水泥干法内燃烧成工艺及其专用设备 本发明涉及一种由水泥生料粉制造水泥熟料的工艺，特别是一种水泥干法内燃烧成工艺及其专用设备。
目前，水泥工业中水泥熟料烧成工艺主要有两种，即水泥生料粉预分解回转窑烧成工艺(以下简称“干法预分解”)和湿法成球现代立窑烧成工艺(以下简称“湿法内燃”)。
70年代以来，在节能需求的推动下，世界水泥生产实现了湿改干的基本转变，水泥生料粉预分解烧成工艺成为现代水泥烧成的主导技术。同时，在一些发展中国家(特别是中国)，湿法成球立窑烧成工艺以其对这些国家的适用性仍被广泛地应用着。
典型的预分解烧成工艺将烧成过程划分为串联的四个步骤，分别在不同类型的反应器中完成：
(1)在一组以稀相流化为特征的串联旋风预热器中进行气固逆流传热，实现物料预热；
(2)在一台以稀相流化为特征的流化床反应器或喷腾、旋流反应器中实现燃料燃烧、气固换热和生料中CaCO3的分解；
(3)在一台机械回转移动床(回转窑)中实现燃料燃烧、气固逆流表面换热和熟料的烧成；
(4)在一台机械推进移动床(箅冷机)中进行熟料与气体错流换热，实现热回收和熟料冷却。
这一工艺与湿法回转窑工艺相比，在实现了大幅度降低热耗和大规模生产的同时，也暴露着下述各种缺点：
(1)烧成过程的内部分割，导致工艺、设备和自控技术的复杂性。窑系统操作指标的预测迄今仍为水泥生产中最复杂的课题，正是其复杂性的明证。
(2)回转窑以外部燃烧(相对物料而言)和气固表面传热为主要特征，传热速率慢，导致设备体积庞大。粉料烧成工艺伴随的造粒过程导致回转窑操作稳定性差。
(3)旋风预热和箅冷工艺产生大量的低温(300℃左右)废气，无法充分利用。
(4)生料中循环组分在高温预热及分解段的凝聚，导致生料流动性能上的不确定性，构成了令人头痛的操作障碍。
在对预分解烧成工艺各环节不断改进的基础上，以及在各种寻求新型烧成方法的努力遭到失败后，国内外水泥界一般认为，现有的预分解烧成工艺仍将在相当一段时间内成为水泥烧成的主导技术。
以立窑为代表的湿法成球内燃烧成工艺在水泥工业历史上一直占着一席地位。在中国，立窑工艺以其投资少，设备制造和生产管理技术要求低，目前仍承担着全国水泥产量中80％以上地生产任务。与此同时，其劳动条件差，污染严重和产品质量相对低劣也构成了日益严重的社会问题。依靠内燃烧成集燃烧、传热于一体，预热、分解、烧成、冷却于一体的固有特点，立窑工艺显示了其工艺及机电设备简单、设备体积小、可靠性高、运行技术要求低的优点。由于采用湿法成球备料，现代立窑工艺也存在下述严重缺点：
1.湿法成型的生料球水份占生料重量的13％以上，机械强度低，热稳定性差，导致窑内料层物理特性不稳定，进而破坏了必须建立在均匀通风基础上的烧成过程的稳定性，大大降低了熟料质量。
2.作为窑内气体离开料层前与物料的最后一步传热，流出高温带的废气与刚入窑湿料层的换热过程不仅要为蒸发水份消耗掉约150kcal/kg-熟料的显热，而且由此造成的窑气温度急剧下降抑制了其中CO的燃烧，使其无法利用而被排放掉。这一部分的热损失亦在150kcal/kg-熟料左右。两者大大地削弱了内燃烧成工艺在节能上的优势。传统立窑烧成工艺在与现代水泥预分解窑工艺的竞争中已处于被淘汰的地位。参考文献：《水泥的制造和应用》，胡宏泰等编著，山东科技出版社，1994，pp.199-271第六章 回转窑系统，pp.309-331第八章 立窑水泥厂的运作。
寻求比回转窑工艺更简单、紧凑和节能的烧成工艺是国际水泥界长期不懈努力的目标。二战以来，这一努力主要遵循着下述研究路线：
(1)炉箅子内燃烧成法：由二战中德国工程师开始的这项研究终止于50年代初，由于湿法造粒工艺和机械移动床的固有缺点，研究工作未取得富有竞争力的成果。
(2)分段固定床烧成法(列巴(Reba)法)：由德国Readymix水泥工程公司于1977年研究成功并取得专利。声称的技术经济效果为：生产规模100-500t/d；投资费用130-140美元/吨/年；热耗730kcal/kg-熟料；电耗14kwh/T-熟料，但迄今未见商业应用的报道。
