硅灰石合成工藝的節能研究

張延大（大連環球礦產有限公司，遼寧 大連 116110）

硅灰石合成工藝的節能研究

張延大
（大連環球礦產有限公司，遼寧 大連 116110）

【摘 要】通過對硅灰石合成工藝改造前后的能耗比較，選用煤氣化技術供給熱能，以池窯為加工設備，采用三級蓄熱方式進行熱能回收，使熱效率從豎爐生產方式的45.66%提高到池窯工藝的78.23%，工藝改造后，整個系統用水量也由原來的80～100m3/d降低到0.5～1.0m3/d，達到了節約能源、降低成本的生產目的。

【關鍵詞】硅灰石；熔融法；節能

合成硅灰石精煉材料是一種具有無規則結構的非晶態固體，這種以玻璃體狀態為主的特點更有利于煉鋼時迅速成渣，縮短精煉時間，達到凈化鋼水的目的[1]。合成硅灰石精煉材料具有低氧勢、低熔點、易吸收脫氧產生的夾雜物的特點，可有效去除鋼水中氧化鋁夾雜物，廣泛應用于簾線鋼等特殊鋼生產中，是潔凈鋼的首選精煉材料。熔融法生產硅灰石時，需要大量熱能，工藝的節能研究有利于節約資源，降低成本。

隨著油價的不斷攀升，煤炭的戰略地位將越來越重要，世界的能源構成也越來越依賴于煤炭以及煤基改質燃料。煤炭的直燃，由于熱效率低且對環境的巨大污染，在全國的大部分地區已經禁燒，煤氣化技術的應用可以實現資源的合理利用。

1　改造前生產工藝

1.1 豎爐工藝流程

原有工藝為豎爐生產。以豎爐制備硅灰石精煉渣時，單爐產量較低，可根據產品要求隨時調整原料配方，適應多種規格產品的生產需求。豎爐采用空氣為焦炭助燃，高壓空氣從爐體下部風箱鼓入，空氣中的氧進入爐內與焦炭發生反應生成CO2。首先在氧化帶(或熔化帶)反應放出熱量，該區域溫度可高達1 400～1 600℃，向下運動的原料受熱熔化成熔體。熱煙氣繼續上升離開氧化帶到達還原帶，上述放熱反應放出的熱量除了和向下移動的原料發生熱交換以加熱原料外，還有部分熱量因煙氣中的CO2遇到熾熱的焦炭后而發生還原反應生成CO。

1.2 豎爐工藝能量利用情況

物料自爐上方加入，在自上而下的下落過程中發生以下變化：物料吸附水的蒸發，物料被干燥、預熱；1 200～1 380℃物料開始軟化，發生復雜的物理化學反應，逐漸形成熔體；熱熔體繼續下落與熾熱的焦炭和煙氣相接觸并進一步加熱到1 500℃以上，由爐的虹吸口處流出。爐體無內襯，外壁水冷卻，以保護爐體不被燒穿或變形，但必須有足夠的冷卻水進行降溫，約3～5m3/h。當水溫低于50℃時冷卻效果很好，冷卻水可循環使用；高于50℃時需要添加冷水以保證冷卻效果。另外，外排煙氣因行程短，部分未完全燃燒的炭直接以CO形式排入大氣，既污染空氣又浪費能源。排除氣體溫度高，熱能無法回收，經雙層噴淋降塵來達到環保要求的同時，大量熱量散失，白白損失掉。

2　節能工藝設計

2.1 固定床煤氣化技術的應用

固定床煤氣化技術目前在裝備和自動化程度方面發展很快，為高負荷制氣創造了有利條件[2]。煤炭熱能得到充分利用，廢氣、廢水、廢渣排放得到有效控制，設計采用的雙段煤氣發生爐是在單段煤氣發生爐的基礎上增加一個干餾段，使煤在氣化之前通過充分干餾，將煤中揮發分在進入氧化還原之前大部分析出，并且隨上段煤氣引出爐體。而進入下段參與反應的煤基本為焦煤或者半焦，通過水冷箱體經下段爐出口排出爐外，經煤氣凈化除塵裝置與上段爐所產經電捕焦油器除焦油后的上段煤氣匯合經管道輸送至池窯。且煤氣出口溫度較高400～600℃，直接進入熱能利用系統燃燒，熱效率大大提高，僅產生3%～6%的灰分，以除渣方式排除，可作為建筑材料得到應用。

