專利名稱：制造礦物熔體的方法和設(shè)備的制作方法
制造礦物熔體的方法和設(shè)備 本發(fā)明涉及通過在無機顆粒材料存在下燃燒可燃材料由此形成熔體來生產(chǎn)礦物熔體的設(shè)備和方法。該熔體隨后可以被纖維化以形成礦物纖維或用于其它工業(yè)工藝。
背景技術(shù)：
典型地，生產(chǎn)用于礦渣、石或巖纖維的普通方式是采用豎式熔爐，其中在熔爐中通過燃燒可燃材料來加熱自支撐的無機顆粒材料堆。該堆逐漸熔化并且從頂部補充，熔體從堆上排下并且從熔爐底部排出。用于這一目的的普通的熔爐是沖天爐(cupola)。所述堆需要是自支撐的并且可滲入燃燒氣體，燃燒氣體通常是由堆中的碳材料燃燒所產(chǎn)生的。因此需要堆中的任何物質(zhì)都是相對粗的(以便堆是可滲入的)并且具有高的物理強度而在燃燒或熔化充分進行前不坍塌。實踐中，這意味著碳材料是焦炭并且顆粒材料是粗的碎巖、石或礦渣。如果使用礦物材料顆粒，如廢礦物纖維，需要產(chǎn)生將其形成型煤的費用并且很不方便。型煤通常使用含硫材料作為粘結(jié)劑，例如帶石膏的Portland水泥，并且這意味著流出物易于具有高的硫含量，而必須要處理它。沖天爐或其他塔式熔爐(stack furnace)系統(tǒng)也存在熔爐內(nèi)部的條件總是傾向于足夠還原性使得一些鐵被還原成金屬鐵的缺點。這就需要將金屬鐵從熔體中分離，降低了纖維產(chǎn)生，造成鐵廢物的供給并且也傾向于造成含鐵和礦渣的爐段腐蝕的風險。另外的缺點在于工藝不具有高的熱效率。

盡管有這些缺點，但是使用沖天爐或其他塔式熔爐的工藝被整個世界廣泛采用來制造巖、石或礦渣纖維。在申請人早期公開的WO 03/002469中披露了避免或者減少沖天爐系統(tǒng)的缺點而用于生產(chǎn)礦物熔體的替代的且完全不同的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)包括在循環(huán)燃燒室(即燃燒室)中，在預熱的燃燒空氣中懸浮粉煤或其他燃料并且在懸浮顆粒礦物材料存在下燃燒該懸浮燃料，在循環(huán)燃燒室中，懸浮顆粒材料和空氣在作為旋風器循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)中或者接近該旋風器循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)中循環(huán)。這通常被稱作旋風爐。在預熱空氣中的懸浮煤，以及顆粒礦物材料通過燃燒室的頂部或者接近燃燒室的頂部被引入。在燃燒室內(nèi)，發(fā)生顆粒煤的燃燒并且顆粒材料轉(zhuǎn)化成熔體。熔體和尚未熔化的顆粒材料被循環(huán)氣體拋到室壁上并且將沿燃燒室流下。在燃燒室底部處的沉降池中收集熔體。在WO 03/002469中，為了增加旋風爐的能量效率，使用在1400-1700°C的溫度范圍下離開循環(huán)室的排出氣體來預熱顆粒材料。WO 03/002469教導了排出氣體被淬滅至1000-1500°C然后與礦物材料混合以將其預熱至700-1050°C的溫度。WO 2009/118180、TO 2008/019780、WO 2008/086990、TO 2009/090040 和 WO2008/086991也公開了用于制造礦物熔體的旋風器系統(tǒng)。旋風爐相比于沖天爐或其他塔式熔爐具有顯著的優(yōu)勢。關(guān)于燃料，旋風爐避免使用型煤細顆粒而且可以使用廣泛的燃料，包括例如塑料。使用熔化旋風爐消除了使礦石還原成鐵的風險，并且釋放環(huán)境可接受的排出氣體。熔化能力的靈活性比沖天爐要好，這意味著可以容易且快速地將生產(chǎn)，從例如總能力的40%切換到100%，因此極大地降低了響應于指令改變而花費的時間。此外，在旋風爐中熔化比在沖天爐中熔化的情況要快，在旋風爐中熔化是幾分鐘而不是幾小時。
因此，從經(jīng)濟及環(huán)保角度講，使用熔化旋風爐系統(tǒng)是理想的并且在上述文獻中公開的系統(tǒng)工作良好。然而，在工藝上存在著改進空間。 在熔化循環(huán)燃燒室操作期間，提供給旋風爐的所有原材料理想地都應被熔化并且拋到壁上并在熔化旋風器的基部收集。然而，在實踐中，一些輕材料，例如小的液滴和細粉會懸浮在排出氣體中并且與熱排出氣體一起通過中央排出管離開旋風爐。排出氣體非常熱并且它們在系統(tǒng)中進一步加工前需要被冷卻。這是通過淬滅來完成，即就在離開熔化旋風器后，在淬滅點提供空氣或另一種冷卻氣體。一些液滴和細粉在到達淬滅點時固化或結(jié)塊，并且由于材料的旋轉(zhuǎn)運動，其中一些被向外拋出并落到燃燒室的外頂。所述材料然后在熔爐的外部積累，這會是有害的，因為材料非常熱。這是高度不希望的并且應被避免?；诖吮尘埃景l(fā)明的目的是提供一種避免材料被排放到熔爐旋風器和熱交換系統(tǒng)的外部的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供制造礦物熔體的方法，所述方法包括步驟:提供循環(huán)燃燒室；將燃料、顆粒礦物材料和燃燒氣體注入到循環(huán)燃燒室中；燃燒在循環(huán)燃燒室中的燃料，由此熔化礦物材料以形成礦物熔體并產(chǎn)生排出氣體；將排出氣體與礦物熔體分離，收集礦物熔體并使排出氣體向上通過排出管到熱交換系統(tǒng)的導管；和在排出氣體進入導管之前，通過將冷卻流體，如環(huán)境空氣，汲取到排出出口周圍的排出氣體流中來淬滅排出氣體，其中排出氣體出口從燃燒室向上延伸，并且伸入到淬滅罩中使得排出氣體離開排出管進入罩內(nèi)部，所述延伸的高度是排出管的內(nèi)徑的至少2.5倍，優(yōu)選2.5和4之間，更優(yōu)選約三倍。