，所述下落管与炉壁上的开口相通以在符合至少一部分煅烧区 的第二燃烧区内燃烧接触煅烧矿物。本发明减少从窑排出废气流中NOx 的应用包括以下步骤，以约100英尺/秒-1000英尺/秒的速度经一个 空气喷射管喷射空气，该空气喷射管从炉内的一个开口延伸并终止于 一个在炉内沿预定路径引导被喷射的空气的喷嘴内。空气喷射口位于 相对熟烧区窑气流在下游同时相对煅烧区顶端窑气流在上游的某处。 空气喷嘴在炉内离炉壁约H-2H，被喷射的空气预定路径最好与线段成 45°以上角度，所述线段与炉转轴平行并在炉内从喷射点延伸经过矿物 供给。空气喷入炉的速度被控制到约为窑运转期间内的单位时间所用 总助燃空气量的1％-10％。
具体地，本发明提出一种在矿物处理窑的回转炉内混合高温窑气 流的方法，所述回转炉有一个圆柱形壁、一个燃烧气体入口/燃烧器端 以及一个窑气出口端，所述窑气流有许多气体成分，这些气体成分由 在包括助燃空气的含氧气体内燃烧的燃料的燃烧产物组成，所述方法 有效减少了窑排放的气态污染物质并且包括经一个空气喷射管把空气 喷入窑气流中的步骤，所述空气喷射管终止于与炉壁和回转炉的转轴 间隔开的喷射口，以窑使用助燃空气的质量流速的1％-15％的质量流速 且在每磅被喷射的空气为10瓦特/小时的输入能量水平时喷射所述空 气，并且沿回转炉的长度方向在窑气温度大于1800°F之处把空气引入 窑气流中从而把旋转动量赋予窑内的窑气流。
本发明也提出一种在运转的矿物处理窑的回转炉内混合高温窑气 流以减少有害污染物排放的方法，所述炉有一个圆柱形壁、一个助燃 空气入口端和一个窑气出口端，所述窑气流有多种气体成分，这些气 体成分由在包括助燃空气的含氧气体内燃烧的燃料的燃烧产物组成， 所述方法包括从增压源经一个空气喷射装置把空气喷入窑气流中的步 骤，所述空气喷射装置包括一个终止于回转炉内的喷射口处且与炉壁 和回转炉的转轴隔离开的管，选择气压和喷射口的尺寸，使得可以以 小于消耗的助燃空气质量流速15％的质量流速经喷射口传输被喷射的 空气并且引导被喷射的空气以在窑内影响窑气流，从而把旋转动量赋 予窑气流。
本发明还提出一种在运转的矿物处理窑的回转炉内混合高温窑气 流以减少有害污染物排放的方法，所述炉有一个圆柱形壁、一个助燃 空气入口端和一个窑气出口端，所述窑气流有多种气体成分，这些气 体成分上由在包括助燃空气的含氧气体内燃烧燃料的燃烧产物组成， 所述方法包括从空气增压源经一个空气喷射装置把空气喷入窑气流中 的步骤，空气喷射装置包括一个终止于位于回转炉内的喷射口处且与 炉壁和回转炉的转轴隔离开的管，所述方法还包括选择增压源以提供 大于0.15atm静压差的空气，并且把空气喷射口的传输横截面尺寸加 工成，使得可以以小于消耗的助燃空气质量流速的15％的质量流速经一 个喷射装置把空气喷入窑内并且引导被喷射的空气以影响窑气流，从 而被喷射的空气的主要方向矢量分量与平行于回转炉转轴的线正交。
本发明也提出一种在运转的预热窑/预煅烧矿物处理窑内混合高 温窑气流以减少有害污染物排放的方法，所述窑有一个回转炉，所述 回转炉有一个助燃空气入口端、一个与固定预热窑/预煅烧窑塔状部分 气体流动相通的窑气出口端，所述窑气流有多种气体成分，这些气体 成分由在包括助燃气体的含氧气体内燃烧的燃料的燃烧产物组成，所 述窑被改造用于在回转炉的窑气出口端附近的第二燃烧区内燃烧补充 燃料，为减少所述窑的NOx排放创造条件，所述方法包括从空气增压 源经一个空气喷射装置把空气喷入窑气流中的步骤，空气喷射装置包 括一个终止于位于回转炉窑气出口端两倍窑径范围内的喷射口内的 管，确定空气增压源和空气喷射口的尺寸以便可以小于消耗的助燃空 气质量流速的1％-15％的质量流速经喷射装置把空气喷入窑内，且引导 被喷射的空气把旋转动量赋予窑气流。