2.2 池窯

熔融設備改豎爐為池窯，以三級蓄熱室進行熱能回收，蓄熱室實際是一種余熱回收裝置——屬于廢氣余熱利用系統的一部分，它是利用耐火材料作蓄熱體(稱為格子磚)，蓄積從窯內排出煙氣的部分熱量，用來加熱進入窯內的空氣。當窯內高溫廢氣流經蓄熱室格子體時，將格子磚加熱，在這一過程中，格子磚的溫度逐漸升高。存儲在格子體內的熱量在火焰轉向后，將流經此格子磚的煤氣或空氣加熱，從而保證火焰有足夠高的溫度，以滿足熔制的需要，在這一過程中，格子磚溫度逐步降低，如此循環。所以，蓄熱室的作用就是將廢氣中所含的熱量通過格子磚的吸收、蓄熱作用，然后傳給空氣和煤氣，將其加熱到一定的溫度，以達到節約燃料、降低能耗的目的。

3　熱力學原理與參數

3.1 化學反應過程

在硅灰石預熔合成過程中，假設采用石英砂和石灰巖為原料，含CaCO3的石灰石或方解石，在一定溫度下開始分解，放出大量的CO2氣體，并且開始與少量的SiO2進行反應，生成硅酸鈣，其反應過程如下：

600～900℃時發生以下的反應：

CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑

CaO與SiO2在1 010～1 150℃時反應生成硅酸鹽：

CaO+SiO2→CaSiO3

3.2 化學熱力學計算

熱力學計算主要根據試驗數據，特別是熱數據(熱熔、相變熱等)進行的。硅灰石預熔合成時，需要吸收熱量來完成物質的化合、熔融。包括生成熱、熔化熱以及原料升溫吸收的熱量。

物質的熱容與溫度的關系常用經驗公式來表示，對于大多數固態和氣態物質，一般采用下列經驗公式：

Cp=a+bT+cT-2(J·mol-1·K-1)式中：T ——絕對溫度(%)；

a、b、c ——物質的經驗常數。

硅灰石合成工藝涉及的物質熱力學數據參見下表[3]。

熱力學數據

根據以上熱力學數據、公式可以計算出，硅酸鈣由CaCO3和SiO2由常溫25℃(298K)升溫并化合而成的原料升溫吸收的熱量及其生成熱為350.17kJ/mol。硅灰石在1 540℃(1 813K)時的熔化熱為60.06kJ/ mol，即以石英、石灰石為原料合成硅灰石單位熱耗為410.23kJ/mol，即生產每噸硅灰石的熱耗為3 536 465.52kJ。

3.3 豎爐生產的熱量計算

以豎爐生產硅灰石時，如果不考慮能量損失，因生產所用固定碳含量85%焦炭的發熱值為29 000kJ/ kg，所以理論上生產1t硅灰石產品的焦炭用量為121.95kg。但在實際生產中經多爐經驗測算每噸產品焦耗為270kg，這是因為存在如下熱量損失：

(1) 不完全燃燒損失的化學熱Q1。

此項熱量為煙氣中排出一氧化碳的化學熱，一氧化碳來源是碳在缺氧區的不完全燃燒和二氧化碳被還原，這些一氧化碳在爐內如不能遇氧燃燒，便隨煙氣排出。反應式如下：

CO+1/2O2=CO2+23 800kJ/kg

可知：一氧化碳燃燒放熱量為12 751kJ/m3。

在豎爐熔煉期內，隨著爐況的變化，煙氣中一氧化碳的含量也是變化的，實際計算可取不同時段測得的一氧化碳體積濃度加權平均數。1kg焦炭產生8.5m3的煙氣，經檢驗煙氣中一氧化碳的體積分數為5%，則不完全燃燒損失的化學熱：

Q1=12 751kJ/m3×8.5m3×5%=5 419.18kJ

(2) 煙塵中排出的焦炭碎屑帶走的熱量Q2。

入爐的焦炭中有碎屑，焦炭在爐內受到加熱時的撞擊、摩擦也會產生粉末，這些細碎部分由于質量很小，隨煙氣排出爐外，其攜帶的熱量包括物理熱和化學熱。因為這些粉末絕大部分在料柱上部產生并被吹出，溫度不高，物理熱可忽略不計；化學熱為焦炭的燃燒熱，根據反應式：

C+O2=CO2+34 070kJ/kg

實踐證明，使用1kg焦炭可在除塵器灰塵中測得1%的炭屑，則

Q2=34 070kJ/kg×0.01kg×85%=289.60kJ

(3) 煙氣帶走的物理熱Q3。

煙氣從料柱中逸出，其熱量已不參與爐料的吸熱，是損失熱量，可用下式計算：

Q3=VyCp(ty-t0)式中：Vy——煙氣排出量(m3), 1kg焦產生8.5m3的煙氣；

Cp——煙氣的平均比熱容，近似值1.3kJ/ m3·℃；

則煙氣帶走熱量Q3=7 514kJ。

(4) 爐體表面水冷卻散失的熱量Q4。

Q4包括兩部分，一部分是冷卻水吸熱量Qa，可近似通過測量進、回水平均溫度和平均比熱容及冷卻水流量計算。豎爐每小時合成1t硅灰石的用水量為4m3，進水平均溫度20℃，回水平均溫度50℃，則流失熱量為(水的平均比熱容4.2kJ/kg·℃)：

