黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝

胡學瓊，寧平，郜華萍，甘萍香，宋忠賢

（1.昆明市五華區環境保護監測站，云南昆明 650000；2.昆明理工大學環境科學與工程學院）

黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝

胡學瓊1，寧平2，郜華萍2，甘萍香2，宋忠賢2

（1.昆明市五華區環境保護監測站，云南昆明 650000；2.昆明理工大學環境科學與工程學院）

黃磷尾氣含高濃度一氧化碳，其燃燒溫度高，熱輻射面積大，作為燃料是其最好的資源化利用途徑。活性石灰窯所用的燃料是煤粉。黃磷尾氣在具備一定條件時作為石灰窯煤粉的替代燃料具有可行生。通過研究黃磷尾氣的燃燒特性、石灰窯的結構特點及溫度分布、石灰窯對替代燃料的基本要求等，驗證了黃磷尾氣可以作為石灰窯煤粉的替代燃料。黃磷尾氣用于石灰窯的替代燃料，在帶來巨大經濟效益的同時，也會帶來不可估量的環境效益。

黃磷尾氣；石灰窯；資源化利用；環境效益

黃磷尾氣含CO體積分數為80%～90%。黃磷尾氣以往的處理方式為點“天燈”，即經過簡單的水處理后直接燃燒排空，不但不能實現資源的綜合利用，還嚴重污染環境。黃磷尾氣的燃燒溫度最高可達920℃左右，火焰長度約250 mm、寬度約30 mm，有著較廣的熱輻射面積。黃磷尾氣作為燃料資源化利用是其最好的循環利用途徑。采用石灰窯生產石灰，石灰石理論分解溫度為800～1 000℃，石灰實際燒成溫度為900℃，爐窯溫度在1 000℃左右，因此，黃磷尾氣在具備一定條件時可以作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝。

1 黃磷尾氣的燃燒特性

黃磷尾氣含高濃度CO和H2S，其中CO非常容易被氧化，其燃點約為630℃，燃燒速度約為380 mm/s。CO與氧氣混合燃燒時放出大量的熱，因此黃磷尾氣具有較高的熱值，其理論熱值約為1.1×107J/m3，實際燃燒最高熱值可達1.25×107J/m3，是十分優良的燃氣。黃磷尾氣常規組分及含量見表1［1］。

表1 黃磷尾氣常規組分及含量

在工業鍋爐上，在不同的空氣過剩系數（α）下，對黃磷尾氣燃燒煙氣成分及溫度進行測定，結果表明：在α=1.0時，黃磷尾氣最高燃燒溫度約850℃；在α=1.2時，黃磷尾氣最高燃燒溫度接近900℃，火焰寬度約40 mm、高度約300 mm；在α=1.25時，黃磷尾氣最高燃燒溫度可達910℃；在α=1.3時，黃磷尾氣燃燒穩定，燃燒溫度分布相對均勻，在測點高度為300 mm處燃燒溫度可達920℃，距離燃燒室中心20 mm范圍內溫度相對穩定，燃燒室內此處單位熱容積最高［2］。實驗結果表明，黃磷尾氣燃燒的最佳空氣過剩系數為1.3，在此空氣過剩系數下，黃磷尾氣中的CO能夠在燃燒室充分燃燒，黃磷尾氣的燃燒溫度可高達920℃左右，能夠滿足石灰窯煅燒工藝所需的溫度。

