氨堿法中窯氣濃度計算的解析

王文緒

(山東海化股份有限公司純堿廠，山東濰坊 262737)

1 解讀窯氣CO2濃度計算

窯氣由燃料燃燒和石灰石分解產生的氣體組成，窯氣中CO2濃度是石灰窯的一項重要工作指標，窯氣中的CO2物質的量(體積)與窯氣各組分物質的量(體積)總和之比的百分數即窯氣CO2濃度。

1.1 窯氣中CO2物質的量

窯氣中CO2的來源由石灰石中的 CaCO3、MgCO3分解和燃料中固定碳燃燒產生的CO2三部分組成。

C+O2=CO2

由上述反應式可知CaCO3、MgCO3和C都是一分子分別對應一分子的 CO2(摩爾數相同)，所以CaCO3、MgCO3和燃料中固定碳三者物質的量之和就是窯氣中CO2的物質的量。

1.2 窯氣總的物質的量

由于C+O2=CO2反應前后氣體的物質的量不變，空氣中的O2被產生的CO2按1∶1的比例代替了，也就是說燃燒后產生的混合氣體與參與燃燒的空氣無論在體積或各組分物質的量上都沒有改變；因氧在空氣中的體積比也是物質的量比為20.09%，所以CO2在混合氣體中物質的量比亦為20.09%。在反應式中固定碳與生成物CO2兩者物質的摩爾數相等，因此：

混合氣體總的物質的量=固定碳物質的量×(1/0.209)

窯氣總的物質的量=CaCO3物質的量+MgCO3物質的量+混合氣體總的物質的量

1.3 窯氣理論CO2濃度

窯氣理論CO2濃度(體積百分數)=

×100%

式中：CaCO3%為石灰石中CaCO3質量百分數，100為CaCO3摩爾質量；

MgCO3%為石灰石中MgCO3質量百分數，84.3為MgCO3摩爾質量；

F為配焦比；

C%為燃料中固定碳質量百分數，12為C摩爾質量。

例：石灰石中含CaCO392%和MgCO32%，固定碳84%，焦比6.8%，則

窯氣理論CO2濃度

×100%≈44.1%

1.4 窯氣理想CO2濃度

在實際生產中，石灰石、燃料不能全部分解燃燒，造成實際窯氣CO2濃度與其窯氣理論CO2濃度存在一定差距，尤其在調整不到位的情況下差距更甚；在此把這種沒有O2、CO的窯氣稱為理想窯氣。為數據貼近實際，因此對某一配比的混合料，擴大參數量將碳酸鹽分解率、燃料燃燒率帶入理論CO2濃度公式中，重新得到的CO2濃度稱為窯氣理想CO2濃度。

為計算演示方便，設(CaCO3%/100+MgCO3% /84.3)×η%=α；

F×C%×r%/12=b，鼓風量即b/0.209。

式中：碳酸鹽分解率為η%，燃料燃燒率為r%。

可見窯氣理論CO2濃度是窯氣理想CO2濃度中碳酸鹽分解率和燃料燃燒率分別為100%的一種情況，是窯氣理想CO2濃度的上限。

另外窯氣中還含有的O2及CO氣，也是造成窯氣CO2濃度與其窯氣理論CO2濃度差距的另一個主要方面。窯氣中含的CO2、O2與CO濃度是窯氣分析的三個重要內容，也是除氮氣外窯氣的主要組成部分，它們濃度的高低是原料管理、石灰窯煅燒狀況、操作水平、設備管理等各方面的綜合反映。

有別于窯氣理論CO2濃度，以窯氣理想CO2濃度為基礎推導出的O2、CO含量對CO2濃度的影響更合理，可更好的在實際情況中得到運用。

2 窯氣含氧對窯氣CO2濃度的影響

窯氣含氧說明可能存在窯頂系統漏入空氣或窯內鼓入空氣未能接觸燃料燃燒而有所遺留，兩者情形同時亦或單獨存在，窯頂漏入空氣和窯內遺留空氣在此統稱遺漏空氣量。

2.1 窯氣含氧來源為窯頂漏入空氣

針對窯頂系統漏入空氣造成窯氣的總氣量增加，此時窯內產生的CO2氣量不變，窯氣CO2濃度下降。

若窯氣含氧為O2%，則：

漏入的空氣量×0.209=(理想窯氣量+漏入的空氣量)×O2%

計算式修正如下：

窯頂漏入空氣時CO2濃度

2.2 窯氣含氧來源為窯內未燃燒空氣

針對鼓入空氣未完全燃燒，一部分固定碳未燃燒生成CO2并放熱，且成比例導致一部分碳酸鹽未分解(忽略未燃空氣帶走熱量)，進而導致CO2濃度的下降。

由于窯內未燃燒空氣導致此鼓風量對應下的燃料未完全燃燒，造成煅燒區的縮小，若窯氣含氧為O2%，則：

全部空氣量也就是鼓入空氣量=b/0.209

此時產生的CO2量為理想CO2量減去因此未分解的碳酸鹽、未燃燒的固定碳：

①

此時窯氣量等于理想窯氣量減去因此未分解的碳酸鹽所損失的CO2量:

