本發明涉及環保裝備技術領域，具體涉及一種實施干法水泥生產線水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備。

背景技術：

當前，我國水泥的實際產能達45億噸，人均約3噸，占世界水泥總產能比例逾60%，且水泥生產是公認的高能耗高污染行業，采用生物質燃料替代部分化石燃料是實現碳減排的必然趨勢。替代化石燃料的生物質燃料的植物類包括農作物秸稈、枯枝敗葉、廢棄林木、動物排泄物及動植物加工有機廢棄物等。但眾所周知的是，水泥窯生產熟料系統的核心是燒好兩把火，即燒好窯頭一把火和分解爐一把火，其中熟料的燒成質量更取決于窯頭一把火。因為普通硅酸鹽熟料的燒成溫度是1450℃，即回轉窯窯內燒成帶翻滾的物料溫度需要達到1450℃，這要求窯頭燃料燃燒的火焰溫度達到1700℃以上。

而利用生物質能的生物質燃燒技術按照燃料分類，可將生物質燃燒技術分為生物質的直接燃燒技術及生物質和礦物燃料（煤、油）混合燃燒技術。生物質直接燃燒技術是一種通過燃燒把生物質能轉換成為熱能的古老的能源轉換技術，一直沿用至今，隨著文明和科技的進步，燃用生物質的設備設施和方式在不斷的改進，生物質直接燃燒技術的裝備主要包括爐灶、鍋爐等。生物質和煤或油的混合燃燒技術是目前比較熱門的技術，目前主要應用于生活垃圾等廢棄物的焚燒處理，主要有盤式爐、流化床爐、爐排爐、層燃爐。

當前，國內在生物質燃燒應用研究方面主要集中于生物質的氣化、固化、熱解和液化等，且財政支持的大量相關實際項目正在實施中，而關于生物質直接燃燒技術方面進展并不是很順利。而在國外，生物質氣化、液化項目并不太受關注，生物質直燃技術尤其是生物質直燃發電技術在國外的應用已取得快速發展且已相當成熟，因為生物質氣化、液化需要外熱源和二次能源電，必然導致利用成本增加，無法產生直接利益。生物質直燃技術發電，處理的生物質大部分是經干燥加工處理的農林廢棄物、木材廠、造紙廠的殘余物等或其成型燃料，且已經有各類生物質燃燒的專用設備以及其應用技術。如，專門針對燃燒林木業廢棄材料的蒸汽鍋爐、生物質流化床爐。我國亦于20世紀90年代初開始對生物質流化床鍋爐的探索，如哈工大開發的用于燃用稻谷殼、木屑等生物質廢棄物的系列生物質流化床鍋爐，也開發了能夠燃燒各種林業廢棄物的層燃式鍋爐。但國內外所有應用均采用經干燥粉碎處理加工的生物質燃料，或經干燥、粉碎、成型加工的生物質成型燃料，主要設備為烘干、破碎、成型等裝備系統。生物質成型燃料有棒狀、塊狀和顆粒狀等形狀。但，成型燃料的最大的缺陷是加工難，加工設備損壞過快，加工的成型燃料能耗高、成本高，且成型燃料燃燒時與空氣接觸面積較小，燃燒速率慢，燃燒溫度較低。中國的余有芳等在棉桿成型燃料燃燒實驗中獲得的最高溫度為720℃。

