黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝

胡學(xué)瓊，寧平，郜華萍，甘萍香，宋忠賢

（1.昆明市五華區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，云南昆明 650000；2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰窯煅燒工藝

胡學(xué)瓊1，寧平2，郜華萍2，甘萍香2，宋忠賢2

（1.昆明市五華區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，云南昆明 650000；2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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?；钚允腋G所用的燃料是煤粉。黃磷尾氣在具備一定條件時(shí)作為石灰窯煤粉的替代燃料具有可行生。通過(guò)研究黃磷尾氣的燃燒特性、石灰窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及溫度分布、石灰窯對(duì)替代燃料的基本要求等，驗(yàn)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(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)不可估量的環(huán)境效益。

黃磷尾氣；石灰窯；資源化利用；環(huán)境效益

黃磷尾氣含CO體積分?jǐn)?shù)為80%～90%。黃磷尾氣以往的處理方式為點(diǎn)“天燈”，即經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的水處理后直接燃燒排空，不但不能實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，還嚴(yán)重污染環(huán)境。黃磷尾氣的燃燒溫度最高可達(dá)920℃左右，火焰長(zhǎng)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(huán)利用途徑。采用石灰窯生產(chǎn)石灰，石灰石理論分解溫度為800～1 000℃，石灰實(shí)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(shí)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(diǎn)約為630℃，燃燒速度約為380 mm/s。CO與氧氣混合燃燒時(shí)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(shí)際燃燒最高熱值可達(dá)1.25×107J/m3，是十分優(yōu)良的燃?xì)?。黃磷尾氣常規(guī)組分及含量見(jiàn)表1［1］。

表1 黃磷尾氣常規(guī)組分及含量

在工業(yè)鍋爐上，在不同的空氣過(guò)剩系數(shù)（α）下，對(duì)黃磷尾氣燃燒煙氣成分及溫度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：在α=1.0時(shí)，黃磷尾氣最高燃燒溫度約850℃；在α=1.2時(shí)，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(shí)，黃磷尾氣最高燃燒溫度可達(dá)910℃；在α=1.3時(shí)，黃磷尾氣燃燒穩(wěn)定，燃燒溫度分布相對(duì)均勻，在測(cè)點(diǎn)高度為300 mm處燃燒溫度可達(dá)920℃，距離燃燒室中心20 mm范圍內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，燃燒室內(nèi)此處單位熱容積最高［2］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黃磷尾氣燃燒的最佳空氣過(guò)剩系數(shù)為1.3，在此空氣過(guò)剩系數(shù)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(dá)920℃左右，能夠滿(mǎn)足石灰窯煅燒工藝所需的溫度。

2 石灰窯簡(jiǎn)介

2.1 石灰窯結(jié)構(gòu)

圖1為弗卡斯石灰窯結(jié)構(gòu)示意圖。弗卡斯石灰窯大體上分為四部分，即貯料區(qū)、預(yù)熱區(qū)、煅燒區(qū)、冷卻區(qū)。貯料區(qū)位于石灰窯頂部，其貯料量在正常工況下可供生產(chǎn)石灰2～3 h，這樣，在例行檢修、石料倒運(yùn)及上料裝置需要暫短停機(jī)時(shí)，并不影響石灰窯的連續(xù)生產(chǎn)［3］，貯料區(qū)溫度為100～200℃。預(yù)熱區(qū)位于貯料區(qū)下方，由布料器將貯料區(qū)石料均勻布于預(yù)熱區(qū)，預(yù)熱過(guò)程所需的熱量來(lái)自煅燒區(qū)產(chǎn)生的上升熱氣，預(yù)熱區(qū)溫度為200～800℃。煅燒區(qū)位于預(yù)熱區(qū)下方。煅燒區(qū)設(shè)有梁式燒嘴，燒嘴分布在燃燒梁上，通過(guò)燒嘴將燃料均勻分布于煅燒區(qū)。石灰窯煅燒石灰石溫度在900～1 100℃，煅燒區(qū)溫度在700～1 100℃。冷卻區(qū)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(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，單位質(zhì)量石灰的冷卻空氣量可在0.6～0.8 m3/kg，冷卻空氣通過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)從窯底部輸入窯內(nèi)，最大壓力約為30 kPa。冷卻后石灰溫度在130℃左右，冷卻區(qū)溫度在100～700℃。

