《石灰產業大講堂》006期|粉體燃料煅燒石灰的關鍵技術
一、概 述
隨著石灰生產工藝節能化、環保化的發展，石灰窯噴吹粉體燃料技術成為當今石灰生產技術的重要發展方向已成為共識。噴吹原料易得、經濟適用的粉體燃料煤替代優質高價的塊狀無煙煤和焦炭，是現代石灰生產實現節能降耗、提高石灰品質和減輕環境污染的重要措施，已經成為當前石灰生產企業節能減排、降低成本的有效手段之一。
粉體燃料煅燒石灰主要采取爐內噴吹的方式，粉體燃料的原料來源主要有煤炭、焦炭、焦丁、蘭炭、生物質碳化粉等化石燃料品種，還有其他如石油焦、廢舊橡膠粉等燃料來源，都是適宜進行粉體噴吹的燃料來源。
我國由于資源條件和能源政策的限制，以及考慮生產成本問題，目前石灰行業大部分都以噴吹煤粉為主。噴煤粉技術能夠充分利用煤炭資源，提高能源利用率，同時減少了煤的排放和污染。適合粉體噴吹的石灰窯主要窯型為雙膛石灰窯、梁式窯、回轉窯等主要窯型。由于回轉窯能耗太高以及梁式窯的工藝缺陷等原因，目前噴吹粉體燃料的石灰窯主流窯型為雙膛窯生產工藝。
雙膛石灰窯工藝技術具有高效、節能和環保等優點，而且雙膛石灰窯的結構相對簡單，易于建造和維護，在石灰石燒制的過程中，煤粉的燃燒產生的熱量可以提供石灰石熱分解所需的能量，從而實現高效燒制。因此被應用于各個行業，尤其是在建筑、冶金、化工、環保等領域都有廣泛的應用。
本節課程將詳細介紹適宜石灰生產的粉體燃料的使用及控制技術要點，同時，還重點介紹了目前行業*新的粉體噴吹燃燒技術。
二、 適用石灰窯使用的粉體燃料控制要點
1、粉體燃料的指標控制關鍵點：
目前，國內較多石灰生產企業采用原煤作為燃料鍛燒石灰石。
由于粒煤燃燒存在燃燒效率低、污染大等不足，所以一般將粒煤制備成煤粉后入窯燃燒，制備煤粉的燃料原煤的選擇與管控也就成為石灰生產中的關鍵環節。
煤 粉 煤粉制粉流程圖SiO
2、Al
2O
3、CaO、MgO、Fe
2O
3 等組成。燃粉灰分在高溫形式下形成的低熔點化合物是導致粘窯和結圈的重要原因，低熔點化合物對窯襯有腐蝕作用， 能造成窯襯損壞， 煤粉附著在產品上， 使產品質量降低， 因此采用低灰分燃料十分重要，灰分的熔點大于 1250℃
②揮發份控制
揮發份高有利于煤粉點火和穩定燃燒，但揮發份高不利于煤粉系統安全生產，因此，石灰窯噴吹所用的粉體燃料的揮發份含量宜適中，揮發份和固定碳的含量與碳化有關，碳化程度越高，揮發份越少。
③水分控制
結晶水要在 200℃以上才能從煤中分解出來，燃料中的水分對于煤粉制備系統加料不暢，影響其正常工作，另外煤粉中水分過高， 降低燃料的可燃度，影響燃料的消耗。
2、 煤粉的爆炸性控制關鍵點
煤粉和空氣混合物在一定的條件下會產生爆炸，生產實踐和試驗研究證明，影響煤粉爆炸的主要因素有：
①揮發份，揮發份越高越容易爆炸；
②細度，煤粉越細，與空氣的接觸面越大，爆炸性也越大；
③濃度，煤粉的爆炸性隨著它在空氣中的濃度增大而變大， 但濃度增加到一定限度后，爆炸性又開始減小，煤粉濃度的爆炸范圍為0.3-0.6kg/m³；
④介質含氧量：
懸浮在含氧量大的氣體介質中的煤粉，可爆炸性大并且爆炸力強，實踐證明在含氧量小于 16％的氣體中，煤粉不會爆炸；
⑤混合物溫度：
煤粉空氣混合物的溫度越高，爆炸的可能性越大，一般不超過下列溫度：
原煤水分＜25％， 煙煤≤70° ；
原煤水分＞25％， 煙煤≤80° 。
三、煤粉燃燒特性的判別方法
1、揮發分與煤的可燃性
