電石生產過程中石灰窯尾氣余熱利用工藝

魏建東，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山 753202）

電石生產以白灰和碳素為主要原料， 通常密閉電石爐都配套氣燒石灰窯裝置， 采用密閉電石爐氣煅燒石灰石生產白灰，石灰窯排放尾氣溫度較高，排放量較大，造成電石生產過程能源消耗高，單位產品碳排放強度增加。 2022 年國家發改委等部門印發《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南》， 其中《電石行業節能降碳改造升級實施指南》中， 將回收石灰窯廢氣余熱用于炭材烘干裝置熱源作為節能降碳技術進行推廣。 英力特化工對電石生產過程的余熱利用進行研究， 建設石灰窯尾氣用于蘭炭烘干的技術改造項目，起到較好的節能降碳作用。

1 密閉電石爐氣的產生及處理

1.1 密閉電石爐氣的產生

氣燒石灰窯采用密閉電石爐氣作為熱源， 在密閉電石爐中，爐氣通過以下主要反應產生：

根據反應式估算， 生產1 t 電石的同時約產生450 m3的爐氣，爐氣中含有大量的CO 和少量H2，據在線儀器檢測其熱值高達11 088 kJ/m3， 每萬立方米爐氣折標準煤3.798 t。 由于電石爐氣出口溫度高達700℃左右， 爐氣中夾帶的粉塵含量為50～150g/m3，粉塵粒徑細小、黏性高，因此電石爐氣不能直接用于后續工序，還需要進行凈化處理。

1.2 電石爐氣的凈化預處理

來自密閉電石爐的高溫爐氣先進入沉降器，除去帶有火星的大顆粒塵粒及部分焦油， 再依次進入冷卻器和回轉脈沖袋式除塵器， 凈化后的爐氣粉塵含量≤10 mg/m3。 電石爐氣凈化工藝要求經空氣冷卻器冷卻后爐氣溫度為225～280 ℃， 過低則焦油冷凝析出堵塞濾袋，過高則容易燒毀濾袋。在系統中設置干式氣柜，以保持氣源穩定，爐氣輸送動力來源于離心風機，凈化的爐氣增壓后送往用戶，凈化后的爐氣組成見表1。

表1 密閉電石爐爐氣組成

2 電石爐氣的利用現狀

英力特化工兩臺3 萬kVA 電石爐產量約360 t/d，副產爐氣量以450 m3/t 計， 爐氣量為162 000 m3/d，折合6 750 m3/h，爐氣主要作為石灰窯煅燒和蘭炭烘干熱源使用。 兩臺3 萬kVA 電石爐配套雙套筒石灰窯，設計白灰產能300 t/d，設計熱耗4 180 kJ/kg，需要爐氣量113 208 m3/d，折合4 717 m3/h；蘭炭烘干裝置設計生產能力為10 t/h，使用爐氣量210 m3/h。

3 電石爐氣用于石灰窯煅燒流程及尾氣性質

常見的石灰石煅燒設備有回轉窯、雙膛窯、雙梁窯和套筒窯等多種，英力特化工采用300 t/d 的雙套筒石灰窯作為3 萬kVA 電石爐配套設施，將石灰石煅燒成石灰后作為電石生產原料。

3.1 石灰石煅燒工藝原理

石灰石中所含CaCO3在一定的溫度開始分解，一直進行到系統中產生的CO2分壓和CaCO3分解壓力相等為止，即達到了化學平衡，化學平衡僅僅是正向反應等于逆向反應的結果。溫度低于600 ℃時，石灰石幾乎不分解；當溫度高過600 ℃開始分解，但此時CO2的分壓很低，分解速度很慢；溫度繼續升高，CO2的分壓逐漸增大，溫度達到898 ℃時，CO2的分壓為大氣壓時，分解速度顯著提高[1]。

3.2 石灰石煅燒流程

石灰石通過單斗卷揚提升機運至石灰窯頂，經密封裝置和料斗裝置后進入環形套筒內。 密封裝置可防止外界空氣進入影響石灰窯的負壓操作， 環形套筒窯是由外殼、內部耐火墻和與其同心布置的上、下內筒組成，石灰石從窯頂部的進料口進入后逐漸向下運動， 與向上流動的高溫氣體逆流充分換熱進行預熱和煅燒。 套筒石灰窯內部被上下內筒分為3 個區域，即預熱區、煅燒區和冷卻區。

