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《石灰產(chǎn)業(yè)大講堂》007期|工業(yè)尾氣煅燒石灰的應(yīng)用與選擇
2023-08-18 16:08:59 來(lái)源：石灰窯生態(tài)圈
《石灰產(chǎn)業(yè)大講堂》007期|工業(yè)尾氣煅燒石灰的應(yīng)用與選擇
一、 概 述
燃料作為石灰窯重要的煅燒能源，在生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)煅燒石灰的固定燃料主要為碳，其中包含SiO2、Al2O3、Fe2O3、硫、水分等雜質(zhì)，在煅燒中易在高溫下形成低熔點(diǎn)化合物，對(duì)窯爐內(nèi)襯造成腐蝕損壞。固體燃料中的硫成分較多，對(duì)煉鋼脫硫也造成一定影響。
而且，隨著燃料價(jià)格上漲且持高不下現(xiàn)狀的延續(xù)，以焦炭、煤為燃料的石灰豎窯的生存發(fā)展受到了非常大的威脅。同時(shí)，由于燃料成本偏高， 導(dǎo)致了利潤(rùn)大幅度下降。因此尋找新的低成本燃料來(lái)降低石灰生產(chǎn)成本已迫在眉睫。
煤氣作為氣體能源，相比固體燃料更易混配煅燒，作為一種清潔、環(huán)保的能源，得到了廣泛的應(yīng)用。早在九十年代，唐山金泉公司（研究所時(shí)代）就以高爐煤氣為燃料的氣燒石灰豎窯成功的工業(yè)應(yīng)用，設(shè)計(jì)應(yīng)用了國(guó)內(nèi)首座高爐煤氣燃料石灰豎窯，打破了石灰豎窯依靠固體燃料生產(chǎn)的格局。隨著應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，更多的以工業(yè)尾氣燃料為主的石灰生產(chǎn)技術(shù)得以快速發(fā)展，尤其是高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、電石尾氣、黃磷尾氣等工業(yè)尾氣為代表的煅燒石灰技術(shù)得以快速發(fā)展。而且由于煤氣成本低，使生產(chǎn)成本獲得較大幅度的降低，減少了能耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于石灰行業(yè)，2023年度各種挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，是蓬勃展開(kāi)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一年， 各類(lèi)氣燒石灰窯得到了較大的發(fā)展， 本節(jié)課程主要針對(duì)各種工業(yè)尾氣的應(yīng)用和近期所呈現(xiàn)的向應(yīng)用低熱值煤氣擴(kuò)展的新趨勢(shì)以及由于煤氣熱值降低所涉及的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。
二、各種工業(yè)尾氣的特征及應(yīng)用要點(diǎn)
1、高爐煤氣
高爐煤氣是煉鐵過(guò)程產(chǎn)生的伴生氣。它的主要成份是CO，CO2， N2，CH4 等。CO 約占 22% ～ 26% ，H2約占 1%～ 4%，N2 要占 58% ～ 60% 。由于各鋼鐵企業(yè)煉鐵煤焦比不同，其高爐煤氣的可燃成份多少也不相同。
大型企業(yè)工藝先進(jìn)，設(shè)備精良、其焦比低，高爐煤氣的熱值也低，中小企業(yè)爐容小、能耗高所以高爐煤氣的熱值也高。鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣熱值一般在 3125～3542kJ/Nm3左右。高爐煤氣為低熱值氣體燃料，屬于二次能源。與高熱值燃料相比燃燒溫度雖不算高，但它仍能產(chǎn)生對(duì)目前工業(yè)爐窯煅燒而言已足夠高的燃?xì)�。從能源品位�?lái)看，目前仍屬于高品位能源。
高爐煤氣特性：
（1）、高爐煤氣中不燃成分多�？扇汲煞州^少（約30%左右），發(fā)熱值低，一般為 3344—4180 KJ/m³；
（2）、高爐煤氣是無(wú)色無(wú)味、無(wú)臭的氣體，因 CO 含量很高、所以毒性非常大；
（3）、燃燒速度慢、火焰較長(zhǎng)、溫差較�。�
（4）、著火溫度大于 350℃；
（5）、高爐煤氣含有 H2（1.5-3.0%），CH4（0.2-0.5%）， CO（25-30%）， CO2（9-12%），N2（55-60%），O2（0.2-0.4%）；密度為1.29-1.30Kg/Nm 3 .以及 H2（2%）， CH4（0.4%），CO（30%），CO2（12%），N2（55%），O2（0.4%）；
（6）、完全燃燒過(guò)量空氣系數(shù)為1.1~1.2；
（7）、煙氣主要成分及其含量：CO2(13.7%)、O2 (10.2%)、N2（76.1%）
2、焦?fàn)t煤氣
