1 概述
石灰是鋼鐵冶煉過程中重要的物料。目前鋼鐵企業(yè)中般都采用燃?xì)鉅t窯生產(chǎn)石灰，利用企業(yè)自身的副產(chǎn)煤氣(轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣等)或外購燃?xì)庾鳛槿剂?。根?jù)石灰窯工藝對溫度的要求，企業(yè)般都用熱值中等的氣體燃料。寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司(以下簡稱分公司)有套筒式石灰窯2座，每年平均煅燒石灰約27×104t/a，其中1號爐窯煅燒石灰約14×104t/a，燃料為轉(zhuǎn)爐煤氣，年使用轉(zhuǎn)爐煤氣量為7500×104m3/a，2號爐窯煅燒石灰約13×104t/a，部使用天然氣，年使用天然氣量為1570×104m3/a。
分公司每年在高爐煉鐵工序上產(chǎn)生大量的高爐煤氣，主要供給熱風(fēng)爐和發(fā)電廠使用，由于高爐煤氣的產(chǎn)量很大，在分公司高爐煤氣還有定量的放散。高爐煤氣因熱值低、燃燒不穩(wěn)定等性，不能單作為高質(zhì)量石灰生產(chǎn)的燃料。本文探討采用天然氣與高爐煤氣組成的混合燃?xì)鈦硖娲烊粴夤?號石灰窯使用，以降低石灰的生產(chǎn)成本，充分利用分公司富余的高爐煤氣。
2 石灰窯改用混合燃?xì)獾目尚行?/span>
① 石灰窯對替代燃?xì)獾幕疽?/span>
石灰窯使用混合燃?xì)馇昂笃淙紵骱团艧熛到y(tǒng)等都應(yīng)保持不變。使用替代燃?xì)鈺r需要滿足以下要求：①燃料替代前后爐溫應(yīng)該保持基本不變，以滿足原來的工藝要求。②燃料替代前后熱負(fù)荷應(yīng)該保持不變，以滿足原來的產(chǎn)量。另外還要考慮保證替代燃?xì)庹５娜紵r，并且要求石灰窯現(xiàn)有的燃燒結(jié)構(gòu)、送風(fēng)和排煙系統(tǒng)等對替代燃?xì)庥休^強的適應(yīng)性。目前分公司石灰窯的熱工要求是：石灰燒成溫度為900℃，爐窯溫度為1000℃左右，出燃燒室溫度(爐溫)為1300℃。燃料理論燃燒溫度與爐溫的關(guān)系式為：
式中t0——燃料理論燃燒溫度，℃
t1——爐溫，℃
n——爐溫系數(shù)
按爐溫≥1300℃的要求，取爐溫系數(shù)n為0.82，將各參數(shù)代入式(1)計算可得，當(dāng)燃料的理論燃燒溫度＞1585℃時，可以作為替代燃料。
② 不同體積比混合燃?xì)馊紵齾?shù)
分公司所用的高爐煤氣和天然氣各組分的體積分?jǐn)?shù)見表1、2。高爐煤氣和天然氣的低熱值分別為2926kJ/m3和34297kJ/m3。
表1 高爐煤氣各組分體積分?jǐn)?shù)%
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H2
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O2
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N2
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CO
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CO2
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CH4
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H2O
|
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1.2
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1.0
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55.7
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21.6
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17.0
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0.3
|
3.2
|
表2 天然氣各組分體積分?jǐn)?shù)%
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CH4
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C2H6
|
N2
|
CO2
|
H2O
|
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95.5
|
0.3
|
1.5
|
0.5
|
2.2
|
高爐煤氣和天然氣混合后，混合燃?xì)獾臒嶂岛托远疾煌诟郀t煤氣和天然氣。針對高爐煤氣和天然氣不同的體積比，可以計算出混合燃?xì)獾臒嶂?、理論燃燒溫度、燃燒的理論空氣量、煙氣量等。其中，混合燃?xì)鉄嶂禐椋?/span>
Qm=φQb+(1-φ)Qn (2)
式中Qm——混合燃?xì)獾牡蜔嶂?，kJ/m3
φ——混合燃?xì)庵懈郀t煤氣的體積分?jǐn)?shù)
Qb——高爐煤氣的低熱值，kJ/m3
Qn——天然氣的低熱值，kJ/m3
對于混合燃?xì)庵懈郀t煤氣體積分?jǐn)?shù)從0～90%的變化，高爐煤氣不同體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的混合燃?xì)饫碚撊紵郎囟纫妶D1。