（1）在預熱區石灰石與高溫煙氣進行對流換熱，石灰石溫度上升至分解溫度。在預熱區的末端，石灰石通過吸收高溫煙氣熱量開始分解過程。

（2）在煅燒區，高溫煙氣的大部分熱量用于CaCO3的吸熱反應，在煅燒區中發生的化學主反應式如下：

CaCO3→CaO+CO2↑

（3）在冷卻區，來自石灰窯底部依靠負壓吸入大量空氣作為冷卻風， 將煅燒后的石灰在出窯前進行冷卻， 經過換熱溫度升高后的冷卻風作為助燃風去燃燒室，回收石灰帶走的熱量，并防止窯內過燒，有助于提高石灰的活性，最終尾氣經煙囪排出[2]。

3.3 石灰窯尾氣性質

燃燒后的煙氣摻雜其他用途空氣后在窯頂分成兩部分：2/3 的氣體在預熱帶預熱石灰石后進入窯頂環形煙道，再進入廢氣風機，1/3 的氣體進入到換熱器預熱驅動空氣后，進入廢氣管道，窯內所有的廢氣都經廢氣風機引出， 進入廢氣風機的溫度為230～240 ℃，然后經流量調節閥混入冷風降溫至160 ℃以下進入布袋除塵器凈化，除塵凈化后的尾氣排空。石灰窯尾氣經在線儀表分析，其指標見表2。

表2 石灰窯尾氣指標表

石灰窯尾氣中煙塵、二氧化硫、氮氧化物含量低，相對濕度低于寧夏地區平均濕度，煙氣排放量較大，排放溫度較高，直接排放造成熱量損失大，而入廠蘭炭水分較高，電石爐入爐蘭炭要求含水＜1%，因此需要對利用高溫石灰窯尾氣烘干蘭炭技術進行研究。

4 蘭炭烘干工藝核算

4.1 蘭炭烘干工作原理

蘭炭烘干原理是爐氣燃燒后產生的高溫煙氣在干燥器與蘭炭接觸將蘭炭中的水分帶出， 高溫煙氣由烘干窯下部進入，在引風機抽吸作用下向上流動，窯內的含水炭材在導流管的作用下向下運動， 通過烘干窯的預熱帶后流入熱交換裝置， 在其下滑運動過程中與逆流運行的高溫煙氣進行傳質傳熱， 水分在濃度梯度的作用下， 從炭材內部向表面再向環境中擴散， 擴散至環境中的水蒸氣在煙氣壓差作用下向上運動排出烘干窯[3]。

4.2 蘭炭烘干流程

英力特化工采用立式靜態烘干技術對濕蘭炭進行干燥，烘干過程使用低溫烘干技術，避免出烘干窯的蘭炭帶火星。 鏟車將地面濕蘭炭鏟入受料倉，通過受料倉下振動篩進行篩分，篩分后粒徑小于5 mm 的小顆粒料由粉末提升機輸送至炭粉倉內定期運出。 粒徑大于5 mm 的大顆粒料由上料大傾角皮帶輸送機運送至立式烘干窯頂部進入烘干窯，在布料器、分料錐作用下將蘭炭分散形成環形蘭炭層，烘干窯進料倉的外壁與進料倉分料錐之間設置8 個烘干料倉， 物料被均勻的分布在圓環形的料層中，高溫煙氣由引風機抽吸透過環形蘭炭層進行烘干，將蘭炭中的水分帶出，通過對應的8 個液壓自動控制系統使推桿周期性地動作將烘干后的物料卸出， 上部蘭炭在重力的作用下向下蠕動逐漸烘干。卸料區控制物料溫度＞70 ℃，保證物料水分達到要求。

通常濕蘭炭烘干所需的熱量由電石爐氣燃燒供給，電石爐氣從氣柜經壓縮機送至蘭炭烘干工序，爐氣進入燃燒室，鼓風機送風燃燒后溫度控制在450～600 ℃，出燃燒室后的高溫煙氣由引風機抽吸，經負壓閥配風后溫度降至180～220 ℃進入立式烘干窯，煙氣從進風口進入烘干窯內部時， 在氣流導流板和負壓抽吸作用下穿過物料， 與物料實現一次熱交換進入烘干窯內倉中。煙氣由于壓差作用向上運動，會再次穿透物料到烘干窯的外倉中， 烘干窯出風節的外倉與出風系統直接相連， 此時干燥后的煙氣會直接通過出風口進入袋式除塵系統凈化， 通過煙囪排放至大氣中。為防止過熱煙氣對除塵濾袋的損害，在進入除塵器前，設置配冷風閥，通過系統負壓吸入低溫空氣，控制進除塵溫度＜60 ℃。

