一种煤矸石快速燃烧脱碳的处置方法及装置与流程

本发明涉及大宗工业固废（煤矸石）资源化处置领域，提供了一种煤矸石快速燃烧脱碳的处置方法及装置。

背景技术：

1、煤矸石是煤炭开采、洗选过程中排放的固体废物，其特点是发热量低（小于1500kcal/kg）、灰分高（大于70%）、含碳量低（10%左右）、挥发分低（10%左右），不能作为锅炉燃料使用。煤矸石平均占煤炭产量的20%左右，露天堆放或填埋不当时易自燃，释放的有毒气体会长期污染当地的空气，并且会持续自燃几十上百年，很难扑灭，煤矿和煤炭洗选厂排放的煤矸石热值约500～1500kcal/kg，这种低热值的煤矸石既不能作为煤矸石电厂的燃料，也不能直接用于等级公路、混凝土所需的建材原料，只有少量煤矸石可作为烧结砖的原料，环保填埋方式在这些地区仍是主要处置方式，但需长期对已封场的煤矸石填埋场进行内部温度监控和采取散热措施，填埋场的维护成本比较高。个别煤矿采用井下回填（或注浆）方式处置，处置成本很高，能够井下回填（或注浆）的煤矸石量占煤矸石产生量的比例较小。

2、如果通过隧道窑、回转窑、烧结机等常规窑炉直接将500～1500kcal/kg的煤矸石作为烧结砖、陶粒、砾石的原料，由于其热值过高（内燃的最佳热值为300～400kcal/kg），大部分地区煤矸石的挥发分含量超过5%，窑炉内部温度很难控制，将出现生产线不达产、产品质量不稳定（合格率低）、结块堵窑等问题，原料超内燃（500～1500kcal/kg）一直是窑炉从业者的难题。目前比较现实和可行的方法是往煤矸石中掺入粘土、页岩或粉煤灰，把入窑原料的热值降到300～400kcal/kg再燃烧，这样又导致处置煤矸石量成倍减少，使通过窑炉处置煤矸石的单位工程造价和焚烧成本上升。虽然已有超内燃烧结砖的隧道窑能实现燃烧500～1000kcal/kg砖坯稳定控温的成熟技术，但随着建筑市场的萎缩，市场对烧结砖的需求量也大幅减少，在煤炭主产区能通过超内燃烧结砖隧道窑处置的煤矸石量较少。

3、入窑原料的高位发热量大于500kcal/kg的超内燃条件下，煤矸石颗粒在隧道窑、回转窑、烧结机等常规窑炉内升温至500℃左右时，煤矸石颗粒内部的挥发分气体快速析出而爆燃，导致窑内温度从500℃迅速升高至1000℃以上，煤矸石颗粒内部的固定碳还未来得及燃烧，煤矸石颗粒表面就出现了液相而隔绝氧气与内部的固定碳接触，造成煤矸石颗粒内部的固定碳不能充分燃烧、煤矸石脱碳效果差，具体表现为煤矸石颗粒内部有大量的“黑心”，这种有大量“黑心”的煤矸石颗粒堆存时仍然会发生自燃现象，并且不能直接作为建材原料，这就是现有的回转窑技术在处置超内燃的煤矸石时处置能力不高的主要原因。

4、对于挥发分含量超过5%、热值超过500kcal/kg的煤矸石，煤矸石在篦板上着火后的静态燃烧阶段容易结块而阻断气体通道，既延长了在高温区内的燃烧时间又不能充分脱碳，并且还会造成堵窑的生产事故，这就是烧结机技术在处置超内燃的煤矸石时不能正常生产的主要原因。现有技术是通过加热分解出煤矸石中的挥发分气体或在挥发分气体快速燃烧阶段把挥发分气体燃烧产生的高温烟气抽出窑炉防止着火的煤矸石快速升温的办法来解决的。通过加热分解出煤矸石中的挥发分气体的方法，将造成剩下的煤矸石着火非常困难，必须借助天然气等辅助燃料才能把煤矸石中的固定碳燃尽，这样将造成煤矸石处置成本升高，由于得不偿失至今也没有成功的工程应用案例。在挥发分气体快速燃烧阶段把挥发分气体燃烧产生的高温烟气抽出窑炉的办法，虽然可解决着火后的煤矸石快速升温、结块堵窑的问题，但又将造成挥发分气体燃烧完后的固定碳燃烧区域温度快速下降，煤矸石燃烧速度缓慢造成窑炉产量下降，这就是现有的隧道窑烧结技术在处置超内燃的煤矸石时单线处置能力不能提高的主要原因。

