梁式石灰窯煅燒技術(shù)優(yōu)化改進

孫茂林,于浩淼

(北京首鋼股份有限公司,河北 遷安 064404)

梁式石灰窯屬于豎窯的一種,它使用燃燒梁提供石灰石分解所需熱量,屬于典型的逆流煅燒石灰窯[1]。它使用燃燒梁提供石灰石分解所需熱量,屬于典型的逆流煅燒石灰窯[2],即在煅燒過程中物料運動方向與氣體流動方向相反。石灰石吸熱分解過程化學(xué)方程式如下所示:

CaCO3(s)?CaO(s)+CO2(g)ΔHR=+178kJ/mol

(1)

在梁式窯中,石灰石在向下運動過程中依次經(jīng)過預(yù)熱區(qū)、煅燒區(qū)和冷卻區(qū),在預(yù)熱區(qū)內(nèi)石灰石顆粒被高溫?zé)煔忸A(yù)熱到分解溫度,在煅燒區(qū)內(nèi)石灰石顆粒分解為生石灰,隨后在冷卻區(qū)被冷卻到排料溫度排出窯外[3]。

CaCO3的分解速度對石灰生產(chǎn)有著重要意義,要確保石灰煅燒合理充分,就必須確保石灰受熱時間足夠長,且受熱均勻[4]。

某公司1-2#梁式白灰窯于2020年5月改為氣燒窯后,生產(chǎn)過程中存在窯內(nèi)頻繁蓬料及NOx超標(biāo)問題。若減少天然氣用量,生燒比例升高,影響白灰質(zhì)量;提高天然氣用量,則造成排放超標(biāo);上梁下方易出現(xiàn)嚴(yán)重蓬料,部分區(qū)域下料停滯,導(dǎo)致生產(chǎn)無法持續(xù)進行,不得不停窯后在窯壁開孔人工處理結(jié)瘤。上述問題嚴(yán)重制約著白灰窯的生產(chǎn)順穩(wěn)。

近年來,國家提出了節(jié)能減排、降低能源消耗的戰(zhàn)略任務(wù),減少石灰窯能源浪費和降低廢氣排放是我國石灰窯行業(yè)現(xiàn)在所面臨的重要課題[5]。為解決上述問題,對梁式白灰窯進行煅燒技術(shù)優(yōu)化改進的工作就成了重中之重。

1 原因分析

下料量對熱平衡、流動阻力、爐內(nèi)各帶分布均有影響,最終表現(xiàn)為爐況的全面變化。從反應(yīng)和傳熱角度而言,下料量的變化,主要引起反應(yīng)區(qū)域的改變[6]。使用離散單元法(DEM)對白灰窯內(nèi)物料下落過程進行數(shù)值仿真模擬研究,通過對模擬結(jié)果的分析,得出了白灰窯內(nèi)物料下落規(guī)律。采用示蹤顆粒法處理模擬結(jié)果,在顆粒床的不同高度處添加不同顏色的示蹤粒子,通過觀察不同時刻示蹤粒子的位置分布得出示蹤粒子的基本運動軌跡(如圖1、圖2所示)。不同位置示蹤粒子的運動軌跡可以一定程度代表窯內(nèi)顆粒床的流動狀況。

圖1 外部顆粒(靠近窯壁處)下落軌跡

圖2 內(nèi)部顆粒(窯體中心處)下落軌跡

從外側(cè)顆粒下落軌跡的兩視圖可以看出顆粒在無幾何結(jié)構(gòu)阻擋時基本呈現(xiàn)水平下落趨勢,這是因為外側(cè)顆粒受力基本相同其運動狀態(tài)也相同。內(nèi)部顆粒運動環(huán)境更復(fù)雜是我們主要關(guān)注對象,中心截面處內(nèi)部顆粒運動軌跡如圖2所示。

窯體中心部分示蹤顆粒的運動軌跡顯示出明顯的U型下落軌跡。這是因為窯壁材料是粗糙的高爐磚,它與石灰石顆粒的摩擦系數(shù)大于顆粒之間的摩擦系數(shù),所以近壁面處的顆粒下落速度慢于中間處的顆粒。單位時間內(nèi)通過中間區(qū)域的石灰石顆粒較兩側(cè)多,這就使得窯體中心處石灰石完全煅燒所需的熱量大于外側(cè),燃燒梁中部燒嘴所需分配的煤氣量也要大于周邊燒嘴煤氣量。

通過圖3 可以看出,與工藝需求的窯中心較高溫度相反,實際的窯中心溫度是最低的。經(jīng)進一步深入分析,導(dǎo)致這一問題的根本原因在于:燃燒梁助燃空氣不能同天然氣較好匹配,尤其是燃燒梁靠窯中心區(qū)域(助燃空氣到達該區(qū)域時量顯著減少,見圖4)更為突出,這是導(dǎo)致窯中心溫度偏低的根因。

