淺論石灰窯頂溫與灰溫的關系

吳旭金

(廣東南方堿業股份有限公司,廣東 廣州 510000)

淺論石灰窯頂溫與灰溫的關系

吳旭金

(廣東南方堿業股份有限公司,廣東 廣州 510000)

通過對廣東南方堿業股份有限公司2009年12月份2#石灰窯生產進行物料和熱量衡算,用數據說明在石灰窯生產過程中頂溫和灰溫的意義,以求在生產中取得一個科學的、合理的平衡,達到節能降耗的目的。

石灰窯;頂溫;灰溫;熱量損失

在石灰窯生產過程中,頂溫與灰溫造成的熱損失各有多少,很少有人認真地計算過,所以在我公司流傳了一種“1℃灰溫損失的熱量相當于10℃頂溫的熱損失”的說法,事實是否真如其說呢?

《純堿工學》一書描述:“灰窯熱損失主要有下列五項:①窯氣帶出的熱量,約為總熱量的6%左右;②石灰帶出的熱量,約為總熱量的2%左右;③燃料未完全燃燒,約為總熱量的2%左右;④蒸發物料的水分,約為總熱量的0.2%;⑤窯體的散熱損失,約為總熱量的14%左右”。

以上五項熱損失中,其中第5項窯體的散熱損失主要取決于筑窯質量和窯壁保溫層的維護,一般可以理解為剛性熱損失或不可調控的熱損失。在日常生產中,要提高石灰窯的熱效率主要從前面四項入手,盡可能地減少這些項目的熱損失。下面將重點探討一下窯氣帶出的熱量與石灰帶出的熱量情況。

先看幾組從我公司實際生產搜集回來的數據(見表1～表4):

表12009年12月份塊煤檢驗結果

表22009年石灰石平均檢驗結果 (%)

表32009年12月份2#石灰窯頂溫抽樣結果 (℃)

表42009年12月份2#石灰窯灰溫抽樣結果 (℃)

下面,以2#石灰窯為例,計算和分析石灰窯的物料平衡、熱量平衡、熱效率和熱損失情況。

1 計算過程

1)假定以生產1 t純堿為基準,石灰石當量為1.45 t/t堿,石灰石分解率為92%,配煤率為7.6%,未能燃燒的白煤約為2%。

先計算石灰石含CaCO3為:

52.97%×100/56=94.59%

石灰石含MgCO3為:

2.17%×84.3/40.3=4.54%

由于石灰石含MgCO3量并不太多,為簡化計算過程,我們暫且將MgCO3看成CaCO3,此時石灰石含CaCO3為:

94.59%+4.54%=99.13%

生產每噸純堿用CaCO3為:

1.45×1000×99.13%=1437 kg

已經分解的CaCO3為:

1437×92%=1322 kg

2)物料衡算

①生成CO2量

石灰石分解生成CO2量為:

1322×44/100=582 kg

582×22.4/44=296 m3/t堿

每噸堿用塊煤量為:

1450×7.6%=110.2 kg

燃燒白煤的碳量為:

白煤燃燒生成CO2量為:

則共生成CO2量為:

582+318=900 kg

900×22.4/44=458 m3/t堿

據崗位分析窯氣中含CO2為41%,則窯氣量為:

458/0.41=1117 m3/t堿

其中含N2量為:

1117-458=659 m3/t堿

659×28/22.4=824 kg

②生產每噸堿所需的空氣量為:

659/0.79=834 m3/t堿

834×29/22.4=1080 kg

③窯氣的重度為:

(900+824)/1117=1.543 kg/m3

④如果窯氣帶走的粉塵忽略不計,則單純由石灰石分解獲得的粗石灰量為:

1450-582=868 kg

在煅燒石灰石過程中產生的白煤灰量為:

110.2×13.67%=15 kg

故總共獲得的粗石灰量為:

868+15=883 kg/t堿

綜上所述,總投入物料:

