制氮尾氣在石灰窯中的應用

安 永

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

制氮尾氣是工業制氮機提取氮氣后的廢氣。我集團在氯堿生產和有機硅生產中的制氮系統會產生含有約30%的氧氣的制氮尾氣15 000Nm3／h。

純堿廠石灰工序自2009年開始采用外購純氧與空氣按一定比例混合后，用鼓風機送入石灰窯內，作為石灰窯助燃氣體。隨著集團循環經濟的逐漸深入，用氯堿以及硅業公司制氮機尾氣替代外購純氧，使制氮機尾氣不再外排而應用到石灰窯富氧助燃的生產，真正的變廢為寶。

1 石灰窯富氧助燃生產及節能原理

1.1 生產原理

石灰石借助燃料（焦炭或白煤）的燃燒熱在石灰窯內得到充分的分解，制得符合下工序使用的生石灰以及二氧化碳。該反應方程式如下：

燃燒需要大量的空氣，理論上每燃燒1kg純碳需2.67kg氧氣，相當于9m3空氣（0℃，101.357 kPa）。如空氣供給量不足，使碳燃燒不完全而產生一氧化碳氣體。此時，需要多消耗燃料，因此在燃料燃燒時，為保證焦炭的完全燃燒，應鼓入過量的空氣，通常空氣過量系數為1.05～1.2。改造前采用的是微富氧助燃技術，即用外購純氧與進窯的空氣按一定比例混合均勻后，送入石灰窯內進行助燃。

1.2 節能原理

1.2.1 提高火焰溫度

因富氧空氣中氮氣含量減少，總空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高。但富氧濃度不宜過高，一般富氧濃度在26%～33%時為最佳，因為富氧濃度再高時，火焰溫度增加較少，而制氧投資等費用猛增，綜合效益反而下降。

1.2.2 加快燃燒速度，促進燃燒完全

燃料在空氣和純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在空氣中的燃燒速度最大為280cm／s，在純氧中為1 175cm／s，是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達10.7倍。富氧助燃，不僅能使火焰變短、燃燒強度提高、加快燃燒速度，從而獲得較好的熱傳導；而且由于溫度提高，促進燃燒完全。

1.2.3 降低燃料的燃點溫度

燃料的燃點溫度不是一個常數，它與燃燒狀況、受熱速度、環境溫度等有關，如CO在空氣中燃點為609℃，在純氧中僅388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃點，提高火焰強度、增加釋放熱量等。

1.3 富氧助燃效果

1.3.1 提高窯氣CO2濃度

入窯助燃空氣氧濃度的提高會使燃料的燃燒更加趨于完全，配焦率低，相應減少了供燃料燃燒的空氣量。石灰石分解反應只有一種氣體產物CO2，因為空氣量的減少，CO2濃度相對提高。

另一方面，氧濃度提高，相應地降低了助燃空氣組分中氮氣的濃度（因為空氣中的氧含量為20.9%，氮氣含量占79%，氮氣在窯內不參與燃燒），焦炭與氧氣燃燒產生的CO2濃度相對提高。

我公司石灰窯使用富氧助燃后，經計算得出：當空氣中氧濃度提高1%，石灰石配焦率可降低4%，窯氣濃度可提高4%。

1.3.2 提高石灰窯的生產能力

入窯助燃空氣中氧濃度的提高，使燃料的燃燒更迅速、更完全，橫截面的氣流更加通暢，從而使石灰石的分解更加徹底，減少了分解時間，提高了石灰窯的生產能力。

2 制氮尾氣應用的改造方案

富氧尾氣來源于集團氯堿生產過程中制氮系統的乏氣和有機硅生產中制氮系統尾氣。氯堿生產中制氮系統共有8臺機組，生產采用變壓吸附，產生的富氧乏氣量約11 000Nm3／h，氧含量為30.1%；有機硅生產中制氮系統共有2臺機組，生產氮氣方法采用壓縮冷凍，產生的富氧乏氣量約4 000Nm3／h，氧含量為30.1%。

由于生產方法不同，對兩個單元收集富氧尾氣的方案也不同，經收集后輸送到石灰窯工序，通過緩沖系統和風機按一定比例送到生產中。具體方案如下：

2.1 有機硅生產尾氣收集

分成兩路，一路為高溫氣體，經過散熱器對其冷卻后，進入除水器，除水器同時起到緩沖罐的作用，然后經風機送至氯堿公司集氣罐。另一路為常溫氣體，經儲氣罐后直接用風機送至氯堿公司集氣罐。通過控制輸送管道內壓力的變化，調整風機輸送量，達到系統穩定，同時系統也設有自動放空裝置，以確保原系統的生產穩定。

2.2 氯堿生產尾氣收集

首先在不影響制氮系統操作的前提下，各個尾氣單元分成兩路，一路低壓部分經回收風機進入單元尾氣回收罐，經壓力平衡后到收集集氣罐；然后通過羅茨風機送到氣體總緩沖罐。單臺制氮機均設有自動放空閥，以保證制氮機的正常運行。另一路（高壓部分）直接進入總緩沖罐。

2.3 石灰工序配送方案

氯堿公司將硅業公司收集的尾氣和單元尾氣回收罐中的尾氣由羅茨風機送到總緩沖罐，壓力穩定后，直接由管道送至純堿公司石灰工序。石灰工序由總管道分成10條支路管道，分別進入各鼓風機入口，然后由鼓風機送入窯內。在各分支路管道上安裝了氣動調節閥和流量計，在富氧空氣總管線和部分鼓風機出口管線上安裝氧氣濃度在線檢測儀，DCS系統根據各窯進窯空氣流量所占總風量的百分數以及總富氧空氣量，計算出各支路富氧空氣流量，作為調節閥給定值，與其支路實測富氧空氣流量進行比較，自動調節閥的開度，保證所供富氧空氣全部利用。總管設有排空裝置，可手動放空。

3 結 語

改造后經過幾個月的使用，制氮尾氣中的氧濃度穩定在30%左右，每小時可節約2 500Nm3／h左右的純氧用量（折合液氧3.5t），總氣量也能滿足10座石灰窯的使用。同時進入各窯的混合后氣體氧氣濃度均達到以前使用液氧混合空氣后的氧氣濃度，在助燃后根據氧濃度的不同配焦率也隨之降低，氧濃度每提高1%，噸石配比降低約2kg，窯氣濃度提高約為1%～2%，達到了高效節能降耗的目的。

［1］ 關宸祥.石灰窯［M］.北京：中國建筑工業出版社，1986

［2］ 中國純堿工業協會.純堿工學［M］.北京：化學工業出版社，1990

［3］ 趙俊學，李小明，崔雅茹.富氧技術在冶金和煤化工中的應用［M］.北京：冶金工業出版社，2013