高爐煤氣與回轉(zhuǎn)窯工藝研究

高明文，苗立雄，王衛(wèi)中，王艷明，趙利兵

（山西中陽鋼鐵有限公司，山西呂梁 033400）

0 引言

白灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)分為冷卻器、回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器、尾氣處理系統(tǒng)和煤氣燃燒系統(tǒng)。整個系統(tǒng)從窯頭蓄熱燃燒器開始到煙筒，順序是：窯頭蓄熱燃燒器、窯頭罩與冷卻器、回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器、廢氣管道、電除塵器、窯尾引風(fēng)機、煙囪。這些設(shè)備緊密聯(lián)系在一起，由密封裝置連接，形成一個巨大且密閉的聯(lián)通器，煤氣、空氣通過管道同時進入燃燒器，煤氣和空氣噴出燃燒器時均勻混合燃燒，煙氣經(jīng)過窯內(nèi)、預(yù)熱器、廢氣管道、電除塵器、窯尾引風(fēng)機，最后排出煙囪。

整個系統(tǒng)以負壓操作，如果窯內(nèi)煤氣燃燒不充分，就會有多余的CO 氣體進入電除塵器內(nèi)。由于電除塵器的截面積要比系統(tǒng)管道大的多，帶有CO 的煙氣在電除塵器內(nèi)的流速只有0.6 m/s 左右，如果電除塵器有火花放電現(xiàn)象存在，電除塵器就會存在爆炸的危險。假如煙氣不經(jīng)過電除塵器直接排空，也會存在管道內(nèi)形成CO 的二次燃燒，管道會被燒紅，窯尾溫度持續(xù)升高，預(yù)熱器內(nèi)溫度升高而出現(xiàn)結(jié)料現(xiàn)象。因此，在操作上特別關(guān)注窯尾的溫度變化，窯尾的溫度過高不僅浪費了熱能，更危險的是存在安全隱患。

煤氣的使用配比是回轉(zhuǎn)窯焙燒操作的關(guān)鍵點，尤其對高爐煤氣的配比，絕不是無限制的加入，更不能隨心所欲，需要適量的搭配。高爐煤氣燃燒的速度慢、燃燒火焰長，僅有不足25%左右的燃燒成分（CO），有70%以上不燃燒成分（N2、CO2等），而焦爐煤氣的燃燒成分就有90%以上，燃燒速度快，火焰集中且較短。當這二種煤氣以1∶1 的比例進行配比時混合燃燒效率良好，而且混合煤氣的比熱值為符合設(shè)計要求的2350 kcal。如果把高爐煤氣和焦爐煤氣的比例按2∶1 混合燃燒，因為其熱值只有1789 kcal，無法達到生產(chǎn)工藝的最高要求，而且石灰石還沒有徹底溶解，導(dǎo)致生燒量過大，而且窯尾溫度超高，電除塵的進口氣溫也過高，尾氣中的CO 濃度嚴重超標，由于尾氣攜帶著巨大的熱能，所以白灰的品質(zhì)也無法提高。而如果把高爐煤氣和焦爐煤氣的比例按1.5∶1 混合燃燒，那么其熱值能達到2020 kcal，可以組織生產(chǎn)操作，對產(chǎn)量質(zhì)量的影響不大。

1 高爐煤氣特性的理論分析

1.1 高爐煤氣的成分及發(fā)熱量

高爐煤氣的主要可燃成份為CO 和極少量的H2，其他的主要成份則是放射性物質(zhì)N2和CO2，同其它的動力燃氣一樣也是一類極低熱值燃氣。高爐煤氣的具體成分指標見表1。

表1 高爐煤氣各成分體積分數(shù)

按照CO 和H2的低位發(fā)熱量可以測算出高爐煙氣的低位發(fā)熱量，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 CO、H2 低位發(fā)熱量及高爐煤氣低位發(fā)熱量 kJ/Nm3

通常情況下，理論引燃環(huán)境溫度隨著燃氣中低位發(fā)熱量的增加而提高。高爐煤氣的理論燃燒溫度比高發(fā)熱量的普通燃氣低得多，各種燃氣的理論燃燒溫度見表3。