本发明还提出一种减少从燃烧补充燃料的改进型回转水泥长窑内 排出的有害气流中NOx的方法，其中，窑包括一个具有一个圆柱形壁 的倾斜柱形炉，所述炉绕炉的长轴旋转，所述炉的底端被加热而顶端 装满矿物原料，并且有来自加热底端的窑气流，加热的底端有一个主 燃烧器和一个助燃空气入口，矿料在重力作用下形成了一矿层，该矿 层以最大流动深度为H、在作为水泥熟料离开底端之前、相反于窑气流 从炉最上端的干燥区经过一个中间煅烧区然后进入高温熟烧区流动， 其中补充燃料经炉壁上的一个开口被注入炉内以燃烧接触第二燃烧区 内的煅烧矿料，所述方法包括以下步骤：
以100英尺/秒-1000英尺/秒的速度经一个空气喷射管喷射空气， 所述空气喷射管从炉内的一个开口延伸并且终止于一个沿预定路径引 导被喷射的空气的喷嘴，所述开口在炉内位于熟烧区窑气流的下游和 煅烧区顶端窑气流的上游某处，其中，喷嘴位于炉内距离炉壁为H到 2H的距离处，而被喷射的空气的预定路径与平行于炉的长轴且从喷射 点延伸经过炉的矿物供给端的线段成45°角度。
本发明也提出一种从矿物供给中制造水泥熟料的预煅烧水泥窑， 所述预煅烧水泥窑被改造成减少NOx排放并提高燃烧效率，所述预煅 烧水泥窑包括一个用主燃烧器加热的回转炉、和一个与回转炉以气体 和矿物流动相通并且具有一第二燃烧器的固定预煅烧窑炉，所述的预 煅烧水泥窑包括一个位于所述固定预煅烧窑炉上的空气喷嘴和以100 英尺/秒-1000英尺/秒的线性速度把压缩空气传输到所述喷嘴中并且 进入所述回转炉内的装置。
本发明还提出一种通过减少NOx排放并提高能效进行操作的改进 型矿物处理窑，所述窑包括一个倾斜的回转炉，所述回转炉有一个主 燃烧器且底端有一个助燃空气入口，其中，在对矿物进行热处理期间 内，所述窑内的矿层经历了放气化学反应，所述窑被改造成包括：
1)一个空气喷射管，用来以100英尺/秒-1000英尺/秒的速度 把空气喷入回转炉内，所述空气喷射管自炉壁上的一个开口伸入回转 炉内并终止于一个在所述炉内沿预定路径引导被喷射的空气的喷嘴， 所述开口位于回转炉下半段的某点，用来使矿层释放的气体与来自主 燃烧器的燃烧气体混合，以及
2)一个与空气喷射管气体流动相通的风机或压缩机，以及
3)一个风机或压缩机控制器，用来调整空气喷入窑内的速度。
本发明也提出一种在回转炉内减少矿物处理期间的NOx排放并提 高能效的方法，所述回转炉包括一个倾斜回转炉，所述回转炉有一主 燃烧器、在主燃烧器的底端处的一个燃烧气体入口以及顶端的矿物供 应端，其中，矿层中的矿物在窑内进行热处理期间内经历了放气化学 反应，所述方法包括从一个提供大于0.15atm静压差的增压源以100 英尺/秒-1000英尺/秒的速度把空气喷入回转炉内的步骤，以减少从 矿层释放的气体与来自主燃烧器的燃烧气体的分层。
本发明还提出一种减少NOx排放并提高从矿物供应中制造水泥熟 料的预煅烧水泥窑的燃烧效率的方法，所述预煅烧水泥窑有一个由主 燃烧器加热的回转炉部分和一个由第二燃烧器加热的固定预煅烧炉部 分，每个所述的主燃烧器和预煅烧炉部分都装满了数量受控制的预热 助燃空气，并且其中来自主燃烧器的燃烧气体流过回转炉部分、固定 预煅烧炉部分，并且与矿物供应逆流相通地进入一串气旋中，所述方 法包括在第一气旋前的某处以对应于总助燃空气的质量流速的1％-7％ 且以100英尺/秒-1000英尺/秒的速度把压缩空气喷入所述预煅烧水 泥窑的预煅烧炉内的步骤。
