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煤气发生炉煤气生产石灰的新技术应用

2013-09-13 17:57:11 来源：

      煤气发生炉煤气生产石灰的新技术应用
     煤气发生炉作为煤碳气化设备，它以设备投资小、上马快、使用安全方便、操作简单、节能减排等优点，在30年发展的历程中经历了不断更新完善，已经广泛用于机械、冶金、化工、有色、建陶、玻璃等热加工行业中。它深受中小型热工行业的欢迎选购使用。
    作为气体燃料彻底取代了传统用固体、液体燃料的热加工工艺方式，提高了热加工质量，改善了工厂环境，节省了能源的消耗，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益和社会效益，它还是在热工行业中占了主要地位，煤碳气化工程有着广泛的发展前景。
在从传统产业转向高科技产业的今天，随着我国新型工业化的快速发展，对工业石灰的质量要求也日渐提高。尤其是各大钢铁企业炼制精品钢及特种钢材以及电石灰等企业需要高活性、低磷硫的优质石灰，而目前我国石灰生产企业除了钢铁企业自身投资建设的先进石灰窑能满足生产要求外，大部分石灰生产企业受没有合适气源及投资成本的制约，只能选择煤石混烧的窑型生产冶金石灰，虽然煤炭混烧窑也可以生产高品质石灰，但是对燃料有特定要求，需要使用无烟煤、焦炭、兰炭等作为燃料，各地区资源丰富的烟煤等资源无法利用，因此，采用更广泛的煤炭资源使用煤气发生炉气烧生产高品质工业用灰成为众多业内人士共同研究的课题。
    一、   气烧石灰的现状
    利用焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气为气源煅烧石灰已经是相对成熟的的技术，目前国内钢厂充分利用自身富余煤气，采用回转窑、弗卡斯窑、套筒窑及麦尔兹窑等窑型来煅烧活性石灰。可是，除了钢铁厂或临近钢铁厂及焦化厂的石灰企业能利用靠近气源这一便利条件可以利用以外，大部分石灰生产企业只能“望气兴叹”。于是业内同仁都不约而同的将目光放在了煤气发生炉上，希望籍此寻求到气烧石灰的新途径。
    二、   关于煤气发生炉
   煤气发生炉*早由德国于上个世纪初发明，解放后由前苏联传入我国。早期主要是用于化肥及民用燃气领域，后来伴随国家环保政策的要求，于上世纪90年代逐步扩大应用于金属锻造、热处理、轧钢、陶瓷等行业。煤气发生炉炉型主要有一段式、两段式发生炉、鲁奇炉、沸腾炉等。目前国内使用*多的是一段式及两段式煤气发生炉，可以说，利用煤气发生炉产生煤气的技术是相对成熟的。
所谓煤气发生炉的出炉煤气，是指煤在煤气发生炉内气化反应所产生的，自煤气发生炉出口导出未经净化的煤气。该煤气由单一可燃气体成分（CO、H2、CH4）、气态烷烃类化合物（CmHn）、H2S、不可燃气体成分（CO2、N2、O2）以及焦油蒸汽、粉尘固体微粒和水蒸汽所组成。
   1、煤气气体组成及煤气热值：
　气化烟煤时，煤中的CO含量较高，而且还会有少量的CmHn，煤气热值也较高；气化无烟煤时，CO和CH4含量都较气化烟煤时要低，煤气热值也即较低；气化褐煤时，CO含量较低，但H2和CH4相对也要高一些，煤气热值也较高，但是，褐煤的气化产率较低，仅为2Nm3/kg(煤)左右，而气化烟煤或无烟煤时，气化产率可达3～3.5 Nm3/kg(煤)。
               表1 几种煤气化时煤气组成及煤气热值

煤种	煤气气体组成							煤气热值
煤种	CO	H₂	CH₄	CmHn	O₂	CO₂	N₂	MJ/Nm³
无烟煤	25-30	15-18	0.5-1.5	—	0.1-0.3	4-8	49-51	5.23-5.86
烟煤	28-31	12-16	1.5-3	0.1-0.3	0.1-0.3	4-6	48-50	5.86-6.70