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種在無機顆粒材料存在下，通過燃燒可燃材料由此形成熔體來生產(chǎn)礦物熔體的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括:循環(huán)燃燒室，接收燃料、預熱礦物材料和燃燒氣體的供給并且燃燒在循環(huán)燃燒室中的燃料由此熔化礦物材料來形成礦物熔體并產(chǎn)生排出氣體，其中排出氣體與礦物熔體分離并且排出氣體通過排出管向上經(jīng)過熱交換系統(tǒng)的導管；和淬滅機構(gòu)，用于淬滅排出管中的排出氣體，其中淬滅機構(gòu)包括淬滅罩，用于在排出氣體進入導管之前通過繞著排出出口將諸如環(huán)境空氣的冷卻流體汲取到排出氣體流中來淬滅排出氣體，并且其中排出管從燃燒室向上延伸，并且伸入到淬滅罩中使得排出氣體離開出口進入罩內(nèi)部，所述延伸的高度是排出管的內(nèi)徑的至少2.5倍，優(yōu)選2.5和4之間，更優(yōu)選約三倍。由于旋風爐的旋轉(zhuǎn)運動，熱排出氣體在其通過排出管離開期間循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明，排出管比正常管更高，使得液滴和細粉形式的大部分輕材料作為熔體被拋到排出管的內(nèi)表面上然后流下到熔化旋風爐中并成為其中的熔體的一部分。這些礦物材料熔體的液滴因此不被冷卻，使得它們在排出管內(nèi)部被固化。排出管的高度確保了來自熱排出氣體的許多液滴和細粉都被拋到排出管的壁上并且返回熔化旋風器。之前，在淬滅前的排出管高度應較低以便節(jié)省能夠承受這一區(qū)域中的高溫的昂貴的內(nèi)襯和其他材料成本。然而，根據(jù)本發(fā)明，當熔化細礦物材料時，由于離開排出氣體的液滴和細粉的量，有益的是采用更高的排出管。

排出管可有約850mm的內(nèi)徑D1并且排出管的高度可為約250-300cm。通過具有足夠大的排出管內(nèi)徑與高度比，很大部分的熔體小液滴可經(jīng)歷內(nèi)表面撞擊并由此被從熱排出氣體流中除去。在本發(fā)明的旋風爐中，排出氣體以1300至1900°C之間的溫度離開循環(huán)燃燒室，通常是1500至1750°C，例如約1550至1650°C，并且排出氣體隨后被淬滅到1000至1500°C之間的溫度，例如約1300°C。由此，避免了引入到導管中的礦物材料的軟化或熔化。淬滅是由任何適合的氣體如空氣或者任何適合的液體如氨水來進行。在優(yōu)選的實施方式中，使用環(huán)
境空氣。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，淬滅的步驟是通過淬滅罩來進行，所述淬滅罩包括圍繞排出管的環(huán)形空氣攝入開口。這提供了圍繞排出管的出口的均勻淬滅。為了防止較大的材料顆粒放射狀地離開系統(tǒng)，可在排出氣體離開排出管處通過帶穿孔的篩選元件來篩選排出管。這一篩可以不僅使從熔爐中的熔體向上拋的任何較大顆粒被保留而免于通過淬滅被排出，而且也防止被引入到在淬滅罩上方的導管中的預熱原材料顆粒落到該系統(tǒng)外，而是如果它們不能被排出氣體攜帶則會落入熔化爐。優(yōu)選地，排出管具有比導管的至少入口部分的直徑(D2)更大的直徑(D1)。這會是有益的，因為任何形成導管內(nèi)表面上的殘留物都隨后都會在它們釋放時落回到熔體中而不是熔爐的外部。排出氣體在向上導向時，汲取輕材料和液滴直到它們達到一定尺寸后懸浮在汲取物中。然而，如果尺寸超過這一大小，那么汲取將不足以強大到能將這些顆粒向上傳送。這些顆粒會朝著熔體落回。優(yōu)選地，用于預熱礦物材料的熱交換系統(tǒng)包括第一預熱器旋風器，從循環(huán)燃燒室到第一預熱器旋風器的用于傳送排出氣體的導管，用于將礦物材料注入到導管中的材料入口，以及從第一預熱器旋風器到循環(huán)燃燒室的流動連通，用于將預熱礦物材料供料給所述
燃燒室。

此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，熱交換系統(tǒng)另外包括第二預加熱器旋風器，從第一預加熱器旋風器到第二預加熱器旋風器的、用于輸送排出氣體的第二導管，以及用于將礦物材料注入到第二導管中的礦物材料入口，其中礦物材料導管從第二預加熱器旋風器引導到第一導管。礦物材料的預熱是在400-900°C的范圍，優(yōu)選450-600°C。優(yōu)選地，該設(shè)備還包括多個旋風器，從第二預加熱器旋風器到多個旋風器的、用于向多個旋風器輸送排出氣體第三導管，以及用于將被分離的材料從多個旋風器提供到第一預加熱器旋風器的出口的導管。這會提高能量效率，優(yōu)選至少一部分的礦物材料在被引入到在第一導管中的來自循環(huán)燃燒室的排出氣體中之前，首先在第二預加熱器旋風器中被加熱。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述裝置和方法用于從礦物熔體制造礦物纖維，這是通過使收集到的礦物熔體通過循環(huán)燃燒室中的出口流動到離心纖維化設(shè)備并形成纖維。發(fā)明詳細說明下面參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中:

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的設(shè)備的示意圖；圖2是在循環(huán)燃燒室頂部的排出氣體通氣管淬滅氣體布置的截面?zhèn)纫曉攬D。圖1示出了循環(huán)燃燒室1，其包括圓柱形上段、圓錐形下段和圓柱形基段。顆粒燃料從供給線路(supply)2被引入到循環(huán)燃燒室中并且該顆粒燃料優(yōu)選為煤。預熱的礦物材料通過礦物材料導管3被引入到循環(huán)燃燒室中。煤和礦物材料是與燃燒空氣以及在壓縮空氣供給線路5中提供的第二空氣一起通過導管4被引入，該壓縮空氣供給線路5通過至少兩個切向入口如噴管(未示出)被引入到循環(huán)燃燒室I中以確保煤2與燃燒空氣6徹底混合并且維持循環(huán)燃燒室I中的燃燒氣體和懸浮材料的循環(huán)運動。第二燃料(在此情形下為天然氣)也可通過供給線路(未示出)注入到循環(huán)燃燒室I的基段中。在循環(huán)燃燒室I中，煤2在燃燒氣體6中燃燒，該燃燒氣體6優(yōu)選富含氧氣的空氣
5。在循環(huán)燃燒室I的基部區(qū)收集得到的熔體9并且該得到的熔體9經(jīng)過出口離開燃燒室。排出氣體通過在循環(huán)燃燒室I的頂部處的通氣管10被供給到第一導管11中，在那里它們用作加熱將要被供給到循環(huán)燃燒室I中的顆粒礦物材料。然后排出氣體進到第一預加熱器旋風器12,在第一預加熱器旋風器12中，它們與此時混合在一起的礦物材料分離。排出氣體從第一預加熱器旋風器12經(jīng)過第二導管14流到第二預加熱器旋風器13中。在第二預加熱器旋風器13之后，排出氣體經(jīng)導管15流到粉塵旋風器16并進入進一步的處理17，在進一步處理17中發(fā)生與燃燒氣體的間接熱交換以預熱燃燒氣體。隨后例如通過過濾器(未示出)處理排出氣體使其安全地傳到環(huán)境中。礦物材料在加入到循環(huán)燃料室I中之前進行預熱。具體地，通常是原石材料的第一礦物材料從供給線路19供給到第二導管14并在第二預加熱器旋風器13中經(jīng)歷初始預熱。第一礦物材料隨后經(jīng)過第一礦物材料導管18并被引入到第一導管11并且隨后傳到第一預加熱器旋風器12。在第一礦物材料下游，第二礦物材料從供給線路20提供到第一導管11。第二礦物材料通常是經(jīng)處理的礦物材料，通常是粘結(jié)的礦物纖維，例如回收的礦物纖維。為了確保在第一預加熱器旋風器12中產(chǎn)生NOx還原條件，可以在剛好在第一預加熱器旋風器12前面的位置21處將諸如氨的含氮材料添加到第一導管11中。來自第二預加熱器旋風器13的排出氣體可攜帶一些第一礦物材料通過導管15。這些與來自粉塵旋風器16的排出氣體分離并通過導管22回收回來以結(jié)合預加熱的礦物材料。排出氣體經(jīng)過通氣管10離開循環(huán)燃燒室I。排出氣體進入第一導管11并通過淬滅空氣33從在1500至1900°C之間的溫度，通常約1650°C淬滅到在1000至1500°C之間的溫度，通常約1300°C。第一礦物材料經(jīng)過第二礦物材料下游的入口被引入到第一導管11，第二礦物材料經(jīng)過導管18被引入到第一導管11中。燃燒室通常是豎直的而不是水平的熔爐。它通常具有向其中注入燃料、礦物材料和燃燒氣體的圓柱形上段、圓錐形下段和可以收集熔體的基段。替代地，燃燒室可以是完全圓柱形的?；蝺?yōu)選為燃燒室的一體形成部件并且可以簡化為圓錐形下部區(qū)的端部或者可以是在下部區(qū)的端部處的圓柱段。優(yōu)選地，基段的直徑不大于上段的直徑，相比之下，傳統(tǒng)系統(tǒng)通常在燃燒室基部處使用體積增大的儲罐?；尉哂幸挥糜诘V物熔體的出口，熔體作為液流經(jīng)過該出口。這一液流隨后可以進行任何常規(guī)方式的纖維化，例如，使用級聯(lián)旋轉(zhuǎn)器(cascade spinner)或旋杯(spinningcup)或任何其他常規(guī)的離心纖維化工藝?；蛘?，礦物熔體可以用于其他工業(yè)工藝。優(yōu)選地，在礦物熔體離開燃燒室基段的出口處，它并不立即下延，相反，出口是虹吸式。“虹吸式”意指通常是管或溝槽的出口，其最初相對于燃燒室中的開口具有向上的取向并且隨后具有向下的取向，而后導向到纖維化裝置。這對于熔體質(zhì)量是有益的，因為在熔體的表面上的任何未燃燒的燃料顆粒都被保留在燃燒室內(nèi)部。