附图说明
图1-图4是根据本发明改进的用来把混合气体高速喷入回转炉内 的矿物处理窑的局部剥离示意图；
图5、6、7是根据本发明改进的回转窑的横截面图，它图解说明 了把混合气高速送入回转炉内的替换实施例。图7a是沿图7中AA线 部分剖开的平面视图；
图8a、8b图解说明了替换喷嘴口的结构；
图9a、9b图解说明了根据本发明在补充燃料(轮胎)输送装置(未 示出)的上游在水泥窑内没有高速被喷射的空气(9a)以及有高速被喷 射的空气(9a)的流动形式；
图10a、10b类似图解说明了没有高速被喷射的空气(10a)以及 有10％高速被喷射的空气(10b)的主燃烧窑的燃烧化学计算；
图11与图10类似地示出了在窑内把15％补充燃料传输到10％高速 被喷射的空气上游的窑的三个区域内的燃烧化学计算；
图12类似于图11地示意表示其中窑被改动用来燃烧补充燃料并 且用来在燃料送到回转炉内之处的上游和下游高速空气喷射的窑燃料 燃烧的化学计算；
图13示意表示如图12示意所示的窑内高速被喷射的空气对窑气 流的作用；
图14是含有正处理的矿物所释放气体(二氧化碳)的回转窑炉的 截面图；
图15类似于图14地显示了通过高速喷入回转炉中的空气而进行 的窑气混合；
图16图解说明了在没有矿层释放的气体分层时传输到正处理材 料中的辐射能；
图17-图20示意表示商用固定预煅烧窑的各种构造，“箭头”表 示促进在固定炉内与高速被喷射的空气混合的高速空气的喷射点；
图21、22与图1-图4类似且图解说明了矿物处理窑的局部剥离 示意图，所述矿物处理窑被改动用于有示意表示的监控和控制空气喷 射以及蒸汽或被喷射的空气流的窑气监控控制器的空气喷射；和
图23是被改动用于空气喷射以及补充燃料传输以减少NOx的预煅 烧窑的回转炉顶端部分的局部剥离正面图。
具体实施形式
根据本发明，空气被喷入矿物处理回转窑内以把动量传给窑内的 气体，从而实现了横截面混合。为了消除气体在窑内的分层，此发明 为所述在运转期间内正在处理时会释放气体的矿物的窑，如处理石灰 石、水泥生混合料的窑，轻型骨料使用的粘土窑以及铁燧岩窑，提供 了空气喷射。被喷射的空气的主要目的是为了使从正处理的矿物释放 的气体与来自窑燃烧区的燃烧气体混合从而提供动量，因而存在着许 多特为此发明指定的部件，这些部件完全或部分配合实现了窑气的横 截面混合作用，从而提供了利用本发明在各种矿物处理窑中实现的优 势。
为了减少或消除气体在窑内的分层，本发明详细说明了空气的喷 射。典型的窑直径从8英尺到20英尺以上并且有10∶1-40∶1以上的长 度直径比。煅烧材料典型地为波特兰水泥原料、粘土、石灰石、铁燧 岩以及其它被热处理并加热时释放气体的矿料。在此发明中，被喷射 的空气的目的是提供横截面混合的能量；即便有，空气也只有很小的 为燃烧提供氧气的功能.矿物处理窑如水泥和石灰窑通常把废气中的 含氧量控制到实际的较低水平并且也避免大量一氧化碳或二氧化硫的 形成。在这种情况下，需要运转以使热效率最大.通过与两种几乎不 燃烧的空气起作用可以负面影响热效率，从而导致燃料的不完全燃烧 或过量的助燃空气，导致热损失的加大。
需要经过一个热回收装置来引导用于矿物处理的燃烧气体，所述 的热回收装置用来回收从窑内排出的处理后的矿物产物的热量.进入 助燃空气中所回收的热量可以是给该处理过程提供的总能量的重要部 分。除了主燃烧区以外的某处把周围空气喷入窑气流中将被认为由于 它可能存在对热回收的不利影响因此不是相当有利；实质上，用被喷 射的空气代替经热回收装置提取的燃烧气体。
