解密燃煤混烧石灰窑超低耗能（燃煤比）的热工原理及操作要点

                                                                    推荐：北方炉窑协会

                    一、石灰竖窑的热工原理：

    石灰竖窑采用逆流预热煅烧原理，石灰在窑内的热工过程是在窑内自上而下经过三个区域：预热区、煅烧区、冷却区，助燃空气自下而上与物料逆向运动，在上述区域内做不同的热工过程，助燃空气在窑底进入，首先与下降到冷却段已煅烧好的石灰进行预热，在预热的同时完成冷却，经过热交换预热后的热空气进入煅烧区，在煅烧区提高煅烧温度完成助燃作用，由煅烧区流出的含有CO2成分的高温气流进入预热区，高温气流与进入窑内的石料和燃料再次进行热交换，在热交换的同时降低了自身的温度，减少了出窑废气带出的热能，这种逆流热交换方式的合理性显而易见，是其它窑型所不能比拟的。

                            二、石灰窑的煅烧理论：

  石灰的煅烧就是借助高温将碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳，其反应式如下：

     CaCO3→CaO﹢CO2—177.6KJ

CaCO₃的分解压力与分解温度、速度的关系：CaCO₃的分解过程是一个吸热、多相反应，它的平衡常数表达式为：    CaCO₃(s)＝ CaO(s) ＋CO₂(g)

其平衡常数为：　Kp＝P_CO2/P  （1）

　式中P—标准大气压。

因此，CaCO₃的分解温度就是其分解压（P_CO2）等于气相中CO₂分压（P_CO2）时的分解温度。用化学反应等温方程式表示如下：

　△G=－RTlnK_p+RTLnQ_P=RTlnQ_P/Kp  （2）

　式中Q_P—非平衡时的比例常数。

　只有Q_P＜K_p，△G＜0时，分解反应才能自动进行。据此创造条件来满足石灰石的煅烧气氛：

（1）减少产物[WTBZ]CO₂气体的压力，即采用风机不断抽出窑气混合物，从而使Q_P降低。

（2）提高温度，增大K_p。

　根据CaCO₃的分解反应，CaCO₃的分解压P_CO2与分解温度T的关系可用热化学方程式表示如下：

　lgP_CO2＝－8920/T+7.54  (3)

　式中T—分解温度，K。

　此方程可知，CaCO₃在一定温度下要对应一定的分解压，并随着温度的升高而升高，而且升高的速率相当快，因此升高温度是加速CaCO₃化合物分解的有效措施。

在实际生产中，石灰在窑炉内煅烧并不是理想状态下，石灰石表层在810～850℃开始分解，而内层由于分解表层CaO的气孔中充满分解析出的CO₂，石灰石内层的CO₂分压比窑气中高，分解温度也相应要高。因此可通过引风机不断抽出窑气，采取负压操作，加快CaCO₃的分解速度，可缩短石灰石在窑内烧成带的停留时间。

                      三、石灰竖窑煅烧石灰需要的热能：

   根据上述煅烧原理计算，分解1kg石料需要1776KJ热量，当采用热值为2.9X10⁴KJ/kg的焦炭作为燃料时，理论上分解1000kg石灰需要60kg焦炭，实际上，由于废气热损、窑壁散热、石灰带热、水分蒸发及燃料不完全燃烧等原因，所需燃料至少要增加8-12%，所以分解1000kg石灰至少需要70kg以上焦炭，折合成标煤70kgX0.971=67.97kg，如果按照生产一吨石灰需要分解1.8吨石料计算, 67.97kgX1.8=122.34kg标煤，所以，生产一吨石灰理论上需要标煤122.34kg。

                        四、竖窑热能的利用与节能措施：

      既然竖窑煅烧一吨石灰需要122kg标煤，那么在实际生产中有的窑型燃煤用量高达150-180kg，而有的窑型用煤却低于理论122kg用煤数据？为何有这么大区别？这个目标可以实现吗？我们可以从以下方面找到答案：

1、先进节能设备的选用：

    首先要选用先进节能的配套装备，通过生产实践得知：合理利用先进节能型的供料、配料、布料、供风、布风、出灰装置等设备是实现节能的主要措施，此项功能叙述可见：《解密新型混烧石灰竖窑高生产率和高效节能的有效措施》—协会调查九，此处不再详述。

2、石灰竖窑热能在生产操作中的有效利用：

   同样的装备如果操作方式及方法不同节能效果也不同，同样的装备配置，如何利用上述热工制度的特性，通过热工过程的优化操作来达到提高煅烧质量、降低煅烧耗能，是很有意义的，也是一个节能的有效途径。

  石灰在竖窑煅烧过程中，煅烧区进入预热区的初始温度一般在950°左右，煅煅烧区进入冷却区的温度也在900°—1000°范围内，那么，怎样利用这两个煅烧带的温度进行合理余热利用进行热交换？一般控制窑顶温及排灰温度的热损失是有效的节能降耗措施。

   据文献记载，石灰竖窑的热损失主要有以下5个方面组成：（1）、窑体的热损失占总热量的14%左右。（2）、窑气带出的热量占总热量的6-8%左右。（3）、石灰带出的热量占总热量的2-3%左右。（4）、燃料未完全燃烧占总热量的2-3%左右。（5）、蒸发物料的水分占总热量的0.2-0.3%左右。

   以上影响热能损失的5项中，第1项一般通过选择高性能的保温材料及增加窑壁耐材厚度可以减少一些热损失，此项是外在固定的，在生产中是不可调的，我们只有从后4项中通过生产操作进行调节来降低热能损耗，实现节能目的。