燃料被注入到循環(huán)燃燒室中?？梢允褂萌魏慰扇嫉娜剂?。燃料可以是在室溫下為氣態(tài)的，例如丁烷、丙烷、甲烷或天然氣，但是優(yōu)選液態(tài)或固態(tài)材料。燃料優(yōu)選為顆粒形式并且最優(yōu)選顆粒碳材料。當燃料為液體時，它以液滴的形式使用，S卩，液體燃料顆粒。在這一實施方式中，燃料可以是石油或其他碳基液體的顆粒。然而，本發(fā)明的顆粒燃料優(yōu)選固態(tài)的。它通常是碳材料并且可以是具有適當?shù)臒嶂档娜魏晤w粒碳材料。熱值可以相對較低，例如低至IOOOOkJ/kg或者甚至低至5000kJ/kg。因此，它可以是例如干燥的污水污泥或紙廢物。優(yōu)選地，它具有較高的熱值并且可以是來自制鋁工業(yè)的廢鍋內(nèi)襯，含廢物的煤，如尾煤或粉煤。在優(yōu)選的實施方式中，燃料是粉煤并且可以是煤細粉，但優(yōu)選一些，并且通常至少50%,優(yōu)選至少80%以及通常全部的煤都是由研磨塊煤來制造，例如，使用球磨機。煤無論是最初作為細粉提供或者作為塊提供，都是優(yōu)良品質(zhì)的煤或者可以是含有高無機物含量的廢煤，例如含有5至50%的無機物含量。優(yōu)選地，煤主要或者全部是優(yōu)良品質(zhì)的煤，例如煙煤或次煙煤(ASTM D3881984)并且含有促進點燃的揮發(fā)物。燃料顆粒優(yōu)選具有范圍在50至100 μ m,優(yōu)選約50至200 μ m的顆粒尺寸(粒徑)。通常(按重量計)至少90%的顆粒在此范圍內(nèi)。平均是通常為約70 μ m的平均尺寸，90%的范圍小于100 μ m。燃料可以通過供料管以常規(guī)方式供料到燃燒室中以產(chǎn)生燃料顆粒的蒸汽。這通常包括使用載氣，其中燃料顆粒懸浮在載氣中。載氣可以是空氣、富含氧的空氣或者純氧(優(yōu)選室溫以避免回火)或者反應性差的氣體如氮氣。載氣被認為是燃燒氣體的一部分。至少一些并且優(yōu)選大多數(shù)的燃料被注入到循環(huán)燃燒室的上段中。然而，在優(yōu)選的實施方式中，被稱作第二燃料的一些燃料，也被注入到循環(huán)燃燒室的下段中。燃燒氣體也通過多個切向設(shè)置的入口被引入到燃燒室的上段中并且燃燒氣體可以是室溫的，但優(yōu)選被預熱。預熱的主燃燒氣體的溫度通常是由體系中可用的熱來確定。通常，燃燒氣體被預熱到約600°C，并且應至少被預熱到300和600°C之間，例如約500至550°C。燃燒氣體可以是空氣或者可以是富含氧氣的空氣?！案缓鯕獾目諝狻敝笟怏w含有的氧比通常存在于空氣中的氧要多，并且可以另外含有其他在空氣中天然存在的氣體。它也可以含有其他在空氣中通常不存在的氣體，例如丙烷或甲烷，只要氧的總水平保持在高于空氣中正常存在的氧。在優(yōu)選的實施方式中，燃燒氣體是富含氧的空氣，其含有按體積計為25%至50%，優(yōu)選25%至35%的氧。在替代的實施方式中，燃燒氣體包括按體積計至少50%或至少70%的氧或者甚至是純氧。在整個說明書和權(quán)利要求書中，“純氧”指通過例如真空變壓吸附技術(shù)(VPSA)獲得的純度為92%或更高的氧，或者可以是通過蒸餾方法獲得的幾乎100%純氧。使用富含氧的空氣是有益的，因為它降低了所需的燃燒氣體的總體積。這意味著相比于使用空氣時的燃燒室，可以使用較小的循環(huán)燃燒室。由于燃燒室的尺寸和燃燒氣體的體積都與生產(chǎn)礦物纖維所需的能量以及隨后的能量損失相關(guān)聯(lián)，這一實施方式得到了具有更高的能量效率的系統(tǒng)。就增加的經(jīng)濟可行性和降低的環(huán)境影響而言，這是有顯著益處的。當使用純氧時，優(yōu)選為室溫的，而不是被預熱。
其中懸浮有燃料的燃燒氣體可通過供料管被引入，特別是當該氣體在相對低溫時。燃料在進入燃燒室之前不應在燃料管中開始燃燒(稱作“回火”現(xiàn)象)，因此這一實施方式中需要低的氣體溫度。然而，燃燒氣體優(yōu)選通過一個或多個燃燒氣體入口被單獨引入，所述一個或多個燃燒氣體入口可以位于燃料供給管的附近以便燃燒氣體被導入到燃燒室中與燃料相同的區(qū)域，以允許高效混合。
不管它們是否一起被引入，燃燒氣體注入到燃燒室中的速度相對較低(優(yōu)選在I和50m/s之間)，以使設(shè)備的耗損最小。當有燃料和礦物材料懸浮在燃燒氣體中時，該速度優(yōu)選在5和40m/s之間。當它們單獨引入時(這是優(yōu)選的)，燃料的注入速度優(yōu)選20至40m/
So理想的是確保預熱的燃料與燃燒氣體迅速并且徹底混合，因為這確保了燃料被快速點燃以便其可以幾乎就在被引入到燃燒室后立即經(jīng)歷熱解(燃燒的初始階段)。徹底混合也確保了在主燃燒氣體中的燃料顆粒的駐留時間更均一，由此得到更有效的燃料燃燒。為了幫助確?？焖偾覐氐谆旌?，可以在循環(huán)燃燒室的上段中引入額外氣體，該氣體的行進速度比燃燒氣體和顆粒燃料更高，并且由于速度差異，造成燃料顆粒液流的湍流，由此使液流分解并確?？焖倩旌?。所述額外氣體通常遠比燃燒氣體少并且通常組成注入到燃燒室中的總氣體的小于20%，優(yōu)選在5和15%之間。所述額外氣體可以是任何氣體，包括空氣、氮氣、氧氣或諸如丙烷或丁烷的可燃氣體。所述額外氣體可從一使其鄰近燃燒室中的燃料顆粒的液流的入口注入，但是優(yōu)選注入到同軸圍繞燃料入口的入口。這一同軸設(shè)置得到有效的混合，特別是在額外氣體入口在其開口處具有收斂噴嘴時。所述額外氣體優(yōu)選比燃料和燃燒氣體行進快至少100m/s,通常至少250m/s,優(yōu)選至少300m/s。在最優(yōu)選的實施方式中，所述額外氣體的注入速度是聲速的，即，是聲音的速度或高于聲音的速度。除了被引入到循環(huán)燃燒室的上段中的燃燒氣體，也可能將一些燃燒氣體注入到下段中。這可以被稱作第二燃燒氣體。與主要燃燒氣體一樣，第二燃燒氣體可以是在室溫的或被預熱并且優(yōu)選含有至少25%氧氣。