计算机模拟的煅烧窑揭示了由正处理的矿物所释放的气体在窑内 保持分层。与来自位于逆流的矿物处理窑的材料排出端的主燃烧区的 热气相比，所释放气体的温度非常低而且经常有较高的分子重量和较 大的密度。作为密度差的结果，这些释放的气体留在窑底部。除了煅 烧矿物释放的气体以外，也可能存在从矿物释放出或作为被加到该处 理过程中的燃料而被释放到窑中部的可燃物质。释放的气体在窑气流 上面覆盖并保护这些易燃材料避免接触气体中的氧气。低温气体的这 种覆盖也保护矿层避免直接接触热的燃烧气体。因此，所述压缩空气 使用间接加热法。通过热的燃烧气体来加热炉壁并且窑的旋转导致热 的炉壁与矿层接触。通过此发明，全部处理空气中的一小部分即小于 15％的部分在某种程度上被喷入回转炉内以产生窑内窑气流的动量的 旋转分量。此旋转分量产生了沿窑顶部在煅烧矿层上移动的待迫降的 热气，推开释放的冷气覆盖层。热气与矿层的这种接触增添了另一种 传输机构，从而提高了窑处理热效率。
被喷射的空气的动能以及产生的旋转动量致使释放的气体与热的 燃烧气体和任何从这些气体和被喷射的空气中残留的氧气混合。这种 横截面混合导致可能已含在覆盖气体中的可燃烧成分的氧化。因此， 在给予过量空气水平的情况下，可以减少未燃烧成分如一氧化碳、二 氧化硫以及碳氢化合物的排放。或者，在减少过量空气水平的情况下， 可以提高处理效率同时保持先前的排放水平。热传输的新机构以及减 少过量空气的好处缓和了由绕过热回收装置的空气部分带来的对能量 回收的不利影响。
本发明的被喷射的空气机构位于沿窑存在明显的燃烧气体与矿层 温差的某处。一般，这是窑内尽可能按实际靠近燃烧区的位置至煅烧 区冷却端的某位置，所述燃烧区受装置工作温度极限的限制，预期约 为2800°F，所述煅烧区受等于混合发生后允许燃烧的温度的限制，该 温度约为1600°F-1850°F。在本发明的一个实施例中，空气喷射管位于 回转炉最热的一半部分(下半部分)内。在给定回转窑内锻烧的多数 矿物性质的情况下，通过在煅烧区安装装置以断绝并消除分层也可以 获得好处。该装置也可以被放在矿物几乎完成煅烧的底端以中断高密 度气体覆盖层在正处理的矿物上的形成。许多圆周移位、轴向移位或 轴向和圆周移位的空气喷射管可以位于窑上。它们可以彼此无关地分 别与一个风机、鼓风机或压缩机相连，或它们可以与增压集管气体喷 射流动连通。
为了控制二氧化氮也可以利用被喷射的空气中的含氧量以产生分 阶段的燃烧。因为上述燃烧气体中损失能量的回收，所以矿物处理回 转窑内的分阶段燃烧由于可感知的高能量损失而不能实行。回转窑如 煅烧窑或焦炭处理窑实际上可以分阶段燃烧，但这种窑的排出产物不 具有大量的可回收能量，因而没有矿物处理窑的功能限制。同样，由 于提高的燃烧效率，所以需要较少量的过量空气即可实现完全燃烧。 增强的混合以及产生的窑内燃烧的不分层将允许使用不过度扰乱工艺 处理的能量需求的过量空气来实现分阶段燃烧。用于横截面混合的空 气的高能喷射能够在矿物处理窑内使用分阶段燃烧来控制排放。
