使用水泥生料作为吸收剂减少水泥厂的HCl排放的方法和设备

发明领域

本发明涉及用于减少水泥厂的HCl排放的方法和设备。

背景技术

水泥制造是高能耗和高排放的生产工艺。这是生产水泥熟料所需的在水泥窑中产生的极多热量的结果。鉴于水泥厂的高排放和对社会的重要性，其是一个明显的减排场所。水泥厂直接和间接地释放温室气体排放。加热石灰石直接释放CO

与水泥工业相关的另一种气体污染物是氯化氢(HCl)，其也必须保持在特定限制内。但是，水泥制造工艺中的HCl来源和释放机制尚未被充分了解。然而，工业测量公开了存在两个形成区：水泥窑和生料预热塔的上部旋风分离器。此外，在生料磨中和颗粒过滤器单元中观察到HCl清洗现象。

有相当数量的水泥厂在遵守HCl排放限制方面面临挑战(E.U.：10mg/Nm3，10％volO2，干燥)。现有的HCl排放控制方法基于以下方面：

i)生料磨清洗作用的经验利用

ii)在烟道气物流、预热器生料进料和气体调节塔中注入Ca(OH)2，和

iii)酸性气体清洗装置，例如，湿式清洗器和气体悬浮吸收器半干式清洗器(石灰浆喷洒)。

通常，用于控制HCl排放的最广泛使用的方法是在生料磨运行时使烟道气从其中通过。但是，该方法有一些明显的局限性，这些局限性与生料磨的尺寸(可处理一部分烟道气)和生料磨运行时间有限相关。

因此，有利地还在于能够应用减少水泥厂的HCl排放的方法，优选在生料磨未运行时以及为了符合HCl排放限制。

应当清楚地理解，本文中对背景材料或信息的任何引用并不构成对任何材料、信息构成本领域公知常识的一部分或者以其他方式为可承认的现有技术的承认。

发明目的

本发明的目的是克服或至少改善一个或多个以上现有技术中的问题和/或为消费者提供可用或商业化的选择。

本发明的目的是提供用于优选地在生料磨未运行时减少水泥厂的HCl排放的方法。

本发明的另一目的是提供用于减少水泥厂的HCl排放以符合HCl排放限制的方法。

本发明的另一目的是提供用于控制水泥厂的HCl排放的低成本复杂性的辅助方法，该方法利用了生料在相对低温(<180℃)下在气相中水分存在下的HCl吸收能力。

本发明的又一目的是提供现有技术的替代方案。

发明内容

在第一方面，本发明涉及基于预热器和/或旁路气体物流的处理来减少水泥厂的HCl排放的方法，其特征在于可将作为HCl吸收剂的水泥生料分散在要从其中去除HCl的气体物流中。可将水泥生料从生料磨和/或筒仓引入具有优选上行气流的管道中。管道可具有垂直上行的气流。管道可在气体调节塔之后和/或在颗粒过滤器单元之前和/或在颗粒过滤器之前的旁路管线中的点处以流体连通的方式设置。垂直上行的气流使得颗粒难以附聚(颗粒的附聚会降低生料的表观HCl吸收能力)。

根据本发明的方法的基本技术优势来源于在低温(<200℃)下实验观察到的独特的生料的HCl吸收机制。特别地，根据本发明的方法利用了实验证明的生料对HCl的初始快速吸收机制，其对应于表面饱和现象。因此，生料作为吸收剂的应用为常规清洗技术(例如，Ca(OH)2注入)给予了低成本的替代方案。

减少HCl排放可适用于所述生料磨未运行时。

在本发明的示例性实施方式中，作为吸着剂的生料的操作温度可保持在低于180℃，优选接近100℃，最佳选低于100℃的水平。

使用干/湿气相在100-450℃温度范围内进行的实验活动显示生料可在低于180℃，优选低于100℃的温度下用作HCl吸收剂。此外，经检测，生料的HCl吸收能力随着气相水含量和生料水分含量而增加。另外，很明显湿气相的作用随着温度降低而显著。因此，该方法的操作温度显著低于常规清洗技术。

在本发明的另一示例性实施方式中，该方法可适用于总烟道气物流或其至少一部分。这使得与一部分高温气体物流的后续混合的可能性得以实现，从而确保过滤器温度足够高以避免因冷凝所致的表面腐蚀。

在本发明的一个示例性实施方式中，气相水分含量可保持高于5％vol，优选接近20％vol，更优选高于20％vol。

注入的生料可以是可分散的固体粉末。

可在注入前升高固体粉末中的水分含量。

注入的生料可被重新收集和用作预热器的进料。

在本发明的另一示例性实施方式中，该方法可用于吸收SO2和/或NH3和/或Hg。

在第二方面，本发明涉及可利用任何上述方法的设备。该设备可包括反应器管道，其中生料优选被注入到上行气流中。该设备还可包括用于排出注入的生料的分离器(旋风分离器)。该设备还可包括用于稳定烟道气流的风扇。