表3 各種燃料理論燃燒溫度對比 ℃

對以上表格數(shù)據(jù)進行比較，可以看出高爐煤氣的理論點燃溫度僅有1300 ℃，并且燃用高爐煤氣后所形成的火焰放射效能也較低，僅通過煙氣中的三原子分子氣體（CO2、NO2、SO2、H2S）傳遞輻射熱，所以高爐煤氣理論點燃后所形成的煙氣對自身的放射效能較弱，傳熱能力下降60%。

1.2 高爐煤氣燃燒煙氣量

摻燒的高爐煤氣煙塵數(shù)量也會增多，在同等供熱負荷情況下，高爐煤氣燃燒所產(chǎn)生的煙塵數(shù)量比其他燃料燃燒所產(chǎn)生的煙塵數(shù)量多出約30%～60%。燃用高溫?zé)煔鈺r生成的煙霧數(shù)增多，煙氣的總流量增加，但同時排煙損失也很大。

2 摻燒高爐煤氣對回轉(zhuǎn)窯性能的影響

2.1 對爐膛內(nèi)燃燒特性的影響

（1）回轉(zhuǎn)窯中摻燒高爐煤氣時，由于高爐煤氣的低點發(fā)熱量很低（2763～3592 kJ/m3），而焦爐煤氣的低點發(fā)熱量大約為16 700 kJ/m3，所以在爐膛出口中的理論上燃煤溫度必然降低，從而造成了焦爐煤氣燃燒的穩(wěn)定性變差。

（2）摻燒了高爐煤氣后，由于送入爐膛出口內(nèi)的吸熱性介質(zhì)增加，煙氣的熱容量增加，火焰中的高溫水平降低，火焰中心位置前移，從而導(dǎo)致在爐膛出口內(nèi)的時間減少，就會導(dǎo)致煤的不充分燃燒。

（3）摻燒高爐煤氣后，由于爐膛出口內(nèi)煙量增大，爐膛出口內(nèi)的煙氣流量增大，也導(dǎo)致了煤氣的不充分燃燒。

（4）摻燒高爐煤氣后，在高溫?zé)煔庵挟a(chǎn)生的N2等大量的放射性氣體妨礙了可燃成分和空氣的充分混合，從而降低了引起爆炸反應(yīng)的氣體原子之間產(chǎn)生撞擊的概率，造成燃燒不平衡、不充分。

可見，通過摻燒高爐煤氣，若不增加爐膛出口的溫度水平，則高爐煤氣的最高摻燒率必須在25%以內(nèi)。高爐煤氣燃料中，占有較大比例的N2等雙分子氣體并不具有放射能。同時，由于高爐煤氣爆炸后產(chǎn)生的煙霧中三原子分子氣體大部分為CO2和少量的H2O，CO2的放射能要小于H2O，所以在摻燒高爐煤氣之后，由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰放射能降低，更多的熱量流入了窯尾、加熱器和煙氣口。因此在配入高爐煤氣后，爐膛與出口內(nèi)的熱交換能力減少了，使回轉(zhuǎn)窯的后期溫度升高、窯尾溫度升高、預(yù)熱器進口的溫度升高、預(yù)熱器塔頂?shù)臏囟壬摺㈩A(yù)熱器出口的溫度升高。因而排煙溫度的增加，排煙熱量損失也增大。

2.2 對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒特性的影響

高溫?zé)煔庵写蟛糠值姆派湫詮U氣、N2、CO2等在點燃時并不參加燃燒反應(yīng)，相反還吸入了大部分可燃性氣體在燃燒過程中所放出的熱能，從而導(dǎo)致高爐煤氣的理論自燃溫度偏低。盡管由于高爐煤氣為氣體燃料，理論自燃溫度要遠遠小于焦爐煤氣（1880～2140 ℃），但是高爐煤氣中存在的大部分惰性廢氣會阻止火苗傳遞，使火苗的傳遞速度變慢（比如層流火苗傳遞速度僅為0.3～1.2 m/s），所以，為了進一步提高理論自燃的穩(wěn)定程度，就需要增加理論自燃溫度。高爐煤氣中基本不包含灰份，點燃時火苗中基本上不產(chǎn)生放射能力，因為只有在點燃時產(chǎn)生的煙霧中的三原子分子氣體燃燒才具備放射能力，而高爐煤氣中大部分的N2不具有放射能力，故回轉(zhuǎn)窯爐膛中的煙氣放射傳熱能力相對低下。