圖3 熱電偶實測窯內(nèi)溫度場情況

圖4 燃燒梁結(jié)構(gòu)圖

而CaCO3分解是一個吸熱、多相反應(yīng)。CaCO3的分解隨著溫度的升高而加速,而且分解的速率相當(dāng)快,因此升溫是加速碳酸鈣分解的有效措施[7]。窯內(nèi)溫度場的狀況極大影響著CaCO3分解。

上述的燃燒梁是豎窯石灰窯的核心部分,分為兩層,梁內(nèi)有若干燃料管將燃料供給燒嘴,燒嘴分布在梁的兩側(cè),將燃料均勻地分布在窯的斷面上(一般為方形或矩形),保證了在整個豎窯斷面上均勻燃燒。雙梁窯采用了雙向壓力系統(tǒng),煅燒帶以下為正壓,煅燒帶以上為負(fù)壓。燃燒所需的二次空氣由鼓風(fēng)機通過分布梁進入冷卻帶,使窯內(nèi)煅燒帶以下保持正壓;窯上部的廢氣通過廢氣引風(fēng)機抽出,使窯內(nèi)煅燒帶以上保持負(fù)壓[8]。

2 改進措施

2.1 優(yōu)化一二次風(fēng)配比

嚴(yán)格控制一二次空氣比是石灰窯操作的關(guān)鍵技術(shù)[9]。進行煙氣成分檢測,優(yōu)化調(diào)整一二次風(fēng)配比,摸索出最佳配比13/19.5(如圖5、圖6所示)。

圖5 問題研究思路及措施思維導(dǎo)圖

圖6 煙氣檢測分析及一二次風(fēng)配比調(diào)整結(jié)果

2.2 燃燒梁南北側(cè)燒嘴燃?xì)庹{(diào)整

燃燒梁燃料區(qū)域的分布是根據(jù)燃料的不同而設(shè)計的,燃料分布越合理,煅燒就越均勻,效果就越理想[10]。為進一步平衡南北燃?xì)饬坎町?適當(dāng)增加中間梁的燃?xì)饪偭恳约爸行臒斓娜細(xì)饬?以閥門開度表示燃?xì)庠俜峙淞?根據(jù)燒嘴編號進行燃?xì)夥峙?分配量如圖7、表1所示。

圖7 燃燒梁燒嘴編號

表1 燃?xì)夥峙浞桨?/p>

考慮到石灰石下落速率的差異,中間梁比兩側(cè)梁的燃?xì)饪偭吭黾哟蠹s16%,增加中間梁的一次風(fēng)閥門開度15%,以匹配中間梁多出的燃?xì)饬俊?/p>

但從圖8可以看出,通過對窯內(nèi)溫度場的實際檢測,窯內(nèi)南北溫度場的差異及窯中心溫度低點的問題并沒有徹底解決。

圖8 燃燒梁燒嘴燃?xì)庳?fù)荷調(diào)整后熱電偶實測窯內(nèi)溫度場情況

2.3 燃燒梁增加窯中心供風(fēng)改造

結(jié)合現(xiàn)場實際情況,在對窯體及燃燒梁不進行大動的前提下,克服原始燃燒梁無法精準(zhǔn)實現(xiàn)燃?xì)馀c空氣精準(zhǔn)匹配的技術(shù)難題,決定在燃燒梁內(nèi)部(天然氣通入管上方)安裝一支補償中心區(qū)空氣管,補償空氣經(jīng)該管可直達中心燃燒梁燒嘴區(qū)域,很大程度上解決燃燒梁中心區(qū)域空氣供應(yīng)量少的問題(見圖9、圖10)。

圖9 燃燒梁增加窯中心供風(fēng)改造示意圖

圖10 燃燒梁改造現(xiàn)場施工圖

2.4 取得效果

通過圖11和表2可明確看出,燃燒梁增加窯中心區(qū)域供風(fēng)的改造對于窯內(nèi)溫度場的整體提高(尤其是中心區(qū)域)以及均勻性的改善效果是非常顯著的。此外現(xiàn)場增加天然氣用量后,煙氣中CO量有了降低趨勢,并且窯內(nèi)也未發(fā)生蓬料現(xiàn)象。以上情況總體說明燃燒梁的改造作用顯著。

圖11 改造后熱電偶實測窯內(nèi)溫度場

表2 歷次窯內(nèi)溫度場檢測情況對比

3 改進效果

從圖12可以看出,攻關(guān)以來,鈣點從72%上升至80%左右(達到設(shè)計值),煙氣排放NOx穩(wěn)定控制在40～68 mg/m3,且生產(chǎn)過程中未再發(fā)生蓬料等問題。

圖12 每月鈣點檢測值變化趨勢

4 結(jié) 語

以燃燒機理分析為基礎(chǔ)、窯內(nèi)落料過程模擬為切入點,理論聯(lián)系實際,通過對梁式白灰窯煅燒技術(shù)的改進優(yōu)化,最終取得了較好的效果。