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《石灰產業大講堂》007期|工業尾氣煅燒石灰的應用與選擇
2023-08-18 16:08:59 來源：石灰窯生態圈
《石灰產業大講堂》007期|工業尾氣煅燒石灰的應用與選擇
一、 概 述
燃料作為石灰窯重要的煅燒能源，在生產過程中起著至關重要的作用。傳統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，在煅燒中易在高溫下形成低熔點化合物，對窯爐內襯造成腐蝕損壞。固體燃料中的硫成分較多，對煉鋼脫硫也造成一定影響。
而且，隨著燃料價格上漲且持高不下現狀的延續，以焦炭、煤為燃料的石灰豎窯的生存發展受到了非常大的威脅。同時，由于燃料成本偏高， 導致了利潤大幅度下降。因此尋找新的低成本燃料來降低石灰生產成本已迫在眉睫。
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、環保的能源，得到了廣泛的應用。早在九十年代，唐山金泉公司（研究所時代）就以高爐煤氣為燃料的氣燒石灰豎窯成功的工業應用，設計應用了國內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的格局。隨著應用技術的不斷提高，更多的以工業尾氣燃料為主的石灰生產技術得以快速發展，尤其是高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣、電石尾氣、黃磷尾氣等工業尾氣為代表的煅燒石灰技術得以快速發展。而且由于煤氣成本低，使生產成本獲得較大幅度的降低，減少了能耗，提高了經濟效益。
對于石灰行業，2023年度各種挑戰與機遇并存，是蓬勃展開轉型升級的一年， 各類氣燒石灰窯得到了較大的發展， 本節課程主要針對各種工業尾氣的應用和近期所呈現的向應用低熱值煤氣擴展的新趨勢以及由于煤氣熱值降低所涉及的相關問題進行探討。
二、各種工業尾氣的特征及應用要點
1、高爐煤氣
高爐煤氣是煉鐵過程產生的伴生氣。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。
大型企業工藝先進，設備精良、其焦比低，高爐煤氣的熱值也低，中小企業爐容小、能耗高所以高爐煤氣的熱值也高。鋼鐵企業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，但它仍能產生對目前工業爐窯煅燒而言已足夠高的燃氣。從能源品位來看，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。可燃成分較少（約30%左右），發熱值低，一般為 3344—4180 KJ/m³；
（2）、高爐煤氣是無色無味、無臭的氣體，因 CO 含量很高、所以毒性非常大；
（3）、燃燒速度慢、火焰較長、溫差較小；
（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）、完全燃燒過量空氣系數為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、焦爐煤氣
焦爐煤氣，又稱焦爐氣，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，在煉焦爐中經過高溫干餾后，在產出焦炭和焦油產品的同時所產生的一種可燃性氣體，是煉焦工業的副產品。
焦爐氣是混合物，其產率和組成因煉焦用煤質量和焦化過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%))、氮氣(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、氮氣、氧氣為不可燃組分。
焦爐煤氣特性：
（1）、焦爐煤氣發熱值高 16720—18810KJ/m³，可燃成分較高（約 90%左右）；
（2）、焦爐煤氣是無色有臭味的氣體；
（3）、焦爐煤氣因含有 CO 和少量的H2S而有毒；
（4）、焦爐煤氣含氫多，燃燒速度快，火焰較短；
（5）、焦爐煤氣如果凈化不好，將含有較多的焦油和萘，就會堵塞管道和管件，給調火工作帶來困難；
（6）、著火溫度為 600-650℃；
（7）、焦爐煤氣含有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）、完全燃燒過量空氣系數為 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：
電石（CaC2）是由活性石灰（CaO）和焦炭在密閉電石爐內加熱生產的，其化學反應式為：CaO＋3C→CaC2＋CO。 密閉電石爐每生產一噸電石約產生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降溫除塵處理后一般直接在爐外燃燒， 或者用于生產合成氨肥、DMC（碳酸二甲脂）等化工產品。而活性石灰生產又需要大量的燃料，如能將密閉電石爐尾氣經處理后生產石灰是非常不錯的燃料。
