套筒對燒石灰窯燃燒電石尾氣和高爐煤氣的對比分析

譚思哲,榮文杰,李寶寬

(東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

石灰窯按燃料類型可劃分為混燒窯和氣燒窯,其中氣燒窯的燃料可以是高爐煤氣、電石尾氣和天然氣等。雖然天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源,但是其高昂的價格會增加石灰的生產(chǎn)成本。此外,國內(nèi)電石行業(yè)持續(xù)低迷,對石灰的生產(chǎn)成本、環(huán)境保護(hù)和廢氣再利用提出了更高的要求。此前,高爐煤氣和電石尾氣均為工業(yè)副產(chǎn)排放的有害氣體,現(xiàn)在用于石灰窯的燃料可以說是變廢為寶。因此,氣燒窯發(fā)展迅速,燃料種類也越來越多。套筒對燒石灰窯屬于氣燒窯的一種,具有工藝簡單、操作方便、投資少的特點,從國外引進(jìn)以后,在冶金行業(yè)充分發(fā)展成為優(yōu)選窯型[1],并且其燃料適合采用低熱值的工業(yè)廢氣,有益于節(jié)能減排。

為了實現(xiàn)節(jié)能降耗與環(huán)境保護(hù)的目標(biāo),學(xué)者們針對燃料消耗對石灰窯節(jié)能減排的主要影響展開研究。在工業(yè)副產(chǎn)電石尾氣的再利用方面,謝斌等[3]提出經(jīng)過簡單凈化后的電石尾氣可以達(dá)到石灰窯燃料的基本要求;作者所在團(tuán)隊[4]也對電石尾氣為燃料的套筒對燒石灰窯進(jìn)行了CFD 模擬,電石尾氣是一種可利用的能源,作為燃料是極好的資源化利用途徑,其中的高濃度CO 可以燃燒放出大量熱量,在節(jié)能減排的同時,還提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益;Deng等[5]提出在石灰生產(chǎn)成本中,燃料成本可以達(dá)到總成本的50%,可見燃料對成本有很大影響;Gutierrez 等[6]說明了CO2的排放也與燃料密切相關(guān),由于CaCO3分解產(chǎn)生CO2,其排放量是恒定的,CO2的最終排放量取決于窯內(nèi)燃料消耗的情況;胡學(xué)瓊等[7]選用黃磷尾氣作為替代燃料用于石灰石煅燒工藝,獲得經(jīng)濟(jì)利益的同時還具有可觀的環(huán)境收益;奧喬亞等[8]利用統(tǒng)計方法在燃料方面進(jìn)行了試驗優(yōu)化,實現(xiàn)了降低燃料消耗和減少CO2排放的目的;王曉明等[9]對電石尾氣再利用的可行性進(jìn)行了研究,計算了電石尾氣經(jīng)凈化后可以滿足石灰窯的燃?xì)庥昧?但是沒有將電石尾氣的應(yīng)用效果進(jìn)一步探討。從以上文獻(xiàn)可以看出隨著石灰窯技術(shù)的發(fā)展,石灰窯也在追求著更高的效率、更低的成本和更潔凈的排放,而燃料消耗是影響能量效率、成本以及CO2排放量的主要因素,對節(jié)能減排產(chǎn)生著很大的影響。目前,對于石灰生產(chǎn),提高石灰窯能效,降低燃料成本和相關(guān)的環(huán)境影響,特別是CO2的排放成為了主要目標(biāo)。上述文獻(xiàn)中體現(xiàn)了燃料的重要性,然而尚無不同燃料間直觀的數(shù)值對比分析。

作者所在團(tuán)隊[2]對以高爐煤氣為燃料的套筒對燒石灰窯的能效進(jìn)行了計算,在此基礎(chǔ)上利用冶金流程軟件METSIM[10-11]針對套筒對燒石灰窯應(yīng)用電石尾氣與原高爐煤氣的效果進(jìn)行計算對比分析。METSIM 軟件在國外已得到廣泛應(yīng)用,具有直觀、計算機化的優(yōu)點,在國內(nèi)的氧化銅礦浸出[12]和RKEF[13]上也有所應(yīng)用,但是目前關(guān)于METSIM 軟件在石灰窯上的應(yīng)用還鮮有報道。本文根據(jù)計算結(jié)果,討論了電石尾氣替代高爐煤氣作為石灰窯燃料時,對石灰窯能效產(chǎn)生的影響以及燃料成本和CO2排放量方面在數(shù)值上的差異,在套筒對燒石灰窯提高效益、潔凈生產(chǎn)以及燃料優(yōu)化等方面具有重要意義。