第二燃燒氣體可以是富含氧氣的空氣，其含有按體積計至少30%或35%，優(yōu)選至少50%，最優(yōu)選至少70%氧氣，或在30%和50%之間的氧氣或純氧。第二燃燒氣體可以任何常規(guī)方式被引入，但優(yōu)選使用具有收斂形噴嘴(或者被稱作噴管)的入口被引入。第二燃燒氣體可以從下段中的一個入口被注入，但是優(yōu)選從至少兩個，最優(yōu)選大于兩個，例如三個、四個、 五個或六個，優(yōu)選四個入口被注入。發(fā)現(xiàn)在循環(huán)燃燒室的下段添加燃燒氣體對于確保燃料顆粒的完全燃盡是非常有效的。發(fā)現(xiàn)在此處添加氧比在上段中簡單地添加主要燃燒空氣和額外的氧要更有效。第二燃燒氣體可以組成小于總?cè)紵龤怏w的一半，總?cè)紵龤怏w包括主要燃燒氣體、第二燃燒氣體和任何被引入的可燃的額外氣體。第二燃燒氣體可組成燃燒氣體總百分數(shù)的10至50%之間，優(yōu)選20至40%。在一個實施方式中，額外(或第二)固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)燃料被注入到下段，并且在第二燃燒氣體存在下燃燒以在下段中形成火焰。這在將富含氧的空氣作為燃燒氣體時尤為重要，因為盡管需要更小的體積，但是有益地增加了能量效率。選擇第二燃燒氣體和第二燃料中的氧的相對量使得在第二氣體中完全燃燒第二燃料后，氧過量。向下段注入第二燃料是有益的，因為它可以用來調(diào)節(jié)在基段中收集的熔體的溫度。除了在上段中的主燃燒，在下段中形成火焰也是有益的，因為這是可以改變?nèi)垠w溫度的機制。特別地，在循環(huán)燃燒室的基段中，礦物熔體沿壁向下流以在基段中收集。因此，在這一區(qū)域中，熔體作為在燃燒室的壁上的薄膜存在以及作為在基段中的熔池(bath)存在(其通常是很淺的)。在這一區(qū)域施用輻射熱尤其有效，因為它可以容易地穿透整個熔體。因此，在這一區(qū)域中使用火焰對于均勻、快速以及在準確的參數(shù)范圍內(nèi)加熱熔體是尤其有效的，通過改變這一區(qū)域中的燃料和氣體的流速，可以將熔體的溫度維持在精確的限值內(nèi)。
以此為目的，第二燃料優(yōu)選朝著下段的底端注入，優(yōu)選在燃燒室的圓錐狀下段的下半部分，使得第二燃料靠近基段。第二燃料可以是任何燃料。在一個實施方式中，第二燃料包括單獨的固體燃料樣顆粒碳材料，例如煤，因為它們通常非常經(jīng)濟并且可以降低NOx的產(chǎn)生。在另一實施方式中，第二燃料包括一些立即并且完全燃燒的液態(tài)或氣態(tài)燃料。優(yōu)選地，第二燃料包括一些固體燃料，例如煤，量為例如第二燃料總量的10至90%，優(yōu)選40至80%，最優(yōu)選50至70%，第二燃料中的剩余物為液態(tài)或氣態(tài)燃料。優(yōu)選的非固體燃料是丙烷、甲烷或天然氣。第二燃料以比顆粒燃料更低的量存在，并且組成總?cè)剂夏芰康男∮?0%，通常是20至40%。在這一實施方式中 ，第二燃燒氣體優(yōu)選純氧并且與所述燃料一起通過燃燒器入口被引入使得立即發(fā)生燃燒?；蛘?，第二燃燒氣體可以通過靠近用于第二燃料的入口的入口被引入，并且可以在燃燒室中發(fā)生混合。循環(huán)燃燒室中的氣體和懸浮的顆粒材料的大體運動是旋風式運動。這是通過以維持渦流運動的適當?shù)慕嵌纫肴紵龤怏w以及顆粒燃料和礦物材料而產(chǎn)生的。當使用第二燃燒氣體時，也優(yōu)選以相同的方向引入該第二燃燒氣體以維持循環(huán)流。排出氣體與在燃燒室的基部中收集的礦物熔體分離，并且傳到熱交換系統(tǒng)，通常通過在循環(huán)燃燒室頂部的通氣管。排出氣體隨后用于預熱礦物材料并且任選地也預熱燃燒氣體。排出氣體通常以1300和1900°C之間，通常1500至1750°C，例如約1550至1650°C的溫度離開循環(huán)燃燒室。在優(yōu)選的實施方式中，第一和第二礦物材料被分別提供到熱交換系統(tǒng)中。這在第一礦物材料具有比第二礦物材料更高的燒結(jié)溫度時是有益的。第一礦物材料通常是具有1200至1400°C的燒結(jié)溫度的原始礦物材料，而第二礦物材料通常是加工的礦物材料，例如粘結(jié)的礦物纖維，其具有900至1100°C的燒結(jié)溫度。為了實現(xiàn)最大的能量效率，非常重要的是盡可能完全地利用排出氣體的熱能量。這對于熱效率以及對于維持礦物材料的良好流動特性并且因此在預熱期間礦物材料不被溶解或軟化的良好工藝效率也是很重要的。這通過在第二礦物材料之前預熱第一礦物材料而處理。特別地，在第二礦物材料之前，將第一礦物材料加入到熱交換系統(tǒng)中。這樣做意味著第一礦物材料加入到第二礦物材料的排出氣體上游。在排出氣體與第一礦物材料接觸后，第一礦物材料預熱并且排出氣體冷卻并繼續(xù)預熱第一礦物材料以預熱第二礦物材料，通常在排出氣體與第一礦物材料接觸前淬滅排出氣體。通常，排出氣體被淬滅到約1300°C以避免第一礦物材料的軟化或熔化。淬滅是使用任何適當?shù)臍怏w如空氣或任何適當?shù)囊后w如氨水來進行。當排出氣體接觸第一礦物材料時，排出氣體預熱該第一礦物材料并且自身冷卻。在第一預熱階段，第一礦物材料優(yōu)選被預熱至300至600°C的溫度，更優(yōu)選400至550°C。