③ 石灰窯使用混合燃?xì)獾目尚行?/span>
考慮石灰窯的工藝要求，從長期的生產(chǎn)實踐可知，石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣時，混合燃?xì)獾牡蜔嶂翟?000～10000kJ/m3時較為理想。當(dāng)天然氣和高爐煤氣體積比為1:6時，低熱值約7400kJ/m3。從混合燃?xì)獾臒嶂岛腿紵苑治?，其煅燒工藝和轉(zhuǎn)爐煤氣很相近。由于1號爐窯的燃料為轉(zhuǎn)爐煤氣，因此，參照使用轉(zhuǎn)爐煤氣燒制石灰的實踐經(jīng)驗，2號爐窯混燒高爐煤氣和天然氣時可以不改變?nèi)紵骱退惋L(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且在燃燒性上滿足工藝要求。分公司在1號爐窯使用轉(zhuǎn)爐煤氣方面已經(jīng)有多年的經(jīng)驗，因而利用混合燃?xì)鈦硖娲鷼庥卸ǖ膶嵺`基礎(chǔ)。
在燃?xì)饣旌险{(diào)配方面，分公司現(xiàn)有15×104m3的高爐煤氣儲氣罐，可以保證高爐煤氣的穩(wěn)定供應(yīng)。公司內(nèi)部天然氣、高爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣的輸配設(shè)施比較完備，并且各自輸送管網(wǎng)之間通過閥門連接，氣源之間可以相互補充，因此為燃?xì)獾幕旌咸峁┝嘶A(chǔ)條件?；诠緝?nèi)部已有的燃?xì)夤芫W(wǎng)，不需要進(jìn)行過多的改造就可基本實現(xiàn)混合燃?xì)馓娲烊粴獾哪繕?biāo)。高爐煤氣和天然氣可以采用電動控制閥調(diào)控，并安裝流量計，根據(jù)不同工況實行自動調(diào)節(jié)，也可以采取手動調(diào)節(jié)。
2008年年分公司高爐煤氣放散率為6.7%，放散總量高達(dá)27382×104m3/a。假設(shè)2號石灰窯使用天然氣和高爐煤氣體積比為1:6的混合燃?xì)?，按分公?號石灰窯每年13×104t/a的石灰產(chǎn)量和相應(yīng)的熱負(fù)荷，2號石灰窯可以充分利用高爐煤氣8400m3/h，每年利用的高爐煤氣達(dá)6 917×104m3/a，2號石灰窯利用的高爐煤氣占高爐煤氣放散總量的25.3%。無論從技術(shù)應(yīng)用上，還是從運行成本和節(jié)能環(huán)保的角度，分公司在2號石灰窯上采用混合燃?xì)鈦硖娲鷼?，都比較合理。
3 混合燃?xì)鈱κ腋G熱耗和熱率的影響
從生產(chǎn)工藝流程的角度，希望燃料熱值變化后，爐窯工況仍然穩(wěn)定，石灰產(chǎn)量保持不變，爐窯各項熱損失也基本不變?？稍O(shè)定：①燃料熱值變化前后，爐窯的加熱工藝和石灰產(chǎn)量不變，即單位時間爐窯中石灰石分解所吸收的熱量保持不變；②燃料熱值變化前后，爐窯的各項熱損失保持不變；③燃料熱值變化前后，煙氣出爐平均溫度不變，助燃空氣的預(yù)熱溫度不變。
爐窯熱率的定義為：爐窯中石灰石分解所吸收的熱量與爐窯熱收入之比[3]。燃料熱值變化前：
式中η1——燃料熱值變化前，爐窯熱率
Фr——爐窯中石灰石分解的吸收的熱量，kW
Фi,1——燃料熱值變化前，爐窯熱收入之和，kW
燃料熱值變化后：
式中η2——燃料熱值變化后，爐窯熱率
Фi,2——燃料熱值變化后，爐窯熱收入之和，kW
由上述設(shè)定可知，燃料熱值變化前后石灰石分解所吸收的熱量中，保持不變。即有：
Фi,1η1=Фi,2η2 (5)
石灰石分解所吸收的熱量為：
式中G——石灰石平均加入量，kg/h
ωCaO——石灰石中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
——石灰石中CaCO3分解吸熱系數(shù)，kJ/kg
ωMgO——石灰石中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
——石灰石中MgCO3分解吸熱系數(shù)，kJ/kg
目前分公司2號石灰窯中石灰石平均加入量G=32670kg/h，石灰石中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωCaO=54.65%，CaCO3的分解吸熱系數(shù)=2949.12kJ/kg，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωMgO=0.28%，MgCO3的分解吸熱系數(shù)=2854.5kJ/kg。將各參數(shù)代入式(6)，計算得石灰石分解所吸收的熱量Фr=15254kW。按分公司2號石灰窯17300kg/h的石灰產(chǎn)量要求，在設(shè)定的3個基本條件下，通過對石灰窯中燃料熱值變化前后的熱工計算，對于各種體積比的天然氣與高爐煤氣的混合燃?xì)?，理論上計算出了石灰窯生產(chǎn)石灰的單位熱耗和熱率。結(jié)果表明，當(dāng)混合燃?xì)庵懈郀t煤氣體積分?jǐn)?shù)從0上升到90%時，爐窯的單位熱耗隨之從4139kJ/kg升高到4444kJ/kg，而其熱率也從74.18%降低到69.10%，但是生產(chǎn)單位質(zhì)量石灰消耗的天然氣量逐步降低，充分利用了企業(yè)自身的高爐煤氣?；旌先?xì)庵胁煌郀t煤氣體積分?jǐn)?shù)時2號石灰窯單位熱耗和熱率的變化曲線見圖2。
隨著混合燃?xì)庵刑烊粴獗壤慕档?，雖然石灰窯單位熱耗隨之增加，其熱率也逐漸降低，但是混合燃?xì)獾氖褂脦砹烁嗟慕?jīng)濟(jì)益，也充分利用了分公司多余的高爐煤氣，減少了高爐煤氣的放散。