1450+1080+110.2=2640.2 kg

總產出物料為:

1117×1.543+883=2606.5 kg

總投入物料約等于總產出物料,基本符合實際生產情況。

3)熱量衡算

查找《純堿工學》獲得表5數據。

表5 石灰窯相關物料比熱表

查找《化工原理》可以得到,280℃時,水汽熱焓為2752.0 kJ/kg,290℃時,水汽熱焓為2732.3 kJ/kg。

由表3數據,計算得該石灰窯的平均頂溫為286.0℃,采用差值法計算該溫度下水汽熱焓為2740.2 kJ/kg;由表4數據,計算得該石灰窯的平均灰溫為42.9℃。假定2009年12月平均氣溫為293 K,衡算時選取273 K為基準溫度,為簡化計算,忽略水分帶入熱量,則獲得總熱量計算如下:

白煤燃燒放出熱量為:

110.2×(1-2%)×28500=3.07 GJ

石灰石帶入熱量為:

1450×20×0.85=24.6 MJ

白煤帶入熱量為:

110.2×(1-2%)×20×0.837=1.8 MJ

空氣帶入熱量為:

1080×20×1.0=21.6 MJ

獲得總熱量=3077.88+24.60+1.80+21.60=3.12 GJ

消耗熱量計算如下:

分解CaCO3所需熱量為:

1322×1780=2.35 GJ

窯氣帶出熱量為:

(900+824)×0.958×286=0.47 GJ

石灰帶出熱量為:

883×0.99×42.9=37.50 MJ

水汽帶出熱量為:

110.2×3.73%×2740.2=11.26 MJ

白煤未完全燃燒損失熱量為:

110.2×2%×28500=62.81 MJ

其它熱量損失為:

3125.89-2353.16-472.35-37.50-11.26-62.81=188.80 MJ

4)石灰窯的熱效率為:

2353160/3125894×100%=75.28%

2 結果分析

綜上所述,該石灰窯的熱效率是偏低的,下面再計算一下各項熱損失占總熱量的比例:

窯氣帶出熱量占總熱量的比例為:

472355/3125894×100%=15.11%

石灰帶出熱量占總熱量的比例為:

37502/3125894×100%=1.20%

水汽帶出熱量占總熱量的比例為:

11263/3125894×100%=0.36%

白煤未完全燃燒損失熱量占總熱量的比例為:

62814/3125894×100%=2.01%

其它熱量損失(主要是窯體的散熱)占總熱量的比例為:

251614/3125894×100%=6.04%

由此可見,該石灰窯的主要熱量損失在窯氣帶出這項上,為了方便我們了解石灰窯頂溫控制的重要性,按照以上計算公式,我們在 Excel上建立一個數據模型,然后分別輸入不同的石灰窯頂溫度,即可得到表6結果。

表6 石灰窯頂溫、窯氣帶出熱量及占總熱量的比例

由表6可得,如果我們能將石灰窯頂溫由現在的286℃控制到設計指標的120℃,該項熱量損失將從472.35 MJ下降到198.19 MJ,石灰窯的熱效率因此可提高8%～9%。

當然,對于石灰窯來說,頂溫、灰溫高低都意味著石灰窯熱損失的大小,兩者都要避免過高,因此,頂溫與灰溫是相互矛盾的兩個指標,我們必須在操作控制上尋找一個相對較好的平衡。

同樣,按照以上計算公式,我們在 Excel上建立一個數據模型,然后分別輸入不同的石灰窯出灰溫度,即可得到表7結果。

表7 石灰窯灰溫、出灰帶出熱量及占總熱量的比例

看到表7數據,我想大家肯定懷疑是我弄錯了,因為500℃的出灰溫度,石灰帶出熱量437.08 MJ,占總熱量的13.98%,稍有點石灰窯操作經驗的人都知道,這是不可能的結果,到底怎么回事呢?

