硅灰石合成工藝的節(jié)能研究

張延大（大連環(huán)球礦產(chǎn)有限公司，遼寧 大連 116110）

硅灰石合成工藝的節(jié)能研究

張延大
（大連環(huán)球礦產(chǎn)有限公司，遼寧 大連 116110）

【摘 要】通過對硅灰石合成工藝改造前后的能耗比較，選用煤氣化技術(shù)供給熱能，以池窯為加工設(shè)備，采用三級蓄熱方式進行熱能回收，使熱效率從豎爐生產(chǎn)方式的45.66%提高到池窯工藝的78.23%，工藝改造后，整個系統(tǒng)用水量也由原來的80～100m3/d降低到0.5～1.0m3/d，達到了節(jié)約能源、降低成本的生產(chǎn)目的。

【關(guān)鍵詞】硅灰石；熔融法；節(jié)能

合成硅灰石精煉材料是一種具有無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體，這種以玻璃體狀態(tài)為主的特點更有利于煉鋼時迅速成渣，縮短精煉時間，達到凈化鋼水的目的[1]。合成硅灰石精煉材料具有低氧勢、低熔點、易吸收脫氧產(chǎn)生的夾雜物的特點，可有效去除鋼水中氧化鋁夾雜物，廣泛應(yīng)用于簾線鋼等特殊鋼生產(chǎn)中，是潔凈鋼的首選精煉材料。熔融法生產(chǎn)硅灰石時，需要大量熱能，工藝的節(jié)能研究有利于節(jié)約資源，降低成本。

隨著油價的不斷攀升，煤炭的戰(zhàn)略地位將越來越重要，世界的能源構(gòu)成也越來越依賴于煤炭以及煤基改質(zhì)燃料。煤炭的直燃，由于熱效率低且對環(huán)境的巨大污染，在全國的大部分地區(qū)已經(jīng)禁燒，煤氣化技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)資源的合理利用。

1　改造前生產(chǎn)工藝

1.1 豎爐工藝流程

原有工藝為豎爐生產(chǎn)。以豎爐制備硅灰石精煉渣時，單爐產(chǎn)量較低，可根據(jù)產(chǎn)品要求隨時調(diào)整原料配方，適應(yīng)多種規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。豎爐采用空氣為焦炭助燃，高壓空氣從爐體下部風(fēng)箱鼓入，空氣中的氧進入爐內(nèi)與焦炭發(fā)生反應(yīng)生成CO2。首先在氧化帶(或熔化帶)反應(yīng)放出熱量，該區(qū)域溫度可高達1 400～1 600℃，向下運動的原料受熱熔化成熔體。熱煙氣繼續(xù)上升離開氧化帶到達還原帶，上述放熱反應(yīng)放出的熱量除了和向下移動的原料發(fā)生熱交換以加熱原料外，還有部分熱量因煙氣中的CO2遇到熾熱的焦炭后而發(fā)生還原反應(yīng)生成CO。

1.2 豎爐工藝能量利用情況

物料自爐上方加入，在自上而下的下落過程中發(fā)生以下變化：物料吸附水的蒸發(fā)，物料被干燥、預(yù)熱；1 200～1 380℃物料開始軟化，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成熔體；熱熔體繼續(xù)下落與熾熱的焦炭和煙氣相接觸并進一步加熱到1 500℃以上，由爐的虹吸口處流出。爐體無內(nèi)襯，外壁水冷卻，以保護爐體不被燒穿或變形，但必須有足夠的冷卻水進行降溫，約3～5m3/h。當(dāng)水溫低于50℃時冷卻效果很好，冷卻水可循環(huán)使用；高于50℃時需要添加冷水以保證冷卻效果。另外，外排煙氣因行程短，部分未完全燃燒的炭直接以CO形式排入大氣，既污染空氣又浪費能源。排除氣體溫度高，熱能無法回收，經(jīng)雙層噴淋降塵來達到環(huán)保要求的同時，大量熱量散失，白白損失掉。

