预混燃烧气流交替顺向与逆向煅烧石灰石的双膛石灰窑

技术领域

本发明涉及石灰煅烧窑，在气体燃料预混燃烧的前提下，燃烧气流与石灰石同向运动而使石灰石加热分解（顺向煅烧）和热烟气与石灰石间逆向运动而使石灰石加热分解（逆向煅烧），且能使上述两个过程在两个并列连通的竖直窑筒中交替进行双膛结构的一种预混燃烧气流交替顺向与逆向煅烧石灰石的双膛石灰窑。

背景技术

在工业应用领域中利用燃料燃烧生成热将石灰石煅烧（热分解）成生石灰是工业常用的工艺过程，石灰窑就是为完成这一过程而设置的热工设备。由于煅烧方式的不同，窑型结构的差异，燃料与燃烧方式的变动，以及烧成石灰的性能指标差异等，通常都会根据石灰的用途而选择相应的石灰窑窑型。目前，使用最多的石灰窑，按结构特征可分为竖窑、回转窑、双膛窑和套筒窑，按燃烧的燃料可分为混烧石灰窑（固体燃料）和气烧石灰窑（气体燃料）。随着环保要求的日益严厉，混烧石灰窑成为被淘汰的对象，而气烧石灰窑就逐渐成为石灰煅烧的主流窑型。

实际上，在石灰石的分解过程中最适宜通过高温烟气流以适当加热强度和适当的温度来实现（软烧），而不是让其在燃烧过程中实现，更不以高强度加热来实现（硬烧）。实践表明，在流动烟气对石灰石的加热过程中，石灰石颗粒逐步达到合适的高温而分解，释放出二氧化碳，并以烟气温度在900℃—1100℃之间分解更能获得较好的效果，如氧化钙成分高（过生烧率低）、石灰活性好（软烧）等。其实，要做到这一点并不是一件容易的事情，尤其是上述的各种石灰窑的窑型结构，在其确定的流体流动、燃烧与传热的方式下，是很难实现上述要求的。因此，基于石灰分解机制从石灰窑流体的燃烧、流动与传热原理出发，寻求新窑型结构就成为石灰窑技术创新的主要方向。为此，在总结石灰窑的结构特征与运行实践的基础上，提出了一种能实现煤气预混燃烧且使燃烧烟气对石灰石进行顺向与逆向加热分解的连续交替运行的并列双窑膛的石灰窑结构，至今未见有公开报导。

发明内容

基于上述提出的定时顺逆流互换的加热与分解的设计思路，本发明之目的就是提供一种预混燃烧气流交替顺向与逆向煅烧石灰石的双膛石灰窑，可有效解决实现煤气预混燃烧且使燃烧烟气对石灰石进行顺向与逆向加热分解的连续交替运行，节能环保的问题。

本发明解决的技术方案是，一种预混燃烧气流交替顺向与逆向煅烧石灰石的双膛石灰窑，包括两个并列且相互连通的竖直圆筒形窑膛，每个窑膛均由钢壳内砌筑不同耐火材料而构成，从上到下由石灰窑预热室墙体、石灰窑燃烧器墙体、石灰窑煅烧室墙体、石灰窑冷却室墙体、以及石灰窑出料仓墙体共同组合在一起构成，在运行中竖直圆筒形窑膛内由石灰石或烧成后的生石灰充填；石灰窑预热室墙体内部空间为石灰窑预热室，上部中心设置石灰石分布圆锥形阵伞以及顶部的圆筒形上料口与烟气出口；石灰窑燃烧器墙体的内部空间为石灰窑燃烧室，沿墙体内周向设置有同轴的矩形截面的预混燃烧环道，该环道被分隔墙体均匀分割成数个预混燃烧室；在预混燃烧环道外侧与预混燃烧室对应数个的圆筒状旋流预混通道一端连通，该通道另一端同轴连通煤气进口喷嘴管，垂直切向连通空气进口管，构成空煤气旋流预混结构；在预混燃烧环道内侧设置与预混燃烧室成倍个数的燃烧气流喷出口，以此将预混燃烧室与石灰窑燃烧室连通；在燃烧室墙体的底部设置承托燃烧室墙体的钢制燃烧室墙体承托圈并与窑膛钢壳焊接在一起；石灰窑煅烧室墙体的内部空间为石灰窑煅烧室，上部墙体与燃烧室墙体以相互滑移结构连接，下部墙体中设置有同轴近似矩形截面的烟气汇流环道，烟气汇流环道内侧环墙从上到下设置多排且每排多个数的沿周向均布的烟气流通口，以此将烟气汇流环道与石灰窑煅烧室连通，并在两个窑膛的烟气汇流环道间设置相互连通的两汇流环道连通管；石灰窑冷却室墙体承托上部的石灰窑煅烧室墙体，下部砌筑在石灰窑冷却墙体承托基础上，石灰窑冷却室墙体的内部空间为石灰窑冷却室，在冷却室墙体上部沿窑膛周向均匀布置从石灰窑冷却室穿出冷却室墙体的调节冷却风喷出管，连通其外的调节冷却风分配环管，两个窑膛的冷却风分配环管在两个窑膛的中部连通汇合成一个管道，在冷却风分配环管的外侧有至少两个调节冷却风进口管与之连通，其个数为2个、4个、6个，以此类推，且相互对称布置；主冷却风进口管从石灰窑料仓墙体侧面引入，到窑膛中心转折向上，并安装到石灰窑冷却室中心，主冷却风进口管上端部设置多层重叠的锥形与锥筒形组成的主冷却风喷出罩，相互间形成的倾斜向下的环形缝隙为主冷风喷出环缝；石灰窑出料仓墙体为收缩锥筒结构，其内为石灰窑出料仓，下部开口为烧成石灰出料口，石灰窑具体结构情况见图1、图2、图3及图4所示。

