電石生產(chǎn)過程中石灰窯尾氣余熱利用工藝

魏建東，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山 753202）

電石生產(chǎn)以白灰和碳素為主要原料， 通常密閉電石爐都配套氣燒石灰窯裝置， 采用密閉電石爐氣煅燒石灰石生產(chǎn)白灰，石灰窯排放尾氣溫度較高，排放量較大，造成電石生產(chǎn)過程能源消耗高，單位產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度增加。 2022 年國(guó)家發(fā)改委等部門印發(fā)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》， 其中《電石行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》中， 將回收石灰窯廢氣余熱用于炭材烘干裝置熱源作為節(jié)能降碳技術(shù)進(jìn)行推廣。 英力特化工對(duì)電石生產(chǎn)過程的余熱利用進(jìn)行研究， 建設(shè)石灰窯尾氣用于蘭炭烘干的技術(shù)改造項(xiàng)目，起到較好的節(jié)能降碳作用。

1 密閉電石爐氣的產(chǎn)生及處理

1.1 密閉電石爐氣的產(chǎn)生

氣燒石灰窯采用密閉電石爐氣作為熱源， 在密閉電石爐中，爐氣通過以下主要反應(yīng)產(chǎn)生：

根據(jù)反應(yīng)式估算， 生產(chǎn)1 t 電石的同時(shí)約產(chǎn)生450 m3的爐氣，爐氣中含有大量的CO 和少量H2，據(jù)在線儀器檢測(cè)其熱值高達(dá)11 088 kJ/m3， 每萬立方米爐氣折標(biāo)準(zhǔn)煤3.798 t。 由于電石爐氣出口溫度高達(dá)700℃左右， 爐氣中夾帶的粉塵含量為50～150g/m3，粉塵粒徑細(xì)小、黏性高，因此電石爐氣不能直接用于后續(xù)工序，還需要進(jìn)行凈化處理。

1.2 電石爐氣的凈化預(yù)處理

來自密閉電石爐的高溫爐氣先進(jìn)入沉降器，除去帶有火星的大顆粒塵粒及部分焦油， 再依次進(jìn)入冷卻器和回轉(zhuǎn)脈沖袋式除塵器， 凈化后的爐氣粉塵含量≤10 mg/m3。 電石爐氣凈化工藝要求經(jīng)空氣冷卻器冷卻后爐氣溫度為225～280 ℃， 過低則焦油冷凝析出堵塞濾袋，過高則容易燒毀濾袋。在系統(tǒng)中設(shè)置干式氣柜，以保持氣源穩(wěn)定，爐氣輸送動(dòng)力來源于離心風(fēng)機(jī)，凈化的爐氣增壓后送往用戶，凈化后的爐氣組成見表1。

表1 密閉電石爐爐氣組成

2 電石爐氣的利用現(xiàn)狀

英力特化工兩臺(tái)3 萬kVA 電石爐產(chǎn)量約360 t/d，副產(chǎn)爐氣量以450 m3/t 計(jì)， 爐氣量為162 000 m3/d，折合6 750 m3/h，爐氣主要作為石灰窯煅燒和蘭炭烘干熱源使用。 兩臺(tái)3 萬kVA 電石爐配套雙套筒石灰窯，設(shè)計(jì)白灰產(chǎn)能300 t/d，設(shè)計(jì)熱耗4 180 kJ/kg，需要爐氣量113 208 m3/d，折合4 717 m3/h；蘭炭烘干裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10 t/h，使用爐氣量210 m3/h。

3 電石爐氣用于石灰窯煅燒流程及尾氣性質(zhì)

常見的石灰石煅燒設(shè)備有回轉(zhuǎn)窯、雙膛窯、雙梁窯和套筒窯等多種，英力特化工采用300 t/d 的雙套筒石灰窯作為3 萬kVA 電石爐配套設(shè)施，將石灰石煅燒成石灰后作為電石生產(chǎn)原料。

3.1 石灰石煅燒工藝原理

石灰石中所含CaCO3在一定的溫度開始分解，一直進(jìn)行到系統(tǒng)中產(chǎn)生的CO2分壓和CaCO3分解壓力相等為止，即達(dá)到了化學(xué)平衡，化學(xué)平衡僅僅是正向反應(yīng)等于逆向反應(yīng)的結(jié)果。溫度低于600 ℃時(shí)，石灰石幾乎不分解；當(dāng)溫度高過600 ℃開始分解，但此時(shí)CO2的分壓很低，分解速度很慢；溫度繼續(xù)升高，CO2的分壓逐漸增大，溫度達(dá)到898 ℃時(shí)，CO2的分壓為大氣壓時(shí)，分解速度顯著提高[1]。

