CN101980972A - 用于制造矿物熔体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造矿物熔体的装置和方法，所述方法包括下列步骤：提供循环燃烧室(1)；将燃料、预热的矿物材料和燃烧气体注入到循环燃烧室(1)中；在循环燃烧室(1)中燃烧燃料，由此使矿物材料熔化而形成矿物熔体、并产生废气；将废气与矿物熔体分离，收集矿物熔体(9)，并将废气(10)递送到热交换系统中，所述方法的特征在于，所述矿物材料包含第一矿物材料和第二矿物材料，其中，所述第一矿物材料具有比所述第二矿物材料更高的烧结温度，并且第一矿物材料和第二矿物材料被分开提供到热交换系统中，其中，所述第一矿物材料通过与废气接触而被预热，随后，第二矿物材料通过与废气和预热的第一矿物材料接触而被预热。

Description

用于制造矿物熔体的方法和装置

技术领域

本发明涉及制造矿物熔体的方法，该方法通过在颗粒状无机材料的存在下燃烧可燃性材料从而形成熔体。本发明尤其用于回收利用废矿物材料。然后，可以使熔体纤维化以形成矿物纤维或用于其他工业过程中。

背景技术

传统上，生产矿渣、石头或岩石的纤维所用的熔体的常规制备方式是借助于竖式炉，其中，通过可燃性材料在炉内的燃烧而将颗粒状无机材料的自支承料堆(self-supporting stack)加热。该料堆逐渐熔化并从顶部补料，熔体沿料堆向下流动并从炉底流出。用于此用途的标准炉为冲天炉。

所述料堆必需是自支承性的，并且燃烧气体可透过该料堆，该燃烧气体通常由料堆中的碳质材料燃烧而产生。因此，必要的是，料堆中的每种成分均是相对粗糙的(使得料堆具有可透性)并具有高的物理强度，而且其在充分燃烧或熔化之前不能坍塌。实际上，这意味着，碳质材料为焦炭，并且颗粒材料为粗粉碎的岩石、石头或矿渣。

如果使用诸如废的矿物棉等矿物材料的微细颗粒，则必然产生将其形成团块的费用和不便之处。团块通常使用含硫材料作为粘结剂(如含有石膏的波特兰水泥)，因此这意味着排放的废物往往具有高的硫含量，必须要进行处理。

冲天炉或其他料堆炉(stack furnace)系统还具有这样的缺点：炉中的条件总是倾向于充分还原，使得一部分铁被还原成精炼铁。这必然需要将精炼铁与熔体分离，从而降低了棉的产量，导致废铁的产生，并且在容纳铁和矿渣的炉段内还往往存在发生腐蚀的风险。

另一缺点是，该方法不具有高的热效率。

尽管存在这些缺点，但在世界范围内已经广泛地采用利用冲天炉或其他料堆炉的方法来制造岩石、石头或矿渣的纤维。

我们在先的专利申请公开WO 03/002469公开了一种用于制造矿物熔体的可供替换的并且完全不同的系统，该系统避免或减少了冲天炉系统的缺点。该系统包括使粉煤或其他燃料悬浮在预热的燃烧空气中，并在循环燃烧室(即，其中悬浮的颗粒材料和其中的空气在为或接近于旋风循环系统的系统中循环的燃烧室)内存在悬浮的颗粒状矿物材料的情况下燃烧悬浮的燃料。这通常称为旋风炉。

通过燃烧室的顶部或靠近顶部处引入悬浮在预热空气中的煤、以及颗粒状矿物材料。在燃烧室内，颗粒状的煤发生燃烧，并且颗粒状材料转化成熔体。熔体和还没有熔化的颗粒状材料被循环气体抛到该室的壁上并在该室中向下流动。在位于该室底部的沉降箱中收集熔体。

为了增加WO 03/002469中旋风炉的能量效率，使用在1400℃至1700℃的温度范围内离开循环室的废气来预热颗粒状材料。WO03/002469教导了将废气淬冷到1000℃至1500℃，然后与矿物材料混合以将其预热到700℃至1050℃的温度。

专利文献EP-A-1889876和WO 2008/019780也公开了旋风系统。

旋风炉与冲天炉或其他料堆炉相比具有显著的优点。就燃料而言，旋风炉避免了将微细颗粒形成团块的需要，并且可以使用包括(例如)塑料在内的范围广泛的燃料。使用熔化旋风炉消除了将矿石还原成铁的风险并且释放的是环境可接受的废气。熔体生产能力的灵活性比用冲天炉好得多，这意味着产量可以从(例如)总能力的40％容易且快速地转换成总能力的100％，从而大幅度减少了响应需求改变所花费的时间。此外，在旋风炉中的熔化比在冲天炉的情况下快得多，并且处于数分钟的量级，而不是数小时的量级。

因此，使用熔化旋风炉系统在经济上和环境上是有利的，并且专利文献WO 03/002469中公开的系统效果良好。然而，其在生产过程中仍有提高的空间。

在专利文献WO 03/002469中，矿物材料优选包含未规定比例的废的粘合矿物棉。能够再利用废料通常是有益的。然而，发明人已经发现，当在专利文献WO 03/002469的系统中使用粘合矿物棉时，矿物材料倾向于失去其自由流动的颗粒特性并且变粘。当使用大量废矿物棉(例如占矿物材料总量的5％或更多)时尤其是如此。

矿物材料失去自由流动特性会阻碍矿物材料和气体在热交换系统中的有效流动，甚至可以导致系统阻塞。这也会降低循环燃烧室中的燃烧效率，因为熔化大的矿物材料结块比熔化更微细的颗粒需要更多的能量。

