高爐煤氣與回轉窯工藝研究

高明文，苗立雄，王衛中，王艷明，趙利兵

（山西中陽鋼鐵有限公司，山西呂梁 033400）

0 引言

白灰回轉窯系統分為冷卻器、回轉窯、預熱器、尾氣處理系統和煤氣燃燒系統。整個系統從窯頭蓄熱燃燒器開始到煙筒，順序是：窯頭蓄熱燃燒器、窯頭罩與冷卻器、回轉窯、預熱器、廢氣管道、電除塵器、窯尾引風機、煙囪。這些設備緊密聯系在一起，由密封裝置連接，形成一個巨大且密閉的聯通器，煤氣、空氣通過管道同時進入燃燒器，煤氣和空氣噴出燃燒器時均勻混合燃燒，煙氣經過窯內、預熱器、廢氣管道、電除塵器、窯尾引風機，最后排出煙囪。

整個系統以負壓操作，如果窯內煤氣燃燒不充分，就會有多余的CO 氣體進入電除塵器內。由于電除塵器的截面積要比系統管道大的多，帶有CO 的煙氣在電除塵器內的流速只有0.6 m/s 左右，如果電除塵器有火花放電現象存在，電除塵器就會存在爆炸的危險。假如煙氣不經過電除塵器直接排空，也會存在管道內形成CO 的二次燃燒，管道會被燒紅，窯尾溫度持續升高，預熱器內溫度升高而出現結料現象。因此，在操作上特別關注窯尾的溫度變化，窯尾的溫度過高不僅浪費了熱能，更危險的是存在安全隱患。

煤氣的使用配比是回轉窯焙燒操作的關鍵點，尤其對高爐煤氣的配比，絕不是無限制的加入，更不能隨心所欲，需要適量的搭配。高爐煤氣燃燒的速度慢、燃燒火焰長，僅有不足25%左右的燃燒成分（CO），有70%以上不燃燒成分（N2、CO2等），而焦爐煤氣的燃燒成分就有90%以上，燃燒速度快，火焰集中且較短。當這二種煤氣以1∶1 的比例進行配比時混合燃燒效率良好，而且混合煤氣的比熱值為符合設計要求的2350 kcal。如果把高爐煤氣和焦爐煤氣的比例按2∶1 混合燃燒，因為其熱值只有1789 kcal，無法達到生產工藝的最高要求，而且石灰石還沒有徹底溶解，導致生燒量過大，而且窯尾溫度超高，電除塵的進口氣溫也過高，尾氣中的CO 濃度嚴重超標，由于尾氣攜帶著巨大的熱能，所以白灰的品質也無法提高。而如果把高爐煤氣和焦爐煤氣的比例按1.5∶1 混合燃燒，那么其熱值能達到2020 kcal，可以組織生產操作，對產量質量的影響不大。

1 高爐煤氣特性的理論分析

1.1 高爐煤氣的成分及發熱量

高爐煤氣的主要可燃成份為CO 和極少量的H2，其他的主要成份則是放射性物質N2和CO2，同其它的動力燃氣一樣也是一類極低熱值燃氣。高爐煤氣的具體成分指標見表1。

表1 高爐煤氣各成分體積分數

按照CO 和H2的低位發熱量可以測算出高爐煙氣的低位發熱量，具體數據見表2。

表2 CO、H2 低位發熱量及高爐煤氣低位發熱量 kJ/Nm3

通常情況下，理論引燃環境溫度隨著燃氣中低位發熱量的增加而提高。高爐煤氣的理論燃燒溫度比高發熱量的普通燃氣低得多，各種燃氣的理論燃燒溫度見表3。

表3 各種燃料理論燃燒溫度對比 ℃

對以上表格數據進行比較，可以看出高爐煤氣的理論點燃溫度僅有1300 ℃，并且燃用高爐煤氣后所形成的火焰放射效能也較低，僅通過煙氣中的三原子分子氣體（CO2、NO2、SO2、H2S）傳遞輻射熱，所以高爐煤氣理論點燃后所形成的煙氣對自身的放射效能較弱，傳熱能力下降60%。

1.2 高爐煤氣燃燒煙氣量

摻燒的高爐煤氣煙塵數量也會增多，在同等供熱負荷情況下，高爐煤氣燃燒所產生的煙塵數量比其他燃料燃燒所產生的煙塵數量多出約30%～60%。燃用高溫煙氣時生成的煙霧數增多，煙氣的總流量增加，但同時排煙損失也很大。

2 摻燒高爐煤氣對回轉窯性能的影響

2.1 對爐膛內燃燒特性的影響

（1）回轉窯中摻燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的低點發熱量很低（2763～3592 kJ/m3），而焦爐煤氣的低點發熱量大約為16 700 kJ/m3，所以在爐膛出口中的理論上燃煤溫度必然降低，從而造成了焦爐煤氣燃燒的穩定性變差。

（2）摻燒了高爐煤氣后，由于送入爐膛出口內的吸熱性介質增加，煙氣的熱容量增加，火焰中的高溫水平降低，火焰中心位置前移，從而導致在爐膛出口內的時間減少，就會導致煤的不充分燃燒。

（3）摻燒高爐煤氣后，由于爐膛出口內煙量增大，爐膛出口內的煙氣流量增大，也導致了煤氣的不充分燃燒。

（4）摻燒高爐煤氣后，在高溫煙氣中產生的N2等大量的放射性氣體妨礙了可燃成分和空氣的充分混合，從而降低了引起爆炸反應的氣體原子之間產生撞擊的概率，造成燃燒不平衡、不充分。