其實,要解答這個問題,還得從石灰窯的生產慣例上來尋找答案。在石灰窯生產過程中,由于慣例原因,我們平常所看到的、所講的、所關注的灰溫,實際上并不是一個真是意義上的出灰溫度,而是一個偽灰溫,它的準確名字應該叫“石灰窯內空氣溫度”,它與真正意義上的灰溫相差甚遠,而且受空氣溫度、窯內送風大小、風壓高低等諸多因素的影響,暫時還沒能找到一個可以讓兩者互相換算的公式,只能從經驗上總結和推斷相對接近實際的生石灰溫度。表8是我多年從事石灰窯生產所掌握的石灰窯內空氣溫度及與之對應的生石灰實測溫度數據。

表8 石灰窯內空氣溫度及與之對應的生石灰實測溫度 (℃)

根據表8數據繪成圖1。

圖1 窯內空氣溫度與生石灰實測溫度對照圖

從圖1我們可以看出,隨著石灰窯內空氣溫度升高,生石灰的實測溫度是遞增的,所以我們要充分認識石灰窯內空氣溫度與生石灰的實際溫度的區別,不要被常規的出灰溫度(即:石灰窯內空氣溫度)影響我們對石灰窯窯況的判斷。

從表8我們可以采用差值法推斷出常規的出灰溫度(即:石灰窯內空氣溫度)42.9℃對應的實際的生石灰溫度約為111℃。故以上熱量衡算計算過程中,石灰帶出熱量應該校正為:883×0.99×111=97.03 MJ,占總熱量的3.10%;而其它熱量損失(主要是窯體的散熱)占總熱量的比例為4.14%。

為了說明在石灰窯生產過程中頂溫和灰溫意義的大小,以求在生產中取得一個科學的、合理的平衡。我從表6、表7中選取了比較有代表意義的3組相同溫度下的窯氣和生石灰帶走熱量損失數據來分析,見表9。

從表9可以看出:在常規生產溫度范圍內,窯氣帶出熱量要比相同溫度的生石灰帶出熱量多。以上計算也可得知,在2#石灰窯實際生產控制過程中,平均頂溫為286.0℃,平均灰溫為42.9℃情況下,窯氣帶出熱量占總熱量的15.11%,遠遠大于占總熱量3.10%的石灰帶出熱量,這是極不科學,極不合理的。就2#石灰窯的現狀,如果從節能角度來說,該石灰窯控制頂溫的意義遠大于控制灰溫。當然,灰溫涉及進窯操作人員的安全,關系到窯內設備能否得到正常維護,關乎石灰窯生產能否連續等等,所以,一味地忽視灰溫控制也是不科學的,石灰窯操作法中把灰溫指標定為≤60℃正是綜合了各方面因素后才確定的。

表9 相同溫度下石灰窯窯氣和生石灰帶走熱量損失

3 結 論

在石灰窯生產過程中,從熱力學角度來說,頂溫、灰溫都是控制低一點好,但它們是相互矛盾的兩個指標,如果片面地追求其中一個指標,必然會影響到另一個指標的正常。從經驗來看,需要嚴格按照指標規定:頂溫≤140℃,灰溫≤60℃進行控制,在此基礎上來追求更低的頂溫、灰溫,從而進一步提高石灰窯的熱效率,任何顧此失彼的做法都是不科學、不合理的、不可取的、不節能的。

[1]中國純堿工業協會.純堿工學[M].北京:化學工業出版社,1990.

[2]陳學勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1990.

[3]王振中.化工原理,上冊[M].北京:化學工業出版社,1994.

[4]姚梓均.無機物工藝學,下冊[M].北京:化學工業出版社,1995.

177.2

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:1005-8370(2011)01-28-04

2010-05-18

吳旭金(1976—),本科學歷,化工總控技師,化工工程助理工程師。曾多年從事廣東南方堿業股份有限公司石灰車間生產管理工作,現任該公司總調度室調度員。