本发明的第一和第二方面可组合。

本发明说明了包含简单构造的方法的工业应用的一些示例。因此，所建议的利用了根据本发明的方法的设备给出了用于HCl排放控制的解决方案，其特征在于建造和维护成本低。根据本发明方法的工业应用的特征在于与潜在的HCl清洗器安装相比显著降低了资金和维护花费。此外，所建议的设备仅需要对水泥厂布局做轻微修改，这对应于低资金投入。

在本申请的上下文中，多个术语以本领域技术人员常用的方式使用。一些这些术语如下详述：

附图说明

附图示出了实现本发明的一种方式，并且不应被解释为限制于落入所附权利要求集的范围内的其他可能的实施方式。

仅作为示例，将参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示意性地说明了简化的水泥厂布局。

图2示意性地说明了作为温度的函数的使用湿气相(5％vol H2O)的水泥生料的HCl吸收的实验结果。

图3示意性地说明了用于执行根据本发明的方法的设备。

图4示意性地说明了当生料磨关闭时用于执行根据本发明的方法的装置的设置(案例研究1)。

图5示意性地说明了用于执行根据本发明的方法的装置的替代性设置(案例研究2)。

图6说明了包含用于案例研究1的指示值的表(表1)，考虑标称烟道气HCl含量：100ppm，且生料磨工作进料321t/h。

图7说明了包含用于旁路-案例研究2的指示值的表(表2)，考虑标称烟道气HCl含量：100ppm，且生料磨工作进料321t/h。

具体实施方式

图1说明了简化的水泥厂布局，其包含四级水泥预热器1、煅烧器2、旋转窑3、旁路颗粒过滤器单元4、主颗粒过滤器单元5、生料磨6、气体调节塔7和生料存储筒仓8。本发明涉及基于预热器1和/或旁路气体物流的处理来减少水泥厂的HCl排放的方法(例如，如图1中所示)。水泥生料为来自生料磨的研磨原料，其用作HCl吸收剂并且被分散在将要从其中去除HCl的气体物流中。将水泥生料从生料磨6和/或筒仓8引入具有垂直上行气流的管道中。管道优选在气体调节塔7之后和/或在颗粒过滤器单元5之前和/或在颗粒过滤器4之前的旁路管线中的点处以流体连通的方式设置。该方法可适用于生料磨6未运行时。然而，在另一实施方式中，该方法也可用于生料磨运行时。在该实施方式中，设备被设置在窑旁路管线中，或者设置为如下情况：使一部分预热器气体物流绕过生料磨。

与使用专门吸收剂如Ca(OH)2的传统HCl清洗方法相比，使用可得的水泥生料(丰富的)作为HCl吸收剂可显著降低操作费用。

作为吸着剂的生料的操作温度保持在低于180℃，优选接近100℃，最佳选低于100℃的水平。

该方法可适用于总烟道气物流或其至少一部分。

气相水分含量保持高于5％vol，优选接近20vol％，更优选高于20％vol。注入的生料是可分散的固体粉末，在注入之前升高该固体粉末中的水分含量。

在本发明的另一实施方式中，注入的生料可被重新收集和用作预热器1的进料。

根据本发明的方法可用于吸收SO2和/或NH3和/或Hg。

根据本发明的方法提供了用于控制水泥厂的HCl排放的低成本复杂性的辅助方法，该方法利用了生料在相对低温(<180℃)下在气相中水分存在下的HCl吸收能力。本发明是基于以下实验发现，该实验发现显示，生料能快速吸收HCl直至一定容量，并揭示了最佳操作条件。

实验结果显示，HCl吸收是对应于表面饱和现象的非常快的反应(几乎是立即的)。附聚体的存在降低了生料的表观HCl吸收能力。实际上，在理想条件下，该反应是一级的(快速反应阶段)。附聚体的存在使其表现为特征在于初始快速反应阶段和第二慢速反应阶段的两级反应。

根据本发明的方法利用了生料的分散颗粒与HCl的快速反应以减少烟道气HCl含量。此外，实验研究显示，生料与HCl的反应性与生料的温度水分含量以及气相水含量强烈相关。特别是，在给定的气相水分含量下，当温度降低至低于180℃时，生料的HCl吸收能力增加。另外，当温度接近100℃或更低时，生料的HCl吸收能力随着气相水分含量增加。另一个重要的观察结果是，由于生料颗粒附聚体的存在，生料的HCl吸收能力降低；因此，与生料浆相比，可分散生料的注入被认为是优选的。

图2显示了以下实验结果：该实验结果说明在湿气相的情况中，通过快速反应(表面饱和)的HCl吸收的温度效应。特别是，实验数据显示，存在快速吸收的初始周期(68-106s)，当温度降低(在180℃-100℃范围内)时该周期延长。这种延长对应于温度降低时HCl吸收能力的增加。