2　節(jié)能工藝設(shè)計

2.1 固定床煤氣化技術(shù)的應(yīng)用

固定床煤氣化技術(shù)目前在裝備和自動化程度方面發(fā)展很快，為高負荷制氣創(chuàng)造了有利條件[2]。煤炭熱能得到充分利用，廢氣、廢水、廢渣排放得到有效控制，設(shè)計采用的雙段煤氣發(fā)生爐是在單段煤氣發(fā)生爐的基礎(chǔ)上增加一個干餾段，使煤在氣化之前通過充分干餾，將煤中揮發(fā)分在進入氧化還原之前大部分析出，并且隨上段煤氣引出爐體。而進入下段參與反應(yīng)的煤基本為焦煤或者半焦，通過水冷箱體經(jīng)下段爐出口排出爐外，經(jīng)煤氣凈化除塵裝置與上段爐所產(chǎn)經(jīng)電捕焦油器除焦油后的上段煤氣匯合經(jīng)管道輸送至池窯。且煤氣出口溫度較高400～600℃，直接進入熱能利用系統(tǒng)燃燒，熱效率大大提高，僅產(chǎn)生3%～6%的灰分，以除渣方式排除，可作為建筑材料得到應(yīng)用。

2.2 池窯

熔融設(shè)備改豎爐為池窯，以三級蓄熱室進行熱能回收，蓄熱室實際是一種余熱回收裝置——屬于廢氣余熱利用系統(tǒng)的一部分，它是利用耐火材料作蓄熱體(稱為格子磚)，蓄積從窯內(nèi)排出煙氣的部分熱量，用來加熱進入窯內(nèi)的空氣。當(dāng)窯內(nèi)高溫廢氣流經(jīng)蓄熱室格子體時，將格子磚加熱，在這一過程中，格子磚的溫度逐漸升高。存儲在格子體內(nèi)的熱量在火焰轉(zhuǎn)向后，將流經(jīng)此格子磚的煤氣或空氣加熱，從而保證火焰有足夠高的溫度，以滿足熔制的需要，在這一過程中，格子磚溫度逐步降低，如此循環(huán)。所以，蓄熱室的作用就是將廢氣中所含的熱量通過格子磚的吸收、蓄熱作用，然后傳給空氣和煤氣，將其加熱到一定的溫度，以達到節(jié)約燃料、降低能耗的目的。

3　熱力學(xué)原理與參數(shù)

3.1 化學(xué)反應(yīng)過程

在硅灰石預(yù)熔合成過程中，假設(shè)采用石英砂和石灰?guī)r為原料，含CaCO3的石灰石或方解石，在一定溫度下開始分解，放出大量的CO2氣體，并且開始與少量的SiO2進行反應(yīng)，生成硅酸鈣，其反應(yīng)過程如下：

600～900℃時發(fā)生以下的反應(yīng)：

CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑

CaO與SiO2在1 010～1 150℃時反應(yīng)生成硅酸鹽：

CaO+SiO2→CaSiO3

3.2 化學(xué)熱力學(xué)計算

熱力學(xué)計算主要根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，特別是熱數(shù)據(jù)(熱熔、相變熱等)進行的。硅灰石預(yù)熔合成時，需要吸收熱量來完成物質(zhì)的化合、熔融。包括生成熱、熔化熱以及原料升溫吸收的熱量。

物質(zhì)的熱容與溫度的關(guān)系常用經(jīng)驗公式來表示，對于大多數(shù)固態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)，一般采用下列經(jīng)驗公式：

Cp=a+bT+cT-2(J·mol-1·K-1)式中：T ——絕對溫度(%)；

a、b、c ——物質(zhì)的經(jīng)驗常數(shù)。

硅灰石合成工藝涉及的物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)參見下表[3]。

熱力學(xué)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上熱力學(xué)數(shù)據(jù)、公式可以計算出，硅酸鈣由CaCO3和SiO2由常溫25℃(298K)升溫并化合而成的原料升溫吸收的熱量及其生成熱為350.17kJ/mol。硅灰石在1 540℃(1 813K)時的熔化熱為60.06kJ/ mol，即以石英、石灰石為原料合成硅灰石單位熱耗為410.23kJ/mol，即生產(chǎn)每噸硅灰石的熱耗為3 536 465.52kJ。