5、煤矸石中的单质硫、有机硫、硫铁矿在300℃以上的高温条件下燃烧后将氧化成二氧化硫。采用常规的隧道窑、回转窑、烧结机燃烧煤矸石制品，燃烧过程产生的二氧化硫只能选择石灰作为脱硫剂，如果煤矸石的含硫量越高，烟气脱硫的成本就越高。为了降低煤矸石燃烧后的脱硫成本问题，个别企业就把石灰石与煤矸石按一定比例混合后来燃烧，这样虽然可以起到一些脱硫效果，但又造成煤矸石燃烧后最终的残留物中石灰的含量超标，影响到煤矸石燃烧后残留物的品质，就像循环流化床锅炉排放的炉渣一样更难进一步利用。特别是要把煤矸石燃烧后的残留物用于填沟造地或生产沙漠绿化用的保水陶粒时，煤矸石燃烧后的残留物绝对不能被石灰（即氧化钙）污染，否则周围水体会呈碱性，植物也不能生长。

6、采用常规的隧道窑、回转窑、烧结机烧制煤矸石制品，特别是超内燃（高位发热量500kcal/kg以上）条件下，控制窑炉温度时往往采用加大冷风的方式来调节窑内温度，导致最终排放的烟气中含氧量接近20%，远高于电站锅炉排放烟气中的含氧量（一般在5%左右），这就造成窑炉排放的烟气量几倍于电站锅炉，窑炉的排烟损失也成倍增加，并且最终送到余热锅炉的烟气温度只有500℃左右，余热锅炉实际能回收的热量成倍减少，余热锅炉的参数最高只能选择中温中压，通过汽轮机发电的效率比较低。

7、现有利用带式烧结机生产陶粒的技术中，把点火段和着火段（也叫自焙烧段）排出的气体经过风机加压后通入烧结机预热陶粒，再把烧结机预热段排出的低温气体通过风机作为陶粒烘干脱水的热源，最后把100℃以下的低温气体通过引风机、除尘器后送入脱硫塔处理后排入空中，这将造成通过烟囱排放的烟气量增加，通过100℃低温气体形式造成的排烟损失更大。这种方法在大规模工业化生产过程中还存在另外两个问题：一是点火段和着火段（也叫自焙烧段）排出的气体中已经生成部分so2，通过风机加压后送到预热段和烘干脱水段时，预热段和烘干脱水段气体进口由于料层阻力变化等多方面的原因将呈正压，会有少量刺激性气体外溢而污染车间内生产环境；二是预热段和着火段的400℃左右温区有部分挥发分气体析出，但又不能着火燃烧，只能随低温气体一起排放到大气中，造成煤矸石部分化学能不能得到充分利用。

8、因此，在煤炭主产区需要一种能大量、快速焚烧500～1500kcal/kg煤矸石的窑炉，把煤矸石进行燃烧脱碳处理后，作为地方建材原料或用于填沟造地，使燃烧脱碳后的煤矸石在自然界中不再因自燃而污染大气环境。为了降低煤矸石处置成本，也需要烟气脱硫成本低、余热回收利用率高、经济效益好的技术。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决以下技术问题：

2、1、无需其他添加成份，直接把煤矸石燃烧变成陶粒或者砾石；

3、2、解决煤矸石燃烧过程容易板结的问题；

4、3、解决煤矸石燃烧过程中挥发分快速析出导致的爆燃问题，以及煤矸石中固定碳燃烧不完全导致的脱碳效果差的问题。

5、为了实现上述目的本发明采用以下技术手段：

6、本发明提供了一种煤矸石快速燃烧脱碳的处置方法，包括以下步骤：

7、步骤1、对煤矸石进行破碎、筛分、粉磨和转运的原料制备处理，得到6～20mm的煤矸石颗粒和100～200目的细粉，100～200目的细粉再经过造粒机制成6～20mm煤矸石颗粒；