對于植物類生物質燃料，當前技術有效利用的是干燥粉碎生物質燃料或生物質成型燃料，其本身的熱值較低，能量密度較低，燃燒的火焰溫度較低，一般不會超過1000℃，既便是生物質所含的大量內水產生的氣體也會帶走大量熱量，降低熱效率，而含濕的生物質燃燒更是非常困難，現有爐灶或鍋爐的燃燒技術不能有效地穩定著火燃燒，這就是須干燥粉碎加工或干燥粉碎成型加工為成型燃料的根本原因；其次，干燥加工或干燥成型生物質燃料較粗大顆粒的燃燒速度慢、燃盡率低，導致熱效率更低。為提高生物質的燃燒性能，西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室鄧磊等采用熱水浸泡水洗的方式對小麥秸桿、稻殼和桐木木屑進行粉碎、浸泡、水洗、干燥等處理，除去部分有害雜質，以提高其應用性能，但能耗高、成本高、處理量有限，且客觀上造成二次污染。為解決生物質成型燃料的燃燒速度偏慢、粗顆粒燃盡率低的問題，河南科技大學魏學鋒等采用固態催化氧化劑mno2和kmno4和干燥粉碎的秸桿粉末按mno2/kmno4:秸桿粉=2:1的質量比例混合進行燃燒實驗，可有效解決燃盡率問題，達到完全燃盡，且燃燒溫度可達1000℃左右，但催化劑用量過大（為秸桿粉的2倍），生產中沒有經濟性；湘潭大學環境工程系羅婕等以固體氧化劑與生物質（20目篩下的米糠和木屑）按質量比固體氧化劑2:生物質1的比例混合試驗，可降低著火溫度，提高燃盡率，但固體氧化劑用量為生物質量的2倍，工業生產中沒有應用價值。為提高生物質燃料的燃燒溫度拓展應用范圍，華中科技大學開發了生物質高溫燃燒技術進行了生物質微米燃料煅燒水泥的研究，選用研磨至粒徑范圍在80-160目(177um-100um)之間的鋸末生物質微米燃料旋風燃燒技術方法，將粒徑范圍在80-160目(177um-100um)之間的鋸末粉制成生物質成型燃料，以此生物質微米燃料的旋風燃燒方法，將生物質燃燒溫度提高到1385℃，極大的改善破碎生物質的燃燒狀態和燃燒效率，提升生物質燃料的品位。并在粉體燃料旋風燃燒方法實驗中發現，在燃燒過程中粒徑大于0.465mm的粉體很難點燃，沒有出現理想的轟燃和持續、穩定燃燒的現象，煙氣中co含量較高燃燒不充分，燃燒過程中除塵器中落出的灰分呈黑色，爐膛溫度不穩定。該研究取得了顯著的成果，但將生物質粉碎至20目已很困難且能耗很高，粉碎至80-160目的粉體工業生產中缺失可行性。

在水泥窯爐中的應用，國內科技工作者進行了大量的研究和實踐。如《上海建材》（2014年第2期）《農作物秸稈在水泥焚燒替代燃料應用中的關鍵問題探討》介紹了上海建筑材料集團水泥有限公司盧波等，以收集的秸桿輸送至成型加工廠，經干燥、粉碎、固化成型制成秸桿成型燃料，與天津水泥工業設計研究院有限公司合作，在新型干法水泥生產線的窯尾塔架外增加流態化分解爐協同處理廢棄物，該流態化分解爐不是按正常的新型干法分解爐設計，而是適當增加了塔內面積（塔內爐底設置大量的風管風帽），三次風從爐底鼓入，計量后的秸桿成型燃料喂人流態化分解爐焚燒。流態化分解爐設有喂煤裝置，煤粉與爐底進入的三次風混合后燃燒，爐內溫度一般在850℃～900℃。該項目以成型秸桿燃料替代一部分燃煤取得了良好的減排效果，每1.5噸成型秸桿燃料可替代1噸燃煤，但存在如下主要問題：一是干燥成本問題，使用燃料烘干則沒有經濟性，只能人工曬干，無論從使用還是從脫水考慮，秸稈燃料的利用都需要很大的儲存用地，其季節性、占地、脫水、防火成了不可忽視的問題；二是加工的成型設備磨損快，電耗高；三是成型秸桿燃料和煤粉在特殊的流化床式分解爐內的混合燃燒速度匹配性差，使系統操作難度增加，對窯系統工況的穩定性也產生了影響，客觀上造成了熟料產量損失。又如《水泥》（2016.no.1)《生物質燃料應用于水泥窯的工業試驗》介紹了河北金隅鼎鑫水泥有限公司韓永鵬等以糠醛渣作為生物質燃料，將糠醛渣粉磨后通過0.08mm方孔篩，試燒完全燃盡時間約60min，然后，按煤粉用量的3%～5%，將磨細的糠醛渣加入新型干法水泥生產線的窯尾煙室內焚燒，加入量不超過煤粉用量的3%時能保證水泥窯系統連續運行，窯臺時產量有所降低。該方法雖然能協同處理生物質—糠醛渣，但處理量有限，且客觀上影響了窯系統工況，降低熟料產量。

中國專利cn104428397a，khd洪保德韋達克有限公司提供了一種用于在生產水泥的設施中處理生物質的方法和與之相應的設施，其方法是采用換熱裝置，利用水泥預熱器系統的廢熱能，干燥濕潤的農業生物質并在反應器中碳化，以干燥并碳化的生物質作為燃料。該方法投資大，且換熱以干化、碳化過程中易產生二次污染，不適合我國國情。