2.3 對窯尾溫度和廢氣溫度的影響

對流受熱表面的污染系數(shù)也很低，只有0.004 3。當排煙流量為10 m/s 時，污染系數(shù)約為0.019。由此可見，在點燃高爐煤氣之后，由于對流受熱面上的熱量有效系數(shù)增加，從而導(dǎo)致了對流受熱面上的吸熱能增加。

高溫?zé)煔庵写嬖谥罅康姆派湫詮U氣，因此產(chǎn)生相同燃燒能力的高爐煤氣產(chǎn)生的煙塵總量要超過燃燒焦爐煤氣時產(chǎn)生的煙塵總量，流經(jīng)對流受熱面上的煙塵數(shù)量增加，煙塵流量也增大，從而導(dǎo)致氣體對流傳熱量的傳熱系數(shù)變化較大，氣體通過對流吸收的熱能增加。吸收對流受熱面上熱量的過熱蒸汽溫度增加，排煙熱損失溫度也增加，因此鍋爐排煙熱損失增大。

為了確保窯頭負壓而不造成回火現(xiàn)象，就必須加大窯尾風(fēng)機的抽吸力。與此同時，窯內(nèi)的氣流速度相應(yīng)增加，熱損失也增加。

2.4 改進措施—增加煤氣預(yù)熱和空氣預(yù)熱裝置

因為高爐煤氣的理論點燃溫度比其他煤氣低，引燃高溫只有1150 ℃。所以利用點燃后的高溫?zé)煔?，使空氣和煤氣加熱來提升理論點燃溫度，是切實有效且節(jié)能的措施。助燃空氣溫度每提升100 ℃，高爐煤氣的理論點燃溫度可提升40 ℃；而高爐煤氣的入爐溫度每提髙100 ℃，高爐煤氣的點燃溫度可提升60 ℃。使用新型高效節(jié)能的煤氣預(yù)熱器，既可使空氣和煤氣分別加熱到200～300 ℃，又可將高爐煤氣的理論點燃高溫提升到1400 ℃。加裝煤氣空氣預(yù)熱器一方面，能夠更進一步減小排煙熱量損失溫度，從而改善了焙燒效果。另一方面也能夠增加進爐力量，進而增加了燃燒溫度，增加了火苗的輻射能力，從而改進了高溫?zé)煔獾闹鸷腿急M條件。這樣，在高爐煤氣、助燃風(fēng)溫度的同時每增加10 ℃，理論上燃燒溫度即可增加5 ℃。

目前回轉(zhuǎn)窯安裝了高爐煤氣預(yù)熱器，但是在運行了幾個月后，出現(xiàn)了煤氣換熱片嚴重磨損開孔的問題，通過多次原因分析，最終得出了結(jié)論：該煤氣預(yù)熱器安裝在電除塵器進口的位置不合理，應(yīng)該設(shè)計安裝在電除塵器的出口比較合理。因為高溫氣流中含有顆粒粉塵，首先通過除塵器的除塵凈化，然后進入煤氣預(yù)熱器后不會造成對換熱片的嚴重磨損，可以延長煤氣預(yù)熱器的使用壽命，實現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)約成本，有效提高設(shè)備的運行率。

2.5 煅燒石灰用回轉(zhuǎn)窯的熱平衡計算（表4）

表4 熱平衡

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析，結(jié)合回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝要求，回轉(zhuǎn)窯使用焦爐煤氣與高爐煤氣混合氣體來焙燒石灰，其最佳效果就是兩種煤氣按照各占50%的流量配比進行混合，焦爐煤氣流量穩(wěn)定在6000～6500 m3/h；高爐煤氣流量穩(wěn)定在6500～8000 m3/h，可以滿足生產(chǎn)的需求。但由于整體焦爐煤氣量的不足，因此當焦爐煤氣的流量控制到6000 m3/h 以下，高爐煤氣流量搭配在6500～8000 m3/h 時，其混合煤氣的熱值小于2000 kcal/m3，所燒成的白灰質(zhì)量不穩(wěn)定，生燒率超標，白灰產(chǎn)量就會趨于下降。由此，需要嚴格控制兩種煤氣混合比例，確?；旌厦簹獾陌l(fā)熱值大于2000 kcal/m3，助燃風(fēng)的過剩系數(shù)控制在1.1～1.2 之間，將煤氣達到完全燃燒程度，為回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的穩(wěn)定運行、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)創(chuàng)造充分的條件。