3.2 石灰石煅燒流程

石灰石通過單斗卷?yè)P(yáng)提升機(jī)運(yùn)至石灰窯頂，經(jīng)密封裝置和料斗裝置后進(jìn)入環(huán)形套筒內(nèi)。 密封裝置可防止外界空氣進(jìn)入影響石灰窯的負(fù)壓操作， 環(huán)形套筒窯是由外殼、內(nèi)部耐火墻和與其同心布置的上、下內(nèi)筒組成，石灰石從窯頂部的進(jìn)料口進(jìn)入后逐漸向下運(yùn)動(dòng)， 與向上流動(dòng)的高溫氣體逆流充分換熱進(jìn)行預(yù)熱和煅燒。 套筒石灰窯內(nèi)部被上下內(nèi)筒分為3 個(gè)區(qū)域，即預(yù)熱區(qū)、煅燒區(qū)和冷卻區(qū)。

（1）在預(yù)熱區(qū)石灰石與高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流換熱，石灰石溫度上升至分解溫度。在預(yù)熱區(qū)的末端，石灰石通過吸收高溫?zé)煔鉄崃块_始分解過程。

（2）在煅燒區(qū)，高溫?zé)煔獾拇蟛糠譄崃坑糜贑aCO3的吸熱反應(yīng)，在煅燒區(qū)中發(fā)生的化學(xué)主反應(yīng)式如下：

CaCO3→CaO+CO2↑

（3）在冷卻區(qū)，來自石灰窯底部依靠負(fù)壓吸入大量空氣作為冷卻風(fēng)， 將煅燒后的石灰在出窯前進(jìn)行冷卻， 經(jīng)過換熱溫度升高后的冷卻風(fēng)作為助燃風(fēng)去燃燒室，回收石灰?guī)ё叩臒崃?，并防止窯內(nèi)過燒，有助于提高石灰的活性，最終尾氣經(jīng)煙囪排出[2]。

3.3 石灰窯尾氣性質(zhì)

燃燒后的煙氣摻雜其他用途空氣后在窯頂分成兩部分：2/3 的氣體在預(yù)熱帶預(yù)熱石灰石后進(jìn)入窯頂環(huán)形煙道，再進(jìn)入廢氣風(fēng)機(jī)，1/3 的氣體進(jìn)入到換熱器預(yù)熱驅(qū)動(dòng)空氣后，進(jìn)入廢氣管道，窯內(nèi)所有的廢氣都經(jīng)廢氣風(fēng)機(jī)引出， 進(jìn)入廢氣風(fēng)機(jī)的溫度為230～240 ℃，然后經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥混入冷風(fēng)降溫至160 ℃以下進(jìn)入布袋除塵器凈化，除塵凈化后的尾氣排空。石灰窯尾氣經(jīng)在線儀表分析，其指標(biāo)見表2。

表2 石灰窯尾氣指標(biāo)表

石灰窯尾氣中煙塵、二氧化硫、氮氧化物含量低，相對(duì)濕度低于寧夏地區(qū)平均濕度，煙氣排放量較大，排放溫度較高，直接排放造成熱量損失大，而入廠蘭炭水分較高，電石爐入爐蘭炭要求含水＜1%，因此需要對(duì)利用高溫石灰窯尾氣烘干蘭炭技術(shù)進(jìn)行研究。

4 蘭炭烘干工藝核算

4.1 蘭炭烘干工作原理

蘭炭烘干原理是爐氣燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟稍锲髋c蘭炭接觸將蘭炭中的水分帶出， 高溫?zé)煔庥珊娓筛G下部進(jìn)入，在引風(fēng)機(jī)抽吸作用下向上流動(dòng)，窯內(nèi)的含水炭材在導(dǎo)流管的作用下向下運(yùn)動(dòng)， 通過烘干窯的預(yù)熱帶后流入熱交換裝置， 在其下滑運(yùn)動(dòng)過程中與逆流運(yùn)行的高溫?zé)煔膺M(jìn)行傳質(zhì)傳熱， 水分在濃度梯度的作用下， 從炭材內(nèi)部向表面再向環(huán)境中擴(kuò)散， 擴(kuò)散至環(huán)境中的水蒸氣在煙氣壓差作用下向上運(yùn)動(dòng)排出烘干窯[3]。