4.3 蘭炭烘干用熱量及用風量核算

英力特化工生產電石所用的蘭炭大多采購自陜北地區， 與用戶單位距離較遠， 入廠水分含量為19%左右， 密閉電石爐要求蘭炭入爐水分指標控制在1%以下，因此需要進行干燥處理，烘干后蘭炭平均水分含量為0.7%，進烘干窯的煙氣溫度200 ℃，干燥后尾氣溫度控制在60～120 ℃（120 ℃時飽和水蒸氣焓值為2 707 kJ/kg）。烘干蘭炭爐氣用量為210 m3/h，放出熱量為2 328 396 kJ。

4.3.1 烘干配風量核算

寧夏地區平均氣溫10 ℃， 將空氣由10 ℃升溫至200 ℃，空氣定壓比熱容以1.004 kJ/（kg·K）計，可加熱的空氣質量12 212 kg/h。

4.3.2 烘干用空氣量核算

爐氣中氫氣燃燒產生水量為210×0.12÷22.4×18=20（kg/h）；烘干時將蘭炭水分由10%降至0.7%，帶出蘭炭中的水分=10×1 000÷（1-10%）×（10%-0.7%）=1 033（kg/h），產生的總水分量為1 053 kg/h。

干燥后控制尾氣中水分相對濕度小于70%，尾氣進除塵器溫度60 ℃， 查表得知，60 ℃時空氣飽和濕含量為152 g/kg， 實際濕含量為152×70%=106.4 （g/kg）。

如烘干干基空氣用量為L， 寧夏地區平均溫度為10 ℃，平均相對濕度45%，查表得知，空氣10 ℃飽和濕含量為7.733 g/kg。根據通過干燥器的濕空氣中干基空氣的質量不變可得：

LH1+W3=LH2

式中：L—干空氣用量，kg/h；

H1—進干燥器空氣含水量，kg/kg；

H2—出干燥器空氣含水量，kg/kg；

H1—7.733×0.45=3.48（g/kg）；

H2—152×0.7=106.4（g/kg）；

W3—1 053 kg/h。

則L=W3/（H2-H1）=1 053/（0.106 4-0.003 48）=10 231（kg/h）。

計算得干基空氣用量10 231 kg/h， 則配風后加熱空氣量滿足烘干空氣用量需求， 實際烘干過程為采用低溫干燥技術，在進烘干窯之前，通過負壓抽吸方式，在高溫煙氣中混入大量空氣，使煙氣溫度降至200 ℃后與蘭炭接觸。

5 電石爐配套蘭炭烘干裝置用石灰窯尾氣量核算

300 t/d 雙套筒石灰窯使用爐氣量為4 514 m3/h，排放尾氣量為61 252 m3/h， 爐氣中氫氣燃燒產生水分為4 514×0.12÷22.4×18=435（kg/h）。爐氣燃燒配風比為1.9， 需要的助燃空氣量為4 514×1.9=8 577 （m3/h），其余風量為驅動風和冷卻風。 石灰窯烘干過程使用空氣量遠遠高于爐氣量， 因此可將石灰窯尾氣以空氣計算其熱值。