8、步骤2、步骤1中得到的6～20mm煤矸石颗粒送入带式干燥机干燥处理，得到干燥后的煤矸石颗粒；

9、步骤3、步骤2中得到的干燥后的煤矸石颗粒送入带式干燥机预热处理，得到预热后的煤矸石颗粒；

10、步骤4、步骤3中得到的预热后的煤矸石颗粒进入热解装置进行低温干馏处理，分离出部分挥发分气体，得到热解后的煤矸石颗粒，热解后煤矸石颗粒中的挥发分含量4%～6%；

11、步骤5、步骤4中得到的热解后的煤矸石颗粒通过中间料仓2进入带式烧结机隧道窑自焙烧处理，得到自焙烧后的煤矸石颗粒；

12、步骤6、步骤5中得到的自焙烧后的煤矸石颗粒在带式烧结机隧道窑中脱碳燃烧处理，得到脱碳燃烧后的煤矸石颗粒，即得到保水陶粒；

13、步骤7、生产建材用的高强陶粒或砾石时，需要对脱碳燃烧后的煤矸石颗粒通过回转窑进行深度燃烧脱碳和补充燃料进行表面高温玻化处理，得到抗压强度大于6.5mpa的煤矸石颗粒，即得到高强陶粒或砾石；

14、步骤8、步骤6中得到的脱碳燃烧后的煤矸石颗粒进入冷却机（竖冷机或篦冷机）强制冷却，得到冷却后的保水陶粒，对步骤7中得到的煤矸石颗粒送入冷却机（竖冷机或篦冷机）强制冷却，得到冷却后的高强陶粒、砾石，同时得到500～850℃热风。

15、上述方法中，步骤1的步骤包括：

16、步骤1.1、对煤矸石进行破碎处理，得到块状煤矸石；

17、步骤1.2、对步骤1.1中得到的块状煤矸石进行筛分处理，得到6～20mm的煤矸石颗粒和6mm以下的煤矸石；

18、步骤1.3、对步骤1.2中得到的6mm以下的煤矸石进行粉磨处理，得到100～200目的细粉；

19、步骤1.4、对步骤1.3中得到的100～200目的细粉进行造粒处理，得到6～20mm的煤矸石颗粒；

20、步骤1.5、对步骤1.2中得到的6～20mm的煤矸石颗粒和步骤1.4中得到的6～20mm的煤矸石颗粒进行转运，通过皮带运输机送到带式干燥机上部的料仓。

21、上述方法中，步骤2的步骤包括：

22、步骤2.1、将料仓中的煤矸石颗粒通过布料装置均匀布置在带式干燥机的篦板上；

23、步骤2.2、利用余热锅炉烟气出口排出的150～200℃烟气对煤矸石颗粒进行干燥，得到干燥后的煤矸石颗粒；

24、步骤2.3、干燥后排出的70～100℃低温烟气经过锅炉引风机送到烟气处理系统达标排放。

25、上述方法中，步骤3的步骤包括：

26、步骤3.1、高温送风机将常温空气送进冷却机（竖冷机或篦冷机）内，穿过料层时温度升至500～850℃；

27、步骤3.2、为了控制高温送风机进口热风在500～600℃范围，在冷却机与高温送风机之间布置余热锅炉的部分换热面积的蒸汽过热器；

28、步骤3.3、通过调节蒸汽过热器的蒸汽的流量来控制热风温度，高温送风机把500～600℃的热风送到带式干燥机预热区的篦板下部；

29、步骤3.4、500～600℃的热风穿过料层后降温至250～300℃，250～300℃的热风从带式干燥机预热区上部的热风管道进入余热锅炉中段的空气加热器内；

30、步骤3.5、热风在空气加热器内被加热成550～600℃的热风，然后通过热风道进入带式烧结机隧道窑的着火区（自焙烧段）和脱碳燃烧区上部，为固定碳的燃烧供应助燃热风，其中着火区即为自焙烧段。