4 實際混燒果
公司的高爐煤氣、天然氣和轉(zhuǎn)爐煤氣管網(wǎng)相互關(guān)聯(lián)，容易混合調(diào)配。通過對混合燃?xì)庵刑烊粴夂透郀t煤氣各種配比下石灰窯單位熱耗和熱率的理論計算與分析，分公司選取了天然氣和高爐煤氣1:6的體積配比模式，在2號石灰窯中做了測試研究。對混合燃?xì)鉄频氖疫M(jìn)行分析，衡量石灰質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、活性度和灼減率3個指標(biāo)都滿足要求，石灰質(zhì)量得到了保證?；旌先?xì)鉄瞥龅氖业馁|(zhì)量與使用氣時相當(dāng)，石灰窯中不同燃?xì)鉄频氖覅?shù)見表3。
表3 不同燃?xì)鉄频氖覅?shù)比較
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石灰參數(shù)
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樣品1(混合燃?xì)鉄?/span>)
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樣品2(氣燒制)
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質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%
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94.40
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96.64
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灼減率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
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3.09
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2.97
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殘留CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%
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0.57
|
0.56
|
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活性度/mL
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342.50
|
345.00
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① 爐窯熱率η 實際混燒時石灰窯的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下
實際混燒過程中，測得爐窯熱率為70.56%。
② 石灰成品單位熱耗
式中Qu——石灰成品單位熱耗，kJ/kg
Qim——實際混燒時爐窯熱收入之和，kW
Gp——實際混燒時爐窯石灰產(chǎn)量，kg/h
根據(jù)測得數(shù)據(jù)，計算得石灰成品的單位熱耗Qu為4498.98kJ/kg。測試結(jié)果表明，實際情況與理論分析基本致，混合燃?xì)鉂M足了煅燒石灰的工藝要求。
5 經(jīng)濟(jì)性比較
根據(jù)分公司石灰生產(chǎn)的實際情況，結(jié)合混燒果對比，2號石灰窯石灰產(chǎn)量不變，在天然氣和高爐煤氣1:6的體積比的條件下，分公司生產(chǎn)石灰的燃料費用減少，生產(chǎn)單位質(zhì)量石灰可以減少天然氣使用量為34.58m3/t，利用高爐煤氣的量為490m3/t。按照目前2號石灰窯每年13×104t/a的石灰產(chǎn)量，使用天然氣和高爐煤氣體積比為1:6的混合燃?xì)?，每年可以?jié)省天然氣的量為455×104m3/a，利用高爐煤氣的量為6917×104m3/a。分公司采購天然氣的價格為2.80元/m3，而高爐煤氣是富余燃?xì)?，此舉可使2號石灰窯每年節(jié)省燃料費用1 274×104元/a。另外，根據(jù)對混燒時煙氣的檢測，煙氣排放完滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
6 結(jié)論
① 混合燃?xì)獾慕M成影響石灰窯熱率和單位熱耗，石灰窯的熱工計算表明，混合燃?xì)庵懈郀t煤氣體積分?jǐn)?shù)從0上升到90%時，石灰窯的熱率由74.18%降低到69.10%，而石灰窯的單位熱耗從4139kJ/kg升高到4444kJ/kg。
② 石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣的混合燃?xì)獾膶嶋H果與預(yù)期致，滿足了煅燒石灰的工藝要求。在分公司高爐煤氣還有放散的情況下，石灰窯采用混合燃?xì)饨档土擞脷獬杀荆a(chǎn)生了定的經(jīng)濟(jì)益。高熱值燃?xì)庵袚交旄郀t煤氣也為鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的利用提供了條很好的途徑。
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