雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)線上的應(yīng)用

賈占江，郭黎明

（博廣熱能股份有限公司，河北石家莊050000）

雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)線上的應(yīng)用

賈占江1，郭黎明2

（博廣熱能股份有限公司，河北石家莊050000）

對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線在兩座日產(chǎn)150 t雙梁窯上的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過對(duì)雙梁窯廢氣和導(dǎo)熱油余熱計(jì)算，得到兩座日產(chǎn)150 t的雙梁窯可以配套5萬t的輕鈣生產(chǎn)線，通過工藝改進(jìn)可以使雙梁窯余熱得到再次利用，實(shí)現(xiàn)一種聯(lián)合性、循環(huán)性和節(jié)能性的生產(chǎn)模式。

輕質(zhì)碳酸鈣；雙梁窯；廢氣和導(dǎo)熱油；余熱；節(jié)能性

輕質(zhì)碳酸鈣，簡(jiǎn)稱輕鈣，是一種重要的無機(jī)化工產(chǎn)品。目前，隨著原油價(jià)格的攀升以及原料成本的增加，輕鈣引起眾多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，它可以作為重要的添加劑、輔助原料、中和劑，在日用化工、飼料、食品以及醫(yī)藥工業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。輕鈣的主要作用就是增加產(chǎn)品體積，降低生產(chǎn)成本，改善產(chǎn)品的加工性能等。所以輕鈣在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的穩(wěn)定性和低成本，以及工程設(shè)計(jì)中設(shè)備的選用、能耗的控制、余熱的利用都成為了關(guān)鍵所在。

雙梁式石灰窯的核心煅燒設(shè)備是燃燒梁，其在高溫環(huán)境中進(jìn)行煅燒工作，導(dǎo)熱油作為燃燒梁的冷卻保護(hù)介質(zhì)，在冷卻過程中帶走大量的熱能，可將導(dǎo)熱油的熱能用于輕鈣制備中干燥工序。雙梁窯的廢氣溫度在300℃左右，可以將廢氣余熱回收用于輕鈣制備中的消化工序。而尾氣經(jīng)脫硫脫硝凈化之后可以用于輕鈣制備中的碳化工序。因此，本文研究的雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)線上綜合應(yīng)用，是對(duì)能源的再利用研究，實(shí)現(xiàn)了一種聯(lián)合性、循環(huán)性和節(jié)能性的生產(chǎn)模式。

1 雙梁窯余熱綜合利用方式

以下以兩座日產(chǎn)150 t雙梁式石灰窯為例，對(duì)雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)中的綜合利用進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

1.1 尾氣余熱利用

本文將窯尾氣經(jīng)脫硫脫硝凈化處理之后，將其熱能用于輕鈣制備過程中的消化工序，利用氣—水換熱器將消化水加熱到60℃左右之后進(jìn)入化灰池發(fā)生消化反應(yīng)。

圖1 雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用簡(jiǎn)圖

1.1.1 窯尾氣單位小時(shí)可利用熱量

已知：尾氣生成量為13 300 m3/h，尾氣比熱為1.445 kJ/m3·℃，尾氣換熱前溫度為300℃，換熱后溫度為195℃，水比熱為4.174 kJ/kg·℃，進(jìn)口水溫為20℃，出口水溫為60℃。

單位小時(shí)廢氣放熱量：

Q廢=1.445×13 300×（300-195）=2.02×106kJ/h

折合標(biāo)煤：

M1=2.02×106÷29 308.6=68.9 kg/h

1.1.2 單位小時(shí)窯尾氣加熱水量

噸水吸熱量：

Q水=1 000×4.174×（60-20）=0.167×106kJ/t

折合標(biāo)煤：

M2=0.167×106÷29 308.6=5.7 kg/h

廢氣余熱可加熱水量：

V1=Q廢÷Q水=2.02×106÷0.167×106=12.1 t/h

考慮熱量損失，取5%余量，則單窯尾氣熱量可產(chǎn)生60℃熱水量：

V2=12.1×95%=11.5 t/h

1.1.3 窯尾氣余熱化灰能力

消化工序輕鈣生產(chǎn)如果供水量不足會(huì)使石灰消化不完全，水量過多則將引起消化體系溫度下降，出現(xiàn)石灰消化速度緩慢、灰乳粒子粗、分散性不良、質(zhì)量低劣等現(xiàn)象。研究指出，用超理論水量的10～15倍消化成石灰乳，即60℃水重量為氧化鈣重量的4～5倍時(shí)消化效果最好，取水和氧化鈣的重量比為1∶4.8。

則1 t輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)化灰所需要60℃熱水量為：

V3=1×56÷100÷86.3%×4.8=3.11 t/h

兩座150 t/d雙梁式石灰窯廢氣余熱的化灰能力（即每小時(shí)可供輕鈣生產(chǎn)的產(chǎn)量）：

M=2×11.5÷3.11=7.40 t

即兩座150 t/d雙梁式石灰窯可配套年產(chǎn)量5.8萬t的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線。