根据本发明的建议方法的工业应用的益处来源于使用生料固有的HCl捕获能力，并且使用温度和水分含量控制以优化其性能。图3示意性地说明了用于执行根据本发明的方法的建议的工业设备。在图3的说明性实施例中，设备17包括：

反应器管道9，其中优选通过生料注入点18将生料注入到上行气流中；

上行的烟道气物流的特征在于反应优化条件(温度、水分和固-气相接触时间)

用于排出注入的生料的分离器(旋风分离器)10，在这里从颗粒中脱除烟道气，和

用于稳定烟道气流的风扇11。

通过生料注入点18注入的生料来自生料磨6和/或筒仓8。在本发明的另一实施方式中，当最佳反应条件与低烟道气HCl含量(显著低于100ppm)相结合时，分离器10的安装被认为是可选的。考虑到设备出口物流的低粉尘载荷、合适的温度和水分含量，其可直接去往颗粒过滤器单元(在图3中未示出)。

在图4和5中，呈现了设备的不同实施方式。特别是，所建议的应用包括：

(i)用于在生料磨未运行时减少HCl排放的建议设备/方法的应用——案例研究1，以及

(ii)用于减少旁路物流HCl含量的建议设备方法的应用——案例研究2。

图4说明了在生料磨未运行的情况中的设备的实施方式——案例研究1。特别是，来自气体调节塔13和旁路的烟道气物流去往反应器管道12，在这里发生了生料注入和烟道气脱氯。生料与烟道气的分离发生在设备旋风分离器14中。注入的生料被重新收集并且具有低粉尘载荷的烟道气去往用设备风扇15辅助的颗粒过滤器单元16。此外，呈现了多个用于烟道气调节控制(温度-水分含量)的可能的H2O/空气注入点。

图4中说明的实施方式对应于所预期的系统行为。然而，在图6中说明的表1中呈现了两个极端案例(最佳和非最佳)。由于有关气体水分含量大于5％体积时H2O对生料的HCl吸收能力影响的实验数据有限，因此采用了极端情况。特别是，表1呈现了使用以下的应用：

(i)考虑烟道气水分含量与生料的HCl吸收能力之间线性关系的预期行为(保守方法)，

(ii)考虑烟道气水分含量与生料的HCl吸收能力之间的指数关系的最佳极限，和

(iii)考虑当烟道气水分含量大于5％vol时烟道气水分含量对生料的HCl吸收能力没有影响的非最佳极限。

大体上，案例研究1证明了经实验确定的生料的HCl吸收能力足以在典型工业条件下利用可用的生料流将气体中的HCl浓度降低100ppm。

图5示意性地说明了建议设备/方法在减少旁路物流HCl含量中的应用(案例研究-2)。特别是，旁路气体物流去往反应器管道12a，在这里发生了生料注入和烟道气脱氯。生料与烟道气的分离发生在设备旋风分离器14b中。注入的生料被重新收集并且具有低粉尘载荷的烟道气去往用设备风扇15c辅助的颗粒过滤器单元16c。一项基本先决条件是在HCl清洗设备(其使用空气/H2O注入)之前进行旁路物流猝灭。

图5中呈现的设备实施方式对应于所预期的系统行为。然而，在表2中呈现了两个极端案例(最佳和非最佳)。由于有关气体水分含量大于5％体积时H2O对生料的HCl吸收能力影响的实验数据有限，因此采用了极端情况。特别是，该方法的性能使用以下来呈现：

(i)考虑烟道气水分含量与生料的HCl吸收能力之间线性关系的预期行为(保守方法)，

(ii)考虑烟道气水分含量与生料的HCl吸收能力之间的指数关系的最佳极限，和

(iii)考虑当烟道气水分含量大于5％vol时烟道气水分含量对生料的HCl吸收能力没有影响的非最佳极限。

研究情景显示，在最佳反应条件与低烟道气HCl含量(显著低于100ppm)相结合的情况中，分离器-旋风分离器10的安装是可选的。

尽管已经结合指定实施方式描述了本发明，但是不应以任何方式将其解释为仅限于所呈现的示例。还应理解，所显示的本发明的形式仅为优选实施方式。可以对部件的功能和布置进行各种改变；可以用等效的方法代替图示和描述的那些方法；并且可以在不脱离如以下权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况中独立地使用某些特征。

1：预热器

1a，1b，1c，1d：旋风分离器

2：煅烧器

2a：旋风分离器

3：旋转窑

4：旁路颗粒过滤器单元

5：主颗粒过滤器单元

6：生料磨

7：气体调节塔

8：生料存储筒仓

9：反应器管道

10：分离器——旋风分离器

11：风扇

12：反应器管道

12a：反应器管道

13：气体调节塔

14：旋风分离器

14b：旋风分离器

15：风扇

15c：风扇

16：颗粒过滤器

16c：颗粒过滤器

17：设备

18：生料注入点