中國專利cn105829262a，納幕爾杜邦公司提供了一種用于水泥窯的木質纖維素生物質發酵過程的聯產品燃料，其方法是將木質纖維素生物質以醇曲酶發酵過程提醇產生的廢棄物木質纖維素濾餅和木質纖維素糖漿為原料，然后將木質纖維素濾餅和木質纖維素糖漿按一定的比例再混合，再將混合物干燥成型作為燃料，用于水泥窯中燃燒。但這種混合物干燥能耗高，干燥成型制成生物質燃料的過程中所需能耗產生的co2與這種生物質燃料的減排co2量相當，更重要的是這種成型燃料燃燒速度偏慢，燃燒的火焰溫度遠達不到1680℃以上。

另一方面，眾所周知的，催化燃燒具有顯著的優勢，適宜的催化燃燒方式可以大幅提高燃燒速度，燃燒速度的大幅提高，可以大幅提高火焰溫度。但在如何經濟的利用催化燃燒的優勢解決水泥窯頭生物質燃料的快速燃燒提高火焰溫度方面，至今未見任何研究或實踐的報道。

我國是世界水泥最大產能國，水泥行業實施節能減排的生物質可替代燃料之一，就是我國每年產量逾10億噸的植物纖維如農作物果枝、秸稈就是生物質能源，它在燃燒過程中排放的二氧化碳同其生長時吸收的二氧化碳達到碳平衡，被認定為具有二氧化碳零排放的特點。但目前，由于尚缺少全新的生物質燃燒技術方法與裝備，我國政策和環保標準中，直接燃燒生物質屬于高污染燃料，只允許在農村的大灶中使用，不允許在城市中使用。生物質燃料的應用，實際主要是生物質成型燃料，是將農林廢物作為原材料，經過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，制成各種成型（如塊狀、顆粒狀等)的可直接燃燒的一種新型清潔燃料。客觀點說，這種新型清潔燃料對于使用單位而言是清潔的，其干燥、加工成型等加工過程中是耗能的、有排放的，且其加工過程所消耗的能源與其清潔燃料的能源數量上幾乎相當或處在同一數量級上，且燃燒的火焰溫度偏低，遠達不到窯頭一把火熟料燒成的火焰溫度要求。因此，對于水泥企業替代部分燃煤的生物質能源尤其是植物纖維燃料的應用，迫切需要一種全新的技術方法與裝備系統使之可高效替代干法水泥生產線回轉窯窯頭一把火的部分頭煤，而不影響窯系統生產工況。

技術實現要素：

為解決背景技術中的問題，克服現有裝備技術的不足，提供一種可低成本協同利用高溫催化氧化燃燒技術優勢將植物纖維類生物質燃料作為水泥窯窯頭生產用替代性燃料、且不影響窯系統工況、不會造成熟料產量損失的水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備。

本發明采用的技術方案是：

一種水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備，包括計給料泵，所述計給料泵通過管道與催化氧化劑儲罐的出口相連通，計給料泵通過另一管道與均質裝置的霧化噴淋進液管相連通，均質裝置的卸料口與第一輸送機的入料端相連，第一輸送機的卸料端與生物質燃料倉的進料口相連，所述生物質燃料倉的底部出料口與計給料裝置相連，所述計給料裝置與鎖風喂料裝置相連，所述鎖風喂料裝置與生物質燃料旋流燃燒器的進料口相連通，生物質燃料旋流燃燒器的進風口通過風管與高壓風機相連通，生物質燃料旋流燃燒器與煤粉燃燒器平行設置，且生物質燃料旋流燃燒器位于煤粉燃燒器的上方，生物質燃料旋流燃燒器的旋流噴嘴伸入回轉窯的窯口內或置于窯口外，生物質燃料旋流燃燒器的旋流噴嘴可于回轉窯的窯口內或窯口外移動，煤粉燃燒器的出口端伸入回轉窯的窯口內或置于窯口外。

進一步，還設有生物質儲倉、剪切/磨削式粉碎裝置、第二輸送機、第三輸送機、配料給料裝置，所述第三輸送機的卸料端與剪切/磨削式粉碎裝置的進料口相連，所述第二輸送機的卸料端和入料端分別與生物質儲倉的進料口、剪切/磨削式粉碎裝置的出料口相連，所述配料給料裝置的入料口和出料口分別與生物質儲倉的底部卸料口、均質裝置的進料口相連。