褐煤	24-26	17-19	3-3.5	—	0.1-0.5	6-8	46-48	6.07-6.28

    三、将煤气发生炉应用在石灰煅烧出现的问题
      近几年，将煤气发生炉与石灰窑结合起来煅烧石灰应该说目前在国内的技术还处于推广应用阶段，不同的技术应用其结果差别很大，有些企业生产一直不很成功，分析来说主要有以下几个难点需要解决：
    1,煤焦油的收集处理。由于煤气发生炉主要以烟煤为燃料，因此产生的煤气中含有大量的焦油，如果焦油冷凝的话，会合煤气中的粉尘杂质粘合起来堵塞管道及烧嘴，在很短的时间内就会造成停炉清淤。而如果采取措施清除焦油，将面临以下问题，首先就是除焦方式问题，目前国内用于发生炉煤气除焦方式有两种，一是水洗除焦，一是电捕焦方式。水洗除焦就面临废水的污染问题，因为除过焦后的水中溶解了大量的苯酚等有害物质，如果不经过处理而排掉的话将*的污染环境，而如果处理的话就需要昂贵的投资。电捕焦技术目前在焦化企业使用，技术成熟不会产生污染，而且收集的焦油亦是很好的化工原料，但电捕焦投资巨大且运营成本过高，非一般企业所能接受。
2,发生炉煤气无压力，火焰穿透性差。目前除了大型化肥企业及煤化工企业所使用的鲁奇炉、沸腾炉等先进炉型属于加压炉，出口煤气压力较大外，一段式、两段式煤气炉都属于常压固定床发生炉。煤气出口压力都比较小，同高炉煤气、转炉煤气相比压力要小很多，所以在煤气不经过加压的情况下打入石灰窑则火焰穿透性太差，石灰窑内径稍大就会造成中间生烧而烧嘴附近则过烧的问题出现。因煤气发生炉煤气为高热值煤气，其火焰喷射距离短，用于圆形竖窑上煅烧石灰窑内经大于2.6m时生过烧明显增多，大于2.8m后生过烧率已经难以控制，所以目前国内使用煤气发生炉煅烧石灰的圆形竖窑目前*高产日量一般在70-90吨范围，制约了石灰窑采用煤气发生炉煅烧石灰向大型化发展的方向。而要解决压力问题就要另建煤气柜，设加压站将煤气加压，这同样会出现投资过大的问题。
    以上两点是我们在考虑将煤气发生炉应用在石灰烧制工作中必须要解决的问题。按照常规的思路，要解决以上问题可以考虑建立成套的冷煤气站，将发生炉出口出来的含有焦油、粉尘等杂质的热煤气经过旋风除尘、电捕焦、水淋冷却后进入煤气柜，经加压站加压后送往石灰窑即可烧出高活性的冶金石灰。可是，这样的一套设备投资下来，即使不含窑本体投资也要以数百万计，如果在加上窑本体及其他附属设施的投资，恐怕远非一般企业所能接受的。
那么，有没有其他的方法解决以上问题从而减少投资，使一般的中小型石灰企业都能接受的了呢？
   四、煤气发生炉煤气生产石灰的新技术应用
1、采用热煤气及加压方式解决煤气发生炉燃烧的难题：
唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司近几年通过与德国“菲普瑞工业炉窑”合作，自2005年起就一直研究煤气发生炉烧制石灰项目。经过不断设计应用、改进查阅资料，成功设计出一种将煤气发生炉应用于石灰烧制的热煤气直接煅烧石灰的新技术。
热煤气石灰窑主要就是利用发生炉煤气产生的热煤气不经冷却直接送入石灰窑的生产工艺。一般工业炉尾气都是常温或100-200℃左右，而发生炉出来的煤气温度是500-600℃之间送入石灰窑内的燃气温度每提高100℃就可节省燃气10-20%，发生炉和石灰窑就近安装自然就可利用热煤气从而就可提高供入窑内燃气的热量由此便可增加石灰窑产量降低煤气消耗。进而降低石灰生产经营成本提高企业效益。
首先，针对煤气焦油处理问题得以解决，焦油之所以会堵塞管道及烧嘴，其根本原因是因为煤焦油在未进入窑体之前由于管道长在外界空气冷却下使煤气温度下降，使煤气中焦油冷凝液化，又由于煤气压力小，煤气中的煤灰等粉尘因重力作用而附着在管道壁上与黏稠的煤焦油混合在一起，日积月累从而堵塞住管道。因此，解决焦油在管道中不冷凝并使之快速进入高温煅烧带参与燃烧是很好的解决方法，焦油成分就是碳及芳香烃化合物，易燃且热值很高，焦油燃烧后即解决了堵塞管道的难题又增加了煤气热值，降低了燃料成本。通过在窑体设计预热利用系统用窑体自身的余热温度对煤气进行加热、保温，达到了良好的煅烧效果，目前日产120-200吨范围的石灰窑采用的热煤气煤气站系统一般可控制在50-100万元范围。