圖1 弗卡斯石灰窯結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 石灰石煅燒原理

石灰石成分及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：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(zhì)的副反應(yīng)：

石灰石煅燒過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一個(gè)吸收熱量排出大量二氧化碳?xì)怏w的過(guò)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(guò)程中，石灰石料塊在煅燒帶的起始處開(kāi)始燃燒，隨著石灰石料塊在石灰窯中向下運(yùn)動(dòng)，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(chǎn)生CaO過(guò)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(duì)替代燃料的基本要求

石灰窯對(duì)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(tǒng)等都應(yīng)保持不變；燃料替代前后爐溫應(yīng)保持基本不變，以滿(mǎn)足原來(lái)的工藝要求；燃料替代前后熱負(fù)荷應(yīng)保持不變，以滿(mǎn)足原來(lái)的產(chǎn)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(xiàn)有的燃燒結(jié)構(gòu)、送風(fēng)和排煙系統(tǒng)等對(duì)替代燃料有較強(qiáng)的適應(yīng)性［6］。目前，大部分石灰窯的熱工要求簡(jiǎn)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(duì)替代燃料的基本要求，同時(shí)凈化后的黃磷尾氣在一定條件下（如調(diào)整空氣過(guò)剩系數(shù)及黃磷尾氣流量）其燃燒溫度能夠滿(mǎn)足石灰煅燒工藝所需的溫度。

3.2 石灰窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用于黃磷尾氣作為替代燃料

黃磷尾氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的凈化處理送到加壓站加壓至12 kPa，然后進(jìn)入石灰窯燃燒。黃磷尾氣的凈化過(guò)程：黃磷尾氣經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)送入二級(jí)循環(huán)洗滌塔，經(jīng)過(guò)冷熱水封和輸送系統(tǒng)送入旋風(fēng)除塵器，經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)送入石灰窯。

弗卡斯石灰窯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和煅燒機(jī)理，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后可以以?xún)艋狞S磷尾氣作為燃料。弗卡斯石灰窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單筒豎窯，煅燒區(qū)由交錯(cuò)布置的燒嘴梁在煅燒空間合理布置燒嘴，每個(gè)燒嘴覆蓋的煅燒空間有限，燃料和助燃風(fēng)的分配可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，特別是雙T型燒嘴梁的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使燃料和助燃風(fēng)的調(diào)節(jié)更加科學(xué)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(chǔ)因素［7］，同樣石灰窯的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dá)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(dá)到石灰窯相同溫度需要的黃磷尾氣用量，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，以煤粉為燃料在石灰窯中所能達(dá)到的溫度，若以黃磷尾氣為燃料通過(guò)調(diào)節(jié)黃磷尾氣的流量也能達(dá)到相同的溫度，因此，黃磷尾氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的凈化處理可以用于石灰窯煅燒。

圖2 在石灰窯中達(dá)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(huán)境效益

黃磷尾氣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(zhì)。以年產(chǎn)1萬(wàn)t黃磷生產(chǎn)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(guó)黃磷實(shí)際總產(chǎn)量為52萬(wàn)t，直接排放的黃磷尾氣超過(guò)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(biāo)煤57.6萬(wàn)t，造成直接經(jīng)濟(jì)損失5.76億元［2］。由此可見(jiàn)，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(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了不可估量的環(huán)境效益。

5 結(jié)論

利用黃磷尾氣替代燃煤生產(chǎn)石灰，不僅開(kāi)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(duì)環(huán)境的污染，從而實(shí)現(xiàn)黃磷尾氣的綜合利用和節(jié)能減排，具有較好的社會(huì)效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］王學(xué)謙.黃磷尾氣催化氧化凈化新技術(shù)研發(fā)及理論研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，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(xué)，2012.

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

［4］段潤(rùn)林.石灰石在豎式石灰窯內(nèi)的煅燒過(guò)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(chǎn)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［6］劉偉，周偉國(guó)，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(shù)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(tǒng)”［C］∥2006年中國(guó)石灰工業(yè)技術(shù)交流與合作大會(huì)論文資料匯編，北京:中國(guó)石灰協(xié)會(huì)，2006:1-6.

聯(lián)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(xué)瓊（1986—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)尾氣資源化利用。

郜華萍