本發明以計給料泵抽取催化氧化劑儲罐中的催化氧化劑噴灑至均質裝置內經粉碎的生物質物料上，均質混合，將碎裂的生物質物料均化改性處理為可在高溫條件下高效催化氧化燃燒的改性生物質燃料。改性生物質燃料經第一輸送機送入生物質燃料倉中，生物質燃料倉中的改性生物質燃料經倉底部出料口的計給料裝置連續計量給料、再經鎖風喂料器連續送入生物質燃料旋流燃燒器內，經高壓風機鼓入生物質燃料旋流燃燒器內的高壓風推送高速旋轉沖入回轉窯窯頭內，并借下面的煤粉燃燒器產生的高速煤粉流燃燒產生的膨脹性火焰流的作用使生物質燃料懸浮于回轉窯窯頭內中上部空間，防止生物質燃料直接落入窯內物料中產生強還原作用，利用回轉窯窯頭內1600-2000℃的托底溫度場，實現改性生物質燃料于回轉窯窯頭內的懸浮高效催化氧化燃燒。改性生物質燃料于回轉窯窯頭內懸浮高效催化氧化燃燒產生的熱量直接供給回轉窯內水泥物料的煅燒。

本發明針對生物質植物材料的成份特點和燃燒特性，結合生物質材料的高溫催化氧化燃燒的條件，利用高溫催化氧化燃燒的優勢，將能有效促進高溫催化氧化的物質直接吸附于粉碎的生物質物料上，對粉碎的生物質物料進行改性處理，以生物質燃料旋流燃燒器高壓旋流推力高速旋轉送入回轉窯窯頭內的上部空間，利用平行設置于下面的煤粉燃燒器產生的高速煤粉流燃燒產生的膨脹性火焰流的作用使生物質燃料懸浮于回轉窯窯頭內中上部空間，防止生物質燃料直接落入窯內物料中產生強還原作用，利用回轉窯窯頭內高達1600-2000℃的托底溫度場，實現改性生物質燃料于回轉窯窯頭內的懸浮高效催化氧化燃燒，大幅提高火焰溫度，使之能高熱效率的大量用作水泥窯頭用替代性燃料。

本發明的有益效果：

1）裝備簡單，并有相對成熟的設備可供選用，生物質作為替代燃料利用成本低，不影響窯系統工況、不會造成熟料產量損失，經濟性好，便于推廣。

2）可有效降低植物類生物質物料加工過程中的能源消耗和環境污染，利于環保。

3）為水泥企業利用生物質植物燃料作為窯頭的替代性燃料提供了一種經濟而實用的新裝備，利于水泥企業節能減排和降本增效。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所示水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備結構示意圖；

圖2為本發明實施例2所示水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

實施例1：

參照圖1，一種水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備，包括煤粉燃燒器2、生物質燃料旋流燃燒器3、鎖風喂料裝置4、高壓風機5、計給料裝置6、生物質燃料倉7、第一輸送機8、均質裝置9、計給料泵10和催化氧化劑儲罐11，所述計給料泵10通過管道與催化氧化劑儲罐11的出液口相連通，所述計給料泵10通過另一管道與均質裝置9的霧化噴淋進液管相連通，均質裝置9的卸料口與第一輸送機8的入料端相連，第一輸送機8的卸料端與改性生物質燃料倉7的進料口相連，所述生物質燃料倉7的底部出料口與計給料裝置6相連，所述計給料裝置6與鎖風喂料裝置4相連，所述鎖風喂料裝置4與生物質燃料旋流燃燒器3的進料口相連通，所述高壓風機5通過風管與生物質燃料旋流燃燒器3的進風口相連通，所述生物質燃料旋流燃燒器3與煤粉燃燒器2平行設置，且生物質燃料旋流燃燒器3位于煤粉燃燒器2的上方，生物質燃料旋流燃燒器3的旋流噴嘴伸入回轉窯1窯頭的窯口內或置于窯口外，生物質燃料旋流燃燒器3的旋流噴嘴可于回轉窯1窯頭的窯口內或窯口外移動。煤粉燃燒器2的出口端伸入回轉窯1窯頭的窯口內或置于窯口外。

催化氧化劑儲罐11中裝有催化氧化劑。所述催化氧化劑為現有催化劑，如市售的高鐵酸鋰、重鉻酸銨、高氯酸鎳、硝酸銅等的復合物及湖南省小尹無忌環境能源科技開發有限公司的zc系列催化氧化劑等。