参见图1-图4，矿物处理窑10包括一个有一个圆柱形壁14、一个 底端燃烧气体入口/燃烧器端16以及一个顶端气体出口端18的回转炉 12。运转时，原矿物供给20被传输到气体出口端18，且随着回转炉 12的旋转，矿层从气体出口端18逆向于形成炉气流的燃烧产品流动移 向空气入口/燃烧器端16。燃烧器24装满主燃料源26，并且助燃空气 经罩28从热回收装置30提取助燃空气到入口端16中。处理后的矿物 离开助燃空气入口端16并且被传输到热回收装置30。沿回转炉12的 长度在某些点放置了一个或多个与一台风机、鼓风机或压缩机34空气 流动连通的空气喷射管32，所述点就是矿层22中正处理的矿物正在煅 烧之处或窑气流与矿层之间温差最大之处，最典型的是在回转炉12的 下面大半部分内，比气体出口端18更靠近燃烧气体入口/燃烧器端16 的部分。这些空气喷射管32以喷嘴36终止于回转炉内，安置所述喷 嘴36用来沿一条被设计成给窑气流赋予动力的路径来引导被喷射的空 气。在本发明的一个实施例中，喷嘴36内的口38有大于1的长宽比 (见图解说明了矩形横截面口的图8a和8b)。
参见图3和4，矿物处理窑可以被进一步改进成燃烧从补充燃料源 40经燃料传输装置42传输到回转炉内的补充燃料以燃烧接触矿层22 中正处理的矿物。在本发明的一个实施例中，喷射空气以在燃料传输 装置42与助燃空气入口/燃烧器端16之间的某点把旋转动量赋予窑气 流。可选地在补充燃料传输装置42与气体出口端18之间的回转炉12 上的一点或更多的附加点喷射空气。
参见图5和6，两个或两个以上空气喷射管32可以沿圆周(或径 向地)位于回转炉12的圆柱形壁14上。由通过集管44空气流劝连通 的风机或鼓风机34把加压空气传输到这些空气喷射管。或者如图7所 示，每个空气喷射管可以直接与一台鼓风机或风机34相连用来把高能 /高速空气传输到窑气流中。空气喷射管32终止于窑内矿层22顶部与 喷嘴形式的回转炉转轴之间的某点，所述喷嘴用来把高能被喷射的空 气50引入回转炉内以把旋转动量赋予窑气流。
参见图9b，通过把高能空气喷入窑内以在窑气流中产生旋转动量， 在窑气流中燃烧的补充燃料成分52被不断清除它们本身的燃烧产物并 且与混合窑气接触以为燃烧和能量传输提供更有利的条件。
参见图14和15，有效地把旋转动量赋予炉气流的高能混合空气 的喷射用来驱散如通过煅烧矿层22中的矿物而产生的分层。随着通常 覆盖矿层22的更密的二氧化碳层的去除或驱散，来自窑气流及回转炉 12圆柱形壁14的辐射能到达矿层以允许窑气流与最终处理矿物之间 更有效的能量传输(见图16)。
参见图解说明了预热/预煅烧窑固定部分的各种结构的图17-20， 存在着指示点70，用来把高压空气喷入固定部分以在流过那些固定部 分的气流中产生紊流或旋转动量。因此，可以如从一台压缩机经过一 个或几个位于预热窑/预煅烧窑固定部分壁上的喷嘴高压/高能地喷射 空气以提供混合能量，从而减少与分层有关的污染物质并且局部化了 这种预煅烧装置的燃烧不均匀性。
在本发明的一个实施例中，参见图21和22，在回转炉12的气体 出口端处或附近监控窑气流的排放量/分布图以提供所述排放分布图 的信号特征用来输入到一个或几个包括一个空气喷射控制器或被喷射 的空气控制器的窑控制器和一个把蒸汽或废气喷入窑气流中的控制器 以把热镇流器提供给窑气流。
在图23中所示的本发明的一个应用中，空气喷射器单元31位于 预热/预煅烧窑小风道内回转炉12气体出口端18的两倍窑径的范围 内。窑气流在空气喷射点的温度为2200°F-1800°F。从与燃料源62 相连的补充燃料传输管60中喷射补充燃料58以在回转炉12的气体出 口端18建立高能喷射混合有空气的窑气流的降低的条件以实现预热/ 预煅烧窑NOx排放的减少。
例1
分阶段燃烧    石灰窑
