孫茂林,于浩淼

(北京首鋼股份有限公司,河北 遷安 064404)

梁式石灰窯屬于豎窯的一種,它使用燃燒梁提供石灰石分解所需熱量,屬于典型的逆流煅燒石灰窯[1]。它使用燃燒梁提供石灰石分解所需熱量,屬于典型的逆流煅燒石灰窯[2],即在煅燒過程中物料運(yùn)動(dòng)方向與氣體流動(dòng)方向相反。石灰石吸熱分解過程化學(xué)方程式如下所示:

CaCO3(s)?CaO(s)+CO2(g)ΔHR=+178kJ/mol

(1)

在梁式窯中,石灰石在向下運(yùn)動(dòng)過程中依次經(jīng)過預(yù)熱區(qū)、煅燒區(qū)和冷卻區(qū),在預(yù)熱區(qū)內(nèi)石灰石顆粒被高溫?zé)煔忸A(yù)熱到分解溫度,在煅燒區(qū)內(nèi)石灰石顆粒分解為生石灰,隨后在冷卻區(qū)被冷卻到排料溫度排出窯外[3]。

CaCO3的分解速度對(duì)石灰生產(chǎn)有著重要意義,要確保石灰煅燒合理充分,就必須確保石灰受熱時(shí)間足夠長(zhǎng),且受熱均勻[4]。

某公司1-2#梁式白灰窯于2020年5月改為氣燒窯后,生產(chǎn)過程中存在窯內(nèi)頻繁蓬料及NOx超標(biāo)問題。若減少天然氣用量,生燒比例升高,影響白灰質(zhì)量;提高天然氣用量,則造成排放超標(biāo);上梁下方易出現(xiàn)嚴(yán)重蓬料,部分區(qū)域下料停滯,導(dǎo)致生產(chǎn)無法持續(xù)進(jìn)行,不得不停窯后在窯壁開孔人工處理結(jié)瘤。上述問題嚴(yán)重制約著白灰窯的生產(chǎn)順穩(wěn)。

近年來,國(guó)家提出了節(jié)能減排、降低能源消耗的戰(zhàn)略任務(wù),減少石灰窯能源浪費(fèi)和降低廢氣排放是我國(guó)石灰窯行業(yè)現(xiàn)在所面臨的重要課題[5]。為解決上述問題,對(duì)梁式白灰窯進(jìn)行煅燒技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)的工作就成了重中之重。

1 原因分析

下料量對(duì)熱平衡、流動(dòng)阻力、爐內(nèi)各帶分布均有影響,最終表現(xiàn)為爐況的全面變化。從反應(yīng)和傳熱角度而言,下料量的變化,主要引起反應(yīng)區(qū)域的改變[6]。使用離散單元法(DEM)對(duì)白灰窯內(nèi)物料下落過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬研究,通過對(duì)模擬結(jié)果的分析,得出了白灰窯內(nèi)物料下落規(guī)律。采用示蹤顆粒法處理模擬結(jié)果,在顆粒床的不同高度處添加不同顏色的示蹤粒子,通過觀察不同時(shí)刻示蹤粒子的位置分布得出示蹤粒子的基本運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖1、圖2所示)。不同位置示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以一定程度代表窯內(nèi)顆粒床的流動(dòng)狀況。

圖1 外部顆粒(靠近窯壁處)下落軌跡

圖2 內(nèi)部顆粒(窯體中心處)下落軌跡

從外側(cè)顆粒下落軌跡的兩視圖可以看出顆粒在無幾何結(jié)構(gòu)阻擋時(shí)基本呈現(xiàn)水平下落趨勢(shì),這是因?yàn)橥鈧?cè)顆粒受力基本相同其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也相同。內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)環(huán)境更復(fù)雜是我們主要關(guān)注對(duì)象,中心截面處內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

窯體中心部分示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡顯示出明顯的U型下落軌跡。這是因?yàn)楦G壁材料是粗糙的高爐磚,它與石灰石顆粒的摩擦系數(shù)大于顆粒之間的摩擦系數(shù),所以近壁面處的顆粒下落速度慢于中間處的顆粒。單位時(shí)間內(nèi)通過中間區(qū)域的石灰石顆粒較兩側(cè)多,這就使得窯體中心處石灰石完全煅燒所需的熱量大于外側(cè),燃燒梁中部燒嘴所需分配的煤氣量也要大于周邊燒嘴煤氣量。

通過圖3 可以看出,與工藝需求的窯中心較高溫度相反,實(shí)際的窯中心溫度是最低的。經(jīng)進(jìn)一步深入分析,導(dǎo)致這一問題的根本原因在于:燃燒梁助燃空氣不能同天然氣較好匹配,尤其是燃燒梁靠窯中心區(qū)域(助燃空氣到達(dá)該區(qū)域時(shí)量顯著減少,見圖4)更為突出,這是導(dǎo)致窯中心溫度偏低的根因。

圖3 熱電偶實(shí)測(cè)窯內(nèi)溫度場(chǎng)情況

圖4 燃燒梁結(jié)構(gòu)圖

而CaCO3分解是一個(gè)吸熱、多相反應(yīng)。CaCO3的分解隨著溫度的升高而加速,而且分解的速率相當(dāng)快,因此升溫是加速碳酸鈣分解的有效措施[7]。窯內(nèi)溫度場(chǎng)的狀況極大影響著CaCO3分解。