優(yōu)選地，排出氣體和第一礦物材料的相對量是使得到第二預熱階段最后，第一礦物材料被預熱至稍低于第二礦物材料的燒結(jié)溫度，通常是750至850°C。隨后將第二礦物材料添加到熱交換系統(tǒng)中并與排出氣體以及在排出氣體中懸浮的第一礦物材料接觸。第二礦物材料通過這一接觸被預熱。優(yōu)選地，第二礦物材料被預熱到至少700°C并且優(yōu)選在750和850°C之間。通常，第二礦物材料是包括有機試劑如有機粘結(jié)劑的加工產(chǎn)物。尤其有益的是將第二礦物材料預熱至有機添加物完全被燃燒的溫度和條件。因此，包括所釋放的有機組分的氣體應在含有至少2%氧氣的環(huán)境條件下加熱至約750至850°C，持續(xù)至少1-2秒以燃燒掉有機粘結(jié)劑。熱交換系統(tǒng)優(yōu)選包括至少一個以及優(yōu)選兩個或者甚至三個預加熱器旋風器12、
13、16。第一和第二礦物材料通常被添加到第一導管11，該第一導管11使來自循環(huán)燃燒室I的排出氣體運輸?shù)降谝活A加熱器旋風器12。在第一預加熱器旋風器12中,排出氣體與礦物材料分離。礦物材料包括混合的第一和第二礦物材料，其通過混合的礦物材料導管3到循環(huán)燃燒室I的入口以待熔化。優(yōu)選地，在第一預加熱器旋風器12中產(chǎn)生氮氧化物(NOx)還原條件。NOx是環(huán)境廢物，其在可以被釋放到大氣中之間必須從排出氣體中被除去。這通常通過選擇性非催化還原(SNCR)進行。然而，有益地，在本發(fā)明中，Nox可以通過選擇性非催化還原(SNCR)在第一預加熱器旋風器中被顯著降低并且優(yōu)選基本上從第一預加熱器旋風器中消除。這是從排出氣體中除去Nox的經(jīng)濟且方便的方式。通過在預加熱器旋風器中包括含氮材料來產(chǎn)生NOx還原條件，該含氮材料在預加熱器旋風器12中一般的條件下將還原NOx。含氮材料可包括在被供料至預加熱器旋風器12的熱排出氣體中或者可直接添加到預加熱器旋風器12中。在預加熱器旋風器中包括的含氮材料優(yōu)選氨或銨基化合物、胺或尿素，其中尿素可以是游離的或者更優(yōu)選是樹脂型產(chǎn)品，例如脲醛或脲酚醛樹脂。尤其優(yōu)選地，通過在礦物材料中包括廢物粘合的礦物纖維作為供料至預加熱器旋風器12的第二礦物材料來產(chǎn)生NOx還原條件，其中廢物粘合的礦物纖維含有尿素樹脂(通常是酚尿素樹脂)和/或氨或銨基化合物(例如在廢物纖維中作為用于樹脂的緩沖劑)。因此，能夠同時利用廢物材料并在適當?shù)臈l件下反應它以將排出氣體中顯著量的NOx還原為氮氣。氨或氨衍生物或者其他NOx還原化合物的量優(yōu)選I至4 (優(yōu)選1-2，或尤其是1-1.7)摩爾每摩爾NOx并且反應優(yōu)選在800°C至1050°C的溫度進行。反應駐留時間優(yōu)選至少0.3秒并且最優(yōu)選至少 I秒。典型地，這可以是直到排出氣體被冷卻到低于例如800°C的反應溫度前，在預加熱器旋風器和/或?qū)Ч苤械念w粒礦物材料的駐留時間。在這些條件下，優(yōu)選以800至1050°C的溫度范圍內(nèi)，基本上所有的NOx都被還原成氮氣，即使在預加熱器旋風器中的氛圍優(yōu)選為氧化氛圍。因此，根據(jù)另一優(yōu)選的特征，在預加熱器旋風器中的氣體環(huán)境含有過量的氧氣，優(yōu)選在按照氣體環(huán)境的重量計，至少1%或2%的量，但可以達到4%，或者甚至達到12%。盡管環(huán)境的氧化性質(zhì)，在用于預加熱器所限定的環(huán)境下，Nox通過添加的氨或其他含氮化合物被還原。預加熱器因此可以同時作為Nox還原器以及氧化后燃燒器操作以燃燒來自燃燒腔室的污染物如硫化氫和一氧化碳。優(yōu)選地，從熔體分離的并且隨后被供料到預加熱器旋風器中的排出氣體所含的氧比在預加熱器旋風器中存在的氧要少，因此優(yōu)選地將空氣或者其他氧源加入到在預加熱器中或者在熔體和預加熱器之間的排出氣體中。排出氣體從第一預加熱器旋風器12的頂部穿過第二導管14到第二預加熱器旋風器13。優(yōu)選第一礦物材料在被傳送到第一導管11中以被排出氣體進一步預加熱之前在第二預加熱器旋風器13中經(jīng)歷初始預加熱。因此，在優(yōu)選的實施方式中，第一礦物材料被引入到第二導管中并且預加熱到300和600°C之間的初始溫度，優(yōu)選450和550°C之間。排出氣體隨后離開第二預加熱器旋風器13并且通常通過間接熱交換被用于加熱燃燒氣體。
如上所述，排出氣體在與第一礦物材料接觸前被淬滅。通常，排出氣體被淬滅到約13000C以避免軟化或熔化第一礦物材料。淬滅是使用任何適當?shù)臍怏w(例如空氣)或任何適當?shù)囊后w(例如氨水)進行。參照圖2，淬滅是通過將來自循環(huán)燃燒室I的排出氣體通過排出管10傳送并且從下面進入淬滅罩30中來進行。淬滅罩30的頂部與導管11相連接。排出管10、淬滅罩30和導管11優(yōu)選是同軸設(shè)置的。淬滅罩30在排出氣體進入導管11之前通過繞著排出管10的出口將冷卻流體(例如環(huán)境空氣)汲取(draft)到排出氣體流中來淬滅排出氣體。在圖2示出的實施方式中，淬滅罩30包括圍繞排出管10的環(huán)形空氣攝入開口 31。環(huán)境空氣通過這一環(huán)形空氣攝入口被引入并且由于在排出管10中的快速的排出氣體流而進入罩30中并且進入導管11。