4.2 蘭炭烘干流程

英力特化工采用立式靜態(tài)烘干技術(shù)對(duì)濕蘭炭進(jìn)行干燥，烘干過程使用低溫烘干技術(shù)，避免出烘干窯的蘭炭帶火星。 鏟車將地面濕蘭炭鏟入受料倉(cāng)，通過受料倉(cāng)下振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，篩分后粒徑小于5 mm 的小顆粒料由粉末提升機(jī)輸送至炭粉倉(cāng)內(nèi)定期運(yùn)出。 粒徑大于5 mm 的大顆粒料由上料大傾角皮帶輸送機(jī)運(yùn)送至立式烘干窯頂部進(jìn)入烘干窯，在布料器、分料錐作用下將蘭炭分散形成環(huán)形蘭炭層，烘干窯進(jìn)料倉(cāng)的外壁與進(jìn)料倉(cāng)分料錐之間設(shè)置8 個(gè)烘干料倉(cāng)， 物料被均勻的分布在圓環(huán)形的料層中，高溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī)抽吸透過環(huán)形蘭炭層進(jìn)行烘干，將蘭炭中的水分帶出，通過對(duì)應(yīng)的8 個(gè)液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)使推桿周期性地動(dòng)作將烘干后的物料卸出， 上部蘭炭在重力的作用下向下蠕動(dòng)逐漸烘干。卸料區(qū)控制物料溫度＞70 ℃，保證物料水分達(dá)到要求。

通常濕蘭炭烘干所需的熱量由電石爐氣燃燒供給，電石爐氣從氣柜經(jīng)壓縮機(jī)送至蘭炭烘干工序，爐氣進(jìn)入燃燒室，鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)燃燒后溫度控制在450～600 ℃，出燃燒室后的高溫?zé)煔庥梢L(fēng)機(jī)抽吸，經(jīng)負(fù)壓閥配風(fēng)后溫度降至180～220 ℃進(jìn)入立式烘干窯，煙氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入烘干窯內(nèi)部時(shí)， 在氣流導(dǎo)流板和負(fù)壓抽吸作用下穿過物料， 與物料實(shí)現(xiàn)一次熱交換進(jìn)入烘干窯內(nèi)倉(cāng)中。煙氣由于壓差作用向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)再次穿透物料到烘干窯的外倉(cāng)中， 烘干窯出風(fēng)節(jié)的外倉(cāng)與出風(fēng)系統(tǒng)直接相連， 此時(shí)干燥后的煙氣會(huì)直接通過出風(fēng)口進(jìn)入袋式除塵系統(tǒng)凈化， 通過煙囪排放至大氣中。為防止過熱煙氣對(duì)除塵濾袋的損害，在進(jìn)入除塵器前，設(shè)置配冷風(fēng)閥，通過系統(tǒng)負(fù)壓吸入低溫空氣，控制進(jìn)除塵溫度＜60 ℃。

4.3 蘭炭烘干用熱量及用風(fēng)量核算

英力特化工生產(chǎn)電石所用的蘭炭大多采購(gòu)自陜北地區(qū)， 與用戶單位距離較遠(yuǎn)， 入廠水分含量為19%左右， 密閉電石爐要求蘭炭入爐水分指標(biāo)控制在1%以下，因此需要進(jìn)行干燥處理，烘干后蘭炭平均水分含量為0.7%，進(jìn)烘干窯的煙氣溫度200 ℃，干燥后尾氣溫度控制在60～120 ℃（120 ℃時(shí)飽和水蒸氣焓值為2 707 kJ/kg）。烘干蘭炭爐氣用量為210 m3/h，放出熱量為2 328 396 kJ。

4.3.1 烘干配風(fēng)量核算

寧夏地區(qū)平均氣溫10 ℃， 將空氣由10 ℃升溫至200 ℃，空氣定壓比熱容以1.004 kJ/（kg·K）計(jì)，可加熱的空氣質(zhì)量12 212 kg/h。