1.2 導(dǎo)熱油余熱利用

本文將導(dǎo)熱油余熱用于輕鈣制備過程中的干燥工序，導(dǎo)熱油流經(jīng)干燥器內(nèi)將碳化反應(yīng)之后的含水碳酸鈣干燥，最終生產(chǎn)出輕鈣成品。

1.2.1 導(dǎo)熱油單位小時(shí)可利用熱量

已知：導(dǎo)熱油流量為160 m3/h,導(dǎo)熱油比熱為2.415 kJ/kg·℃，出窯導(dǎo)熱油溫度為200℃,干燥輕鈣后溫度為185℃，導(dǎo)熱油密度為694.3 kg/m3。

則兩座150 t/d雙梁式石灰窯導(dǎo)熱油系統(tǒng)每小時(shí)可利用的熱量為：

Q=2×160×2.415×（200-185）×694.3=8 048 325.6 kJ/h

折合標(biāo)煤：

M1=8 048 325.6÷29 308.6=275 kg/h

1.2.2 烘干1 kg輕鈣所需熱量

已知含水碳酸鈣干燥前溫度為60℃左右，出料溫度為175℃，輕質(zhì)碳酸鈣比熱為0.91 kJ/ kg·℃，水比熱為4.174 kJ/kg·℃，水在100℃時(shí)汽化潛熱為2 257.2 kJ/kg，過熱蒸汽在180℃時(shí)的焓值為h180=2 835.7 kJ/kg，過熱蒸汽在100℃時(shí)的焓值為h100=2 675.7 kJ/kg，含水碳酸鈣水的含量為35%。

則1 kg輕鈣所需含水碳酸鈣質(zhì)量為：

1÷0.65=1.538 kg

0.538 kg水由60℃升溫至100℃所需熱量為：

Q1=0.538×4.174×（100-60）=90 kJ

蒸發(fā)0.538 kg水所需熱量：

Q2=2 257.2×0.538=1 214.4 kJ

過熱蒸汽吸熱：

Q3=0.538×（2 835.7-2 675.7）=86 kJ

CaCO3吸熱：

Q4=1×0.91×120=109 kJ

綜上所述，1 kg含水碳酸鈣烘干所需理論熱量：

Q理=Q1+Q2+Q3+Q4=90+1 214.6+86+109=1 500 kJ

考慮烘干過程中的熱量損失，取10%余量，則1 kg輕質(zhì)碳酸鈣烘干所需熱量（實(shí)際值）：

Q實(shí)=Q理÷0.9=1 500÷0.9=1 666 kJ

折合標(biāo)煤：

M實(shí)=1 666÷29 308.6=0.057 kg

1.2.3 導(dǎo)熱油余熱烘干能力

兩座150 t/d雙梁窯導(dǎo)熱油余熱可烘干輕鈣能力（即每小時(shí)可供輕鈣生產(chǎn)的產(chǎn)量）：

M=275÷0.057=4 825 kg/h

則兩座150 t/d雙梁式豎窯可配套4 825 kg/h，即年產(chǎn)量3.8萬t的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線。

1.3 按照物料衡算計(jì)算輕鈣的產(chǎn)量

物料衡算是輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的依據(jù)。根據(jù)兩座150 t/d石灰生產(chǎn)線為計(jì)算基準(zhǔn)，各生產(chǎn)工序的收率為：

（1）石灰石煅燒工序：考慮石灰石過燒和生燒等因素，取石灰石轉(zhuǎn)化率為93%，石灰石中CaCO3按97%估算，篩選過程中生石灰隨灰渣、煤渣篩去，損耗為5%，故該工序總收率為

93%×97%×95%=85.70%

（2）石灰消化工序：收率為90%，損耗在消化機(jī)和旋液分離器中，消化機(jī)中石灰乳隨渣石一起排出，旋液分離器中石灰乳則隨未化好的粒子由旋液分離器底部排出。

（3）碳化工序：收率為99%。

（4）沉降工序：收率為98%。

（5）回轉(zhuǎn)干燥爐：收率為99%。

（6）篩分、包裝等操作：收率為99.8%。

故輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)總收率為：

90%×99%×98%×99%×99．8%=86.3%

根據(jù)物料守恒，兩座150 t/d石灰生產(chǎn)線可配套的輕鈣生產(chǎn)線年產(chǎn)量為：

M=2×150×86.3%×100÷56×330=152 566 t

即可配套年產(chǎn)量為15.3萬t的輕鈣生產(chǎn)線。

1.4 CO2濃度計(jì)算

已知：主助燃風(fēng)機(jī)流量為7 820 m3/h，風(fēng)壓為9 698 Pa，主引風(fēng)機(jī)流量為13 200m3/h，風(fēng)壓為136 34 Pa，燃料采用煤粉，熱值為5 500×4.18 kJ/m3，用量為1 136 kg/h·窯