焦?fàn)t煤氣，又稱(chēng)焦?fàn)t氣，由于可燃成分多，屬于高熱值煤氣，粗煤氣或荒煤氣。是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦?fàn)t中經(jīng)過(guò)高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時(shí)所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。
焦?fàn)t氣是混合物，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)量和焦化過(guò)程條件不同而有所差別。其主要成分為氫氣（55%~60%）和甲烷（23%~27%），另外還含有少量的一氧化碳（5%~8%）、C2以上不飽和烴（2%~4%）、二氧化碳（1.5%~3%)、氧氣(0.3%~0.8%))、氮?dú)?/span>(3%~7%)。其中氫氣、甲烷、一氧化碳、C2以上不飽和烴為可燃組分，二氧化碳、氮?dú)�、氧氣為不可燃組分。
焦?fàn)t煤氣特性：
（1）、焦?fàn)t煤氣發(fā)熱值高 16720—18810KJ/m³，可燃成分較高（約 90%左右）；
（2）、焦?fàn)t煤氣是無(wú)色有臭味的氣體；
（3）、焦?fàn)t煤氣因含有 CO 和少量的H2S而有毒；
（4）、焦?fàn)t煤氣含氫多，燃燒速度快，火焰較短；
（5）、焦?fàn)t煤氣如果凈化不好，將含有較多的焦油和萘，就會(huì)堵塞管道和管件，給調(diào)火工作帶來(lái)困難；
（6）、著火溫度為 600-650℃；
（7）、焦?fàn)t煤氣含有H2（55-60%），CH4（23-27%），CO（4-8%）， CO2（1.5-3.0%），N2（3-7%），O2（<0.5%），CmHn(2-4%)，密度為 0.45-0.50 Kg/Nm3，C6H6（2%）、O2（0.5%）
（8）、完全燃燒過(guò)量空氣系數(shù)為 1.2；
（9）、煙氣主要成分及其含量：CO2（15.3%）、O2（8.3%）、N2 （76.4%）
3、電石尾氣
電石尾氣的生產(chǎn)：
電石（CaC2）是由活性石灰（CaO）和焦炭在密閉電石爐內(nèi)加熱生產(chǎn)的，其化學(xué)反應(yīng)式為：CaO＋3C→CaC2＋CO。 密閉電石爐每生產(chǎn)一噸電石約產(chǎn)生460Nm3的氣體，其中以CO為主，還有少量H、CO以及焦油。
目前密閉電石爐尾氣經(jīng)降溫除塵處理后一般直接在爐外燃燒， 或者用于生產(chǎn)合成氨肥、DMC（碳酸二甲脂）等化工產(chǎn)品。而活性石灰生產(chǎn)又需要大量的燃料，如能將密閉電石爐尾氣經(jīng)處理后生產(chǎn)石灰是非常不錯(cuò)的燃料。
根據(jù)反應(yīng)式可知，理論上每生產(chǎn)一噸電石需消耗0.875噸的活性石灰。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)石灰與電石的比例約為1:1， 約產(chǎn)生460Nm3的氣體，一氧化碳是尾氣的主要成分，一氧化碳熱值約為12644KJ/m³。
尾氣出爐溫度在550～800℃左右，溫度高且不穩(wěn)定。 尾氣中含有焦油，焦油在低溫時(shí)會(huì)析出，給尾氣的降溫冷卻及除塵帶來(lái)不便。 同時(shí)尾氣的粉塵含量約50-150 g/ Nm3，且粒徑較小。
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)得知，密閉電石爐尾氣有以下特點(diǎn)：
（1）密閉電石爐尾氣出爐溫度高，約在550～800℃左右，且不穩(wěn)定；
（2）尾氣可燃燒且具有一定的熱值，其熱值約為12644KJ/m³；
（3）尾氣中粉塵含量約為50-150 g/ Nm3且粒徑小，5～10μm的約占粉塵40％，大于40μm的不足11％；
（4）尾氣中含有微量的焦油，在一定溫度下會(huì)析出，易和尾氣中的粉塵粘連。密閉電石爐尾氣經(jīng)過(guò)水、空氣等多級(jí)冷卻后，再經(jīng)低溫布袋除塵。這種除塵方式主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、效果好。
閉電石爐尾氣回收應(yīng)用要點(diǎn)：
潔凈的密閉電石爐尾氣熱值約為12644KJ/m³，具有很大的利用價(jià)值，但要用于活性石灰煅燒還稍顯不足，通常煅燒活性石灰的氣體燃料要求熱值在15880 KJ/m³。從密閉電石爐出來(lái)的尾氣（CO ;80%～85%；H2: 7%；CO2 :1.5%；O2: 2%；N2 :7% ；其他0.5%（H2S、HCN、PH3、有機(jī)硫及焦油等）溫度為500℃～800℃，爐氣總量約為400m³/t電石，壓力為2—3kPa。