3.3 豎爐生產(chǎn)的熱量計算

以豎爐生產(chǎn)硅灰石時，如果不考慮能量損失，因生產(chǎn)所用固定碳含量85%焦炭的發(fā)熱值為29 000kJ/ kg，所以理論上生產(chǎn)1t硅灰石產(chǎn)品的焦炭用量為121.95kg。但在實際生產(chǎn)中經(jīng)多爐經(jīng)驗測算每噸產(chǎn)品焦耗為270kg，這是因為存在如下熱量損失：

(1) 不完全燃燒損失的化學(xué)熱Q1。

此項熱量為煙氣中排出一氧化碳的化學(xué)熱，一氧化碳來源是碳在缺氧區(qū)的不完全燃燒和二氧化碳被還原，這些一氧化碳在爐內(nèi)如不能遇氧燃燒，便隨煙氣排出。反應(yīng)式如下：

CO+1/2O2=CO2+23 800kJ/kg

可知：一氧化碳燃燒放熱量為12 751kJ/m3。

在豎爐熔煉期內(nèi)，隨著爐況的變化，煙氣中一氧化碳的含量也是變化的，實際計算可取不同時段測得的一氧化碳體積濃度加權(quán)平均數(shù)。1kg焦炭產(chǎn)生8.5m3的煙氣，經(jīng)檢驗煙氣中一氧化碳的體積分數(shù)為5%，則不完全燃燒損失的化學(xué)熱：

Q1=12 751kJ/m3×8.5m3×5%=5 419.18kJ

(2) 煙塵中排出的焦炭碎屑帶走的熱量Q2。

入爐的焦炭中有碎屑，焦炭在爐內(nèi)受到加熱時的撞擊、摩擦也會產(chǎn)生粉末，這些細碎部分由于質(zhì)量很小，隨煙氣排出爐外，其攜帶的熱量包括物理熱和化學(xué)熱。因為這些粉末絕大部分在料柱上部產(chǎn)生并被吹出，溫度不高，物理熱可忽略不計；化學(xué)熱為焦炭的燃燒熱，根據(jù)反應(yīng)式：

C+O2=CO2+34 070kJ/kg

實踐證明，使用1kg焦炭可在除塵器灰塵中測得1%的炭屑，則

Q2=34 070kJ/kg×0.01kg×85%=289.60kJ

(3) 煙氣帶走的物理熱Q3。

煙氣從料柱中逸出，其熱量已不參與爐料的吸熱，是損失熱量，可用下式計算：

Q3=VyCp(ty-t0)式中：Vy——煙氣排出量(m3), 1kg焦產(chǎn)生8.5m3的煙氣；

Cp——煙氣的平均比熱容，近似值1.3kJ/ m3·℃；

則煙氣帶走熱量Q3=7 514kJ。

(4) 爐體表面水冷卻散失的熱量Q4。

Q4包括兩部分，一部分是冷卻水吸熱量Qa，可近似通過測量進、回水平均溫度和平均比熱容及冷卻水流量計算。豎爐每小時合成1t硅灰石的用水量為4m3，進水平均溫度20℃，回水平均溫度50℃，則流失熱量為(水的平均比熱容4.2kJ/kg·℃)：

Qa=4.2kJ/kg·℃×4m3×1 000kg/m(50～20 ℃)=504 000kJ

同時還要計算一部分汽化熱Qb。汽化熱是指1kg100℃的水在變成100℃的水蒸汽要吸收的熱量，為2 255kJ。豎爐用水量中約2.0%的質(zhì)量被汽化，則汽化熱：

Qb=2 255kJ/kg×4m3×1 000kg/m3×2.0% =180 400kJ

則因爐體表面水冷卻工藝每消耗1kg焦炭造成損失的熱量：

Q4=(Qa+Qb)/270kg=2 534.81kJ

綜上，豎爐生產(chǎn)硅灰石時，每消耗1kg焦炭熱量損失為：

(2)配套開發(fā)相應(yīng)項目。許多游客在進行一整天的游覽之后會感到疲憊，導(dǎo)致白天出行的游客會比晚上多，民宿經(jīng)營者可以抓住這一點，協(xié)作開發(fā)一些夜間旅游項目，如小吃街、特產(chǎn)夜市、廬山酒吧街等，或是增加一些歌舞、戲曲等帶有地方特色的演出項目，也可以增加游客逗留時間，提高游客消費能力，增加廬山民宿產(chǎn)業(yè)收益，進一步拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，同時為游客創(chuàng)造獨特的旅行體驗。