本发明的目的是提供一种制造矿物棉的方法，该方法能够用于回收利用废矿物材料，同时保持矿物材料的流动特性并实现高水平的能量效率。

专利文献US 5,006,141描述了在玻璃制备炉中利用燃烧热将玻璃制备材料熔化来制造玻璃的方法。其使用的炉子不是循环燃烧室炉。使用两种原料制造熔体，其中一种原料为批次供料(batchfeedstock)，另一种原料为碎玻璃。将碎玻璃在批次供料之前预热。该专利文献没有教导，批次供料比碎玻璃具有更低的烧结温度。碎玻璃被预热到约650℃(1200°F)，并且批次供料被预热到约250℃(约490°F)的温度。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种制造矿物熔体的方法，该方法包括下列步骤：

提供循环燃烧室；

将燃料、预热的矿物材料和燃烧气体注入循环燃烧室中；

在循环燃烧室中燃烧燃料，由此使矿物材料熔化而形成矿物熔体，并产生废气；

将废气与矿物熔体分离，收集矿物熔体，并将废气递送到热交换系统中；

其中，矿物材料包含第一矿物材料和第二矿物材料，其中，第一矿物材料具有比第二矿物材料更高的烧结温度；所述方法的特征在于：

第一矿物材料和第二矿物材料被分开提供到热交换系统中，

第一矿物材料通过与废气接触而被预热，随后

第二矿物材料通过与废气和预热的第一矿物材料接触而被预热。

根据第二方面，本发明提供一种适合于实施根据本发明第一方面的方法的装置，其包括：

循环燃烧室，其具有燃料入口、混合矿物材料入口和燃烧气体入口，

用于收集矿物熔体的机构，以及

热交换系统，其包括第一旋风预热器，

从循环燃烧室到第一旋风预热器的第一管道，其用于输送废气，

第一矿物材料管道，其用于将第一矿物材料输送到第一管道中，

第二矿物材料入口，其在比第一矿物材料管道的出口更远离循环燃烧室的位置处将第二矿物材料注入到第一管道中，以及

从第一旋风预热器到循环燃烧室中的混合矿物材料入口的混合矿物材料管道。

根据第三方面，本发明涉及制造矿物熔体的方法，该方法包括下列步骤：

提供循环燃烧室；

将燃料、预热的矿物材料和燃烧气体注入到循环燃烧室中；

在循环燃烧室中燃烧燃料，由此使矿物材料熔化而形成矿物熔体，并产生废气；

将废气与矿物熔体分离，收集矿物熔体，并将废气递送到热交换系统中；

其中，矿物材料包含为原始矿物材料的第一矿物材料、以及为粘合矿物棉的第二矿物材料；该方法的特征在于：

第一矿物材料和第二矿物材料被分开提供到热交换系统中，

第一矿物材料通过与废气接触而被预热，随后

第二矿物材料通过与废气和预热的第一矿物材料接触而被预热。

在本发明中，必要的是，矿物材料包含两种矿物材料：第一矿物材料和第二矿物材料。在第一方面中，必要的是，第一矿物材料具有比第二矿物材料更高的烧结温度。通常，第一矿物材料为“原始”的或未经加工的材料，第二矿物材料为经加工的材料。根据本发明的第三方面，必要的是，第一矿物材料为原始矿物材料，并且第二矿物材料为粘合矿物棉。

诸如矿物纤维等经加工的矿物材料通常具有非结晶结构，并包含诸如有机或无机粘结剂等添加剂。这两种特性一般均会导致其具有比通常为结晶形式的原始矿物材料低的烧结温度。

经加工的矿物材料可以为(例如)不符合其加工要求、需求过剩或者已经用作(例如)建筑保温材料的矿物棉。通常将这种材料丢弃。

在本发明中，可以再利用经加工的矿物材料，这缓解了废物填注和节约能量方面的严重问题，并且污染的减少有助于减轻气候的变化。

在专利文献WO 03/002469中，有限量的诸如粘合矿物纤维等经加工的矿物材料被用于制造矿物棉的方法中，并且其作为与原始矿物材料形成的混合物的一部分而被预热。然而，由于与原始矿物材料相比，经加工的矿物材料具有较低的烧结温度，因此经加工的矿物材料与废气接触后倾向于软化或熔化，并变粘，由此损害了矿物材料整体的自由流动特性并导致上述许多问题。

矿物材料的烧结温度为矿物材料的颗粒开始聚结并失去其自由流动特性的温度。因此，只要使用两种具有不同烧结温度的矿物材料就存在此问题。

避免损害矿物材料的自由流动特性的一种方法是：将废气大幅度淬冷到最低的使矿物材料软化的烧结温度以下。然而，淬冷处理不可避免地导致热能的损失，因此这会降低系统的能量效率。为了在系统中获得高的能量效率，重要的是尽可能最大程度地利用废气中的热能。另外，这将严重地限制预热矿物材料可达到的最高温度，因为其会远低于淬冷废气的温度。

本发明通过分开提供第一矿物材料与第二矿物材料并以两个阶段实施预热而解决了这些问题。第一个阶段通过使第一矿物材料与废气接触而使其预热。第二个阶段包括用废气和预热的第一矿物材料预热第二矿物材料。

因此，在废气到达第二矿物材料的时候，该废气已经通过与第一矿物材料接触而被淬冷(即，冷却)。以此方式，废气可以用于以比第一矿物材料和第二矿物材料混合时的可能温度更高的温度来预热第一矿物材料，同时避免矿物材料的软化或熔化(软化或熔化会不利地影响自由流动特性)。