密閉電石爐尾氣回收的工藝路線(xiàn)：先進(jìn)入兩級(jí)旋風(fēng)分離器高溫除去粒徑≥0.7微米顆粒， 然后進(jìn)入高溫布袋過(guò)濾器，當(dāng)過(guò)濾器工作時(shí)，灼熱的爐氣經(jīng)過(guò)水冷卻的爐氣管，溫度下降到500℃左右，再經(jīng)一級(jí)和二級(jí)冷卻除塵器，爐氣溫度為250℃～260℃，過(guò)濾器內(nèi)設(shè)置有聚四氟乙烯材料和玻璃纖維絲編制的耐溫過(guò)濾袋，從過(guò)濾器出來(lái)的氣體，則稱(chēng)為凈氣，凈氣粉塵含量約為30-50 mg/ Nm3， 然后經(jīng)過(guò)冷凝，溫度降至50℃左右。
4、黃磷尾氣
黃磷尾氣除富含CO外，主要含有磷、硫、砷、氟等雜質(zhì)，其中砷和氟通過(guò)水洗和堿洗很容易除去。磷主要以PH3和P4形式存在，硫主要以H2S形式存在]。黃磷尾氣成分如下：CO：85%~95% , CO2 ：1%~4%, O2約1%, H2：1%~8%, CH4：約%, N2：2%~5% , H2O：約5%。
黃磷尾氣含CO體積分?jǐn)?shù)為85%～95%。黃磷尾氣以往的處理方式為點(diǎn)“天燈”，即經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的水處理后直接燃燒排空，不但不能實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，還嚴(yán)重污染環(huán)境。
黃磷尾氣的燃燒溫度*高可達(dá)920 ℃左右，火焰長(zhǎng)度約250 mm、寬度約30mm，有著較廣的熱輻射面積。黃磷尾氣作為燃料資源化利用是其*好的循環(huán)利用途徑。采用石灰窯生產(chǎn)石灰，石灰石理論分解溫度為800～1000℃，石灰實(shí)際燒成溫度為900 ℃，爐窯溫度在1000 ℃左右，因此，黃磷尾氣在具備一定條件時(shí)可以作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝。而且石灰窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用于黃磷尾氣作為替代燃料。
采用黃磷尾氣煅燒石灰時(shí)的要點(diǎn)：
（1）、黃磷尾氣的燃燒特性
黃磷尾氣含高濃度CO和H2S，其中CO非常容易被氧化，其燃點(diǎn)約為630℃，燃燒速度約為380mm/s。CO與氧氣混合燃燒時(shí)放出大量的熱，因此黃磷尾氣具有較高的熱值，其理論熱值約為11MJ/Nm³，實(shí)際燃燒*高熱值可達(dá)12.5 MJ/Nm³，是十分優(yōu)良的燃?xì)狻?/span>
唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司在實(shí)際煅燒石灰的生產(chǎn)中，總結(jié)了相關(guān)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)：
在不同的空氣過(guò)剩系數(shù)（α）下，對(duì)黃磷尾氣燃燒煙氣成分及溫度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：在α=1.0時(shí)，黃磷尾氣*高燃燒溫度約 850 ℃ ；在 α=1.2 時(shí)，黃磷尾氣*高燃燒溫度接近900 ℃，火焰寬度約 40 mm、高度約300 mm；在 α=1.25時(shí)，黃磷尾氣*高燃燒溫度可達(dá) 910 ℃；在 α=1.3 時(shí)，黃磷尾氣燃燒穩(wěn)定，燃燒溫度分布相對(duì)均勻，在測(cè)點(diǎn)高度為300mm處燃燒溫度可達(dá)920℃，距離燃燒室中心20 mm 范圍內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，燃燒室內(nèi)此處單位熱容積*高。
生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，黃磷尾氣燃燒的*佳空氣過(guò)剩系數(shù)為1.3，在此空氣過(guò)剩系數(shù)下，黃磷尾氣中的CO能夠在燃燒室充分燃燒，黃磷尾氣的燃燒溫度可高達(dá) 920 ℃左右，能夠滿(mǎn)足石灰窯煅燒工藝所需的溫度。
（2）、黃磷尾氣的凈化與回收
黃磷尾氣的凈化過(guò)程：
黃磷尾氣經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)送入二級(jí)循環(huán)洗滌塔，經(jīng)過(guò)冷熱水封和輸送系統(tǒng)送入旋風(fēng)除塵器，經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)送入石灰窯。
黃磷尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理送到加壓站加壓至 12 kPa 以上，然后進(jìn)入石灰窯燃燒。凈化后的黃磷尾氣具備石灰窯對(duì)替代燃料的基本要求，同時(shí)凈化后的黃磷尾氣在一定條件下 （如調(diào)整空氣過(guò)剩系數(shù)及黃磷尾氣流量）其燃燒溫度能夠滿(mǎn)足石灰煅燒工藝所需的溫度。
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