31、上述方法中，步骤4的步骤包括：

32、步骤4.1、预热区预热后的煤矸石在重力作用下进入中间料仓1，防止空气进入热解装置，中间料仓1内预热后的煤矸石通过落料管在重力作用下进入回转窑结构的热解装置；

33、步骤4.2、利用带式烧结机隧道窑着火区（也叫自焙烧段）和脱碳燃烧区篦板下部出来的650～800℃的烟气作为外部热源，使煤矸石颗粒在热解装置的密闭的容器内快速升温至400～500℃；

34、步骤4.3、煤矸石颗粒在密闭的容器内分离出部分挥发分气体，得到热解后的煤矸石颗粒和挥发分气体，通过控制转速的方法调节热解后煤矸石颗粒中残留的挥发分含量约4%～6%；回转窑的转速比较慢，一般是1转/分钟，调节转速的目的是调节煤矸石颗粒在回转窑容器内被加热的时间。转速越快，煤矸石颗粒在容器内滞留的时间就越短，煤矸石颗粒内部的挥发分分析出的量就越少。

35、步骤4.4、在热解装置密闭容器内分离出来的挥发分气体，首先进入间接水冷式气体冷却装置降温分离出煤焦油，剩余挥发分气体通过燃气加压风机和煤气管道经燃气阀组送到着火区上部和回转窑进口的燃烧器作为辅助燃料燃烧。

36、上述方法中，步骤5的步骤包括：

37、步骤5.1、步骤4.3中的热解后煤矸石颗粒在重力作用下进入中间料仓2，再通过布料装置均匀布置在带式烧结机隧道窑着火区（也叫自焙烧段）的篦板上；

38、步骤5.2、步骤3.4中的250～300℃的热风通过余热锅炉烟气侧650～800℃的高温烟气重新加热成550～600℃的热风；

39、步骤5.3、550～600℃的热风从带式烧结机隧道窑着火区（也叫自焙烧段）上部进入带式烧结机隧道窑从上往下穿过料层，煤矸石颗粒进行自焙烧，得到自焙烧后的煤矸石颗粒；

40、步骤5.4、从带式烧结机隧道窑着火区篦板下部出来的烟气温度将达650～800℃，部分650～800℃烟气通过烟气管道直接进入炉内脱硫装置，另一部分650～800℃烟气通过余热锅炉部分换热面积的蒸发换热器把烟气温度降至500～600℃进入高温引风机加压，加压后的500～600℃烟气再进入回转窑为辅助燃料的燃烧提供氧气。

41、上述方法中，步骤6包括以下步骤：

42、步骤6.1、步骤3.4中的250～300℃的热风通过余热锅炉烟气侧650～800℃的高温烟气重新加热成550～600℃的热风；

43、步骤6.2、550～600℃的热风从带式烧结机隧道窑脱碳燃烧区上部进入带式烧结机隧道窑从上往下穿过料层，煤矸石颗粒进行脱碳燃烧处理，得到脱碳燃烧处理后的煤矸石颗粒；

44、步骤6.3、从带式烧结机隧道窑着火区篦板下部出来的烟气温度将达650～800℃，部分650～800℃烟气通过烟气管道直接进入炉内脱硫装置，另一部分650～800℃烟气通过余热锅炉部分换热面积的蒸发换热器把烟气温度降至500～600℃进入高温引风机加压，加压后的500～600℃烟气再进入回转窑为辅助燃料的燃烧提供氧气，还有部分500～600℃烟气通过高压风机加压后进入炉内脱硫装置底部把石灰石粉末吹起来处于悬浮状态。

45、上述方法中，步骤7的步骤包括：

46、步骤7.1、需要生产建材用的高强陶粒或砾石时，将脱碳燃烧后的煤矸石颗粒通过重力作用落入回转窑内；

47、步骤7.2、在回转窑出口补充辅助燃料，继续高温燃烧至煤矸石中的固定碳基本燃尽，得到脱碳燃烧后的煤矸石颗粒；

48、步骤7.3、从回转窑烟气出口排出的950～1150℃烟气通过高温烟气管道进入炉内脱硫装置，再通过余热锅炉降温至150～200℃后进入带式干燥机对煤矸石颗粒进行干燥；