蘭炭烘干需用熱量為2 328 396 kJ，石灰窯尾氣主要為空氣，將165 ℃的尾氣降溫至60 ℃，可用的尾氣量為22 097 kg/h。

石灰窯尾氣溫度較低， 將其用作蘭炭烘干用量高于蘭炭烘干窯煙氣加熱空氣量， 石灰窯尾氣排放量遠大于可利用量， 因此有足夠的石灰窯尾氣用于余熱利用。

6 石灰窯尾氣烘干蘭炭的國內研究現狀

國內同行業對電石生產過程的余熱都進行了大量的研究。內蒙君正化工發明“一種石灰窯尾氣余熱利用系統CN217979866U”和“一種利用石灰窯尾氣的碳材烘干系統CN217979868U”專利，這兩項發明專利都是將石灰窯的煙氣經布袋除塵器凈化后進入碳材烘干的預熱箱；內蒙宜化發明“一種電石生產用炭材烘干系統CN215724949U”和“利用沸騰爐和石灰窯尾氣進行炭材烘干的系統CN217330465U”專利， 這兩項發明專利將石灰窯尾氣和沸騰爐的出氣經混風器后進入立式烘干機，另外“一種新型炭材烘干裝置CN108106403A”專利，將石灰窯尾氣通過袋式除塵器后通過風機加壓送入豎式烘干塔， 利用石灰窯尾氣烘干蘭炭，減少廢氣排放；烏海中聯化工發明“一種石灰窯尾氣綜合利用余熱烘干蘭炭系統裝置CN213984480U”專利，該發明通過設備的整體結構，在任意一臺石灰窯檢修或低負荷時，可將其他石灰窯管線中的部分尾氣通過互通備用集流管輸送到對應烘干機中補充熱源， 通過第二管道通入的熱量能夠進入中空腔的內部， 從而能夠對儲料殼體的內部物料進行預熱；烏海中聯化工發明“一種石灰窯尾氣余熱高效烘干蘭炭濕料系統CN212457975U”專利充分利用了石灰窯尾氣余熱預熱和來自沸騰爐的熱量，提高熱量利用率，同時沸騰爐所需燃燒的溫度降低，進而減少了燃煤量，降低了成本，烘干筒內烘干蘭炭后產生的尾氣經過除塵器處理后再被煙囪排出，避免了粉塵污染環境。通過對行業內幾家電石生產單位配套石灰窯尾氣利用研究情況進行分析，石灰窯尾氣用于蘭炭烘干是完全可行的， 可替代用于蘭炭烘干的電石爐氣， 通過余熱利用方式降低能源消耗。

7 技改措施及效果分析

將高溫石灰窯尾氣經過袋式除塵器處理后，由加壓風機送至立式蘭炭烘干原熱煙氣入口處， 經負壓吸入部分空氣調整煙氣溫度后， 進入立式蘭炭烘干窯與蘭炭進行傳質傳熱， 控制烘干段溫度恒定在（175±25）℃，溫度降至60 ℃后，經袋式除塵器處理后排空。

實施該項技術改造后， 將原蘭炭烘干使用的爐氣量210 m3/h 完全替代， 電石爐氣熱值折標系數為1 萬m3折標準煤3.798 t， 全年可減少能源消費量638 t 標準煤，減少二氧化碳排放量2 340 t。 石灰窯尾氣中二氧化碳含量高， 可將烘干過程產生的蘭炭粉末火星熄滅，并可對烘干后的蘭炭進行降溫冷卻，蘭炭吸附惰性氣體后可避免出窯后與空氣燃燒，另外控制冷卻溫差較小可避免蘭炭破裂。

8 結語

雖然有約37%的石灰窯尾氣通過余熱利用方式得到利用，但大部分高溫石灰窯尾氣仍被排放，能源損失較多，需要繼續研究石灰窯尾氣利用途徑。另外石灰窯尾氣替代電石爐氣烘干蘭炭， 將電石爐氣置換出可用于其他用途，該技改項目投產后，電石爐氣只用于石灰窯煅燒， 富余大量的爐氣資源需要繼續研究利用途徑。

《電石行業節能降碳改造升級實施指南》中要求對電石爐氣進行資源綜合利用， 電石爐氣主成分為CO，采用化學合成法制乙二醇、甲醇等技術工藝，推動電石爐氣資源綜合利用改造是節能降碳的工作方向的關鍵技術。 近年來， 中國電石行業發展速度較快，至2022 年底，國內電石有效產能為3 920 萬t/a，約占世界總產能的95%。 電石生產過程副產的電石爐氣是一種寶貴的資源。 為提高電石爐氣的利用價值， 研究將電石爐氣中的CO 轉化為多碳產品的新工藝方法，利用電石爐氣生產乙二醇、乙醇、高熔點費托蠟、高碳醇、低碳醇等多碳產品，對于企業延長產業鏈、提高資源利用率都有重要意義，既可節約能源資源，又可減少大量的CO2排放，實現經濟效益和環境效益的協同發展。