根據(jù)CaCO3?CaO+CO2

C+O2?CO2

由CaCO3分解得CO2量：

M1=150÷24÷0.95÷0.93×44÷56=5 558 kg/h

換算成體積：

V1=5 558÷1.977=2 811m3/h

由煤粉燃燒生成CO2量（忽略被C還原生成的CO而消耗的CO2量）：

M2=1 136×44÷12=4 165 kg/h

換算成體積：

V2=4 165÷1.977=2 107 m3/h

生成CO2總量：

M=M1+M2=5 558+4 165=9 723 kg/h

換算成體積：

V=V1+V2=2 811+2 107=4 918m3/h

CO2體積濃度：

CO2%=4 918÷13 200=35.8%

考慮到漏風(fēng)系數(shù)1.1，則兩座150 t/d雙梁式石灰窯可配套輕鈣生產(chǎn)線產(chǎn)量為：

M3=2×9 723÷1.1×100÷44×86.3%=34.7 t/h

即可配套年產(chǎn)量27萬t的輕鈣生產(chǎn)線。

綜上所述，兩座150 t/d雙梁式豎窯按照窯尾氣加熱消化水能力計(jì)算，可配套年產(chǎn)量為5.8萬t的輕鈣生產(chǎn)線，按照導(dǎo)熱油烘干含水碳酸鈣能力計(jì)算可配套年產(chǎn)量為3.8萬t的輕鈣生產(chǎn)線，按照氧化鈣產(chǎn)量計(jì)算，可配套年產(chǎn)量為15.3萬t的輕鈣生產(chǎn)線，按照CO2量計(jì)算可配套年產(chǎn)量為27萬t的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線，綜合以上各種指標(biāo)可為兩座150 t/d雙梁窯配備年產(chǎn)量為5萬t的輕鈣生產(chǎn)線，因?qū)嵊偷暮娓赡芰Σ荒軡M足生產(chǎn)要求，因此，可以增加導(dǎo)熱油桶來滿足烘干含水碳酸鈣需求。

按配備年產(chǎn)量5萬t的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線計(jì)算，該石灰生產(chǎn)線每年剩余的灰量為：

M灰=2×150×330-50 000×56÷100÷86.3%= 66 555 t

即兩座150 t/d雙梁窯每年生產(chǎn)的石灰除了可以供給年產(chǎn)5萬t的輕鈣生產(chǎn)線需求外，每年還可以外賣石灰約為6.7萬t。

配套年產(chǎn)量5萬t的輕鈣生產(chǎn)線每年可以回收利用熱能為：

Q=3.11×0.167×106×50 000+8 048 325.6×24× 330=9.0×1010kJ

折合標(biāo)煤：

M煤=9.0×1010÷29 308.6=3 071 t

2 結(jié)論

（1）由于雙梁式石灰窯的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，其導(dǎo)熱油及廢氣的熱量可應(yīng)用于輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)，因此，對(duì)于輕鈣生產(chǎn)來說，雙梁式石灰窯無疑是最佳選擇；

（2）根據(jù)以上計(jì)算可得，兩座150 t/d雙梁窯可以配套年產(chǎn)量為5萬t的輕鈣生產(chǎn)線，由于導(dǎo)熱油系統(tǒng)不能滿足輕鈣干燥工序?qū)崮艿男枨?，所以要增加?dǎo)熱油桶以滿足輕鈣生產(chǎn)線熱能不足部分；

（3）根據(jù)以上計(jì)算可得，兩座150 t/d雙梁窯生產(chǎn)的石灰除了可以滿足自身5萬t/年的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線需要外，每年還可以外賣石灰約6.7萬t；

（4）通過以上計(jì)算可得，兩座150 t/d雙梁窯配套的年產(chǎn)量5萬t的輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)線，消化及干燥工序每年可以回收利用熱能為9.0×1010kJ，折合標(biāo)煤為3 071 t/年。若實(shí)現(xiàn)雙梁式石灰窯余熱在輕鈣生產(chǎn)中的綜合利用，則每年可節(jié)約標(biāo)煤消耗300余萬元。

[1]王國慶,崔英德.輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[2]李偉.年產(chǎn)5萬t輕質(zhì)碳酸鈣項(xiàng)目工藝技術(shù)分析[D].上海：華東理工大學(xué),2008.

[3]何豫基,胡琳娜.碳酸鈣系列產(chǎn)品國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及展望[C]//. 2013年全國碳酸鈣行業(yè)年會(huì)論文集.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]馮文華.納米碳酸鈣制備新工藝研究[D].上海：華東理工大學(xué), 2015.

App lication of Double-Beam Lime Kiln W aste Heat in Production Line of Light Calcium Carbonate

JIA Zhanjiang1,GUO Liming2
（Boguang Thermal Energy Limited Liability Company,Shijiazhuang 050000,China）

The design calculations of light calcium carbonate production line applied in two Nissan 150 t double-beam kiln are carried out.Through calculating the waste heat of waste gas and heat transfer oil on the double-beam lime kiln,the two Nissan 150 tons of double-beam lime kiln could support 50,000 t of light calcium carbonate production line,and realize a joint resistance,recyclability and energy-efficient mode of production,through process improvementwhich enabled waste heat of double-beam lime kiln waste heatwas used again.

light calcium carbonate;double-beam lime kiln;waste gas and heat transfer oil;waste heat;energy-efficient

TQ177.2

A

1001-6988（2016）05-0049-04

2016-06-24

賈占江（1986—），男，工程師，主要從事石灰窯設(shè)計(jì)、水處理方面工作。