上述的燃燒梁是豎窯石灰窯的核心部分,分為兩層,梁內(nèi)有若干燃料管將燃料供給燒嘴,燒嘴分布在梁的兩側(cè),將燃料均勻地分布在窯的斷面上(一般為方形或矩形),保證了在整個(gè)豎窯斷面上均勻燃燒。雙梁窯采用了雙向壓力系統(tǒng),煅燒帶以下為正壓,煅燒帶以上為負(fù)壓。燃燒所需的二次空氣由鼓風(fēng)機(jī)通過分布梁進(jìn)入冷卻帶,使窯內(nèi)煅燒帶以下保持正壓;窯上部的廢氣通過廢氣引風(fēng)機(jī)抽出,使窯內(nèi)煅燒帶以上保持負(fù)壓[8]。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化一二次風(fēng)配比

嚴(yán)格控制一二次空氣比是石灰窯操作的關(guān)鍵技術(shù)[9]。進(jìn)行煙氣成分檢測(cè),優(yōu)化調(diào)整一二次風(fēng)配比,摸索出最佳配比13/19.5(如圖5、圖6所示)。

圖5 問題研究思路及措施思維導(dǎo)圖

圖6 煙氣檢測(cè)分析及一二次風(fēng)配比調(diào)整結(jié)果

2.2 燃燒梁南北側(cè)燒嘴燃?xì)庹{(diào)整

燃燒梁燃料區(qū)域的分布是根據(jù)燃料的不同而設(shè)計(jì)的,燃料分布越合理,煅燒就越均勻,效果就越理想[10]。為進(jìn)一步平衡南北燃?xì)饬坎町?適當(dāng)增加中間梁的燃?xì)饪偭恳约爸行臒斓娜細(xì)饬?以閥門開度表示燃?xì)庠俜峙淞?根據(jù)燒嘴編號(hào)進(jìn)行燃?xì)夥峙?分配量如圖7、表1所示。

圖7 燃燒梁燒嘴編號(hào)

表1 燃?xì)夥峙浞桨?/p>

考慮到石灰石下落速率的差異,中間梁比兩側(cè)梁的燃?xì)饪偭吭黾哟蠹s16%,增加中間梁的一次風(fēng)閥門開度15%,以匹配中間梁多出的燃?xì)饬俊?/p>

但從圖8可以看出,通過對(duì)窯內(nèi)溫度場(chǎng)的實(shí)際檢測(cè),窯內(nèi)南北溫度場(chǎng)的差異及窯中心溫度低點(diǎn)的問題并沒有徹底解決。

圖8 燃燒梁燒嘴燃?xì)庳?fù)荷調(diào)整后熱電偶實(shí)測(cè)窯內(nèi)溫度場(chǎng)情況

2.3 燃燒梁增加窯中心供風(fēng)改造

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在對(duì)窯體及燃燒梁不進(jìn)行大動(dòng)的前提下,克服原始燃燒梁無法精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c空氣精準(zhǔn)匹配的技術(shù)難題,決定在燃燒梁內(nèi)部(天然氣通入管上方)安裝一支補(bǔ)償中心區(qū)空氣管,補(bǔ)償空氣經(jīng)該管可直達(dá)中心燃燒梁燒嘴區(qū)域,很大程度上解決燃燒梁中心區(qū)域空氣供應(yīng)量少的問題(見圖9、圖10)。

圖9 燃燒梁增加窯中心供風(fēng)改造示意圖

圖10 燃燒梁改造現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2.4 取得效果

通過圖11和表2可明確看出,燃燒梁增加窯中心區(qū)域供風(fēng)的改造對(duì)于窯內(nèi)溫度場(chǎng)的整體提高(尤其是中心區(qū)域)以及均勻性的改善效果是非常顯著的。此外現(xiàn)場(chǎng)增加天然氣用量后,煙氣中CO量有了降低趨勢(shì),并且窯內(nèi)也未發(fā)生蓬料現(xiàn)象。以上情況總體說明燃燒梁的改造作用顯著。

圖11 改造后熱電偶實(shí)測(cè)窯內(nèi)溫度場(chǎng)

表2 歷次窯內(nèi)溫度場(chǎng)檢測(cè)情況對(duì)比

3 改進(jìn)效果

從圖12可以看出,攻關(guān)以來,鈣點(diǎn)從72%上升至80%左右(達(dá)到設(shè)計(jì)值),煙氣排放NOx穩(wěn)定控制在40～68 mg/m3,且生產(chǎn)過程中未再發(fā)生蓬料等問題。

圖12 每月鈣點(diǎn)檢測(cè)值變化趨勢(shì)

4 結(jié) 語

以燃燒機(jī)理分析為基礎(chǔ)、窯內(nèi)落料過程模擬為切入點(diǎn),理論聯(lián)系實(shí)際,通過對(duì)梁式白灰窯煅燒技術(shù)的改進(jìn)優(yōu)化,最終取得了較好的效果。