目前仍沿用以工業分析得出的可燃基揮發分判斷煤的燃燒性能將其作為爐膛設計和燃燒器型式選取的依據，用其確定熱風邂度，一、二次風的比率以及煤粉經濟細度等的重要運行參數眾所周知，熱解反應析出的揮發分是煤中不穩定的物質，從褐煤到無煙媒隨著地質年代的增長，其含量逐漸減少，它是煤的活性的一種表現。因此，用揮發分的數量判別煤的可燃性，在煤的大類別(無煙煤、煙煤褐煤)之間，或同類煤中揮發分數值相差較大的煤種之間是正確的。然而，用于比較揮發分含量低的無煙媒、貧煤之間以及高揮發物的揭媒頁巖之間的可燃性確有較大的偏差。
揮發分只是在數量上表達了煤的熱解性能，它沒有涉及揮發物質的組成，例如不同揭煤中的有機物質的化學性質差異就很大。對于揮發分相同的煤種，因其組分不同析出過程不同在燃燒過程中起的作用就不同。
另外，在測定過程中所測揮發分結果的真實性不同。高揮發分媒在測定過程中，因揮發物析出快、量多，能夠避免氧對焦炭氧化造成的誤差。而低揮發分的無煙煤，在測定過程中部分焦炭已被氧化，造成測定結果的誤差曾用純炭粉按常規揮發分測定方法進行試驗，結果有19%的質量損失。這說明對于揮發分特別低的煤種，因焦炭氧化對揮發分測定結果會有很大影響。再者，在測定過程中有些煤種中無機物的分解也會給測定結果帶來影響。例如，碳酸鹽的部分分解，部分無機硫的揮發以及礦物質中結晶水在較高溫度區域的分解。
綜上所述，揮發分僅代表煤粉在一定試驗條件下有機物熱解的數量，反映了一些煤種的可燃性。用它來判別各種煤種的可燃性，則不夠確切，甚至出現偏差因此需要尋求更能反映煤熱解性能的指標，以彌補揮發分指標的不足。
2、煤的著火穩燃特性判別指標
中國*早的煤分類指標，稱為加水燃率(FC)/(V+M以該指標將煤分為褐煤(<09)，褐性煙煤(0.9~1.3)，低碳煙煤(1.3~1.7)，中碳煙煤(1.7~3)，高碳煙煤(3~4)，無煙性煙煤(4~6)，低碳無煙煤(6~8)，中碳無煤(8~10)，高碳無煙煤(10~12)，它是用固定碳分析基水分及揮發分表示煤的變質程度
四、新一代粉體燃料燃燒技術
近年來，被喻為綠色煤炭的可再生能源生物質的研究，已經引起國內外學者的廣泛關注，生物質混煤燃燒也已成為生物質能利用的一種重要方式。
1、煤粉與生物質混燃技術應用
單獨噴吹燃燒煤粉，雖然目前為止在石灰窯上的應用非常廣泛，技術也相對穩定，但是由于化石燃料的不可再生性及其燃燒產物對環境的污染，需要對其進一步研究改進。而生物質能源恰好補充了化石燃料的缺陷，其為清潔的可再生能源，并且燃燒產物中污染物排放量小， 甚至能夠實現二氧化碳的零排放，其各項綜合指標使得生物質作為一種新的可再生能源受到關注。
但是生物質能源也有其自身的缺點，如發熱密度小，燃燒效率低，并且直接燃燒生物質由于其熱值低很難達到煅燒石灰的熱工要求。因此將兩者混合噴吹燃燒，即能夠減少污染物的排放，也能夠達到環保指標，不但緩解了碳排放壓力，而且也有效的降低了燃料成本，增加了經濟效益。
由“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山金泉冶化科技產業有限公司”及“唐山金泉成套設備有限公司”研究開發的“煤粉與生物質混燃煅燒石灰成套裝置”等系列技術，成功的解決了在生物質利用技術中，純生物質直燃技術存在效率低、燃盡時間短等關鍵性問題。利用現有石灰窯的煤粉噴吹技術進一步改進提升，對生物質和煤粉進行混燃，相對于燃燒純煤粉和純生物質燃燒技術，不僅提高了生物質利用率，而且能夠實現不易燃煤種達到著火更容易，燃盡程度提高或燃盡時間縮短的目的，尤其是摻混生物質對難燃煤種著火特性的影響比對易燃煤種更加明顯，使石灰生產中對噴吹的煤炭種類選擇更加廣泛。
從唐山金泉公司已經公開的部分技術信息顯示：
生物質與煤粉混合燃燒，主要有以下兩種方法：
（1）將生物質直接與煤混合后磨制成的混合粉末直接噴入爐膛進行燃燒煅燒石灰。
（2）將生物質提前單獨制成粉末，在燃燒器風口與煤粉氣流混合， 一同吹入爐膛進行燃燒煅燒石灰。