49、步骤7.4、步骤6.3中进入炉内脱硫装置的650～800℃烟气和步骤7.3中进入炉内脱硫装置的950～1150℃烟气在炉内脱硫装置内与处于悬浮状态的石灰石粉末混合后在高温条件下生成石灰；

50、步骤7.5、炉内脱硫装置内的高温烟气与石灰进行化学反应脱硫后进入高温分离器，脱硫后的烟气进入余热锅炉换热产生高温高压蒸汽，高温分离器底部的固体粉末通过回流管、回流控制阀返回炉内脱硫装置循环。

51、上述方法中，步骤8的步骤包括：

52、步骤8.1、对步骤6中得到的脱碳燃烧后的保水陶粒通过重力作用落入冷却机，步骤7中得到的高强陶粒、砾石，通过重力作用落入冷却机；

53、步骤8.2、送风机把常温空气送入冷却机下部从下往上穿过料层对产品进行强制冷却，产品是指保水陶粒、高强陶粒或砾石；

54、步骤8.3、冷却后的产品（保水陶粒或高强陶粒、砾石）通过皮带运输机送到料仓存储；

55、步骤8.4、常温空气在冷却机（竖冷机或篦冷机）内从下往上穿过料层后被加热成500～850℃的热风。

56、本发明还提供了一种煤矸石快速燃烧脱碳的处置装置，包括：

57、原料制备系统：包括破碎机、筛分机、粉磨机、造粒机、料仓，用于煤矸石通过破碎机破碎后经过筛分机筛分后得到的6～20mm的煤矸石颗粒送入料仓，筛分后得到的100～200目的细粉经过粉磨机后送入造粒机制成6～20mm煤矸石颗粒；

58、窑炉烧成系统：包括带式干燥机、带式烧结机隧道窑、回转窑和冷却机，其中带式烧结机隧道窑包括着火区、脱碳燃烧区，煤矸石颗粒送入带式干燥机干燥后进入带式干燥机预热区预热，预热后的煤矸石颗粒经过中间料仓1送入热解装置进行低温干馏处理，然后通过中间料仓2依次送入带式烧结机隧道窑的着火区、脱碳燃烧区、回转窑进行着火、脱碳燃烧，最后经过冷却机强制冷却；

59、热解装置：用于分离煤矸石颗粒中挥发分气体，包括耐热钢作为容器的热解装置本体、挥发分气体冷却装置、挥发分气体加压风机、燃气阀组和气体燃烧器；

60、炉内脱硫装置：与带式烧结机隧道窑出口烟气管道和回转窑出口烟气管道相连接；

61、余热锅炉：与炉内脱硫装置出口烟气管道相连接，包括空气加热器、余热锅炉的蒸发器、过热器、省煤器等换热部件，以及上升下降管、集箱、吹灰器、灰斗、卸灰阀等锅炉附件；

62、烟风系统：同时与带式烧结机隧道窑、回转窑、炉内脱硫装置和余热锅炉相连接，包括：设置在烧成产品冷却机前端的送风机、冷却机热风出口与带式干燥机预热区热风进口之间的高温送风机、带式烧结机隧道窑烟气出口与回转窑之间的高温引风机和余热锅炉、带式干燥机烟气出口的锅炉引风机，设置在带式烧结机隧道窑出口与炉内脱硫装置之间把石灰石粉末在炉内脱硫装置内部悬浮起来的高压风机;

63、烟气处理系统: 包括与锅炉引风机相连接的脱硫脱硝除尘器。

64、因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

65、（1）本发明在不添加粘土、页岩等其它原料的情况下直接把500～1500kcal/kg的煤矸石燃烧变成建材原料或用于填沟造地、沙漠治理、土壤改良，使燃烧脱碳后的煤矸石在自然界中不再因自燃而污染大气环境，彻底解决了固体废物占地和煤矸石环保填埋方式后期维护成本高的问题。