②

計算式修正如下：

2.3 窯氣含氧來源為窯內未燃燒空氣和窯頂漏入空氣

不管兩者情形同時亦或前后出現，都是先由窯內產生的含氧窯氣到達窯頂與窯頂漏入的空氣混合，從而形成最終的窯氣和氧含量，因此計算順序總是從下往上的。

窯內未燃燒空氣造成此刻含氧為A2%的窯氣，后加入窯頂系統漏入的空氣，最終形成新的含氧為O2%的窯氣。

由已知：鼓風遺留含氧A2%時的窯氣CO2濃度

含O2%時窯氣CO2濃度

③

則得到公式如下：

窯內鼓風燃燒產CO2氣量=含氧為O2%時的CO2氣量=(a+b)(0.209-A2%)

窯內鼓風所產窯氣量=0.209a+b

④

含氧為O2%時最終的窯氣量=(0.209a+b)+窯頂系統漏入空氣量

⑤

由于在含氧量上存在如下等式：

窯頂系統漏入空氣量×0.209=最終的窯氣量×O2%-窯內鼓風所產窯氣量×A2%，將④⑤帶入可得到公式：

窯頂系統漏入空氣量=(0.209a+b)(O2%-A2%)/(0.209-O2%)，將上述相應各式帶入含O2%時窯氣濃度公式③：

2.4 窯氣含氧對CO2濃度變化的影響

窯氣CO2濃度變化量=窯氣理想CO2濃度-含氧時CO2濃度

這一變化率k隨著窯氣理想CO2濃度的變化而改變，一般情況下進行窯氣CO2濃度估算，k值取2亦在合理誤差范圍之內，因為窯氣CO2濃度一般在41%左右，此時含氧含一氧化碳亦不高；即便窯氣理想濃度38%時，則k值也約為1.8，但也要注意窯況惡化CO2濃度過低時k的值。

例:石灰石中CaCO378%和MgCO32%，碳酸鹽分解率85%，焦炭含固定碳84%，焦比6.6%，燃料燃燒率98%，為簡化計算MgCO3亦按CaCO3看待，得到其窯氣理想CO2濃度約為39.9%，則此時k≈1.9。

3 窯氣含一氧化碳量對窯氣CO2濃度的影響

一氧化碳成因多方面，一般含量不高，但在燃料過多或過于集中、窯內結瘤嚴重、停窯或突然大的減風等情況出現時，一氧化碳含量會明顯偏高。

由一氧化碳生成的化學方程式得出其對CO2的影響在物質的量上是1∶1的關系，即在窯氣中有一份CO的存在CO2就對應減少一份，故CO2含量會隨著含量做相等數值的減少；且1∶1的比例關系不會影響到窯氣體積及其他組分的濃度。

如一氧化碳為0.4%，則CO2含量會減少0.4%濃度。

4 窯氣濃度公式修正

4.1 窯氣組分規律

4.2 實際窯氣CO2濃度的修正

實際CO2濃度=窯氣理想CO2濃度-k×O2%-CO%

若此時窯氣理想CO2濃度42%，含氧量為1%，含一氧化碳為0.4%，則修正窯氣CO2濃度42%-2×1%—0.4%=39.6%(k值取2)。

4.3 窯氣理想CO2目標濃度

窯氣理想CO2目標濃度=實際CO2濃度+k×O2%+CO%

窯氣理想CO2目標濃度比較直觀反映出當前配比的混合料所能達到的最高CO2濃度，也是石灰石分解的程度和碳酸鹽含量高低及燃料燃燒率固定碳含量的共同反映，為焦比可調整的空間提供依據；其值與窯氣理論CO2濃度相差并不是越小越好，還需以石灰煅燒優劣情形為前提，不同品質粒度的混合料都有著各自不同濃度的上下限。

如窯氣指標控制目標要求：CO2≥39.6%、O2≤0.6%、CO≤0.4%，則窯氣理想CO2目標濃度為39.6%+2×0.6%+0.4%=41.2%(k值取2)。

窯氣理想CO2目標濃度體現出為生產窯氣而制定的最低目標預期濃度，一般情況下窯氣理想CO2濃度低于此目標濃度則視為單位混合料產CO2量偏少，生產效率偏低，未達到預期目標，采取的措施如增加焦比、更換原料或受灰質限制增加負荷滿足生產需求等。

4.4 窯氣CO2濃度公式

生產中窯氣氧含量為O2%，一氧化碳含量為CO%，碳酸鹽分解率為η%，燃料燃燒率為r%，則實際CO2濃度計算式如下：

式中，各種符號代表的意義與上文相同。這一公式更多的意義在于展示說明CO2如何產生其濃度又受何影響的。

如：石灰石中含CaCO388%和MgCO32%，固定碳84%，焦比7.0%，窯氣中含O2為0.6%，CO為0.4%，石灰石分解率為88%，燃料燃燒率為98%，帶入上式得出實際CO2濃度約為39.6%。

注：此結論與新版《純堿工學》114頁關于窯氣的校正描述存在異議，敬請讀者留意！