通过多个装置可以实现分阶段燃烧。例如，用超过燃烧需要的0％ -5％的空气来操控窑。在这种过量空气的水平下，产生了一些残留的 一氧化碳和二氧化硫。进一步减少传输到燃烧区的过量空气以减少氧 化氮的形成将导致由于燃料的不完全燃烧导致的非预期的一氧化碳和 二氧化硫的排放以及热效率的损失。通过安装本发明的装置以及喷射 总助燃空气的10％到该工艺过程中，主燃烧区中可用的空气将不足以完 全燃烧燃料，而离开此区的气体将有非常高浓度的一氧化碳以及其它 没有完全燃烧的产物。因为没有完全燃烧的产物优先吸引有用的氧或 甚至可以吸引氧化氮中的氧，所以即使主燃烧区保持在高温下，氧化 氮还是减少了。
因为保持的总气流为燃烧所需的100％-105％，所以在窑中部10％ 的喷射致使主燃烧区内所需助燃空气只有90％-95％。当可用的氧气变 得不太热以至于不能形成氧化氮时，在仍然足够热可以快速完成燃烧 的窑温度区喷射附加空气。喷射10％的助燃空气具有足以在窑内混合燃 烧气体横截面的能量。这致使空气超过燃烧所需的0％-5％，这将使残留 的一氧化碳和二氧化硫最少。此混合区的温度与主燃烧区的温度不 同，因此，即使此区内目前有过量的氧气也不能形成氧化氮。
例2
在美国专利US 5632616中描述了提高燃烧效率的混合空气的使 用，所述专利声明了混合空气的使用连同中间窑的烧窑。当喷射发生 在燃料喷射点的上游(向下)时，使用正切喷射高能空气以在窑内产 生增强混合空气效率的大量气体的旋转分量。
例3
作为识别窑内气体分层的结果，发展了混合空气的理念。形成窑 中部燃料的较重的二氧化碳和热解气体在窑底部保持分层，而含氧气 的高温气体在顶部分层。
当装置位于燃料喷射点的下游(向上)时，通过喷射混合空气法 获得的横截面混合允许没有完全燃烧的残留物燃烧。为了减少氧化 氮，当它们仍然在氧气中消耗时，基本上也获得了气体的横截面混合。 因此，在窑中部烧窑处的上游(向下)安装一个混合空气的装置以把 旋转动量赋予窑气流从而在整个窑气中混合燃烧和热解燃料的烟流。
理想的窑装置应该是两个被喷射的空气装置，一个位于窑中部燃 料喷射的上游以在窑气仍然在氧气中消耗时获得横截面混合，而另一 个位于下游以获得与被喷射的空气的横截面混合，从而获得任何没有 完全燃烧的残留物质的燃烧。
这些实例提议助燃空气比足以在减少区内完全燃烧的量要少5％。 实际上，预计只要实现助燃空气只缺乏1％或2％就足以控制氧化氮的排 放。
例4
少量增强混合的高压被喷射的空气的使用也可以适用于预煅烧水 泥窑。预煅烧水泥窑使用了第二烧窑并且可以被改进成在第二烧窑区 之后引导一些燃烧气体以产生分阶段燃烧。但是，这种改进是昂贵的。 同样，因为把助燃空气移过预煅烧窑需要动力，所以这些装置被设计 成有较低的压降即可运转。因此，这些装置没有被设计成优化混合和 使用的较长保持时间以获得充足的混合。借助非常高速(压)的混合 空气所引入的能量可以增强这些窑装置的性能.约为4psi-150psi 更典型地约为40psi-100psi的压力被用来引入大量的能量以在短时 间内产生良好的混合。对于非常高的压力，只用总助燃空气的百分之 几(1％-5％)即可实现能量引入。成百马力的能量可以进入混合而不增 大预煅烧装置的总压降。所需空气量保持受限制以使热回收装置排出 的空气量最小。增大混合效率可以增大燃烧效率且允许减少获得预期 水平的残留一氧化碳所需的过量空气。这种过量空气的总体减少以及 在主燃烧区后通过替代而减少的过量空气致使燃烧区内较少的可用氧 气，这将有利于使氧化氮的形成最小。随着替代的混合空气增加，主 燃烧区可以是亚化学计算的导致了这样一种环境，即该环境有利地破 坏了在高温回转窑内产生并经过预煅烧窑的氧化氮。
混合空气对矿物处理的作用