本发明结构科学，设计合理，新颖独特，构思主要目的在于：1）改进燃烧器结构，使空煤气在特定的砖体结构（陶瓷燃烧器）中实现预混燃烧，之后在窑膛内完成石灰石的煅烧过程，避免预混气石灰石中（多孔体中）燃烧而使得温度的无法控制，进而高温煅烧引起结窑和出现高温过烧，成为烧成石灰品质降低的隐患；2）改进烟气汇流通道的不稳定性结构，采用适合于耐火材料性能的以承压砌筑结构为主的稳定砌筑结构，增加结构的坚固性与热稳定性，从而延长石灰窑的使用周期；3）调整冷却风的布置降低煅烧室下部的温度，最终降低排烟温度提高石灰窑的热效率，同时增加石灰窑的煅烧过程的可调节性能与可控制的性能；4）采用窑膛外预混燃烧，温度可控性大为提高，且冷却风量也相应减少，在提高热效率的同时，烟气中的氮氧化物得到有效控制，满足超低排放的环保要求，节能环保，经济和社会效益显著。

附图说明

图1为本发明结构的剖面主视图。

图2为本发明结构的燃烧器截面图。

图3为本发明结构的烟气汇流部位截面图。

图4为本发明结构的烟气冷却室截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体结构与实施方式做进一步的详细说明。

由图1-4所示，本发明一种预混燃烧气流交替顺向与逆向煅烧石灰石的双膛石灰窑，包括两个并列且相互连通的竖直圆筒形窑膛，每个窑膛均由钢壳内砌筑不同耐火材料而构成，从上到下由石灰窑预热室墙体1、石灰窑燃烧器墙体2、石灰窑煅烧室墙体3、石灰窑冷却室墙体4、以及石灰窑出料仓墙体5共同组合在一起构成，在运行中竖直圆筒形窑膛内由石灰石或烧成后的生石灰充填；石灰窑预热室墙体1内部空间为石灰窑预热室1-1，上部中心设置石灰石分布圆锥形阵伞1-2以及顶部的圆筒形上料口与烟气出口1-3；石灰窑燃烧器墙体2的内部空间为石灰窑燃烧室2-1，沿墙体内周向设置有同轴的矩形截面的预混燃烧环道2-5，该环道被分隔墙体2-6均匀分割成数个预混燃烧室2-7；在预混燃烧环道2-5外侧与预混燃烧室2-7对应数个的圆筒状旋流预混通道2-4一端连通，该通道另一端同轴连通煤气进口喷嘴管2-2，垂直切向连通空气进口管2-3，构成空煤气旋流预混结构；在预混燃烧环道2-5内侧设置与预混燃烧室2-7成倍个数的燃烧气流喷出口2-8，以此将预混燃烧室2-7与石灰窑燃烧室2-1连通；在燃烧室墙体2的底部设置承托燃烧室墙体的钢制燃烧室墙体承托圈2-9并与窑膛钢壳焊接在一起；石灰窑煅烧室墙体3的内部空间为石灰窑煅烧室3-1，上部墙体与燃烧室墙体以相互滑移结构连接，下部墙体中设置有同轴近似矩形截面的烟气汇流环道3-2，烟气汇流环道3-2内侧环墙从上到下设置多排且每排多个数的沿周向均布的烟气流通口3-3，以此将烟气汇流环道3-2与石灰窑煅烧室3-1连通，并在两个窑膛的烟气汇流环道间设置相互连通的两汇流环道连通管3-4；石灰窑冷却室墙体4承托上部的石灰窑煅烧室墙体3，下部砌筑在石灰窑冷却墙体承托基础4-5上，石灰窑冷却室墙体4的内部空间为石灰窑冷却室4-1，在冷却室墙体4上部沿窑膛周向均匀布置从石灰窑冷却室4-1穿出冷却室墙体4的调节冷却风喷出管4-4，连通其外的调节冷却风分配环管4-3，两个窑膛的冷却风分配环管4-3在两个窑膛的中部连通汇合成一个管道，在冷却风分配环管4-3的外侧有至少两个调节冷却风进口管4-2与之连通，其个数为2个、4个、6个，以此类推，且相互对称布置；主冷却风进口管5-2从石灰窑料仓墙体5侧面引入，到窑膛中心转折向上，并安装到石灰窑冷却室中心，主冷却风进口管5-2上端部设置多层重叠的锥形与锥筒形组成的主冷却风喷出罩5-3，相互间形成的倾斜向下的环形缝隙为主冷风喷出环缝5-4；石灰窑出料仓墙体5为收缩锥筒结构，其内为石灰窑出料仓5-1，下部开口为烧成石灰出料口5-5。