優(yōu)選地，排出管10的直徑(D1)比導管11的直徑(D2)更大。這會是有益的，因為任何在導管11的內(nèi)表面上形成的殘留物都會落到熔體中而不會到熔爐I的外部。排出氣體在向上導向時，汲取輕材料和液滴直到它們達到一定尺寸后懸浮在汲取物中。然而，如果尺寸超過這一大小，那么汲取將不足以強大到能將這些顆粒向上傳送。這些顆粒會朝著熔體落回到導管11和排出管10內(nèi)部或者在它們的內(nèi)表面上形成液滴。為了防止較大的材料顆粒離開系統(tǒng)，可在排出氣體離開排出管10處通過帶穿孔的篩選元件32來篩選排出管10。這一篩32可由具有開口大小為約20x20mm的帶穿孔的板來制成。篩32的開口區(qū)可以是約50%。由此，篩32可以不僅使從熔爐I中的熔體向上拋的任何較大顆粒被保留而免于通過淬滅被排出，而且也防止被引入到在淬滅罩上方的導管11中的預熱原材料顆粒18落到該系統(tǒng)外，而是使其落入熔化爐。如圖2所示，來自第二預加熱器旋風器13的預熱原始礦物材料通過供應線路18被引入到導管11中的被淬滅的但又是熱的排出氣體中用于進一步預熱。導管下游，提供任選的粘結(jié)的廢礦物纖維的材料供給線路20。如圖2所示，用于供給原材料18和粘結(jié)的廢礦物纖維20的入口優(yōu)選伸入到導管11中。這些管式的入口延伸18A和20A確保了材料被供料到氣流的主要部分。由此材料避開了較低流動的邊界層，該邊界層本來會造成材料落`下而不是被氣流攜帶。用于預熱原材料18的入口延伸18A優(yōu)選地設(shè)在導管11中被水冷卻的最底段IlA中。入口 18A對于導管11中的氣流方向具有一角定位而不是與之垂直，使得材料以相對于熱排出氣體流為小于90°的流動方向被引入，優(yōu)選在15°和75°之間，例如約60°，以促進向氣流中引入原材料。因此，至少這一管式入口 18A的最底部可延伸到導管11中，例如達到導管內(nèi)徑D2的15-30%的距離。在導管11的第二段IIB中，在原始材料入口 18A的上游提供用于供給廢物粘結(jié)的材料纖維20的入口延伸20A，其優(yōu)選設(shè)有陶瓷內(nèi)襯。在所示的實施方式，廢物材料入口 20A垂直于導管11。當然意識到入口 20A也可以與氣流成銳角提供。廢物材料纖維入口 20A可在一個實施方式中以導管內(nèi)徑D2的15-30%的距離延伸到導管11中。根據(jù)本發(fā)明，排出管10從燃燒室以排出管10的內(nèi)徑D1的至少2.5倍的高度向上延伸，例如2.5和4之間，優(yōu)選約三倍，并且伸入淬滅罩30中使得排出氣體離開罩30內(nèi)部的出口。內(nèi)徑D1可為約850mm并且排出管10的高度可為約2700mm。導管的內(nèi)徑D2可為約630mm。供給線路開口 18，20可為具有直徑為約200mm的內(nèi)徑的管。排出管10的這一高度/內(nèi)徑比確保了來自熱排出氣體的許多液滴和細粉被拋到排出管10的壁上并且返回熔化旋風器I。發(fā)現(xiàn)當熔化細礦物材料時，由于離開排出氣體的液滴和細粉的量，這是有益的。排出管10可為水冷卻的，具有陶瓷材料內(nèi)襯并在其內(nèi)部由冷凍的熔體層覆蓋。類似地，導管11可以是水冷卻的和/或設(shè)有陶瓷內(nèi)襯以便確保導管11和排出管10可以承受它們所暴露的高溫。通過這一延伸的排出管，將輕材料保持在排出管10中更長時間。熱排出氣體由于在旋風爐I中的渦流而循環(huán)并因此在排出氣體中的大部分的輕材料作為熔體被拋到排出管10的內(nèi)表面上并且作為液滴沿排出管表面的內(nèi)部流下并且落到熔化旋風器I中。由于該材料由此作為熔體被再引入，而不是作為輕材料被再引入到排出氣體中，它被拋到熔化爐I的壁上以成為在熔化爐I中產(chǎn)生的熔體9的一部分。上面參照優(yōu)選的實施方式描述了本發(fā)明。然而，應認識到可提供其他變形而不背離如所附權(quán)利要求書中所限定的保護 范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造礦物熔體的方法，所述方法包括步驟: 提供循環(huán)燃燒室(I); 將燃料、顆粒礦物材料和燃燒氣體注入到循環(huán)燃燒室(I)中； 燃燒在循環(huán)燃燒室(I)中的燃料，由此熔化礦物材料以形成礦物熔體并產(chǎn)生排出氣體； 將排出氣體與礦物熔體分離，收集礦物熔體(9)并使排出氣體向上通過排出管(10)到熱交換系統(tǒng)的導管(11);和 在排出氣體進入導管(11)之前，通過將冷卻流體，如環(huán)境空氣，汲取到排出出口(10)周圍的排出氣體流中來淬滅排出氣體，其中排出氣體出口從燃燒室(I)向上延伸，并且伸入到淬滅罩(30)中使得排出氣體離開排出管(10)進入罩(30)內(nèi)部，所述延伸的高度是排出管(10)的內(nèi)徑D1的至少2.5倍，優(yōu)選2.5和4之間，更優(yōu)選約三倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，另外包括從礦物熔體制造礦物纖維的步驟，其在循環(huán)燃燒室(I)中通過出口(9)將收集的礦物熔體流動到離心纖維化設(shè)備并形成纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中排出氣體在1500和1900°C之間的溫度離開循環(huán)燃燒室(I )，通常約1550至1650°C，并且然后淬滅到從1000到1500°C的溫度，例如約1300°C。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中淬滅的步驟是通過淬滅罩(30)來進行，所述淬滅罩(30)包括圍繞排出管(10)的環(huán)形空氣攝入開口(31)。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中在排出氣體離開排出管(10)處，通過帶穿孔的篩選元件(32)來篩選排出管(10)。`