煅烧窑内的气体由于燃烧气体与从正处理的矿物所释放的气体之 间的温差和产生的密度差而被高度分层。结果，热的燃烧气体不直接 与矿层接触。热传输通过加热窑壁的热气而直接发生，当窑转动时， 热的窑壁在矿层下旋转。也可能存在着从热气到矿层的辐射，但是， 当燃烧气体在主燃烧区自最高温度冷却时，此机构变成次要的。把旋 转动量赋予窑气的高压空气的喷射会增加热传输到煅烧窑的另一个机 构，即它会带来沿窑顶向下移动接触矿层的热的燃烧气体。这个附加 的热传输机构将用来提高煅烧装置的热效率。
在中间工艺过程把外界空气喷入窑内代替来自热回收装置的空 气，所述热回收装置把排出产物中的热量回收到助燃空气中。来自热 回收装置的空气的减少可以实现此热回收装置的效率，因此，需要使 增加到中间工艺过程中的混合空气的量最少。这要求在高压下喷射混 合气以使它有足够的动能把旋转分量赋予多数窑气。
作用于预煅烧窑的高能空气喷射的燃料损失
通常认为，在冷却器的下游把未加热的空气喷入水泥工艺过程中 以及产生的来自冷却器的空气的替代会导致不能接受的热回收损失。 根据精细的测试计算值显示出这种热回收的损失是最小的，尤其是在 高温区混合处理气体的好处方面。计算值显示出，如果理论高能助燃 空气的10％被引入回转窑内，则相应质量的预热空气的代替会致使来自 冷却器的热回收减少总输入能量的2％以下。由于分层的消除，工作效 率的潜在增益可大大地补偿此热损失。
预煅烧窑内的轮胎燃烧
整个轮胎可以被引到进料槽上或带着足够的动量而滑下，该动量 足够使它们滚入回转炉窑的顶端。轮胎在预煅烧窑回转炉顶端的第二 烧烧区内的燃烧速度受到在主燃烧器处减少相应量燃料的需求的限 制。产生的空气与燃料比的增加致使主火焰冷却并且以约20％的替代速 度发生了不足的火焰温度。作为气体在窑出口内分层的结果，产生了 其它问题。轮胎位于窑体底部，在那里，存在着不足以完全燃烧的氧 气。结果，丰富的可燃气体在馈送带上进入入口室，在馈送带上发生 了与来自窑顶部的含氧气体的部分混合。在入口室内产生的燃烧产生 了局部高温并且在入口室内导致了不可接受的堆积。
通过高能空气喷射在回转炉顶端附近引入约10％的有旋转动量的 助燃空气，整个轮胎的替代率可以被提高到没有不可接受的主火焰温 度或堆积的30％窑燃料。另外，空气喷射混合产生了由燃烧轮胎产生的 减少的氧气的更均匀分布以促使NOx更有效的减少。混合窑气的改进使 入口室内潜在的不可接受的堆积最小。
预煅烧窑出口处的Polysius燃料喷射以控制NOx
破坏在矿物处理窑高温区内产生的NOx的一种方法是在某些下游 点产生温度为1800°F-2500°F的亚化学计量的区域。这可以通过在窑 出口处引入碳氢化合物燃料而实现，如Polysius所述。此项技术的限 制在于，窑的出口气体被高度分层。窑顶部的气体较热且含氧量较高， 而沿窑底部移动的气体较冷且富含从剩余碳酸钙分解出来的以平均热 量进行到窑中的二氧化碳而且可能富含自预煅烧窑引入的任何碳形成 的一氧化碳。
通过在传输管横截面上实现了减少区的均匀分布可以增强喷射燃 料的功能。通过在回转窑内的空气喷射装置把混合能量喷入以驱散回 转窑内的分层从而给减少区提供了更均匀的气体成分。借助靠近回转 炉气体出口端的窑体固定部分中的附加高能空气喷射可以实现喷射燃 料与产生的减少区的进一步混合(见图23)。
提高回转窑内的热传输
石灰窑实例：
在石灰窑煅烧区内的气体被高度分层。在一个12’直径的窑内 (11’I.D.)，经过窑的气体速度典型地为30英尺/秒-50英尺/秒。 气体在煅烧石灰石层上的温度为1800°F-4000°F，而石灰石层和释放的 二氧化碳(分子重量44对燃烧气体分子量29)处于1560°F(～850℃) 的温度下。作为热的燃烧气体与释放的二氧化碳之间较大密度差的结 果，矿层在二氧化碳中保持被覆盖。通过辐射并且通过在矿层下旋转 加热的窑壁发生热传输。