2 石灰窯簡介

2.1 石灰窯結構

圖1為弗卡斯石灰窯結構示意圖。弗卡斯石灰窯大體上分為四部分，即貯料區、預熱區、煅燒區、冷卻區。貯料區位于石灰窯頂部，其貯料量在正常工況下可供生產石灰2～3 h，這樣，在例行檢修、石料倒運及上料裝置需要暫短停機時，并不影響石灰窯的連續生產［3］，貯料區溫度為100～200℃。預熱區位于貯料區下方，由布料器將貯料區石料均勻布于預熱區，預熱過程所需的熱量來自煅燒區產生的上升熱氣，預熱區溫度為200～800℃。煅燒區位于預熱區下方。煅燒區設有梁式燒嘴，燒嘴分布在燃燒梁上，通過燒嘴將燃料均勻分布于煅燒區。石灰窯煅燒石灰石溫度在900～1 100℃，煅燒區溫度在700～1 100℃。冷卻區位于石灰窯底部，由于剛燒制好的石灰溫度很高，在900℃左右，所以需要通入一股冷卻空氣將其冷卻。根據實際生產經驗，單位質量石灰的冷卻空氣量可在0.6～0.8 m3/kg，冷卻空氣通過羅茨風機從窯底部輸入窯內，最大壓力約為30 kPa。冷卻后石灰溫度在130℃左右，冷卻區溫度在100～700℃。

圖1 弗卡斯石灰窯結構示意圖

2.2 石灰石煅燒原理

石灰石成分及含量（質量分數）：CaO，52.8%；MgO，1.2%；SiO2，0.45%；P，0.001%；S，0.003%。

石灰石分解［4］：

石灰石雜質的副反應：

石灰石煅燒過程簡單來說就是一個吸收熱量排出大量二氧化碳氣體的過程。影響石灰石煅燒的因素主要有煅燒溫度、石灰石粒度、石灰石與燃料的混合均勻程度［5］。在石灰石煅燒過程中，石灰石料塊在煅燒帶的起始處開始燃燒，隨著石灰石料塊在石灰窯中向下運動，石灰石料塊吸熱逐漸減少，加熱氣體溫度也逐漸降低，既可使石灰石料塊完成煅燒，又不至于產生CaO過燒而影響石灰活性［5］。

3 黃磷尾氣替代煤粉用于石灰石煅燒的可行性

3.1 石灰窯對替代燃料的基本要求

石灰窯對替代燃料的基本要求：石灰窯使用混合燃料前后其燃燒器和排煙系統等都應保持不變；燃料替代前后爐溫應保持基本不變，以滿足原來的工藝要求；燃料替代前后熱負荷應保持不變，以滿足原來的產量。另外，還要考慮保證替代燃料正常的燃燒工況，并且要求石灰窯現有的燃燒結構、送風和排煙系統等對替代燃料有較強的適應性［6］。目前，大部分石灰窯的熱工要求簡單歸納為900℃左右的石灰燒成溫度、1 000℃左右的爐窯溫度、石灰冷卻后130℃左右的出窯溫度。凈化后的黃磷尾氣具備石灰窯對替代燃料的基本要求，同時凈化后的黃磷尾氣在一定條件下（如調整空氣過剩系數及黃磷尾氣流量）其燃燒溫度能夠滿足石灰煅燒工藝所需的溫度。

3.2 石灰窯的結構特點適用于黃磷尾氣作為替代燃料

黃磷尾氣經過簡單的凈化處理送到加壓站加壓至12 kPa，然后進入石灰窯燃燒。黃磷尾氣的凈化過程：黃磷尾氣經過輸送系統送入二級循環洗滌塔，經過冷熱水封和輸送系統送入旋風除塵器，經過輸送系統送入石灰窯。

弗卡斯石灰窯以其獨特的結構特點和煅燒機理，經改進設計后可以以凈化的黃磷尾氣作為燃料。弗卡斯石灰窯的結構特點是單筒豎窯，煅燒區由交錯布置的燒嘴梁在煅燒空間合理布置燒嘴，每個燒嘴覆蓋的煅燒空間有限，燃料和助燃風的分配可以實現精確調節，特別是雙T型燒嘴梁的開發應用，使燃料和助燃風的調節更加科學和精確。這是弗卡斯石灰窯能夠使用純高爐煤氣做燃料的基礎因素［7］，同樣石灰窯的這種結構特點也適用于凈化后的黃磷尾氣作燃料。