所述的石灰窑预热室墙体1、石灰窑燃烧器墙体2、石灰窑煅烧室墙体3、石灰窑冷却室墙体4、以及石灰窑出料仓墙体5均由耐热钢板焊接而成的筒状结构，其内由耐火材料砌筑而成，其中石灰窑预热室墙体1和石灰窑出料仓墙体5在耐热钢壳内喷涂耐磨喷涂层9；石灰窑燃烧器墙体2、石灰窑煅烧室墙体3、石灰窑冷却室墙体4均是在耐热钢壳内喷涂防腐喷涂层11，再在内砌筑保温轻质砖12及重质承重砖体，石灰窑燃烧器墙体2的承重砖体采用结构强度高且抗热震性强的砖体，如堇青石莫来石砖7；石灰窑煅烧室墙体3的上部承重砖体采用结构强度高且防渗透与高荷软的砖体，如红柱石莫来石砖6，下部烟气汇流环道区域承重砖体则采用结构强度高且抗热震性强的砖体，如堇青石莫来石砖7；石灰窑冷却室墙体4的承重砖体采用结构强度高且耐冲击的砖体，如红柱石高铝砖8。

所述的石灰窑预热室墙体1内部空间为石灰窑预热室1-1，上部中心设置石灰石分布圆锥形阵伞1-2，其结构为三角型截面的锥环，以悬吊方式固定在石灰窑预热室1-1中心部位，与石灰石接触的部位均喷涂耐磨喷涂层9。

所述的在预混燃烧环道2-5内侧设置与预混燃烧室2-7成倍数个的燃烧气流喷出口2-8，其为沿燃烧室墙体2水平周向均布的连通石灰窑燃烧室2-1的多排且每排多个数的矩形截面通道，该通道是一种截面逐渐扩大的结构形式，且在出口前顺着石灰窑燃烧室墙体2的截面逐步扩大而形成向下倾斜的开口（矩形截面宽度不变高度向下增加的喷出口结构）。

所述的石灰窑煅烧室墙体3的内部空间为石灰窑煅烧室3-1，其下部墙体中设置有同轴的近似矩形截面的烟气汇流环道3-2，其内侧环墙从上到下设置多排且每排多个数的沿周向均布的烟气流通口3-3，以此将烟气汇流环道3-2与石灰窑煅烧室3-1连通，烟气流通口3-3为矩形截面管口，在连通石灰窑煅烧室3-1之前以一定的向下倾斜角转折向下；在烟气汇流环道3-2逐渐向下收缩的底部设置有垂直向下的汇流烟气回流通道3-5，且在向内转折后连通调节冷却风喷出管4-3，汇流烟气回流通道3-5沿烟气汇流环道3-2周向均布，其个数与调节冷却风喷出管4-3对应。