6.一種在無機顆粒材料存在下，通過燃燒可燃材料由此形成熔體來生產(chǎn)礦物熔體的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 循環(huán)燃燒室(I)，接收燃料、預熱礦物材料和燃燒氣體的供給并且燃燒在循環(huán)燃燒室(I)中的燃料由此熔化礦物材料來形成礦物熔體并產(chǎn)生排出氣體，其中排出氣體與礦物熔體(9)分離并且排出氣體通過排出管(10)向上經(jīng)過熱交換系統(tǒng)的導管(11);和 淬滅機構(gòu)，用于淬滅排出管(10)中的排出氣體， 其特征在于 淬滅機構(gòu)包括淬滅罩，用于在排出氣體進入導管(11)之前通過繞著排出出口(10)將諸如環(huán)境空氣的冷卻流體汲取到排出氣體流中來淬滅排出氣體，并且其中排出管(10)從燃燒室(I)向上延伸，并且伸入到淬滅罩中使得排出氣體離開排出管(10)進入罩內(nèi)部，所述延伸的高度是排出管(10)的內(nèi)徑D1的至少2.5倍，優(yōu)選2.5和4之間，更優(yōu)選約三倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中淬滅罩包括圍繞排出管(10)的環(huán)形空氣攝入開口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的設(shè)備，其中排出管(10)具有比導管(11)的至少入口部分的直徑(D2)更大的直徑(Dl)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項的設(shè)備，其中在排出管(10)上設(shè)有帶穿孔的篩選元件(32)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一項的設(shè)備，其中用于預熱礦物材料的熱交換系統(tǒng)包括第一預熱器旋風器(12)，從循環(huán)燃燒室(I)到第一預熱器旋風器(12)的用于傳送排出氣體的導管(11 )，用于將礦物材料注入到導管(11)中的材料入口，以及從第一預熱器旋風器(12 )到循環(huán)燃燒室(I)的流動連通，用于將預熱礦物材料供料給所述燃燒室。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-10中任一項的設(shè)備，其中熱交換系統(tǒng)另外包括第二預加熱器旋風器(13)，從第一預加熱器旋風器(12)到第二預加熱器旋風器(13)的、用于輸送排出氣體的第二導管(14)，以及用于將礦物材料注入到第二導管(14)中的礦物材料入口，其中礦物材料導管從第二預加熱器旋風器(13 )引導到第一導管(11)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中該設(shè)備還包括多個旋風器(16)，從第二預加熱器旋風器(13)到多個旋風器(16)的、用于向多個旋風器(16)輸送排出氣體第三導管(15),以及用于將被分離的 材料從多個旋風器(16)提供到第一預加熱器旋風器(12)的出口的導管(22)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過在無機顆粒材料存在下燃燒可燃材料由此形成熔體來生產(chǎn)礦物熔體的方法和設(shè)備，所述設(shè)備包括循環(huán)燃燒室(1)，接收燃料、預熱礦物材料和燃燒氣體的供給并且燃燒在循環(huán)燃燒室(1)中的燃料由此熔化礦物材料來形成礦物熔體并產(chǎn)生排出氣體，其中排出氣體與礦物熔體(9)分離并且排出氣體通過排出管(10)向上經(jīng)過熱交換系統(tǒng)的導管(11)；和淬滅機構(gòu)，用于淬滅排出管(10)中的排出氣體，其中淬滅機構(gòu)包括淬滅罩，用于在排出氣體進入導管(11)之前通過繞著排出出口(10)將諸如環(huán)境空氣的冷卻流體汲取到排出氣體流中來淬滅排出氣體，并且其中排出管(10)從燃燒室(1)向上延伸，并且伸入到淬滅罩中使得排出氣體離開排出管(10)進入罩內(nèi)部，所述延伸的高度是排出管(10)的內(nèi)徑的至少2.5倍，優(yōu)選2.5和4之間，更優(yōu)選約三倍。
文檔編號C03B3/02GK103189321SQ201180052079
公開日2013年7月3日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者拉爾斯·柏倫德, 拉爾斯·埃爾梅基爾德·漢森 申請人:羅克伍爾國際公司