3.3 黃磷尾氣替代煤粉的熱值換算

以煤粉為燃料達到石灰窯所需溫度需要的煤粉用量，換算成黃磷尾氣作燃料達到石灰窯相同溫度需要的黃磷尾氣用量，結果見圖2。由圖2可以看出，以煤粉為燃料在石灰窯中所能達到的溫度，若以黃磷尾氣為燃料通過調節黃磷尾氣的流量也能達到相同的溫度，因此，黃磷尾氣經過簡單的凈化處理可以用于石灰窯煅燒。

圖2 在石灰窯中達到同等溫度所需煤粉用量（a）和黃磷尾氣用量（b）

4 黃磷尾氣用于石灰窯煅燒的環境效益

黃磷尾氣經過簡單的水洗處理用作石灰窯的燃料，可以脫除30%左右的H2S及部分雜質。以年產1萬t黃磷生產裝置為例，如果以黃磷尾氣替代燃煤用作燃料燃燒，則每年可減少含硫化合物排放288 t，減少含氮化合物排放256 t，減少粉塵顆粒物排放55.2t。2008年，中國黃磷實際總產量為52萬t，直接排放的黃磷尾氣超過14.4億m3，其中含約5 000 t的SO2、1 880 t的P2O5排入大氣，直接排放熱損失折合標煤57.6萬t，造成直接經濟損失5.76億元［2］。由此可見，黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰石煅燒的資源化綜合利用，在帶來巨大經濟效益的同時，也帶來了不可估量的環境效益。

5 結論

利用黃磷尾氣替代燃煤生產石灰，不僅開辟了黃磷尾氣資源化綜合利用的新渠道，還可以降低黃磷尾氣對環境的污染，從而實現黃磷尾氣的綜合利用和節能減排，具有較好的社會效益、環保效益和經濟效益。

［1］王學謙.黃磷尾氣催化氧化凈化新技術研發及理論研究［D］.昆明:昆明理工大學，2007.

［2］周洲.黃磷尾氣燃燒特性初步研究［D］.昆明:昆明理工大學，2012.

［3］陳英軍.弗卡斯窯煅燒石灰石的原理及其應用［J］.非金屬礦，2002，25(6):45-47.

［4］段潤林.石灰石在豎式石灰窯內的煅燒過程分析［J］.山西化工，2000，20(3):39-41.

［5］初建明，高士林.冶金石灰生產技術手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2009.

［6］劉偉，周偉國，劉裕.石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣的探討［J］.煤氣與熱力，2009，29(12):20-23.

［7］D·特魯茲.弗卡斯石灰窯技術的重大突破——以純高爐煤氣為燃料的弗卡斯豎式石灰窯“三路壓力系統”［C］∥2006年中國石灰工業技術交流與合作大會論文資料匯編，北京:中國石灰協會，2006:1-6.

聯系方式：43943305@qq.com

Yellow phosphorus tail gas as alternative fuel for lime kiln calcining process

Hu Xueqiong1，Ning Ping2，Gao Huaping2，Gan Pingxiang2，Song Zhongxian2
（1.Wuhua District Environmental Protection Monitoring Station of Kunming City，Kunming 650000，China；2.Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Yellow phosphorus tail gas contains high concentrations of carbon monoxide.Due to its high combustion temperature and large thermal radiation area，it is the best resource utilization way to use it as fuel.In general，the active lime kiln fuel is coal powder.Yellow phosphorus tail gas can be used as an alternative fuel in lime kiln under some certain conditions.Through the researches on combustion characteristics of yellow phosphorus tail gas，the structure characteristics of the lime kiln，temperature distribution，and on the basic requirements for alternative fuels of the lime kiln，it was verified the yellow phosphorus tail gas could be used as alternative fuel of coal powder.To do so，not only huge economic benefits will be brought，but also immeasurable environmental benefits will be generated.

yellow phosphorus tail gas；lime kiln；resource utilization；environmental benefit

TQ127.1

A

1006-4990（2013）12-0038-03

2013-06-22

胡學瓊（1986—），女，碩士研究生，研究方向為工業尾氣資源化利用。

郜華萍