石灰窯控制條件和灰氣指標的認知與應用

王文緒,邱國亮,冉崇斌

(山東海化股份有限公司,山東濰坊 262737)

石灰窯的控制條件包括原料、頂灰溫等,灰氣指標是指生石灰和窯氣的各項參數,它們關乎石灰窯的運行狀況和經濟效益,其變化預示著窯況的發展趨勢。

1 石灰窯頂灰溫

頂灰溫是原料規格、操作水平等綜合反應的結果,是熱量利用率的一個直觀體現,是石灰窯管理水平高低的表現。

由《純堿工學》提供的數據估算頂溫每降25 ℃或灰溫每降44 ℃相當于增加焦比1 kg,如每小時上25斗(一般1斗是1 000 kg石灰石加配70 kg煤(焦炭)的混合料),頂灰溫同降10 ℃則共節約煤約16 kg。通常情況下同一焦比,頂溫越高則灰溫越高,頂溫下降灰溫跟隨會下降,這是熱量利用率高低所致。 以上展示了溫度對應實物所包含的生產意義,為頂灰溫的優化取舍提供參考。

2 頂壓與風壓

窯內生成的二氧化碳如不能及時移走會與周邊熾熱(1 000 ℃)的焦炭(煤)產生一氧化碳,這一吸熱反應同時造成窯內熱損,還存在二氧化碳與周邊高溫(600～900 ℃)的氧化鈣生成碳酸鈣的反應,造成二氧化碳濃度及氧化鈣含量降低。氧化鈣亦須及時脫離高溫區,否則氧化鈣晶體會繼續長大,體積相應縮小活性度降低。

停窯、風量波動過大、風壓小于頂壓等情況出現時窯內會產生此類反應,這對灰氣品質及安全生產不利。

正常生產中,1斗混合料與其所產的窯氣量在質量上相近(1 t),所產生的粗石灰與其所需鼓風量在質量上相近(0.6 t),窯氣質量約為粗石灰質量的1.6倍,因此不能忽視頂壓過高逸出窯氣過多造成的物料損失,但頂壓過低會造成窯氣含氧升高濃度下降。

當風壓小于頂壓時,存于預熱區及上部大量的窯氣下沉,在石灰窯內發生窯氣倒置的情況極其危險,因此出現此情況時,需緊急停止窯內作業,并及時查明原因處置。

當出灰開始后,由于窯內料塊之間的空氣通道不斷被下移的物料改變路徑,使得風壓變大風機電流上升,風量變小直到達到自動設定風量值后趨于平緩;停止出灰后,穩定的空氣路徑形成使得風壓、風機電流下降,這一波動規律隨著灰溫變高趨勢愈加明顯。操作中除降灰溫外亦可適當提高出灰速度減緩這一波動,有利于優化窯況和降低設備損耗。

3 物料停留時間

石灰石生成石灰卸出這一過程在窯內的正常停留時間:

在到達這一停留時間四分之一后,就可開始定時取窯氣樣查看窯氣濃度的變化和在停留時間到達時查看卸出的灰質情況,查驗焦比設置是否適當,此法可最大限度的避免調整滯后帶來的窯氣濃度過低和石灰生燒、過燒帶來的一系列經濟損失。

如石灰石的堆積密度1.35 t/m3,石灰窯的有效容積573 m3,按每小時26 t上料計,則其在窯內的停留時間約30 h。

換料時可在8 h后開始檢查窯氣濃度的變化和在30 h后檢查灰質情況,及時得出焦比是否調整的結論。

根據實際操作數據,進出物料在體積上存在一定膨脹,由上石量對應所產粗石灰體積獲得1 t石灰石(0.74 m3)產0.9 m3粗石灰,膨脹系數因料而異。

4 風量與焦比

通常情況下(同一焦比),風量決定產量,風量的大小對應著燃料燃燒的多少;焦比決定碳酸鈣分解率和生石灰活性、窯氣濃度,焦比的高低對應碳酸鹽、固定炭的含量、石灰石的物理屬性和石灰窯的熱效率等。

正常情況下風量的運用對應焦比并視煅燒區位置移動情況進行風量的修正。

例:1 kg焦炭所需空氣量

已知生產參數:焦炭含固定炭84%,氧氣密度1.429 kg/m3(標)空氣中氧氣的體積分數為20.9%。

根據公式:C+O2=CO2

得出1 kg焦炭所需氧氣量:1×84%×32/12=2.24 kg

對應空氣量:2.24÷1.429÷20.9%=7.5 m3

其常溫25 ℃下的體積為:7.5×298/273≈8.2 m3

考慮到設備漏氣、窯內未參與反應遺留的空氣量和燃料的完全燃燒所需等情況多取10%風量,則1 kg焦炭所需空氣量取9 m3左右的空氣適宜。如按26 t/h石灰石、焦比7.0%算,則鼓風量在16 380 m3/h左右。