通过基于烧结温度来分段加热矿物材料，还可以将矿物材料预热到比以一个阶段预热矿物材料时的可能温度更高的总体温度(同时避免熔化或软化)。这是因为在第一个阶段中较高温度的废气可以用于预热第一矿物材料，因此总体上能够传递给矿物材料的总热能比一起预热第二和第一矿物材料时更高。

本发明的优点是，可以以能量有效的方式回收利用高用量的低于常规烧结温度的矿物材料，如经加工的矿物材料。在最优选的实施方案中，总的矿物材料中的25％至50％为第二矿物材料。

采用本发明回收利用经加工的矿物材料不会影响熔体的质量(通常为高质量)。在优选的实施方案中，熔体被用于制造矿物纤维。

热交换系统优选包括第一旋风预热器，废气通过第一管道从循环燃烧室被输送到该第一旋风预热器中。优选的是，两种矿物材料均在旋风预热器之前被引入热交换系统中的废气中，其中第一矿物材料在第二矿物材料之前被引入到废气中。

为了进一步提高能量效率，优选的是，在将第一矿物材料引入到第一管道中的来自循环燃烧室的废气中之前，在第二旋风预热器中对其进行初始加热。

发明详述

本发明中的循环燃烧室是通常被称为旋风炉的那种类型。合适的旋风炉的构造在多篇专利文献中有所描述，所述专利文献包括US3,855,951、US 4,135,904、US 4,553,997、US 4,544,394、US 4,957,527、US 5,114,122和US 5,494,863。

循环燃烧室一般为竖直炉，而不是水平炉。循环燃烧室通常具有圆筒形顶部(燃料、矿物材料和燃烧气体被注入到其中)、截头圆锥形底部和基部(其中可以收集熔体)。可供选用的另外一种方式是，燃烧室可以整体上为圆筒形。优选的是，基部为室的一体化部分，并且可以简单地为截头圆锥形底部区域的端部、或者可以为位于底部区域的端部的圆筒形部分。优选的是，基部的直径不大于顶部的直径，与此形成对比的是，传统的系统通常在室的基部使用具有增大容积的箱体。

基部具有矿物熔体的出口，熔体以物料流的形式通过该出口。然后，可以采用任何常规的方式对该物料流进行纤维化，所述方式例如为级联纺纱机或纺纱杯或任何其他的常规离心式纤维化工艺。可供选用的另外一种方式是，矿物熔体可以用于其他工业过程中。

优选的是，在矿物熔体的出口离开室的基部的位置处，该出口不是立即向下延伸，而是出口为虹吸管。“虹吸管”是指出口(通常为管或沟槽)最初相对于室中的开口具有向上的取向，随后在引导至纤维化装备之前具有向下的取向。这对于熔体的质量是有益的，因为熔体的表面上任何未燃烧的燃料颗粒均被保留在室的内部。

燃料被注入到循环燃烧室中。可以使用任何可燃性燃料。燃料可以在室温下为气态，例如丁烷、丙烷、甲烷或天然气，但是优选为液态或固态材料。燃料优选为颗粒形式，并且最优选为颗粒状碳质材料。

在燃料为液态的情况下，以液滴(即液态燃料的颗粒)的形式使用燃料。在该实施方案中，燃料可以为汽油或其他碳基液体的颗粒。

然而，本发明中的颗粒状燃料优选为固体。其一般为碳质材料，并且可以为具有适当热量值的任何颗粒状碳质材料。热量值可以相对较低，例如，低到10000kJ/kg，甚至低到5000kJ/kg。因此，其可以为(例如)干燥污泥或废纸。优选的是，燃料具有较高的热量值，并且可以为来自铝工业的废罐衬里、诸如尾煤等含煤废物或者为粉煤。

在优选的实施方案中，燃料为粉煤并且可以为煤细粉，但是优选的是，部分煤(通常至少为50％，优选至少80％)、通常全部煤是通过使用(例如)球磨机研磨煤块而制成的。无论最初是以细粉还是团块形式供给的煤，其可以为优质的煤，或者可以为包含高含量的无机物(例如，5％至50％的无机物，余量为碳)的废煤。优选的是，煤主要或总体为优质的煤，例如烟煤或次烟煤(ASTM D3881984)，并包含能促进点燃的挥发性物质。

优选的是，燃料颗粒的粒度为50μm至1000μm，优选为约50μm至200μm。一般而言，至少90％的颗粒(以重量计)处于该范围内。燃料颗粒的平均尺寸一般为约70μm，其范围是90％处于100μm以下。

可以以常规方式通过供给管将燃料供给到室中，以产生燃料颗粒流。这通常涉及采用使燃料颗粒悬浮于其中的载气。载气可以为空气、富氧空气或纯氧(优选处于环境温度以避免回火)或者诸如氮气等反应性较低的气体。载气被认为是燃烧气体的一部分。

将至少一些燃料、优选大部分燃料注入到循环燃烧室的顶部中。然而，如下文所讨论的那样，在优选的实施方案中，也将一些燃料(其被称为次要燃料)注入到循环燃烧室的底部中。

在本发明中，将预热的矿物材料注入到循环燃烧室中。必要的是，使用两种矿物材料：第一矿物材料和第二矿物材料。在本发明的第一方面中，必要的是，第一矿物材料具有比第二矿物材料更高的烧结温度。在本发明的第三方面中情况也是如此，其中，第一矿物材料为原始矿物材料，第二矿物材料为粘合矿物棉。