Q1+Q2+Q3+Q4=15 757.59kJ

所以，豎爐生產(chǎn)的熱效率僅為：45.66%。

3.4 應(yīng)用煤氣化技術(shù)的熱效應(yīng)計算

改造后生產(chǎn)工藝采用兩段式煤氣爐熱脫焦油煤氣站，該工藝技術(shù)含量高，工藝設(shè)備成熟，操作方便，生產(chǎn)燃料選用適合煤氣爐生產(chǎn)的煙煤。

煤氣的熱值也稱為煤氣發(fā)熱量，是指煤氣遇氧完全燃燒后所放出的熱量。可用測熱器測定，也可按其經(jīng)檢測所得各組分的體積百分含量來計算求得。公式如下：

QDW=12 635(CO)+10 797(H2)+35 818(CH4) +59 063(C2H4)+63 748(C2H6)+86 001(C3H6)+…式中：QDW——煤氣發(fā)熱值；

(CO)、(H2)、…——指其在煤氣組分中的百分含量(%)；

化學(xué)式前的數(shù)字(如CO前的12 635)——每個組分的發(fā)熱量。

生產(chǎn)過程中，以煤氣分析儀測得各組分的含量，然后通過上式計算，得出煤氣發(fā)熱值為6 300kJ/m3，干煤氣化率為3.5m3/kg。

綜上所述，理論上生產(chǎn)每噸硅灰石產(chǎn)品需煤量為：

3 536 465.52kJ/(6 300kJ/m3·3.5m3/kg) =160.38kg

實際煤耗量是用實際用煤量除以對應(yīng)的產(chǎn)成品產(chǎn)量得出：每噸產(chǎn)品耗煤220kg，也就是說，煤氣生產(chǎn)工藝的總體熱效率為：72.90%。同時可以回收煤焦油10～15kg，其熱能約為458 736kJ，相當(dāng)于15kg標(biāo)準(zhǔn)煤，即改造后新工藝的總體熱效率為78.23%。

4　結(jié)論

(1) 通過應(yīng)用煤氣化技術(shù)以及池窯蓄熱節(jié)能方式使合成硅灰石生產(chǎn)工藝的熱效率從45.66%提高到78.23%。

(2) 煤氣化技術(shù)通過對煤氣的除塵、除焦油等工藝，嚴格控制了進入大氣的飛灰等污染物，由于燃燒工藝合理，較少生成有害廢氣，更有利于環(huán)境保護。

(3) 工藝改造后，整個系統(tǒng)用水量也由原來的80～100m3/d降低到0.5～1.0m3/d，僅僅煤氣生產(chǎn)用水蒸汽，及少量的循環(huán)用水，大量節(jié)約了水資源。

(4) 煤氣爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品煤焦油通過深加工除了可以獲得燃料油之外，還可以制取酚類化合物等其他化工原料，從而獲得更佳的社會和經(jīng)濟效益。

【參考文獻】

[1]張延大.硅灰石的合成及其在簾線鋼精煉中的應(yīng)用[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2014(1):13-15.

[2]白二川.對固定床煤氣爐制氣規(guī)律的客觀認識[J].中氮肥,2013, 99(6):1-4

[3]陸佩文.無機材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 2001:325-328．

【試驗研究】

Study of Energy Conservation in Synthetic Wollastonite Method

ZHANG Yan-da
(Dalian Huanqiu Minerals Co., Ltd., Dalian 116110, China)

Abstract:Energy consumption is compared in synthetic wollastonite method before and after modification, thermal energy is supplied by gasification technology. As processing equipment, tank furnace adopts three levels of regenerator to recycle heat energy. Thermal efficiency is improved from 45.66% of shaft furnace to 78.23% of tank furnace technology, after the technology improved, the whole system with water is also reduced from the original 80～100m3/d to 0.5～1.0m3/d, to achieve the purpose of energy conservation and cost reduction.

Key words:wollastonite; melting method; energy conservation

【收稿日期】2014-10-27

【文章編號】1007-9386(2015)01-0006-03

【文獻標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】TQ129；P619.29