根據反應式可知，理論上每生產一噸電石需消耗0.875噸的活性石灰。實際生產時石灰與電石的比例約為1:1， 約產生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，溫度高且不穩定。 尾氣中含有焦油，焦油在低溫時會析出，給尾氣的降溫冷卻及除塵帶來不便。 同時尾氣的粉塵含量約50-150 g/ Nm3，且粒徑較小。
根據生產實際數據得知，密閉電石爐尾氣有以下特點：
（1）密閉電石爐尾氣出爐溫度高，約在550～800℃左右，且不穩定；
（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，在一定溫度下會析出，易和尾氣中的粉塵粘連。密閉電石爐尾氣經過水、空氣等多級冷卻后，再經低溫布袋除塵。這種除塵方式主要優點是成本低、效果好。
閉電石爐尾氣回收應用要點：
潔凈的密閉電石爐尾氣熱值約為12644KJ/m³，具有很大的利用價值，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。從密閉電石爐出來的尾氣（CO ;80%～85%；H2: 7%；CO2 :1.5%；O2: 2%；N2 :7% ；其他0.5%（H2S、HCN、PH3、有機硫及焦油等）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：先進入兩級旋風分離器高溫除去粒徑≥0.7微米顆粒， 然后進入高溫布袋過濾器，當過濾器工作時，灼熱的爐氣經過水冷卻的爐氣管，溫度下降到500℃左右，再經一級和二級冷卻除塵器，爐氣溫度為250℃～260℃，過濾器內設置有聚四氟乙烯材料和玻璃纖維絲編制的耐溫過濾袋，從過濾器出來的氣體，則稱為凈氣，凈氣粉塵含量約為30-50 mg/ Nm3， 然后經過冷凝，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，其中砷和氟通過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體積分數為85%～95%。黃磷尾氣以往的處理方式為點“天燈”，即經過簡單的水處理后直接燃燒排空，不但不能實現資源的綜合利用，還嚴重污染環境。
黃磷尾氣的燃燒溫度*高可達920 ℃左右，火焰長度約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*好的循環利用途徑。采用石灰窯生產石灰，石灰石理論分解溫度為800～1000℃，石灰實際燒成溫度為900 ℃，爐窯溫度在1000 ℃左右，因此，黃磷尾氣在具備一定條件時可以作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝。而且石灰窯的結構特點適用于黃磷尾氣作為替代燃料。
采用黃磷尾氣煅燒石灰時的要點：
（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，其燃點約為630℃，燃燒速度約為380mm/s。CO與氧氣混合燃燒時放出大量的熱，因此黃磷尾氣具有較高的熱值，其理論熱值約為11MJ/Nm³，實際燃燒*高熱值可達12.5 MJ/Nm³，是十分優良的燃氣。
唐山金泉冶化科技產業有限公司在實際煅燒石灰的生產中，總結了相關關鍵生產數據：
在不同的空氣過剩系數（α）下，對黃磷尾氣燃燒煙氣成分及溫度進行測定，結果表明：在α=1.0時，黃磷尾氣*高燃燒溫度約 850 ℃ ；在 α=1.2 時，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，黃磷尾氣*高燃燒溫度可達 910 ℃；在 α=1.3 時，黃磷尾氣燃燒穩定，燃燒溫度分布相對均勻，在測點高度為300mm處燃燒溫度可達920℃，距離燃燒室中心20 mm 范圍內溫度相對穩定，燃燒室內此處單位熱容積*高。
生產數據表明，黃磷尾氣燃燒的*佳空氣過剩系數為1.3，在此空氣過剩系數下，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 920 ℃左右，能夠滿足石灰窯煅燒工藝所需的溫度。
（2）、黃磷尾氣的凈化與回收
黃磷尾氣的凈化過程：
黃磷尾氣經過輸送系統送入二級循環洗滌塔，經過冷熱水封和輸送系統送入旋風除塵器，經過輸送系統送入石灰窯。
黃磷尾氣經過凈化處理送到加壓站加壓至 12 kPa 以上，然后進入石灰窯燃燒。凈化后的黃磷尾氣具備石灰窯對替代燃料的基本要求，同時凈化后的黃磷尾氣在一定條件下 （如調整空氣過剩系數及黃磷尾氣流量）其燃燒溫度能夠滿足石灰煅燒工藝所需的溫度。
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