(3)流化床烧成法：自50年代初至今，美国Fuller，丹麦的F.L.Smidth，日本的川琦、秩父、石川岛、住友等公司均将开发新法烧成工艺的重点放在这一项研究路线上，其共同做法是：沿用预分解回转窑烧成工艺中的粉料稀相旋风预热和预分解工艺，以流化床代替回转窑和冷却机，完成熟料的烧成冷却。上述各公司均开展了100-200T/D规模的工业试验。目前，Fuller公司声称：新法流化床烧成工艺可用于处理窑灰和生产白水泥；秩父公司声称：其年产10万吨规模的流化床烧成系统具有下述技术经济指标：热耗760Kcal/kg-熟料；电耗40kwh/T-熟料；NOX排放量较现有工艺降低80％-90％。无论如何，各公司的流化床烧成工艺迄今均未见商业应用的报导。
流化床烧成工艺未获商业成功的原因大致有二：
1.保留现有预分解烧成工艺中的前二环节(预热及分解)，用流化床替代机械移动床完成其后二个环节(烧成、冷却)，难以在全面比较中优于预分解回转窑工艺。
2.流化床烧成工艺的放大比现有工艺要困难得多。
本发明的目的是，克服干法预分解工艺和湿法内燃工艺的缺点，提供一种工艺简单、节能、综合利用程度高、有工业化前景的水泥干法内燃烧成新工艺。
本发明的另一个目的是，提供一种适用于水泥干法内燃烧成新工艺的专用设备。
考虑到湿法内燃工艺三分之一以上的能耗是因湿法成球所致，以及因湿法料球强度低、热稳定性差导致内燃烧成过程稳定性差，产品质量差，本发明工艺技术方案的要点是：取消原料湿法成球工序，将含煤水泥生料粉以干法加压的方法制成具有一定强度和致密度的生料块，在一台类似立窑的垂直移动填充床内燃烧成窑设备中，进行垂直方向气固逆流接触，实现生料块内含煤的燃烧，物料的预热、碳酸盐组分的分解和物料的烧成，生产水泥熟料，同时对气固接触后含CO高温(500℃左右)废气补燃升温，送入余热锅炉，用于发电。
具体地说，本发明工艺步骤包括水泥原料与原煤按比例混合，经烘干粉磨后成为含煤生料粉，其特征是，生料粉通过压力成型机加压成型为呈一定几何形状、最大尺寸不超过100mm的致密生料块，筛分后喂入垂直移动填充床内燃烧成窑装置，通过垂直方向气固逆流接触，内燃烧成为水泥熟料，在此过程中，对装置中离开料层的含CO高温废气进行补燃升温，使废气温度t范围为500℃＜t＜1000℃，送入余热锅炉，产生蒸气带动发电机做功。
本发明工艺压力成型的致密生料块应具备一定的强度和热稳定性，即在常温下能承受输送和喂料过程中的各种机械应力，在加热过程中不爆裂，能承受床层压力，同时，料块内含煤应具有适宜的易燃性。经过理论值的计算和实验结果表明，满足上述要求的生料块常温下孔隙率应小于25％。生料块可以是单一颗粒形状，例如卵形、球形、枕形或其它几何形状。为了在不太大的压力下压制出合乎要求的生料块，本发明进一步的特征是在生料粉中加入小于生料粉重量5％的水，以极少量的水作为粘结剂，可以降低对压力设备的要求，降低料块成型作业能耗，而对烧成过程能耗影响甚微。
本发明工艺集气固传热和燃料燃烧为一体，与干法预分解工艺相比，具有以下优点：
1.避免水泥烧成过程的内部分割，简化工艺，降低设备、电气和土建投资费用。
2.强化了传热过程，缩小设备空间，抑制了机体散热损失。
3.共发电工艺使过程产生的高温废气得到了有效利用，大幅度降低了烧成系统的综合能耗(热耗和电耗的当量和)和相应地降低了CO2排放量。
4.内燃烧成在较低温度和还原气氛下完成燃烧过程，大幅度降低了NOx的产生和排放。
5.避免了生料中挥发组分的循环过程和窑内烧成带造粒过程导致的操作不稳定现象，简化了操作技术。
本发明工艺以干法致密生料块代替湿球，与湿法内燃工艺相比，具有如下优点：
1.消除了内燃烧成过程中的蒸发水份热耗，并使废气中的以CO形式存在的化学不完全燃烧潜热得到有效回收和利用。从而使得二者在烧成热耗大致持平的情况下，本发明所采用的新工艺可额外地增加100-150KWh/T-熟料的电能产出。
2.压力成型的干料块较湿料球具有更好的热稳定性、高温强度和抗变形能力，从而提高了烧成过程的均匀性，避免了湿法立窑工艺中的过烧、欠烧、炼边、熔块等不稳定现象，改善了熟料质量。
3.可以在稳定热工过程的基础上实现过程放大，满足现代化生产的要求。
干法预分解工艺、湿法内燃工艺与本发明工艺综合热耗、污染排放量及投资费用的比较见表1。
本发明有附图。
图1为本发明工艺的一个典型实施例框图。
图2为本发明工艺专用设备结构示意图。
图3为图2的俯视图。
下面参照附图1并结合实施例对本发明工艺进行详细描述。图1中“→”代表气流方向，“”代表料流方向，“→”代表可供选择工艺。