把旋转分量引入窑气速度的高能喷射致使二氧化碳层被煅烧材料 去除。这允许热的燃烧气体与矿层直接接触。因为目前有较大的表面 积并且燃烧气体与正处理的矿物之间的温差较大(与窑壁相比)，所 以热传输率被提高了。
这些高能喷射驱除了形成的分层并且由喷射引入的旋转分量防止 分层的再次形成。
通过引入与矿层接触的包含窑气的热氧气，矿层中先前覆盖有二 氧化碳的可燃烧成分现在可以燃烧了。这些可燃烧成分可以自然地出 现在正处理的矿物中，或可以是引入的固体燃料的结果以为所述处理 提供能量。
存在着许多通过驱除回转窑内矿物本身的分层的处理而可以获得 许多好处。
早期的混合空气应用-通过第二燃烧区下游的空气喷射实现的NOx减 少及消除
使用中间窑第二燃烧区成功实现了在湿法或干法长水泥窑内NOx 的减少。大约10年前，窑中部燃料喷射技术是允许水泥窑燃烧载能固 体废料如整个轮胎的先锋。该技术的附带的好处之一是大约减少了30％ 的NOx排放。
NOx排放是用来制造水泥的燃烧工艺的产物。制造水泥需要的高温 和氧化条件也形成了氧化氮。随后，当窑运转时，它会产生某种等级 的NOx。形成的NOx等级取决于许多因素，但它是可以预测的。在每个 窑内，NOx排放等级的加大和减小通常与燃烧区温度的上升和降低有 关。多数NOx由燃烧区内两种不同机构之一形成。第一种是大气中的氮 的高温氧化，而第二种是燃料中载氮化合物的氧化。来自水泥窑的多 数NOx排放为热NOx。通常，热NOx通过大气中的氮在高温下的直接氧 化而形成。这种反应对温度非常敏感。当温度升高时，反应速度加快。 NOx排放的第二种来源是燃料中包含氮的化合物。典型的煤含有重量约 1.5％的氮。这些化合物经过一系列的复杂反应，致使这些氮的一部分 被转变成NOx。在整个燃烧过程中这套反应是连续的且比较不受温度的 影响。富含燃料的火焰趋向于减少燃料NOx的产生，而富含氧的火焰趋 向于增加或有利于燃料NOx的产生。在适当的熟烧矿物学中要求氧化条 件的窑燃烧区内，燃烧工艺有利于燃料NOx的产生。存在着其它产生 NOx的机构。通常它们的效果与热燃料NOx相比较不明显。
历史已经证实，窑中部燃料喷射装置在湿法或干法长水泥窑内提 供了明显的NOx减少。它利用了经过验证的分阶段燃烧技术，其中部分 燃料在靠近湿法或干法长窑中部的第二燃烧区内燃烧。在研究了窑中 部燃料喷射对水泥窑的作用之后，确定它对热NOx形成机构有直接作 用。它降低火焰最高温度且降低NOx排放率，另外，在较低温度的第二 燃烧区内存在着在窑高温区产生的NOx再次燃烧的可能。
在此发明中，在第二燃烧区的下游经最好是一个有长宽比大于1 的口的喷嘴把总助燃空气的约10％喷入窑内。高速(从能够提供至少 0.15atm最好是至少0.20atm静压差的增压源)且以一定角度进入窑 气流从而把旋转分量赋予窑气。此旋转分量在窑内提供了更好的横截 面混合。通过混合窑气，产生了改进的燃烧以及降低的排放。混合空 气风机喷射通过改变气流在窑内的动力而影响NOx。通过在窑中部燃料 进入处的下游把混合空气加到气流中可以改变主火焰与混合空气之间 过量空气的量。在此实例中，中间窑燃料在主燃烧器之后使用保留的 过量空气，并且经过窑中部燃料进入处，窑内没有过量的空气。现在， 这种情况为化学去除NOx提供了可能。然后，混合空气增加10％的过量 空气注入窑内，并且提供了再次氧化燃烧没有完全燃烧的残留产物的 可能。