無焰燃燒技術在陽煤電石環形套筒窯中的應用

梁啟銳

(山西陽煤電石化工有限責任公司，山西 晉中 045300)

對無焰燃燒技術的原理進行了分析和闡述，并對陽煤套筒窯的產量、石灰質量和熱耗進行了分析對比。結果表明，實現無焰燃燒技術后，熱耗大大降低；實際熱耗約為3 600.648 kJ/kg(860 kcal/kg)，比相似工況的環形套筒窯節約10%左右能量。

無焰燃燒；環形套筒窯；熱耗

根據山西省煤化工產業調整和振興規劃，山西陽煤電石化工有限責任公司100萬t/a電石項目(一期40萬t/a)被作為山西省電石工業重新布局的啟動項目。因此,本項目不僅擔負著滿足集團公司所屬氯堿公司和三維集團等對電石需求的重要任務，而且承擔著加快優化全省電石工業布局、調整區域產業結構的重要使命。項目嚴格按照發展循環經濟、實現節能最大化和生產清潔化的總體方針，采用國內單臺產能最大的40.5 MVA全密閉電石爐、干式凈化除塵回收煤氣系統、無焰燃燒新型環形套筒窯和計算機集中控制管理系統等國內先進的生產工藝，有效減少尾氣排放，并對尾氣回收再利用，節能降耗效果明顯。

特別值得注意的是，山西陽煤電石化工有限責任公司與江蘇中圣園科技股份有限公司合作，在國內外電石行業中率先建成了應用無焰燃燒技術的新型環形套筒窯。該窯型具有非常顯著的技術優勢：1) 可以回收電石爐氣作為燃料。根據測算，正常工況下，每噸電石可回收約430 m3粗煤氣(標準狀態下，以下同)，每臺電石爐產煤氣量為3 000 m3/h～5 000 m3/h，每臺電石爐可回收利用的煤氣量約3 600 m3/h，6臺電石爐可回收煤氣總量約21 600 m3/h。電石爐年作業天數為330 d，則年回收煤氣量為1.72億m3，折合標煤60 000 t。正常工況下，5臺電石爐的發生煤氣即可供應環形套筒窯的燃料需求。2) 應用無焰燃燒技術。無焰燃燒在電石行業環形套筒窯上應用屬國內外首創。根據測量，采用無焰燃燒技術后成品熱耗約為3 600.648 kJ/kg(860 kcal/kg)，比相似工況的環形套筒窯節約10%左右能量，并且最大限度降低NOx排放。

1 無焰燃燒技術簡介

無焰燃燒(flameless oxidation，FLOX)，又稱高溫低氧無焰燃燒，通常情況下需要將燃燒空氣先預熱到800 ℃，同時要保證燃燒區氧含量低于15%。與傳統有焰燃燒相比，無焰燃燒可降低CO2排放量，而且不會造成局部高溫的情況，爐內溫度場分布均勻，很好地抑制了NOx的生成，被稱為環境協調型燃燒技術。

2 環形套筒窯實現無焰燃燒的方式

2.1 環形套筒窯傳統燃燒方式

傳統套筒窯采用有焰燃燒方式，其弊端在于，1) 有明顯的火焰，且火焰寬窄長度不均勻，容易造成局部高溫區，嚴重的會損壞耐材；2) 石灰質量分布不均勻，溫度高的區域容易出現過燒情況，溫度低的區域容易出現生燒的情況。

2.2 環形套筒窯實現無焰燃燒方式的可能性

陽煤電石套筒石灰窯實現無焰燃燒的基本條件是，將環形套筒窯的噴射器進行了改進，將燃燒過的氣體引入到下燃燒室內，稀釋了下燃燒室的氧氣濃度，同時燃燒室溫度降低，避免產生高溫的情況。

3 構建無焰燃燒工程技術平臺

3.1 環形無焰燃燒石灰窯燃燒系統

環形套筒石灰窯溫度場呈圓周均勻分布，分為上、下2個燃燒室，上燃燒室屬于欠氧燃燒，下層燃燒室承擔約70%熱負荷。

3.2 高溫廢氣余熱利用

環形套筒窯窯頂廢氣的溫度在600 ℃～700 ℃，通過換熱器可將驅動空氣預熱到400 ℃～500 ℃。為了防止廢氣中的粉灰等雜質堵塞換熱器，現采用帶四點噴吹設備的新型列管式換熱器。

3.3 高效噴射系統

為了在下燃燒室內實現高溫低氧的環境，利用驅動空氣引射下燃燒室燃燒產生的低氧廢氣二次進入燃燒室內進行循環利用，該循環利用通過環形套筒窯的高效噴射系統完成。

經過石灰窯換熱器預熱后的高溫驅動空氣，由來自下燃燒室燃燒產生的高溫煙氣與石灰冷卻空氣混合而成，兩股流體混合后在進入噴射器之前的溫度為800 ℃～900 ℃，與400 ℃～500 ℃的驅動風一起通過噴射器進入下燃燒室內，實現下燃燒室內高溫低氧的燃燒環境。

3.4 技術優勢

套筒窯的無焰燃燒技術，實現了燃燒溫度場的均勻分布，避免了局部高溫造成的石灰過燒現象，最高溫度比有焰燃燒降低了100 ℃多，窯頂的廢氣也同時降低。

4 陽煤電石化工600TPD環形套筒窯煅燒質量與產品單耗

4.1 無焰燃燒煅燒質量

實現無焰燃燒后，環形套筒窯中，上燃燒室是欠氧燃燒，下燃燒室是充分燃燒。下燃燒室溫度較低，在1 100 ℃。但是，整個溫度場均勻分布，且沒有火焰。

陽煤電石石灰窯投運生產以來，產品活性度高達410，生燒<2%，無過燒，屬于特級石灰；并且在下一步生產環節中，生產相對平穩。電石爐使用環形套筒窯生產的石灰后，與原先使用外購石灰比較，每生產1 t電石節約用電約200 kW·h。

4.2 單位產品熱耗

我們實時測試了570 t產量情況下的熱工參數。實現無焰燃燒技術后，陽煤電石石灰窯的窯頂溫度低，134 ℃；出灰溫度低，116 ℃；窯系統熱利用效率高，計算次工況下單位產品實際熱耗約為3 600.648 kJ/kg(860 kcal/kg)，比相似工況的環形套筒窯節約10%左右的能量。

5 結論

1) 通過對環形套筒窯的技術改進，將無焰燃燒技術成功地應用到陽煤電石化工600TPD環形套筒窯上。目前，窯況穩定、產品熱耗低、石灰活性度高，是國內首座成功應用無焰燃燒技術的600 t/d的套筒石灰窯。

2) 陽煤電石化工利用電石爐副產品作為套筒窯的燃料，套筒窯的產品——石灰作為電石爐的原料，自給自足，形成一套循環利用系統。通過無焰燃燒技術在環形套筒窯上的應用后，電石氣的熱能利用率大大提高，5座電石爐產生的電石氣即可滿足2座600 t/d套筒窯的生產。

3) 無焰燃燒技術的實現，不僅降低了產品熱耗，節約能源，而且避免了燃燒室內出現高溫區，減少了高溫對燃燒室內耐火材料的損害，提高了耐材的使用壽命，從而延長了環形套筒窯的大修時間。

4) 無焰燃燒技術的實現，使得燃燒室內溫度相對均勻一致，且燃燒室內平均溫度與未實現無焰燃燒時相比要低，避開了熱力型NOx大量生成的溫度區，NOx生成量大大減少，減輕了環境污染。