Qa=4.2kJ/kg·℃×4m3×1 000kg/m(50～20 ℃)=504 000kJ

同時還要計算一部分汽化熱Qb。汽化熱是指1kg100℃的水在變成100℃的水蒸汽要吸收的熱量，為2 255kJ。豎爐用水量中約2.0%的質量被汽化，則汽化熱：

Qb=2 255kJ/kg×4m3×1 000kg/m3×2.0% =180 400kJ

則因爐體表面水冷卻工藝每消耗1kg焦炭造成損失的熱量：

Q4=(Qa+Qb)/270kg=2 534.81kJ

綜上，豎爐生產硅灰石時，每消耗1kg焦炭熱量損失為：

(2)配套開發相應項目。許多游客在進行一整天的游覽之后會感到疲憊，導致白天出行的游客會比晚上多，民宿經營者可以抓住這一點，協作開發一些夜間旅游項目，如小吃街、特產夜市、廬山酒吧街等，或是增加一些歌舞、戲曲等帶有地方特色的演出項目，也可以增加游客逗留時間，提高游客消費能力，增加廬山民宿產業收益，進一步拉動當地經濟發展，同時為游客創造獨特的旅行體驗。

Q1+Q2+Q3+Q4=15 757.59kJ

所以，豎爐生產的熱效率僅為：45.66%。

3.4 應用煤氣化技術的熱效應計算

改造后生產工藝采用兩段式煤氣爐熱脫焦油煤氣站，該工藝技術含量高，工藝設備成熟，操作方便，生產燃料選用適合煤氣爐生產的煙煤。

煤氣的熱值也稱為煤氣發熱量，是指煤氣遇氧完全燃燒后所放出的熱量。可用測熱器測定，也可按其經檢測所得各組分的體積百分含量來計算求得。公式如下：

QDW=12 635(CO)+10 797(H2)+35 818(CH4) +59 063(C2H4)+63 748(C2H6)+86 001(C3H6)+…式中：QDW——煤氣發熱值；

(CO)、(H2)、…——指其在煤氣組分中的百分含量(%)；

化學式前的數字(如CO前的12 635)——每個組分的發熱量。

生產過程中，以煤氣分析儀測得各組分的含量，然后通過上式計算，得出煤氣發熱值為6 300kJ/m3，干煤氣化率為3.5m3/kg。

綜上所述，理論上生產每噸硅灰石產品需煤量為：

3 536 465.52kJ/(6 300kJ/m3·3.5m3/kg) =160.38kg

實際煤耗量是用實際用煤量除以對應的產成品產量得出：每噸產品耗煤220kg，也就是說，煤氣生產工藝的總體熱效率為：72.90%。同時可以回收煤焦油10～15kg，其熱能約為458 736kJ，相當于15kg標準煤，即改造后新工藝的總體熱效率為78.23%。

4　結論

(1) 通過應用煤氣化技術以及池窯蓄熱節能方式使合成硅灰石生產工藝的熱效率從45.66%提高到78.23%。

(2) 煤氣化技術通過對煤氣的除塵、除焦油等工藝，嚴格控制了進入大氣的飛灰等污染物，由于燃燒工藝合理，較少生成有害廢氣，更有利于環境保護。

(3) 工藝改造后，整個系統用水量也由原來的80～100m3/d降低到0.5～1.0m3/d，僅僅煤氣生產用水蒸汽，及少量的循環用水，大量節約了水資源。

(4) 煤氣爐生產過程中產生的副產品煤焦油通過深加工除了可以獲得燃料油之外，還可以制取酚類化合物等其他化工原料，從而獲得更佳的社會和經濟效益。

【參考文獻】

[1]張延大.硅灰石的合成及其在簾線鋼精煉中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊,2014(1):13-15.

[2]白二川.對固定床煤氣爐制氣規律的客觀認識[J].中氮肥,2013, 99(6):1-4

[3]陸佩文.無機材料科學基礎[M].武漢:武漢工業大學出版社, 2001:325-328．

【試驗研究】

Study of Energy Conservation in Synthetic Wollastonite Method

ZHANG Yan-da
(Dalian Huanqiu Minerals Co., Ltd., Dalian 116110, China)

Abstract:Energy consumption is compared in synthetic wollastonite method before and after modification, thermal energy is supplied by gasification technology. As processing equipment, tank furnace adopts three levels of regenerator to recycle heat energy. Thermal efficiency is improved from 45.66% of shaft furnace to 78.23% of tank furnace technology, after the technology improved, the whole system with water is also reduced from the original 80～100m3/d to 0.5～1.0m3/d, to achieve the purpose of energy conservation and cost reduction.

Key words:wollastonite; melting method; energy conservation

【收稿日期】2014-10-27

【文章編號】1007-9386(2015)01-0006-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TQ129；P619.29