66、（2）煤矸石颗粒在本发明的窑炉系统中从干燥至成品冷却只需几个小时，每条生产线的处置能力比常规隧道窑、回转窑提高1～5倍，可实现大量、快速焚烧煤矸石的目标。

67、（3）本发明烟气排放量比相同规模的烧结砖隧道窑、陶粒回转窑、烧结机少50%以上，既减少了排烟损失，又降低了风机电耗，并且还可降低烟风系统和烟气处理系统的造价。

68、（4）本发明把煤矸石颗粒从预热到着火的升温过程析出的挥发分气体全部在高温区域内充分燃烧，防止低温区域析出的挥发分气体因为达不到着火温度而排出窑炉，使煤矸石的化学能得到充分利用。

69、（5）热解后残留4%～6%挥发分的煤矸石继续析出的挥发分燃烧区需用500～600℃高温热风作为介质，通过加大500～600℃热风量的方式控制挥发分气体燃烧后的温度不超过800℃，可防止着火阶段快速升温导致煤矸石颗粒在带式烧结机隧道窑着火区（也叫自焙烧段）和脱碳燃烧区篦板上板结成块堵窑现象。

70、（6）完全依靠煤矸石初步燃烧形成的高温环境进行热解，同时可把热解装置分离出来的挥发分气体替代天然气等辅助燃料使用，顺便提取煤矸石加热后析出的少量煤焦油，使固体废物中有经济价值的成分得到合理利用。

71、（7）本发明按“梯级利用”、“高质高用”原则充分利用窑炉烟风系统余热，把300℃左右的低温烟气、低温热风在系统中进行循环利用，使最终进入余热锅炉的烟气温度达到900～950℃，极大的提高了换热效率，可把余热锅炉的蒸汽参数从低温低压提高到高温高压或超高温超高压，为高效回收煤矸石内的低品位化学能、提高汽轮机发电效率、降低处置煤矸石的生产成本创造了有利条件，有利于推动固废处置的技术进步。

72、（8）本发明的烟风系统中，凡是有烟气外溢可能的烟气管道或窑炉区域全部呈负压，有效防止刺激性气体污染车间内生产环境。

73、（9）由于石灰石粉末比石灰的市场价格低5～10倍，选择石灰石粉末作为脱硫剂，把石灰石粉末送进650～1150℃的高温环境中快速分解成石灰，烟气中的二氧化硫与石灰反应生成caso4达到炉内脱硫的目的；在满足烟气脱硫成本成倍下降的同时，煤矸石燃烧后的残余固体也不会被石灰污染，其成分与土壤接近，可以用于填沟造地或生产沙漠绿化用的保水陶粒。

74、（10）本发明很好地解决了超内燃条件下，煤矸石颗粒在窑炉内升温至500℃左右时析出的挥发分气体爆燃导致的窑温难以控制的问题（窑炉温度突然从500～700℃升高至1000～1300℃的煤矸石玻化温度，将导致煤矸石颗粒内部的固定碳还没有充分燃烧表面就出现液相而与氧气隔绝，造成煤矸石脱碳效果差），通过热解装置控制挥发分气体的析出以及回收，有效避免了爆燃玻化现象导致的脱碳效果差的问题。

75、（11）破碎、筛分出来的6～20mm的煤矸石颗粒，在带式烧结机隧道窑内完成脱碳燃烧产出的固体材料可用于填沟造地；破碎、筛分出来的6mm以下的煤矸石制成6～20mm陶粒颗粒，在带式烧结机隧道窑内完成脱碳燃烧后，可生产为土壤改良、沙漠绿化用的保水陶粒。破碎、筛分出来的6～20mm的煤矸石颗粒，在带式烧结机隧道窑内完成脱碳燃烧进入回转窑后，把回转窑烧成温度控制在煤矸石玻化温度以上50℃以内时可生产为替代混凝土石子、路基垫层用的砾石；破碎、筛分出来的6mm以下的煤矸石制成6～20mm陶粒，在带式烧结机隧道窑内完成脱碳燃烧进入回转窑后，把回转窑烧成温度控制在煤矸石玻化温度以上50℃以内时可生产出轻质混凝土和水处理过滤用的高强陶粒。