穩定的風量是石灰窯操作基礎中的關鍵,再好的原料再適宜的焦比也會因頻繁調整風量造成煅燒不穩,影響灰氣質量,是操作大忌。

由于窯底內外壓力的不同,鼓入窯底的風量溫度要高于空氣溫度。

5 碳酸鈣、碳酸鎂含量對窯況的影響

若石灰石中碳酸鈣含量下降,以致燃料相對過剩,窯氣濃度開始下降,窯氣量也隨之減少,灰質會隨著碳酸鈣含量下降的程度向過燒甚至結瘤發展,故下調焦比相應減風處理。

若石灰石中碳酸鈣含量上升,生燒量增加灰溫升高導致窯氣濃度下降產窯氣量減少,故進行增加焦比對應風量以提高生產效率。

石灰石中碳酸鎂含量過高,會出現窯氣濃度高,生石灰偏過,但灰乳粘稠濃度偏低難以提高,蒸氨用灰乳量偏大。

6 固定炭含量變化對窯況的影響

風量不變,則燃燒的固定炭量不變,發熱量也不變。

1)固定炭含量下降,必然導致燃燒區域往上增大以消耗氧量,區域增大使得被煅燒的石灰石量增加了,而發熱量沒有改變,因此石灰石因煅燒熱量不足以致石灰石分解率、窯氣濃度下降。

2)固定炭含量增加,必然導致燃燒區域往下縮小以消耗氧量,也就是煅燒的石灰石量減少了,而發熱量沒有改變,此時石灰石因接受熱量過多而造成煅燒溫度過高而過燒,甚至結瘤。

7 窯氣與生石灰

氨堿法中監視判斷窯內煅燒狀況及發展趨勢是否良好,灰、氣兩指標的運用是相輔相成,缺一不可的。

窯氣理想CO2濃度=

×100%

式中:碳酸鹽分解率為η%,燃料量為F,燃料燃燒率為r%,在此把這種沒有遺漏、產生O2、CO的窯氣稱為理想窯氣。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。

如窯氣指標要求:CO2≥39.6%、O2≤0.6%、CO≤0.4%,則其窯氣指標理想CO2濃度約為41.2%。

窯氣理想CO2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炭含量的共同反映,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,還需以生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濃度的上限。

準確的運用好窯氣指標,將它的窯氣理想CO2濃度與窯氣指標理想CO2相對比,確認單位混合料產CO2量是否達標,亦視為石灰石分解量和碳酸鹽含量高低是否均達標,燃料燃燒率與固定炭含量是否正常,再結合灰質生、過等情況區分出不同的煅燒狀態(過燒、生燒、偏燒等),并通過對含氧、一氧化碳濃度的分析,找出操作、原材料、設備等方面的不足或問題,綜合控制條件和灰乳情況提供的證據,完成對石灰窯煅燒狀況及發展趨勢的監視與判斷,進而視情況和需要及時采取有效措施調整。

案例分析一:若窯氣含CO2為39.2%,O2為1.2%,CO為0.2%,則大體分析如下:

其窯氣理想CO2濃度為41.8%,視為產CO2量達標,亦視為石灰石分解率和碳酸鹽含量均達標,燃料燃燒率與固定炭含量均正常;由于窯氣理想CO2濃度僅僅達標,如生石灰未出現灰過情形則仍然存在可優化的空間;如出現生石灰偏過,灰乳粘稠濃度低,蒸氨用灰乳量偏大,此情況由石灰石中碳酸鎂含量偏高所致;含氧1.2%超標,則從原料粒度、鼓風量、窯頂負壓、焦比等處入手做相應調整降氧提CO2濃度。

案例分析二:窯氣含CO2為38.8%,O2為0.4%,CO為0.2%,大體分析如下:

含O2量含CO量均達標,說明遺漏空氣量適宜和窯內布料均勻。其窯氣理想CO2濃度為39.8%遠未達標,視為石灰石分解率和碳酸鹽含量至少某一項不達標,如燃料燃燒率過低則首先從燃料是否存在燃燒速度過慢、粒度過大等情況加以確認調整;如燃料燃燒率正常則結合實際灰質煅燒情況進行分析如下:

1)若灰偏生則是石灰石碳酸鈣分解率過低,原因有燃料固定炭含量下降,石灰石粒度較大等情況,需上調焦比或使用合格原材料等。

2)若灰過,而窯氣濃度偏低,是碳酸鹽含量過低且相對過量燃料的燃燒造成灰過并加劇了窯氣濃度的下降,應采用碳酸鈣含量高的石灰石或減焦比相應調整鼓風量處理。

對窯氣CO2濃度而言,石灰石分解率和窯氣含氧量的高低對窯氣CO2濃度的影響相對更大,含氧過高時要注意排查出含氧的主要來源。