可以通过任何适合的方法(其中有许多为现有技术所使用)测量矿物材料的烧结温度。使用哪种方法测量烧结温度并不重要，只要对两种矿物材料采用相同的方法即可。这是因为在本发明中重要的是，将具有不同烧结温度的矿物材料分开，因此最重要的是能够精确地确定相对烧结温度，而不是绝对烧结温度。

可以使用的一种方法如下：将测试样品安装在装有烧结板的管道反应器中。反应器可以为钢或石英材质的。将反应器置于能够被加热至超过900℃的温度的电加热管式炉中。将足以形成20mm厚的层的原始材料测试样品置于管道反应器的烧结板上，然后将该管道反应器安装到预热的电加热管式炉中。将炉加热到800℃-1000℃的温度。使气流通过烧结板和测试材料，并且，随着电炉的温度逐渐升高，测量烧结板和测试材料上的压降。随着温度升高，测试样品或其中的一部分会接近初始烧结温度，并且，在超出该温度时，颗粒将开始结块，这可以体现为测试样品上的压降升高。烧结温度对应于检测到压降升高时的温度。

第一矿物材料和第二矿物材料可以均由不具有完全相同的化学组成或化学结构、因此不具有相同的烧结温度的若干材料的混合物构成。重要的是矿物材料失去其自由流动特性时的温度。因此，一旦该材料的任何部分已经软化，就认为该材料在整体上已经达到其烧结温度。第一矿物材料的烧结温度通常比第二矿物材料的烧结温度至少高30℃，优选至少高50℃、100℃或200℃，或者甚至比第二矿物材料的烧结温度至少高400℃或500℃。

矿物材料从陆地获得，并且通常称为岩石、石头或者矿渣。第一矿物材料通常为“原始”矿物材料。原始矿物材料是指没有以可能显著地改变其化学组成或内部结构的方式进行加工并且还没有经历熔化过程的矿物材料。原始矿物材料一般具有结晶结构，不包含有机添加剂，并且通常直接从陆地获得。本发明中使用的原始矿物材料为颗粒形式，并且已经进行粉碎和/或研磨以获得颗粒。

第二矿物材料可以为具有比第一矿物材料更低的烧结温度的原始矿物材料。然而，优选其为经加工的材料。经加工的矿物材料是指已经进行了改变其化学组成或结构的加工或者已经用诸如有机粘结剂等添加剂处理过的矿物材料。

已知处理矿物材料(例如将其熔化并将其加工成矿物纤维)会改变材料的化学结构。具体而言，原始矿物材料通常具有如上所述的结晶结构，而诸如矿物纤维等经加工的矿物材料通常具有非结晶结构。据信，熔化过程会使得矿物材料的化学结构从结晶结构改变成非结晶结构。材料的化学结构会影响诸如烧结温度和熔点等物理特性，并且，结晶形式的材料一般具有比组成相同的非结晶形式的材料更高的烧结温度。因此，第二矿物材料可以具有与第一矿物材料完全相同的组成但是却具有较低的烧结温度，这是因为其为非结晶形式的经加工的矿物材料而不是结晶形式的原始矿物材料。

通常，第二矿物材料为已加工过并为非结晶形式的矿物材料，并且还可以包含降低该材料的烧结温度的添加剂。典型的经加工的矿物材料为粘合矿物纤维，或者被称为矿物棉。

优选的是，第一矿物材料和第二矿物材料均为颗粒形式。矿物材料可以具有任何适当的粒度。例如，第一矿物材料的粒度一般为2mm至3mm，当其为原始矿物材料时尤其是如此。第二矿物材料的粒度通常为100μm至500μm。将矿物材料粉碎或/和进行研磨以获得限定的粒度。优选的是，第一矿物材料和第二矿物材料这两者均为适合于制造矿物纤维的类型，其可以为玻璃纤维或岩石、石头或矿渣的纤维。优选的是，矿物材料适合于制造岩石、石头或矿渣的纤维。

玻璃纤维通常具有如下的化学分析组成：以氧化物的重量计，高于10％的Na₂O+K₂O、低于3％的作为FeO的铁、低于20％的CaO+MgO、高于50％的SiO₂以及低于5％的Al₂O₃。岩石、石头或矿渣的纤维通常具有如下的分析组成：以氧化物的重量计，低于10％的Na₂O+K₂O、高于20％的CaO+MgO、高于3％的作为FeO的铁、以及低于50％的SiO₂、通常为高于10％的Al₂O₃。具有这种组成的岩石、石头或矿渣类型的纤维优选为本发明的方法的成品。

在本发明中，必要的是，在将矿物材料注入到循环燃烧室之前对其预热。下面将讨论该预热过程。

将在室中熔化以制造矿物熔体的预热矿物材料引入到室的顶部，使得该矿物材料悬浮在该室内的气体中。添加预热矿物材料的时间并不是重要的，并且其可以与燃料混合并通过燃料供给管注入。然而，优选的是，将颗粒状矿物材料添加到燃烧的燃料中。这可以通过以常规方式通过(例如)在室的顶部或靠近顶部的入口将颗粒状矿物材料添加到室中来实现。

燃烧气体也被引入到室的顶部，并且其可以处于环境温度或者可以进行预热。当气体被加热时，主要燃烧气体被预热达到的最高可取温度为约600℃，并且优选预热到300℃至600℃，最优选为约500℃至550℃。燃烧气体可以为空气或者可以为富氧空气。关于“富氧空气”，我们是指该气体包含比空气中自然存在的氧气更多的氧气，并且其可以另外包含在空气中自然存在的其他气体。其还可以包含在空气中通常不存在的其他气体(例如丙烷或甲烷)，只要氧气的总水平保持为高于空气中正常存在的氧气水平即可。