2、冷煤气生产石灰技术应用：
    通过用冷煤气煅烧石灰是石灰窑产量大型化发展的主要目标，以往国内设计者在设备选型中因没有对相关配套设备进行认真研究，主要采用、借用了一些其他行业中煤气净化设备，没有针对煤气发生炉烟气净化进行研究，采用的煤气净化系统设备都在几百万元，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司近几年通过不断研究完善，已经设计成功煤气发生炉煤气净化系统专用设备，通过简化设计后的煤气站系统由提煤机、气化炉、空气鼓风机、加煤机、清灰机、静电除焦器、煤气加压机、焦油循环泵、软水泵、循环水泵等组成，该系统设备设计工艺简单实用，投资有很大降低，据测算：日产120-200吨范围的石灰窑采用的煤气站系统一般可控制在150-200万元范围。
冷煤气系统生产石灰解决了煤焦油堵塞管道、燃烧器等问题，是生产操作更进一步简化、稳定，同时降低了石灰生过烧率，冷煤气站综合系统尤其适合多座窑及产量较大的企业化、规范化的生产应用。
3、新型燃烧方式及窑型结构的创重应用：
唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司针对煤气发生炉煤气压力低，火焰穿透力差的问题设计了专用煤气加压系统，使煤气发生炉煤气的压力可以能够保证正常燃烧压力，从而达到煅烧石灰的目的。
无论怎样加压，要想正常使用煤气发生炉煤气煅烧石灰解决火焰穿透距离短的问题，采用传统的圆形竖窑窑型和周边烧嘴的方式生产要想生产100吨以上石灰是行不通的，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司设计研发的新型国产化双室环形套筒石灰窑新技术解决了使用煤气发生炉煤气煅烧石灰窑窑型大型化的问题，通过结合各种先进设计理念，通过巧妙的改进燃烧方式，即保证了煤气压力。这样，即保证了煤气的充分燃烧，有保证了窑内热量均匀传导，从而保证煅烧出高质量的活性石灰，石灰日产量可以在100-500范围选择。
   “环形双室低压焙烧套筒窑”是唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司近期自行研发的具有自主知识产权的新技术，具有热耗低，石灰活性度高，结构简单，燃料适应性强的特点，与传统的石灰窑相比，石灰在环形空间内煅烧，气流分布更均匀，窑内无冷却设备，故障率低，易于维护。
该项技术的低压焙烧方式采用隔焰燃烧技术，适用于钢铁行业利用高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气以及电石、化工行业利用电石炉尾气等技术生产高质量石灰，尤其适用于焦炉煤气、煤气发生炉煤气、天然气等高热值燃气的短焰燃烧特性，同时也可以使用煤粉喷吹煅烧石灰。整个生产系统可实现自动化控制完成，以达到提高石灰质量和节能的目的，从而煅烧出高质量的活性石灰。
主要工艺特性：
（1）、煅烧方式：新技术煅烧方式采用了环形焙烧室低压燃烧技术，改变了传统周边烧嘴直焰煅烧的火焰燃烧死角的弊病，逆流煅烧与并流煅烧相结合，不会使石灰过烧及生烧，又能够保证石灰的充分分解，使石灰的活性度大大提高，正常生产活性度大于360ml(4N，HCL法十分钟)。
(2)、    热耗低：*大限度的使用热能，冷却石灰和内套筒的热空气以及燃烧产生的部分烟气通过引射器送入煅烧带循环，在正常工作和公称产量条件下，成品灰的热耗不高于930kcal/kg。
（3）、    作业率高：每年可以连续操作350天。
（4）、石灰石粒度适用范围广：可使用20～100mm范围粒度石料，粒度范围比可达1：3。