  经过我们调查发现，实际生产中的热能损耗是远高于相关理论数据的，据抽查对比，相同温度下，窑气带走热能及石灰带走热能损耗如下：

 窑顶温度 ℃           顶温热损                          灰温热损

          窑气带出热量MJ  占总热量的比例 %     石灰带出的热量MJ   占总热量的比例 %

300             498.59           16.82               265.52                9.76

250             406.72           12.87               215.32                6.45

150             238.12           7.66                127.72                3.98

 根据表中数据显示，石灰窑窑顶温度从300°降到150°就可以降低顶温热损9.16%，灰温热损降低5.78%，可见，在常规生产温度中，窑气带走的热能要比相同温度的石灰带走的热能大得多，如果从节能角度来讲，控制顶温的意义远大于控制灰温，但是节能需从多方面考虑，控制顶温与控制灰温同时考虑才是有效措施，运用唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司设计开发的“快烧快冷煅烧工艺的应用”、 “三动一静煅烧工艺的应用”、 “三段温控定位操作法调控技术应用”、 “电气仪表自动化、智能化控制技术的应用”等技术可以有效控制窑的顶温及灰温，经过对比分析，把顶温控制在140°以下，灰温控制在60°以下才能达到节能效果，在此基础上逐步追求更低的顶温及灰温，从而进一步提高石灰窑的热效率。

3、石灰窑富氧助燃的合理利用及窑气的调控：

    现代节能石灰窑与“土窑”的生产方式最大的区别就在于煅烧方式，“土窑”都是按照10-15天或更多天集中用人工把石料与燃煤分层装料，然后煅烧10-15天后集中用人工出料，“土窑”的生产方式，是典型的“闷烧”方式，生产过程中供风及供氧极不合理，所以烧出的石灰活性度只有200-250mI，煅烧每吨石灰的燃煤量在200-300kg范围内，而现代节能石灰竖窑生产方式采用的是“富氧动态煅烧”方式，从碳和氧的反应式得知，理论上燃烧1kg纯碳需要2.67kg氧气，相当于9m³空气（0℃，101.357Pa），如空气量供给不足，使碳燃烧不完全而产生过多的一氧化碳气体，2C﹢O2→2CO,此时，需要多消耗燃料，窑气中每增加1% CO相当于增加总燃料的6%，因此，在燃料燃烧时，为保证燃料的充分的燃烧，需要鼓入过量的空气，通常空气过量系数为1—1.1燃烧需要，空气的含氧量一般在21%，由于空气密度随气温升高而减小，夏季要比冬季鼓风量加大才能保证足够的O2，氧气直接参与燃烧，氧气的燃烧直接加快了升温时间，缩短了达到分解石灰石所需温度的时间，这样就可以提高产量并降低了燃料消耗。一般情况下，合理鼓风增氧助燃可以降低燃料用量5%以上。

    窑气O2的高低对窑况具有指导作用，O2来自于过剩的入窑空气，一般过剩系数为1.025，入窑空气与排出空气之比为2/3,则废气中的含氧量为2.5%x21%x2/3=0.35%,可见尾气中O2含量为0.3%-0.4%为最佳，小于0.2或大于0.5都是需要增加耗能的，需要及时调整处理。

    CO2主要来自CaCO3分解及C的燃烧，理论上前者占29.4%，后者占14.6%，合计达44%左右，但事实上因不完全燃烧、不完全分解及CO2还原等因素，尾气中CO2含量不可能这么高，一般尾气中CO2含量在40.5%-41.8%范围内，窑况比较理想，40%-42.3%时尚可接受，超过此范围应做进一步处理：

     CO2＞42.3%时通常原因是：煅烧带很低，此时是鼓风量过低造成的，入窑空气迅速参与燃烧生成CO2，许多大、中块石灰内部还未分解完毕就被卸出，造成CO2偏高。

    CO2＜40%时通常原因是:1、偏窑、结瘤，生、过烧都高。 2、煅烧带特高或特低，两头跑火。

CO主要来源于C的不完全燃烧及CO2还原，当鼓风量不足或煅烧带很低时以前者为主。当鼓风量很高，窑温很高、煅烧带很高时以后者为主，一般尾气中CO含量在0.9%-1.4%时窑况及节能效果比较好，一般生产操作范围在0.6%-1.8%.

   所以，以窑气为指导，实施反馈控制，达到窑况的动态管理也是节能及顺产的有效途径。

                     总         结

   通过以上的理念运用，我国的新型节能石灰混烧竖窑在节能利用方面已经超过了国外的同类窑型，我们通过对唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司设计承建的多座250m³及以上节能型环保石灰竖窑进行了实地考察论证，该公司对客户承诺的每生产一吨石灰用燃煤（标煤）不超过110-125kg的指标，我们在用户现场都得到了印证。

实践证明，混烧石灰竖窑实现节能的方法是可行的，是成熟的，可以达到节能的预期目的，国家“十二五”计划中明确规定石灰窑生产吨灰煤耗（标煤）高于150kg的窑型全部列为淘汰窑型，该技术的运用，对我国这样一个能源消耗大国来说，意义深远，是值得大力推广的。

  据悉：唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司、唐山金泉炉窑装备技术研究所设计建造的燃气型及燃煤型环保节能石灰窑适用于各种煤气、煤炭、焦炭、焦炭丁、水煤浆等燃料，窑容从80-560m³，单窑日产量从60-450吨。每烧一吨石料用煤炭65-75公斤，每烧一吨石灰用煤炭燃料110-125公斤。

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