1 套筒對燒石灰窯工藝流程

如圖1所示,石灰石從窯頂部的進(jìn)料口進(jìn)入窯,并逐漸向下運動,向上流動的熱燃燒氣體與向下流動的石灰石逆流,充分換熱。為了方便理解,套筒對燒石灰窯一般自上而下分為3 個區(qū)域:預(yù)熱區(qū)、燃燒區(qū)(又稱煅燒區(qū))和冷卻區(qū)。

圖1 套筒對燒石灰窯示意Fig.1 Schematic of the OBASK

1)在預(yù)熱區(qū),石灰石與煙氣進(jìn)行對流換熱,從環(huán)境溫度升溫至分解溫度。在預(yù)熱區(qū)的末端,石灰石會通過吸收燃燒區(qū)燃料燃燒的熱量而開始經(jīng)歷分解過程。

2)在燃燒區(qū),內(nèi)部和外部燃燒器以相同的結(jié)構(gòu)彼此相對布置。在圖1放大的視圖中可以看出燃燒器的中間放置了防火墻,用于防止燃燒火焰直接穿透到窯膛中。在套筒對燒石灰窯的燃燒區(qū),電石尾氣(成分:N2、CH4、O2、CO2、CO 和H2)燃燒產(chǎn)生的大部分熱量被CaCO3的吸熱反應(yīng)所利用。同時,石灰石中含有的少量MgCO3也會發(fā)生分解。由于MgO不被視為煉鋼用生石灰中的雜質(zhì),MgCO3的分解反應(yīng)也被考慮在內(nèi)。因此,在燃燒區(qū)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)見式(1)～(2)。

煅燒所需的熱量通過燃燒電石尾氣來提供,電石尾氣燃燒反應(yīng)見式(3)～(5)。

當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.0 時,燃料中H2和CH4完全反應(yīng),但是燃燒室出口依然會有CO 剩余,即少量燃料會隨煙氣流動到窯膛內(nèi)燃盡[14],CaCO3和Mg-CO3均反應(yīng)完全。

3)在冷卻區(qū),石灰在出灰前被來自石灰窯底部的冷卻風(fēng)冷卻。經(jīng)過換熱,升溫后的冷卻風(fēng)用于燃料燃燒,從而提高該過程的熱效率,防止窯內(nèi)過燒,有助于提高石灰的活性。最終燃?xì)庥扇紵疫M(jìn)入窯膛并向上流動連同冷卻風(fēng)經(jīng)煙囪排出。

2 METSIM 模型

2.1 METSIM 建模

套筒對燒石灰窯METSIM 流程模型如圖2所示,圖中設(shè)置了預(yù)熱、燃?xì)?、分解和冷卻4 個操作單元。

圖2 套筒對燒石灰窯METSIM 流程Fig.2 METSIM flowsheet of the OBASK

①預(yù)熱單元:石灰石通過與煙氣進(jìn)行對流換熱完成預(yù)熱后,被送進(jìn)窯內(nèi);②燃?xì)鈫卧?電石尾氣作為燃料,配以適當(dāng)?shù)闹伎諝庠谌紵覂?nèi)完成燃燒放出熱量,并以煙氣的形式送入窯;③分解單元:石灰石受熱達(dá)到一定溫度,開始進(jìn)行煅燒分解,生成的產(chǎn)物石灰繼續(xù)向下運動到冷卻單元;④冷卻單元:冷卻空氣對石灰進(jìn)行冷卻。同時冷卻后的空氣向上,連同石灰石分解產(chǎn)生的CO2送回至預(yù)熱單元,最終以煙氣的形式排放。