在优选的实施方案中，燃烧气体为富氧空气，该富氧空气包含以体积计至少25％或35％、优选至少50％、最优选至少70％的氧气，或者为纯氧气。在整个说明书和权利要求中，关于“纯氧气”，我们是指通过(例如)真空变压吸附技术(VPSA)获得的纯度为92％或更高的氧气，或者其可以为通过蒸馏方法获得的几乎100％的纯氧气。使用富氧空气是有利的，因为其减少了所需燃烧气体的总体积。这意味着，可以使用比在使用空气时更小的循环燃烧室。由于循环燃烧室的尺寸和燃烧气体的体积这两者均与制造矿物纤维所需的能量和随后的能量损失相关，因此本发明产生了具有较高能量效率的系统。这在增加的经济可行性和降低的环境影响方面具有显著的益处。由于与空气相比氧气增加了成本，因此在一个实施方案中，为了使得与使用氧气相关的能量节约达到优化，空气包含25％至50％的氧气。在使用纯氧的情况下，优选处于环境温度下，而不是进行预热。

可以通过其中悬浮有燃料的供给管引入燃烧气体，当气体处于相对低的温度时尤其是如此。燃料在进入室中之前不应当在燃料管中开始燃烧(所谓的“回火”现象)，因此在本实施方案中需要低的气体温度。然而，优选的是通过可以位于燃料供给管附近的一个或多个燃烧气体入口单独地引入燃烧气体，使得燃烧气体被引入到该室的与燃料相同的区域中，从而允许有效的混合。

无论燃烧气体和燃料是否被一起引入，燃烧气体被注入到室中的速度均相对较低(优选在1m/s与50m/s之间)，以使装置的磨损达到最低程度。当将燃料和矿物材料悬浮在燃烧气体中时，速度优选在5m/s与40m/s之间。当将燃料和矿物材料分开引入(其是优选的)时，燃料的注入速度优选为20m/s至40m/s。

有利的是，确保预热燃料与燃烧气体快速且完全地混合，因为这会确保迅速点燃燃料，以使得燃料可以在几乎刚刚被引入室中之后就经历高温分解(燃烧的初始阶段)。完全混合还确保了主要燃烧气体中的燃料颗粒的停留时间更均一，由此导致更有效的燃料燃烧。

在本发明的一个实施方案中，为了有助于确保迅速和完全的混合，可以在循环燃烧室的顶部中引入补充气体，其以比燃烧气体和颗粒状燃料更高的速度移动，并且由于速度差而使燃料颗粒流发生湍流，由此使物料流分散并确保迅速混合。补充气体的量一般比燃烧气体的量少得多，并且通常少于注入到燃烧室中的气体总量的40％，优选为10％至30％。补充气体可以为任何气体，其包括空气、氮气、氧气或诸如丙烷和丁烷等易燃性气体。可以从入口注入补充气体，以使得其邻近于室中的燃料颗粒流，但是优选将其注入到以同心方式环绕燃料入口的入口中。这种同心布置产生有效的混合，当补充气体入口在其开口处具有收缩喷嘴的情况下尤其是如此。优选的是，补充气体的移动速度比燃料和燃烧气体的速度快至少100m/s，通常至少250m/s，优选至少为300m/s。在最优选的实施方案中，补充气体的注入速度为声速，即大于或等于声音的速度。

除了注入到循环燃烧室的顶部中的燃烧气体之外，还优选将一些燃烧气体注入到底部中。这可以称为次要燃烧气体。与主要燃烧气体的情况一样，次要燃烧气体可以处于环境温度或被预热，并且优选包含至少25％的氧气。优选的是，次要燃烧气体为富氧空气，该富氧空气以体积计包含至少30％或35％、优选至少50％、最优选至少70％的氧气、或者介于30％与50％之间的氧气，或者为纯氧。可以以任何常规方式引入次要燃烧气体，但是优选使用具有收缩喷嘴(或者被称为喷管)的入口引入次要燃烧气体。

可以由位于较低部分的一个入口注入次要燃烧气体，但是优选由至少两个入口、最优选超过两个(如三个、四个、五个或六个，优选为四个)入口注入次要燃烧气体。

发明人已发现，在循环燃烧室的底部中添加燃烧气体对于确保燃料颗粒的完全燃尽是非常有效的。已经发现，在该位置添加氧气比仅仅在上部中伴随主要燃烧气体而添加补充氧气要有效得多。次要燃烧气体占总燃烧气体的不到一半，总燃烧气体包括主要燃烧气体、次要燃烧气体和引入的任何可燃性补充气体。优选的是，次要燃烧气体占燃烧气体的总百分比的10％至50％，优选20％至40％。

在优选的实施方案中，将补充(或次要)的固态、液态或气态燃料注入到底部，并在次要燃烧气体存在的情况下燃烧以在底部形成火焰。当将富氧空气用作燃烧气体时这点尤其重要，因为所需体积较小这有利地增加了能量效率。选择次要燃烧气体中的氧气和次要燃料的相对量，使得在次要气体中的次要燃料完全燃烧之后氧气过剩。