第１種方式直接混合制粉，步驟簡單，現有的石灰窯磨粉設備以及系統就可以對其進行加工制造，但是由于生物質難以粉碎且能量密度低，對磨煤機的容量要求很高，并且摻燒的生物質比例在很大程度上會影響到系統的安全運行，以致混燃中摻燒生物質的含量大大受限。
第2種方式由于生物質成分不同，磨成粉末不能直接用磨煤機， 需要對其進行改裝或加入專門的系統， 雖然提高了設備投資的費用， 但是，值得一提的是，由于提高了生物質摻燒比例，可以提高燃燒的經濟性。
爐內煤粉與生物質混合燃燒的特性如下：
（1）由于生物質自身的物理性質，導致其揮發分的含量較煤粉高， 著火點也低于煤粉，因此當其與煤粉混合點燃時，相對于煤粉單獨燃燒而言，較低溫的環境就能使混合燃料著火而點燃。所以一般情況下， 爐膛的溫度會低于煤粉單獨燃燒時的溫度，約1000℃范圍左右，這樣也避免了高溫時爐膛內部的石灰結瘤、結焦、結渣及高溫型氮氧化物的生成。
（2）生物質的種類豐富，摻燒比例也并不固定，但是這些因素僅會影響到其在與煤粉混合燃燒時的燃盡程度，并不影響燃燒溫度及火焰穩定性，對煅燒石灰工況來講，影響不大。
（3）生物質的顆粒過大時，對燃燒過程的燃盡效率影響也并不大。此外，生物質的一些其他物理特性及燃燒特性都能改變化學反應的過程，如較高的反應活性、揮發分等均可以改善煤粉的燃燒特性。
（4）燃料從燃燒器噴入爐膛可以有多種方式，密切影響到燃燒產物中污染物如NOX的形成及排放。相對于單一的煤粉燃燒而言，生物質與煤粉的混合燃燒較為復雜，保證總體的富氧環境，應采用空氣的分級燃燒。此外，由于生物質自身的物理特性，其固硫能力強，自身含硫低，同時減少了SO2的排放。
（5）生物質粉體中含有較高比例的碳，含氮較少，幾乎不含硫，燃燒后對環境危害大大降低。
（6）和煤相比，生物質粉體中含水分較少，含揮發分較多，含灰分較低，易于著火，且在燃燒初期粉體經過熱分解析出的揮發分首先參與燃燒。粉體在燃燒過程中，主要以懸浮燃燒的方式在爐膛中形成體積燃燒，有利于在煅燒石灰時火焰在石料縫隙中的分布和流動，使石灰窯窯內還原氣氛更加合理，石灰活性度可以進一步提高，石灰生過燒率呈下降趨勢。
2、生物質焦與煤混合燃燒技術
目前，國內對生物質與煤的共燃燒研究主要集中在生物質原材料直接與煤的混合燃燒，而對生物質的熱解產物——生物質焦與煤的共燃燒過程中對煤粉催化作用的研究，則較少報道。
生物質焦是生物質原料在缺氧環境下通過熱化學轉化得到的一種固體材料。是生物質在氣化、裂解過程中的副產品。生物質在熱化學反應過程中，增加了燃料的能量密度，更適合在現有燃煤工業爐進行燃燒。因此生物質焦和煤混合燃燒也受到國內外學者的廣泛研究。
生物質焦的特性受諸多因素的影響，如熱解溫度、熱解氛圍和熱解速率等。研究不同熱解條件對生物質焦特性的影響是生物質焦利用技術應用的關鍵。
中國石灰產業學會與唐山金泉冶化科技產業集團聯合研發中心重點研發的“生物質焦與煤炭混合噴吹生產石灰技術”，研究實驗了不同配比條件下生物質焦對噴吹煤粉助燃的特點，將木質生物質焦分別與不同煤種按照不同比例進行了熱重實驗和燃燒實驗。對其混合燃燒特性進行了充分的分析研究，并根據生物質焦的微觀結構對其在石灰窯內催化煤粉燃燒的機理進行了深度研究。
唐山金泉冶化科技產業有限公司技術中心理化試驗室提供的部分實驗報告數據顯示：
①隨著生物質焦摻混比例逐步增大，燃燒過程中生物質焦對煤粉有助燃效果。
②生物質焦的摻入可以改善煤的揮發分析出特性。
③由于生物質焦的揮發分在較低溫度下即可析出，生物質焦對煤有催化助燃的作用，從而改善了煤的著火性能。
④在煤中摻入生物質焦后，*大燃燒速率有所提前。
⑤生物質焦具有氣孔發達、孔隙率高和比表面積大等物理特性。這種特性使其作為氧氣的通道，吸附氧氣能力強，促進了氧氣的擴散速率，相當于增大了氧氣濃度，從而提高了燃燒速率。