均質裝置9為現有設備。均質裝置9內裝有已粉碎的生物質物料。

鎖風喂料裝置4為現有設備，用于物料的連續布送。

生物質燃料旋流燃燒器3為現有設備。

工作時，計給料泵10抽取催化氧化劑儲罐11中的催化氧化劑噴灑至均質裝置9內經粉碎的生物質物料上，對粉碎的生物質物料進行改性處理，改性生物質燃料經第一輸送機8送入生物質燃料倉7中，生物質燃料倉7中的改性生物質燃料經倉底部出料口的計給料裝置6連續計量給料、再經鎖風喂料裝置4連續布送入生物質燃料旋流燃燒器3內，經高壓風機5鼓入生物質燃料旋流燃燒器3內的高壓風推送高速旋轉沖入回轉窯1窯頭內，并借助下面的煤粉燃燒器2產生的高速煤粉流燃燒產生的膨脹性火焰流的作用使生物質燃料懸浮于回轉窯1窯頭內中上部空間，防止生物質燃料直接落入窯內物料中產生強還原作用，利用回轉窯窯頭內高達1600-2000℃的托底溫度場，實現改性生物質燃料于回轉窯窯頭內的懸浮高效催化氧化燃燒，大幅度提高火焰溫度，使之能高熱效率的大量用作水泥窯窯頭用替代性燃料。

實施例2：

參照圖2，一種水泥窯窯頭利用生物質燃料催化燃燒的裝備，包括煤粉燃燒器2、生物質燃料旋流燃燒器3、鎖風喂料裝置4、高壓風機5、計給料裝置6、生物質燃料倉7、第一輸送機8、均質裝置9、計給料泵10、催化氧化劑儲罐11、配料給料裝置12、生物質儲倉13、第二輸送機14、剪切/磨削式粉碎裝置15和第三輸送機16，所述第三輸送機16的卸料端與剪切/磨削式粉碎裝置15的進料口相連，所述第二輸送機14的卸料端和入料端分別與生物質儲倉13的進料口、剪切/磨削式粉碎裝置15的出料口相連，所述配料給料裝置12的入料口和出料口分別與生物質儲倉13的底部卸料口、均質裝置9的進料口相連，所述計給料泵10通過不同的管道與催化氧化劑儲罐11的出液口、均質裝置9的霧化噴淋進液管相連通，所述第一輸送機8的卸料端和入料端分別與生物質燃料倉7的進料口、均質裝置9的卸料口相連，所述生物質燃料倉7的底部出料口與計給料裝置6相連，所述計給料裝置6與鎖風喂料裝置4相連，所述鎖風喂料裝置4與生物質燃料旋流燃燒器3的進料口相連通，所述高壓風機5通過風管與生物質燃料旋流燃燒器3的進風口相連通，所述生物質燃料旋流燃燒器3與煤粉燃燒器平行設置，且生物質燃料旋流燃燒器3位于煤粉燃燒器的上方，生物質燃料旋流燃燒器3的旋流噴嘴伸入回轉窯1窯頭的窯口內或置于窯口外，生物質燃料旋流燃燒器3的旋流噴嘴可于回轉窯1窯頭的窯口內或窯口外移動。煤粉燃燒器2的出口端伸入回轉窯1窯頭的窯口內或置于窯口外。

剪切/磨削式粉碎裝置為現有設備。

工作時，將生物質燃料通過第三輸送機16送入剪切/磨削式粉碎裝置15粉碎，粉碎后的物料以第二輸送機14送入生物質儲倉13，經生物質儲倉13底部的配料給料裝置12配料后送入均質裝置9，在均質混合的同時，以計給料泵10抽取催化氧化劑儲罐11中的催化氧化劑噴灑至均質裝置9內的物料上，均質混合，將碎裂的生物質物料均化改性為可在高溫條件下高效催化氧化燃燒的生物質燃料，改性生物質燃料經第一輸送機8送入改性生物質燃料倉7中，改性生物質燃料倉7中的改性生物質燃料經倉底部出料口的計給料裝置6連續計量給料、再經鎖風喂料裝置4連續布送入生物質燃料旋流燃燒器3內，經高壓風機5鼓入生物質燃料旋流燃燒器3內的高壓風推送高速旋轉沖入回轉窯1窯頭內，并借助下面的煤粉燃燒器產生的高速煤粉流燃燒產生的膨脹性火焰流的作用使廢棄物燃料懸浮于回轉窯1窯頭內中上部空間，防止廢棄物燃料直接落入窯內物料中產生強還原作用，利用回轉窯窯頭內高達1600-2000℃的托底溫度場，實現改性生物質燃料于回轉窯窯頭內的懸浮高效催化氧化燃燒，大幅度提高火焰溫度，使之能高熱效率的大量用作水泥窯窯頭用替代性燃料。