将次要燃料注入到底部中是有益的，因为这可以用于调整已经收集在基部中的熔体的温度。除了在顶部中的主燃烧之外在底部也形成火焰这是有益的，因为这是一种可以改变熔体温度的途径。具体而言，在循环燃烧室的基部中，矿物熔体沿壁向下流动而收集在基部中。因此，在该区域中，熔体以薄膜形式存在于室的壁上，并以浴的形式(其通常较浅)存在于基部中。在该区域中施加辐射热尤其有效，因为其能够容易地穿透全部熔体。因此，在该区域中使用火焰对于均匀、快速以及在精确的参数范围内加热熔体而言是尤其有效的，所以，通过改变该区域中的燃料和气体的流速，可以将熔体的温度保持在精确的界限范围内。

由于这一目的，优选在室的截头圆锥形底部的下半部中、优选朝向底部的下端注入次要燃料，以使得次要燃料靠近基部。次要燃料可以为任何燃料。在一个实施方案中，次要燃料包含纯固态燃料(如颗粒状碳质材料，例如煤)，因为这样的燃料一般是非常成本有效的并且可以减少NOx的产生。在另一个实施方案中，次要燃料包含立即且完全燃烧的一些液态或气态燃料。优选的是，次要燃料包含诸如煤等一些固态燃料，其量占次要燃料总量的(例如)10％至90％，优选为50％至90％，最优选为70％至90％，其中次要燃料的余量为液态或气态燃料。优选的非固态燃料为丙烷、甲烷或天然气。次要燃料以比颗粒状燃料低的量存在，并占总燃料能量的低于40％，通常为5％至15％。

在本实施方案中，次要燃烧气体优选为纯氧，并且与燃料一起通过燃烧器入口引入，以使得立即发生燃烧。可供选用的另外一种方式是，可以通过靠近次要燃料入口的入口引入次要燃烧气体，并且可以在室中发生混合。

循环燃烧室中的气体和悬浮的颗粒状材料的一般运动为气旋运动。这是通过以维持旋涡运动的适当的角度引入燃烧气体、以及颗粒状燃料和矿物材料而产生的。当使用次要燃烧气体时，优选也沿着相同的方向将其引入以维持循环流。

废气与收集在室的基部的矿物熔体分离，并且通常经由循环燃烧室的顶部的烟管被递送到热交换系统中。然后，废气被用于预热矿物材料，还可任选地预热燃烧气体。废气通常以介于1300℃与1900℃之间、通常为1500℃至1750℃(如约1550℃至1650℃)的温度离开循环燃烧室。

在本发明中，必要的是，将第一矿物材料和第二矿物材料分开提供到热交换系统中。如上讨论，必要的是，第一矿物材料具有比第二矿物材料更高的烧结温度。第一矿物材料通常为具有1200℃至1400℃的烧结温度的原始矿物材料，而第二矿物材料通常为具有900℃至1100℃的烧结温度的经加工的矿物材料，例如粘合矿物纤维。

为了实现最大的能量效率，非常重要的是：尽可能完全地利用废气的热能。这对于热效率以及使矿物材料保持良好的流动特性并因此具有良好的处理效率(其中矿物材料在预热过程中不熔化或软化)而言也是重要的。本发明提供了通过在第二矿物材料之前预热第一矿物材料而解决这两个考虑因素的方法。特别是，将第一矿物材料在第二矿物材料之前添加到热交换系统中。这是指在第二矿物材料接触的废气的上游添加第一矿物材料。在废气与第一矿物材料接触之后，第一矿物材料被预热，而废气被冷却并与预热的第一矿物材料一起继续预热第二矿物材料。

通常在废气与第一矿物材料接触之前将其淬冷。通常，将废气淬冷到约1400℃，以避免将第一矿物材料软化或熔化。使用诸如空气等适合的气体或诸如氨水等适合的液体来实施淬冷。

当废气接触第一矿物材料时，该废气预热第一矿物材料，而其自身被冷却。在第一预热阶段中，第一矿物材料优选被预热到300℃至600℃、更优选为400℃至500℃的温度。优选的是，废气与第一矿物材料的相对量为使得在第二预热阶段结束时第一矿物材料被预热到稍微低于第二矿物材料的烧结温度，通常为850℃至950℃。

随后将第二矿物材料添加到热交换系统中并接触废气和悬浮在废气中的第一矿物材料。通过这种接触预热第二矿物材料。优选的是，第二矿物材料被预热到至少700℃，更优选至少800℃，最优选在850℃与950℃之间。

通常，第二矿物材料为包含诸如有机粘结剂等有机试剂的加工产物。特别有利的是，将第二矿物材料预热到有机添加剂完全燃尽的温度和状态。

如果第二矿物材料为粘合矿物棉，其应当在包含至少2％的氧气的气氛条件下被预热到至少600℃至800℃并保持至少1秒至2秒，以将有机粘结剂燃尽。

优选的是，热交换系统包括至少一个、并且优选为两个或者甚至三个旋风预热器。第一矿物材料和第二矿物材料通常被添加到第一管道中，该第一管道将废气从循环燃烧室输送到第一旋风预热器。在第一旋风预热器中，废气与矿物材料分离。包含混合的第一矿物材料和第二矿物材料的矿物材料通过混合矿物材料管道被递送到循环燃烧室中以进行熔化。

优选在第一旋风预热器中产生氮氧化物(NOx)还原条件。NOx为在释放到大气中之前必须从废气中去除的环境排放物。这通常通过选择性非催化还原(SNCR)来进行。然而，在本发明中，有利的是，可以通过选择性非催化还原(SNCR)在第一旋风预热器中显著地还原NOx，并且优选基本消除NOx。这是从废气中去除NOx的经济且便利的方式。