2.2 初始數(shù)據(jù)設(shè)置

燃料采用的是電石尾氣,其主要成分如表1所示。助燃空氣和冷卻空氣均為普通空氣。根據(jù)MgCO3含量的不同,石灰石可以分成多種類型,該研究的套筒對燒石灰窯原料石灰石的成分見表2。在計算前根據(jù)METSIM 軟件熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫輸入元素確定所需化合物并編寫化學(xué)方程式。根據(jù)某廠600 t/d 套筒對燒石灰窯實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對其熱耗設(shè)置為4 185 kJ/kg,并根據(jù)燃料的熱值和燃燒室噴嘴參數(shù),同時考慮到助燃空氣的預(yù)熱,確定各初始物質(zhì)的質(zhì)量流量以及溫度,如表3所示。按以上初始數(shù)據(jù)設(shè)置,即可啟動METSIM 軟件的質(zhì)量和能量平衡模型。

表1 電石尾氣成分Tab.1 Composition of calcium carbide furnace off-gas

表2 石灰石成分Tab.2 Composition of limestone

表3 物質(zhì)流輸入?yún)?shù)Tab.3 Input parameters of mass flows

3 結(jié)果與討論

表4為METSIM 軟件物料計算結(jié)果,給出了石灰石反應(yīng)前、后各組分的比例變化情況?？梢钥闯鯟aCO3與MgCO3完全被分解,生成石灰中CaO 含量高達(dá)95.88%。METSIM 軟件計算結(jié)果如圖3所示,根據(jù)物質(zhì)的不同形態(tài)將物質(zhì)流分為固相流和氣相流。

圖3 METSIM 軟件計算結(jié)果Fig.3 Results of METSIM software calculation

表4 METSIM 軟件物料計算結(jié)果Tab.4 Results of material calculation of METSIM software

3.1 電石尾氣作為替代燃料的可行性分析

電石尾氣作為替代燃料應(yīng)保持穩(wěn)定持續(xù)的供應(yīng)。從燃?xì)鈹?shù)據(jù)框中可以看出該石灰窯對電石尾氣的處理量為7 330 kg/h,即2.76 m3/s,年處理量可以達(dá)到2.76 ×3 600 ×24 ×365≈8.7 ×107m3。對于年產(chǎn)量60 萬t 電石來說,電石尾氣的年產(chǎn)量可超過2 ×108m3[9],可提供給石灰窯足夠的燃料用氣。

3.2 能效對比分析

能量效率是企業(yè)環(huán)境戰(zhàn)略中一個重要的組成部分。根據(jù)研究目的,研究人員對于能量效率的定義有著不同的方法。在本研究中,石灰石煅燒在整個石灰生產(chǎn)過程中起著最重要的作用。在石灰石煅燒過程中,CaCO3的分解需要從燃料的放熱反應(yīng)中吸收足夠的熱量。但是煙氣和石灰也會帶走一部分熱量,這會對能效產(chǎn)生影響。因此,能量效率定義為式(6)。

式中:En反應(yīng)為石灰石煅燒所需能量;En燃料為燃料提供的能量。

根據(jù)METSIM 軟件計算結(jié)果,石灰石煅燒分解單元局部能量流如圖4所示。輸入能流包括預(yù)熱后的石灰石,燃料燃燒后的燃?xì)庖约皳Q熱后的冷卻空氣;其中燃?xì)獾哪芰渴侨剂先紵懦龅臒崃?是最主要的輸入能流,輸出能流包括煙氣和石灰。能量計算結(jié)果如表5所示。根據(jù)能量平衡,得到式(7)結(jié)果。

表5 能量計算結(jié)果Tab.5 Results of energy calculation

圖4 分解單元的能量流Fig.4 Energy stream of Resolve unit

經(jīng)計算,En反應(yīng)=6 984 752 kcal/h。將此結(jié)果與En燃料= 10 216 188 kcal/h 代入式(6),得出η=68.37%。有研究表明[2]以高爐煤氣為燃料的套筒對燒石灰窯的能量效率為63.60%。因此,套筒對燒石灰窯采用電石尾氣作為燃料相比于高爐煤氣時能量效率提高了4.77%。從圖3中可以看出,電石尾氣作為燃料時燃燒室出口溫度達(dá)到了1 300 ℃,處于利于石灰石煅燒的氣體溫度區(qū)間,為石灰石的分解提供了適宜的溫度場;而燃料為高爐煤氣時,燃燒室出口溫度較低,約1 100 ℃。燃燒室出口溫度高會提升石灰石和高溫?zé)煔忾g的傳熱速率,進(jìn)而提高能量效率。