例1，水泥原料与原煤按比例混合，经烘干粉磨(以上工艺均为现有技术，不是本发明的重点)，从生料粉仓进入静压机械装置，所采用压强为100Mpa以上，将生料粉压制成卵形的、最大尺寸不超过100mm的致密生料块，生料块常温下孔隙率小于25％，生料块经筛分后喂入一台类似立窑的内燃烧成窑设备中，内燃烧成水泥熟料(水泥内燃烧成过程与在立窑中烧成相同，亦为现有技术)，在此过程中，对装置中产生的含CO高温废气进行补充一定量空气燃烧，升温至750℃～850℃，送入余热锅炉，产生的蒸汽用于对发电机做功，实现余热发电，余热锅炉中部一部分低于300℃的气体可在用于烘干粉磨后再返回废气流，然后经除尘器、引风机排放到大气层。
例2，采用对辊压力成型装置对含煤生料粉作连续成型，名义压强(总压力与辊径、辊宽乘积之比)为5Mpa以上，压制成枕形的、最大边尺寸不超过80mm的致密生料块，其余同例1。
例3，生料粉在预湿装置中掺入重量为生料粉重量2％的水，采用对辊压力成型装置加压，名义压强为5Mpa以上，压制成球形的、直径60mm左右的致密生料块，其余同例1。本发明一组不同操作参数的实施例见表2。
根据本发明工艺的要求，设计了水泥干法内燃烧成专用设备。如图2和图3所示，它具有立式的窑体9，窑体上方为进料口1、布料器2，中部为气固逆向接触反应空间5，窑体下方有卸料算子8，其特征是在窑体布料器下方，反应空间上方具有由密闭补燃空间4和可控进气通道3组成的补燃装置，补燃装置通过废气烟道6与余热锅炉7连通，窑体底部与大气连通，余热锅炉出口与引风机(图中未画出，参见图1)连通。经压力成型的生料块在内燃烧成窑反应空间以填充床形式存在，借助重力实现自上而下的移动，与自下而上的气流接触，完成物料的预热、物料内含煤的燃烧、CaCO3组分的分解、熟料的烧成和冷却过程，并通过卸料箅子和卸料装置卸出。与此同时，离开气固接触区域上升的含CO高温废气在补燃装置中由可控进气通道补充一定量空气进行补燃，升温至1000℃以下的高温气流经废气烟道送入余热锅炉，产生蒸汽，用于发电。由于本发明干法内燃烧成窑操作时具有较低的料层压降和良好的稳定性，料层上方为高温密闭空间，所以系统中气体的输送采用负压形式，免除了现有立窑的卸料密封装置。本发明专用设备窑体中反应空间横截面可以是矩形、椭圆形或圆形，或者这几种形状组合成的某种几何形状。由于本发明工艺的烧成过程具有良好的操作稳定性，因此本发明专用设备内燃烧成窑窑体尺寸可以放大，以适应现代化大规模生产之需要。例如反应空间采用尺寸2M×4M的圆角矩形横截面，可满足日产500吨水泥熟料的要求。
表1： 干法预 分解 湿法内 燃工艺 干法内燃 工艺热耗kcal/kg熟料 750 870 870电耗kwh/T熟料 25 20 ～-100综合热耗＊kcal/kg熟料 825 930 570％ 100 112 69.0污染物排放量CO2 NOx％ 100 105 87.0％ 100 ～30 ～30.0投资及场地面积＊＊％ 100 ～50 ～60.0*按1kwh相当于3000kcal考虑**不包括发电部分
表2： 编 号燃料类型 掺入煤量 Kcal/kg熟料 成型水份 ％ 名义压强 Mpa 块度 mm 发电量 kwh/T熟料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 焦炭 焦炭 焦炭 焦炭 焦炭 焦炭 无烟煤 无烟煤 无烟煤 无烟煤 无烟煤 无烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 烟煤 850 850 850 850 850 850 950 950 950 950 950 950 1100 1100 1100 1100 1100 1100 0 0 0 4 4 4 0 0 0 4 4 4 0 0 0 4 4 4 10 10 10 8 8 8 10 10 10 8 8 8 10 10 10 8 8 8 30 60 100 30 60 100 30 60 100 30 60 100 30 60 100 30 60 100 100 100 100 80 80 80 130 130 130 110 110 110 180 180 180 160 160 160