4.3.2 烘干用空氣量核算

爐氣中氫氣燃燒產(chǎn)生水量為210×0.12÷22.4×18=20（kg/h）；烘干時(shí)將蘭炭水分由10%降至0.7%，帶出蘭炭中的水分=10×1 000÷（1-10%）×（10%-0.7%）=1 033（kg/h），產(chǎn)生的總水分量為1 053 kg/h。

干燥后控制尾氣中水分相對(duì)濕度小于70%，尾氣進(jìn)除塵器溫度60 ℃， 查表得知，60 ℃時(shí)空氣飽和濕含量為152 g/kg， 實(shí)際濕含量為152×70%=106.4 （g/kg）。

如烘干干基空氣用量為L(zhǎng)， 寧夏地區(qū)平均溫度為10 ℃，平均相對(duì)濕度45%，查表得知，空氣10 ℃飽和濕含量為7.733 g/kg。根據(jù)通過干燥器的濕空氣中干基空氣的質(zhì)量不變可得：

LH1+W3=LH2

式中：L—干空氣用量，kg/h；

H1—進(jìn)干燥器空氣含水量，kg/kg；

H2—出干燥器空氣含水量，kg/kg；

H1—7.733×0.45=3.48（g/kg）；

H2—152×0.7=106.4（g/kg）；

W3—1 053 kg/h。

則L=W3/（H2-H1）=1 053/（0.106 4-0.003 48）=10 231（kg/h）。

計(jì)算得干基空氣用量10 231 kg/h， 則配風(fēng)后加熱空氣量滿足烘干空氣用量需求， 實(shí)際烘干過程為采用低溫干燥技術(shù)，在進(jìn)烘干窯之前，通過負(fù)壓抽吸方式，在高溫?zé)煔庵谢烊氪罅靠諝?，使煙氣溫度降?00 ℃后與蘭炭接觸。

5 電石爐配套蘭炭烘干裝置用石灰窯尾氣量核算

300 t/d 雙套筒石灰窯使用爐氣量為4 514 m3/h，排放尾氣量為61 252 m3/h， 爐氣中氫氣燃燒產(chǎn)生水分為4 514×0.12÷22.4×18=435（kg/h）。爐氣燃燒配風(fēng)比為1.9， 需要的助燃空氣量為4 514×1.9=8 577 （m3/h），其余風(fēng)量為驅(qū)動(dòng)風(fēng)和冷卻風(fēng)。 石灰窯烘干過程使用空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爐氣量， 因此可將石灰窯尾氣以空氣計(jì)算其熱值。