可見，通過摻燒高爐煤氣，若不增加爐膛出口的溫度水平，則高爐煤氣的最高摻燒率必須在25%以內。高爐煤氣燃料中，占有較大比例的N2等雙分子氣體并不具有放射能。同時，由于高爐煤氣爆炸后產生的煙霧中三原子分子氣體大部分為CO2和少量的H2O，CO2的放射能要小于H2O，所以在摻燒高爐煤氣之后，由于回轉窯內火焰放射能降低，更多的熱量流入了窯尾、加熱器和煙氣口。因此在配入高爐煤氣后，爐膛與出口內的熱交換能力減少了，使回轉窯的后期溫度升高、窯尾溫度升高、預熱器進口的溫度升高、預熱器塔頂的溫度升高、預熱器出口的溫度升高。因而排煙溫度的增加，排煙熱量損失也增大。

2.2 對回轉窯內燃燒特性的影響

高溫煙氣中大部分的放射性廢氣、N2、CO2等在點燃時并不參加燃燒反應，相反還吸入了大部分可燃性氣體在燃燒過程中所放出的熱能，從而導致高爐煤氣的理論自燃溫度偏低。盡管由于高爐煤氣為氣體燃料，理論自燃溫度要遠遠小于焦爐煤氣（1880～2140 ℃），但是高爐煤氣中存在的大部分惰性廢氣會阻止火苗傳遞，使火苗的傳遞速度變慢（比如層流火苗傳遞速度僅為0.3～1.2 m/s），所以，為了進一步提高理論自燃的穩定程度，就需要增加理論自燃溫度。高爐煤氣中基本不包含灰份，點燃時火苗中基本上不產生放射能力，因為只有在點燃時產生的煙霧中的三原子分子氣體燃燒才具備放射能力，而高爐煤氣中大部分的N2不具有放射能力，故回轉窯爐膛中的煙氣放射傳熱能力相對低下。

2.3 對窯尾溫度和廢氣溫度的影響

對流受熱表面的污染系數也很低，只有0.004 3。當排煙流量為10 m/s 時，污染系數約為0.019。由此可見，在點燃高爐煤氣之后，由于對流受熱面上的熱量有效系數增加，從而導致了對流受熱面上的吸熱能增加。

高溫煙氣中存在著大量的放射性廢氣，因此產生相同燃燒能力的高爐煤氣產生的煙塵總量要超過燃燒焦爐煤氣時產生的煙塵總量，流經對流受熱面上的煙塵數量增加，煙塵流量也增大，從而導致氣體對流傳熱量的傳熱系數變化較大，氣體通過對流吸收的熱能增加。吸收對流受熱面上熱量的過熱蒸汽溫度增加，排煙熱損失溫度也增加，因此鍋爐排煙熱損失增大。

為了確保窯頭負壓而不造成回火現象，就必須加大窯尾風機的抽吸力。與此同時，窯內的氣流速度相應增加，熱損失也增加。

2.4 改進措施—增加煤氣預熱和空氣預熱裝置

因為高爐煤氣的理論點燃溫度比其他煤氣低，引燃高溫只有1150 ℃。所以利用點燃后的高溫煙氣，使空氣和煤氣加熱來提升理論點燃溫度，是切實有效且節能的措施。助燃空氣溫度每提升100 ℃，高爐煤氣的理論點燃溫度可提升40 ℃；而高爐煤氣的入爐溫度每提髙100 ℃，高爐煤氣的點燃溫度可提升60 ℃。使用新型高效節能的煤氣預熱器，既可使空氣和煤氣分別加熱到200～300 ℃，又可將高爐煤氣的理論點燃高溫提升到1400 ℃。加裝煤氣空氣預熱器一方面，能夠更進一步減小排煙熱量損失溫度，從而改善了焙燒效果。另一方面也能夠增加進爐力量，進而增加了燃燒溫度，增加了火苗的輻射能力，從而改進了高溫煙氣的著火和燃盡條件。這樣，在高爐煤氣、助燃風溫度的同時每增加10 ℃，理論上燃燒溫度即可增加5 ℃。

目前回轉窯安裝了高爐煤氣預熱器，但是在運行了幾個月后，出現了煤氣換熱片嚴重磨損開孔的問題，通過多次原因分析，最終得出了結論：該煤氣預熱器安裝在電除塵器進口的位置不合理，應該設計安裝在電除塵器的出口比較合理。因為高溫氣流中含有顆粒粉塵，首先通過除塵器的除塵凈化，然后進入煤氣預熱器后不會造成對換熱片的嚴重磨損，可以延長煤氣預熱器的使用壽命，實現節能降耗、節約成本，有效提高設備的運行率。

2.5 煅燒石灰用回轉窯的熱平衡計算（表4）

表4 熱平衡

3 結語

根據以上分析，結合回轉窯生產工藝要求，回轉窯使用焦爐煤氣與高爐煤氣混合氣體來焙燒石灰，其最佳效果就是兩種煤氣按照各占50%的流量配比進行混合，焦爐煤氣流量穩定在6000～6500 m3/h；高爐煤氣流量穩定在6500～8000 m3/h，可以滿足生產的需求。但由于整體焦爐煤氣量的不足，因此當焦爐煤氣的流量控制到6000 m3/h 以下，高爐煤氣流量搭配在6500～8000 m3/h 時，其混合煤氣的熱值小于2000 kcal/m3，所燒成的白灰質量不穩定，生燒率超標，白灰產量就會趨于下降。由此，需要嚴格控制兩種煤氣混合比例，確保混合煤氣的發熱值大于2000 kcal/m3，助燃風的過剩系數控制在1.1～1.2 之間，將煤氣達到完全燃燒程度，為回轉窯生產的穩定運行、優質高產創造充分的條件。