通过在旋风预热器中包含含氮材料来产生NOx还原条件，其中所述含氮材料在预热器中的主导条件下会还原NOx。含氮材料可以包含在供给到预热器的热废气中，或者可以直接添加到预热器中。

包含在旋风预热器中的含氮材料优选为氨或者铵化合物、胺或脲，其中，脲可以是游离的，或者更优选为诸如脲醛树脂或酚脲醛树脂等树脂产品。特别优选的是，通过在矿物材料中包含作为供给到旋风预热器中的第二矿物材料的粘合矿物棉来产生NOx还原条件，其中，废的粘合矿物棉包含脲树脂(通常为酚脲树脂)和/或氨或者铵化合物(例如，作为废棉中树脂的缓冲剂)。因此，通过本发明，可以同时利用废料并在适当的条件下使其反应，以将废气中大量的NOx还原成氮。

氨或氨衍生物或者其他NOx还原性化合物的量优选为1摩尔至4摩尔/摩尔NOx(优选为1摩尔-2摩尔/摩尔NOx，或者尤其为1摩尔-1.7摩尔/摩尔NOx)，并且优选在800℃至1050℃的温度下进行反应。反应停留时间优选为至少0.3秒，最优选为至少1秒。通常，这可以为旋风预热器和/或管道中的颗粒状矿物材料的停留时间，直到废气被冷却到反应温度以下，例如低于800℃。在这些条件下，优选在800℃至1050℃的温度下，基本上全部的NOx被还原成氮，即使预热器中的气氛优选为氧化性的也是如此。

因此，根据本发明的另一优选特征，旋风预热器中的气体气氛包含过量的氧气，其量优选为气体气氛体积重量的至少1％或2％，最优选为至少4％，例如达到8％。尽管该气氛具有氧化性质，但是在预热器所限定的条件下，通过添加的氨或其他含氮化合物使NOx还原。

因此，预热器可以同时作为NOx还原器和氧化性后燃烧器(oxidising after-burner)(其用于燃烧诸如来自循环燃烧室的硫化氢和一氧化碳等污染物)工作。

优选的是，与存在于旋风预热器中的氧气的量相比，与熔体分离并在此后供给到旋风预热器中的废气包含较少的氧气，因此，优选将空气或其他氧气源在预热器中或熔体与预热器之间添加到废气中。

废气通过第二管道从第一旋风预热器的顶部被递送到第二旋风预热器。优选的是，在第一矿物材料被传送到第一管道以通过废气进一步预热之前，其在第二旋风预热器中经历初始预热。因此，在优选的实施方案中，第一矿物材料被引入到第二管道中并被预热到300℃至600℃、优选为450℃至500℃的初始温度。然后，废气离开第二旋风预热器，并且通常通过间接热交换而用于加热燃烧气体。

附图说明

图1是适合用于本发明的优选实施方案中的装置的示意图。

图2是图1的剖面的放大图。该图为示意性的，而不是按比例的。

图1示出了循环燃烧室1，其包括圆筒形顶部、截头圆锥形底部和圆筒形基部。颗粒状燃料从供应管路2被引入循环燃烧室中，并且该颗粒状燃料优选为煤。预热的矿物材料经由混合矿物材料管道3被引入到循环燃烧室中。将煤和矿物材料与燃烧空气(经由管道4)和次要空气一起引入到循环燃烧室中，以确保煤与燃烧空气完全混合并维持燃烧气体和悬浮材料在循环燃烧室1中循环运动，其中所述次要空气由压缩空气供应管路5提供，并通过喷管(图中未示出)被引入。少量的燃烧气体和燃料通过在图1中分别表示为6和7的路径由主供应管路(其通向循环燃烧室的顶部)被分流到循环燃烧室的底部。次要燃料(在该情况下为天然气)也通过供应管路8被注入到循环燃烧室的基部(在图1中表示为8)中。

在循环燃烧室中，煤在优选为富氧空气的燃烧气体中燃烧。所得的熔体被收集在循环燃烧室1的基部区域中并通过出口9离开燃烧室。废气通过在循环燃烧室的顶部的烟管10被供给到第一管道11中，在该第一管道11中，废气被用于加热第一矿物材料和第二矿物材料。然后，废气流入第一旋风预热器12中，在该第一旋风预热器12中，废气与在此混合到一起的第一矿物材料和第二矿物材料分离。废气经由第二管道14从第一旋风预热器12流入第二旋风预热器13中。在第二旋风预热器13之后，废气通过管道15流到集尘旋风器16并进入室17中，在室17中，废气与燃烧气体发生间接热交换以预热燃烧气体。然后，通过(例如)过滤器18处理废气以使得废气可以被安全地排放到大气中。

在矿物材料被添加到循环燃烧室中之前将其预热。具体而言，第一矿物材料(通常为原始石头材料)由料仓19被供给到第二管道14并在第二旋风预热器13中进行初始预热。然后，第一矿物材料通过第一矿物材料管道并被引入到第一管道11中，随后被递送到第一旋风预热器中。第二矿物材料由料仓20被提供到第一管道中的第一矿物材料下游处。第二矿物材料一般为处理过的矿物材料(其通常为粘合矿物纤维)。为了确保在第一旋风预热器12中产生NOx还原条件，可以在位置21处将诸如氨等含氮材料添加到第一管道11中的正位于第一旋风预热器12之前的位置处。