(5)、    新型套筒石灰窑改变了以往竖窑传统的正压操作方式，窑内为负压环境，因此无烟气和粉尘外溢。
主要结构特点：
(1)、“环形双室低压焙烧套筒窑”主要由由内、外筒组成，内筒与外筒同心布置，形成一个环形空间，石灰石就在该环形区域内煅烧。窑体自上而下分为预热带，逆流煅烧带，并流煅烧带和冷却带。
(2)、在窑底部设计导风装置及窑内筒承重装置，设计安装窑体内筒使内筒与外筒之间形成一个合理的环形焙烧带，窑内筒砌筑与外筒耐火材料相同的耐火保温层，在窑体外部煅烧带部位设计外环燃烧室，在窑体内部内筒煅烧带部位设计内环燃烧室，内环与外环燃烧室设计双层多孔喷火口使之在炉内环形煅烧带内形成一个多层火道的、火焰稳定的焙烧气氛。耐火材料主要是镁铝尖晶石砖、高纯莫来石、高铝砖、粘土砖、高密度粘土砖等，根据砌筑部位的工作条件的不同分别选用。
(3)、    焙烧方式采用并流煅烧方式，并流煅烧是套筒窑整个煅烧工艺的关键，石灰*终在这个区域内烧成。高温烟气经料层煅烧石灰，然后从下内筒底部均布的循环气体入口处进入下部料仓，循环气体装置与窑内筒承重装置为一体结构。
(4)、在内外套筒燃烧室外部设计安装低压稳流燃烧喷射装置，内外燃烧室安装多功能燃烧器。燃烧室煅烧带可以使用燃气煅烧也可以使用煤粉喷吹燃烧。
(5)、内套筒顶部设计有均料装置及窑内筒保护装置下进气口至套筒窑上部废气出口为预热带，煅烧后的废气有70%经过预热带预热石料。
(6)、与传统套筒窑相比，该项新技术改变了原传统气烧窑周边单体烧嘴（外周）直焰单向煅烧方式，实现了双向隔焰对流焙烧技术，使石灰煅烧温度火焰无死角，实现了内筒与外筒同时煅烧，使煅烧带温度更均匀、煅烧截面积范围更广泛，尤其是窑内内筒焙烧室煅烧操控技术是整个煅烧系统核心技术，其结构简单实用。
(7)、该项新技术的经济性是一个显著亮点，与国外传统套筒窑相比工程投资降低了60%以上，如：国内优化设计后的传统套筒窑日产300吨环形套筒窑投资至少需要4000万元，唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司设计的新一代“环形双室低压焙烧套筒窑” 日产300-350吨环形套筒窑投资只需要1000-1500万元范围，同等产量下比普通简易气烧竖窑投资还要低，极具推广价值。
通过以上设计，窑内压力、气流及温度在环形截面及整个石灰石料层中得到了均衡分布，保证了石灰石焙烧的均匀性，提高了产品的质量，同时降低了产品单耗，与传统石灰窑相比，设备对原料的适应性也更强。
     唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司设计的新一代“环形双室低压焙烧套筒窑”由于结构紧凑，占地面积小，能耗低，石灰活性度高，生、过烧率低，经济效益明显，该窑会被越来越多的厂方所青睐。同时，它可以以煤气发生炉煤气为燃料，取代了焦炭等固体燃料，大大降低了CO、so2等污染物的排放，环保效应明显，该项技术在冶金行业及其它工业领域必将得到广泛的应用。
   唐山金泉冶金能源新技术开发有限公司通过对气烧窑原理的分析及煤气发生炉煤气的特点研究,通过合理的窑型设计,解决了目前发生炉煤气煅烧石灰的难题,煅烧高品质活性石灰。
      虽然用煤气发生炉生产石灰所用煤耗高于直接用煤炭的石灰窑，实际上使用发生炉煤热煤气气石灰窑烧石灰可以使用烟煤等煤炭资源，是有效解决用烟煤生产石灰的有效方法，同时生产的石灰因为质量好其价格高于煤炭混烧石灰窑生产的石灰，经过实际生产测算比直接用煤烧石灰的综合成本费用可降低10%左右，而且大大降低了石灰生产工人的劳动强度，更重要的是减少了空气污染很容易即可实现环保达标。该工艺*适合没有废气、尾气的石灰企业生产高质量的优质工业石灰，也适合传统老式煤烧石灰窑改气烧窑的企业。

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