3.3 成本對比分析

為了追求石灰生產(chǎn)的利潤,必須要從燃料上節(jié)約成本。套筒對燒石灰窯的2 種燃料成本計算如表6所示?；谥耙愿郀t煤氣為燃料的研究[2],結(jié)合電石尾氣的METSIM 軟件計算結(jié)果,得出每生產(chǎn)1 t 產(chǎn)物石灰所消耗的燃料量,可根據(jù)燃料單價最終計算出單位成本。

表6 燃料成本對比Tab.6 The comparison of fuel costs

由表6可以看出,以電石尾氣為燃料時,燃料消耗量會大幅減少,僅為原來的30%。每生產(chǎn)1 t 石灰,燃料成本為238.69 元,相對于高爐煤氣節(jié)省了34.79 元。另外,如圖3所示,電石尾氣中的CH4和H2在燃燒室中完全燃燒,作為燃料主要成分的CO雖然會有所剩余,但是燃燒率也高達(dá)97%,高于高爐煤氣的92%,因此,合理的燃燒使電石尾氣燃料消耗量大幅減小。按照600 t/d 的套筒對燒石灰窯計算,每年可節(jié)約34.79 ×600 ×365 =761.90 (萬元)。因此,對于套筒對燒石灰窯工藝,電石尾氣在燃料成本方面有明顯的優(yōu)勢。

3.4 CO2排放量對比分析

石灰窯本體的漏風(fēng)、石灰窯運行不合理和煙氣循環(huán)燃燒技術(shù)的運用等均會對套筒對燒石灰窯的CO2排放量產(chǎn)生影響。本文只考慮當(dāng)燃料變化時,套筒對燒石灰窯CO2排放量的差異。以電石尾氣為燃料的套筒對燒石灰窯,根據(jù)METSIM 軟件的計算結(jié)果,從圖3煙氣數(shù)據(jù)輸出框中可以看出其排放的煙氣總量為56 235.3 kg/h,成分如表7所示。雖然CO2在煙氣中所占的比例仍然很大,但是因為煙氣總量的降低,使得電石尾氣作為燃料時CO2排放量有所減少。每生產(chǎn)1 t 石灰,將排放的CO2:56 235.3×0.522 4 ÷ (600 ÷24)≈1 175.09(kg)。同樣,根據(jù)計算得出,當(dāng)燃料為高爐煤氣時,每生產(chǎn)1 t 石灰,CO2排放量約為1 500.10 kg。

表7 煙氣計算結(jié)果Tab.7 Results of flue gas calculation

因此,當(dāng)燃料為電石尾氣時,生產(chǎn)單位石灰CO2排放量相對于燃料為高爐煤氣時要減少325.01 kg/t,約合0.11 Nm3/t,則每年可以減少CO2排放量0.11 ×600 ×365≈2.42 ×104(Nm3);同時,年處理電石尾氣量為8.7 ×107m3,則每年減少了有毒氣體CO 排放8.7 ×107m3×0.84 =7.3 ×107(m3)。因此,以電石尾氣為燃料的套筒對燒石灰窯可以實現(xiàn)更低的碳排放。

4 結(jié) 論

本文以燃料為高爐煤氣的套筒對燒石灰窯研究為基礎(chǔ),將燃料改為電石尾氣,并建立METSIM 模型,與高爐煤氣作為燃料在能量效率、燃料成本和CO2排放量3 個方面進(jìn)行了對比分析,得到如下結(jié)論。

1)在能量效率方面,當(dāng)燃料為電石尾氣時能量效率為68.37%,比燃料為高爐煤氣時提高了4.77%,仍然有一定提高的潛力。

2)在燃料成本上,雖然電石尾氣的單價相對較高,但是因為電石尾氣具有更高的熱值,其消耗量將大幅減少,僅為原來的30%。綜合計算可得出,電石尾氣作為燃料時年成本可節(jié)約761.90 萬元。

3)在CO2排放量上,每生產(chǎn)1 t 石灰,當(dāng)燃料為高爐煤氣時,將排放約1 500.10 kg 的CO2;當(dāng)燃料為電石尾氣時,將排放約1 175.09 kg 的CO2,年排放量減少約2.42 ×104Nm3。