所述的主冷却风进口管5-2从石灰窑料仓墙体5侧面引入到窑膛中心转折向上安装到石灰窑冷却室中心，其上部设置有耐热钢材制成的多层重叠的锥形与锥筒形构成的主冷却风喷出罩5-3，接触石灰的表面喷涂耐磨喷涂层9。

本发明在具体实施时，首先在两个并列且连通的石灰窑膛中装入石灰石，此时将一个窑膛烟气出口关闭，而另一个窑膛烟气出口打开。在烟气出口处在关闭状态的窑膛，将煤气与助燃空气分别从其煤气进口喷嘴管2-2和空气进口管2-3接入，在旋流预混气通道2-4形成旋流预混气流后进入旋流预混燃烧室2-7，在此完成预混燃烧过程后经燃烧气流喷出口2-8进入石灰窑燃烧室2-1，在此穿透燃烧室石灰石堆积层并同时向下流动（此时该窑膛顶部烟气出口关闭，而另一窑膛烟气出口打开，气流必须向下流动），在此加热同时向下流动的石灰石，使其达到热分解状态，并逐步释放二氧化碳而转化为多孔体状的氧化钙（称之为生石灰）；在石灰窑煅烧室气流与石灰石同时向下的过程中完成石灰石的热分解最终形成生石灰，此时高温烟气也随着向石灰石的传热温度逐步下降，在石灰窑煅烧室3-1的下部烟气通过烟气流连通口3-3而进入烟气汇流环道3-2，经此环道及两汇流环道连通管3-4进入另一窑膛烟气汇流环道3-2，再经此窑膛的烟气流连通口3-3进入此窑膛的石灰窑煅烧室，并对该窑膛的石灰石进行预热并同时向上流动，经石灰窑燃烧室2-1与石灰窑预热室1-1，最终经该窑膛的上料口与烟气出口1-3离开石灰窑窑膛，完成双膛石灰窑的一个燃烧过程与一个预热过程。该两个过程经历一段时间后，两个窑膛进行工作状态的切换，原来燃烧的窑膛变成预热窑膛，原来预热的窑膛变成煅烧窑膛。实际上，在石灰窑窑膛连续的运行中，处在预热状态的窑膛也在继续热分解，只要窑膛间交换的烟气温度大于750℃，两个窑膛犹如一个窑膛，一个处在高温的顺向热分解，而另一个处在较低温度逆向热分解。因此，双膛石灰窑利用其双窑膛的结构特征，实现了高温顺向热分解（降低换热强度）与低温逆向热分解（提高换热强度低）。在石灰窑煅烧室下部为石灰窑冷却室4-1有两股冷却风进入其中，一股是调节冷却风从冷却室上部经调节冷却风喷出管4-4垂直周向均匀地喷射进入冷风室，另一股是主冷却风从冷风室底部中心经倾斜向下部的主冷却风喷出环缝5-4周向喷出进入冷风室，由于两股特殊气流间的相互作用在石灰堆积料中形成涡环运动，有效实现明确的石灰窑冷却区域以对石灰块体的充分冷却。此外，由于调节冷却风喷出管4-4 与烟气汇流环道3-2经其底部的汇流烟气回流通道3-5是随流向连通的，因而烟气汇流环道3-2在其底部的沉积物会经汇流烟气回流通道3-5而随着调节冷却风一道再次进入石灰窑冷却室4-1，从而防止烟气汇流环道的低温积灰与高温结渣。

从上述实施过程可见，通过窑膛外预混燃烧室结构的设置与周向均匀可调的预混燃烧方式有效实现石灰窑膛内温度的可控，保证了（950℃～1100℃）石灰石的分解，而且在窑膛内不会出现局部高温；双窑膛的采用有效实现了高温顺向加热分解与较低温的逆向加热分解，切实保证了煅烧石灰的高活性度与低过生烧率的优质石灰的技术要求；双冷却风的设置以及巧妙的布置，形成有效的回流涡旋冷却模式有效保证了出灰温度的稳定，而设置调节冷却风对烟气汇流环道中的烟气抽吸形成回流循环从而产生稳定的窑膛流场结构，以及回流对沉积物的清理作用构成运行的安全与稳定，这些都发挥出了独特的技术效果。因此，该技术的实施就能有效提高烧成石灰的活性度与有效降低石灰产品的过生烧率，并能在提高煤气的利用率的基础上对燃烧过程的实现控制，且节能与环保的技术效果尤为显著。由于该结构的石灰窑结构设计稳定巧妙、性能优良、易于控制、高效节能，相对于传统的双膛石灰窑具有显著的竞争优势和广阔的市场前景。