⑥尤其是在雙膛窯并流煅燒過程中，生物質焦加速了氧在氣相和碳之間的傳遞過程。因此，氧氣濃度較大時，加快了生物質焦傳遞氧的速率和氧氣擴散速率，從而提高了煤粉的燃燒速率。
⑦生物質焦能夠通過催化作用來改變碳氧化反應過程，降低反應活化能，進而提高反應速率，從而表現出催化煤粉燃燒的助燃效果。可明顯改善煤粉燃燒的動力學條件，對煤粉有助燃作用。
⑧相比煤而言，生物質焦的灰分含量極低，活化能較低；揮發分含量高與煙煤相近，易著火，燃燒性能明顯優于無煙煤，適合石灰窯噴吹。
⑨生物質焦對不同煤種煤粉燃燒特性的影響趨勢基本一致，隨著添加量的增加，對煤粉的助燃效果越好，但助燃效果與煤種本身性質有關。
五、進一步研究展望
近年來，我國在生物質燃燒方面有很大的進步，無論是單獨的生物質燃燒技術，還是生物質氣化和液化燃燒技術，還是本課程所述的生物質與煤粉直接混燃的技術，都掌握了很大的信息量，獲得了很大的進步。隨著國際能源同漸短缺及環境日漸遭受破壞，生物質燃燒技術作為潔凈的能源技術已經成為任何一個國家中不可或缺的一部分。我國在某些技術上正在向發達國家學習，盡管目前離發達國家還有一定的距離，但是已經日漸趨近。
生物質資源是一種清潔、無污染能源且儲量十分豐富， 因此發展生物質資源的利用對于我國節能減排具有重要意義。特別是生物質焦克服了生物質本身易磨性差、儲存運輸不方便、熱值低等缺點，是一種能夠在現有石灰窯采用燃煤生產中應用的燃料。而且生物質焦比生物質原料具有更高的熱值和固定碳含量，與煤炭和生物質焦一煤炭混合燃料相比，生物質焦燃燒時產生的N0x氣體更少。
所以，唐山金泉公司通過對新型生物質燃料與傳統化石燃料組合燃燒技術的研究與開發，以及生物質焦和煤共燃的研究，為生物質及生物質焦在石灰生產中的工程應用中取得了可靠的理論支撐和實踐應用，特別是對唐山金泉公司推出的“生物質+全系列燃料生產石灰技術”中生物質氣化后的“生物質焦”副產品找到了一個很好的用武之地，不但解決了副產品的銷售、處理問題，也節省了石灰煅燒的燃料能耗，提高了石灰生產的經濟效益。對生物質燃料在石灰生產中得到良好科學的應用，具有重大的意義。
據悉，該項系列技術中的一項新的石灰生產技術成果（ZGS外支撐式混噴雙燃雙膛豎窯），在7月18日，由中國石灰產業學會組織的“2023年中國石灰產業新技術（新裝備）科技成果鑒定會（第二季）”中，獲得科技鑒定證書和“石灰行業新技術（裝備）應用推廣證書（編號：ZSCX-2023XJS-59798）”。同時，該項技術還被中國石灰產業學會命名為“新時代低碳環保型石灰生產十.大旗艦技術”首個重點推廣項目，目前已經在國內及國外多地開始規劃建設示范性項目。
從該項技術的鑒定資料中獲知：該項技術成果在實現傳統的混料式豎窯生產工藝與雙膛窯噴吹功能的完美組合的基礎上，創新實現了雙膛窯體的“噴吹煤粉+氣體燃料+噴吹生物質焦+電輔懸浮燃燒”的全系列燃料的復合應用。該項技術淘汰了傳統雙膛豎窯爐內牛腿式支撐及懸掛缸吊掛結構，采用爐外通道式支撐結構實現兩個爐體余熱煙氣循環，達到蓄熱和余熱高效利用的功能。尤其是其采用的爐外煙氣循環通道氣力清灰和氣力輸送粉塵技術與余熱懸浮燃燒小顆粒石料的組合，是典型的創新的技術，不但實現了“全粒徑石灰石資源高值化綜合利用”，而且還實現了“全系列燃料復合應用”的目的。
由上述可見，在“碳達峰、碳中和”的雙碳目標下，唐山金泉公司大力推動新能源在石灰行業的發展應用和石灰生產領域流程的再造，對石灰石全粒徑資源整體高值利用和燃料多元化應用生產，提高產品競爭力，實現了節能、減排、降耗、增值，有利于生態環境的保護，助力雙碳目標，即符合新形勢下低碳經濟和可持續發展的要求，也將是石灰產業新的發展趨勢。