蘭炭烘干需用熱量為2 328 396 kJ，石灰窯尾氣主要為空氣，將165 ℃的尾氣降溫至60 ℃，可用的尾氣量為22 097 kg/h。

石灰窯尾氣溫度較低， 將其用作蘭炭烘干用量高于蘭炭烘干窯煙氣加熱空氣量， 石灰窯尾氣排放量遠(yuǎn)大于可利用量， 因此有足夠的石灰窯尾氣用于余熱利用。

6 石灰窯尾氣烘干蘭炭的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)同行業(yè)對(duì)電石生產(chǎn)過程的余熱都進(jìn)行了大量的研究。內(nèi)蒙君正化工發(fā)明“一種石灰窯尾氣余熱利用系統(tǒng)CN217979866U”和“一種利用石灰窯尾氣的碳材烘干系統(tǒng)CN217979868U”專利，這兩項(xiàng)發(fā)明專利都是將石灰窯的煙氣經(jīng)布袋除塵器凈化后進(jìn)入碳材烘干的預(yù)熱箱；內(nèi)蒙宜化發(fā)明“一種電石生產(chǎn)用炭材烘干系統(tǒng)CN215724949U”和“利用沸騰爐和石灰窯尾氣進(jìn)行炭材烘干的系統(tǒng)CN217330465U”專利， 這兩項(xiàng)發(fā)明專利將石灰窯尾氣和沸騰爐的出氣經(jīng)混風(fēng)器后進(jìn)入立式烘干機(jī)，另外“一種新型炭材烘干裝置CN108106403A”專利，將石灰窯尾氣通過袋式除塵器后通過風(fēng)機(jī)加壓送入豎式烘干塔， 利用石灰窯尾氣烘干蘭炭，減少?gòu)U氣排放；烏海中聯(lián)化工發(fā)明“一種石灰窯尾氣綜合利用余熱烘干蘭炭系統(tǒng)裝置CN213984480U”專利，該發(fā)明通過設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，在任意一臺(tái)石灰窯檢修或低負(fù)荷時(shí)，可將其他石灰窯管線中的部分尾氣通過互通備用集流管輸送到對(duì)應(yīng)烘干機(jī)中補(bǔ)充熱源， 通過第二管道通入的熱量能夠進(jìn)入中空腔的內(nèi)部， 從而能夠?qū)?chǔ)料殼體的內(nèi)部物料進(jìn)行預(yù)熱；烏海中聯(lián)化工發(fā)明“一種石灰窯尾氣余熱高效烘干蘭炭濕料系統(tǒng)CN212457975U”專利充分利用了石灰窯尾氣余熱預(yù)熱和來自沸騰爐的熱量，提高熱量利用率，同時(shí)沸騰爐所需燃燒的溫度降低，進(jìn)而減少了燃煤量，降低了成本，烘干筒內(nèi)烘干蘭炭后產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過除塵器處理后再被煙囪排出，避免了粉塵污染環(huán)境。通過對(duì)行業(yè)內(nèi)幾家電石生產(chǎn)單位配套石灰窯尾氣利用研究情況進(jìn)行分析，石灰窯尾氣用于蘭炭烘干是完全可行的， 可替代用于蘭炭烘干的電石爐氣， 通過余熱利用方式降低能源消耗。

7 技改措施及效果分析

將高溫石灰窯尾氣經(jīng)過袋式除塵器處理后，由加壓風(fēng)機(jī)送至立式蘭炭烘干原熱煙氣入口處， 經(jīng)負(fù)壓吸入部分空氣調(diào)整煙氣溫度后， 進(jìn)入立式蘭炭烘干窯與蘭炭進(jìn)行傳質(zhì)傳熱， 控制烘干段溫度恒定在（175±25）℃，溫度降至60 ℃后，經(jīng)袋式除塵器處理后排空。

實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)改造后， 將原蘭炭烘干使用的爐氣量210 m3/h 完全替代， 電石爐氣熱值折標(biāo)系數(shù)為1 萬m3折標(biāo)準(zhǔn)煤3.798 t， 全年可減少能源消費(fèi)量638 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放量2 340 t。 石灰窯尾氣中二氧化碳含量高， 可將烘干過程產(chǎn)生的蘭炭粉末火星熄滅，并可對(duì)烘干后的蘭炭進(jìn)行降溫冷卻，蘭炭吸附惰性氣體后可避免出窯后與空氣燃燒，另外控制冷卻溫差較小可避免蘭炭破裂。

8 結(jié)語

雖然有約37%的石灰窯尾氣通過余熱利用方式得到利用，但大部分高溫石灰窯尾氣仍被排放，能源損失較多，需要繼續(xù)研究石灰窯尾氣利用途徑。另外石灰窯尾氣替代電石爐氣烘干蘭炭， 將電石爐氣置換出可用于其他用途，該技改項(xiàng)目投產(chǎn)后，電石爐氣只用于石灰窯煅燒， 富余大量的爐氣資源需要繼續(xù)研究利用途徑。

《電石行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》中要求對(duì)電石爐氣進(jìn)行資源綜合利用， 電石爐氣主成分為CO，采用化學(xué)合成法制乙二醇、甲醇等技術(shù)工藝，推動(dòng)電石爐氣資源綜合利用改造是節(jié)能降碳的工作方向的關(guān)鍵技術(shù)。 近年來， 中國(guó)電石行業(yè)發(fā)展速度較快，至2022 年底，國(guó)內(nèi)電石有效產(chǎn)能為3 920 萬t/a，約占世界總產(chǎn)能的95%。 電石生產(chǎn)過程副產(chǎn)的電石爐氣是一種寶貴的資源。 為提高電石爐氣的利用價(jià)值， 研究將電石爐氣中的CO 轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)品的新工藝方法，利用電石爐氣生產(chǎn)乙二醇、乙醇、高熔點(diǎn)費(fèi)托蠟、高碳醇、低碳醇等多碳產(chǎn)品，對(duì)于企業(yè)延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈、提高資源利用率都有重要意義，既可節(jié)約能源資源，又可減少大量的CO2排放，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的協(xié)同發(fā)展。