部分第一矿物材料可能会被第二旋风预热器13的废气向上携带而通过管道15。这些矿物材料在集尘旋风器16中与废气分离，并通过管道22循环返回而并入预热的矿物材料中。

图2示出已经通过烟管31离开循环燃烧室的废气30。废气进入第一管道32，并通过淬火空气33由1500℃至1900℃的温度(通常为约1650℃)被淬冷到1300℃至1500℃的温度(通常为约1400℃)。第一矿物材料通过第二矿物材料下游的入口34被引入到第一管道32中，第二矿物材料通过入口35被引入到第一管道32中。

Claims (14)

1.一种制造矿物熔体的方法，所述方法包括下列步骤：

提供循环燃烧室(1)；

将燃料(1)、预热的矿物材料(2)和燃烧气体(3)注入到所述循环燃烧室(1)中；

在所述循环燃烧室(1)中燃烧所述燃料，由此使所述矿物材料熔化而形成矿物熔体，并产生废气；

将所述废气与所述矿物熔体分离，收集所述矿物熔体(9)，并将所述废气(10)递送到热交换系统中；

其中，所述矿物材料包含第一矿物材料和第二矿物材料，其中，所述第一矿物材料具有比所述第二矿物材料更高的烧结温度；所述方法的特征在于：

所述第一矿物材料和所述第二矿物材料被分开提供到所述热交换系统中，

所述第一矿物材料通过与所述废气接触而被预热，随后

所述第二矿物材料通过与所述废气和预热的所述第一矿物材料接触而被预热。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括通过使收集的所述矿物熔体通过所述循环燃烧室(1)的出口(9)流到离心纤维化装置中并形成纤维，从而由该矿物熔体制造矿物纤维的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述矿物材料包含：介于5重量％与70重量％之间、优选介于10重量％与60重量％之间、并且最优选介于25重量％与50重量％之间的所述第二矿物材料。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述第二矿物材料为粘合矿物棉。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述热交换系统包括：

第一旋风预热器(12)和从所述循环燃烧室(1)到所述第一旋风预热器(12)的第一管道(11)，所述废气通过所述第一管道(11)，

其中，将所述第一矿物材料和所述第二矿物材料注入到所述第一管道(11)中，并且将所述第一矿物材料在比所述第二矿物材料更靠近所述循环燃烧室的位置处注入所述第一管道中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述热交换系统还包括：

第二旋风预热器(13)和从所述第一旋风预热器(12)到所述第二旋风预热器(13)的第二管道(14)，所述废气通过所述第二管道(14)，

其中，在将所述第一矿物材料注入到所述第一管道中之前，将该第一矿物材料注入到所述第二管道中，并且使该第一矿物材料在所述第二旋风预热器中经历初始预热。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在400℃-500℃的范围内对所述第一矿物材料进行所述的初始预热。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，当所述废气与所述第一矿物材料接触时，所述废气处于1300℃至1500℃的温度。

9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述第二矿物材料通过与所述废气和预热的所述第一矿物材料接触而被预热到至少800℃、优选为850℃至950℃的温度。

10.根据权利要求2所述的方法，其中，所述矿物纤维为岩石、石头或矿渣的纤维，并且所述矿物纤维具有如下的分析组成：以氧化物的重量计，包含低于10％的NaO+K₂O、高于20％的CaO+MgO、高于3％的铁(以FeO的形式计算)以及低于50％的SiO₂。

11.一种适合于实施根据前述任一权利要求所述的方法的装置，其包括：

循环燃烧室(1)，该循环燃烧室具有燃料入口(2)、混合矿物材料入口(3)和燃烧气体入口(4)，

用于收集矿物熔体(9)的机构，以及

热交换系统，该热交换系统包括第一旋风预热器(12)，

从所述循环燃烧室(1)到所述第一旋风预热器(12)的第一管道(11)，该第一管道用于输送废气，

第一矿物材料管道，用于将所述第一矿物材料输送到所述第一管道(11)中，

第二矿物材料入口，该第二矿物材料入口在比所述第一矿物材料管道的出口更远离所述循环燃烧室(1)的位置处将所述第二矿物材料注入到所述第一管道(11)中，以及

从所述第一旋风预热器到所述循环燃烧室中的所述混合矿物材料入口的混合矿物材料管道(3)。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述热交换系统还包括：

第二旋风预热器(13)，

从所述第一旋风预热器(12)到所述第二旋风预热器(12)的第二管道(14)，该第二管道用于输送所述废气，以及

第一矿物材料入口，用于将所述第一矿物材料注入到所述第二管道中，其中

所述第一矿物材料管道从所述第二旋风预热器(13)通向所述第一管道(11)。

13.一种制造矿物熔体的方法，所述方法包括下列步骤：

提供循环燃烧室(1)；

将燃料(1)、预热的矿物材料(2)和燃烧气体(3)注入到所述循环燃烧室(1)中；

在所述循环燃烧室(1)中燃烧所述燃料，由此使所述矿物材料熔化而形成矿物熔体，并产生废气；

将所述废气与所述矿物熔体分离，收集所述矿物熔体(9)，并将所述废气(10)递送到热交换系统中；

其中，所述矿物材料包含第一矿物材料和第二矿物材料，该第一矿物材料为原始矿物材料，该第二矿物材料为粘合矿物棉；所述方法的特征在于：

所述第一矿物材料和所述第二矿物材料被分开提供到所述热交换系统中，

所述第一矿物材料通过与所述废气接触而被预热，随后

所述第二矿物材料通过与所述废气和预热的所述第一矿物材料接触而被预热。

14.根据权利要求13所述的方法，其还包括权利要求2、3、以及5至10中的任何特征。

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