贾红玉 周群 谢炳馨 （安阳钢铁集团有限责任公司）
摘要 本文着重分析了以固体（焦炭）作为燃料的石灰竖窑，在煅烧过程中，对固体（焦炭）燃料所提供热量的利用，及无效热损失的途径和方式，进行分析研究。并根据无效热损失的方式和特性，提出了相应的控制方法和措施，以达到降低固体（焦炭）燃料消耗的目的。
0、前言
在以固体（焦炭）作为燃料的石灰竖窑煅烧生石灰过程中，需要燃烧焦炭来提供足够的热量，使石灰石（CaCO3）分解，脱去CO2生成CaO。由于国家经济建设进一步加快，能源日趋紧张，焦炭价格不断上涨，以安钢石灰竖窑焦炭消耗量为例，仅焦炭消耗一项就占总成本71.87%，处于各项支出的第一位。作为生石灰煅烧反应持续进行的热量提供者，焦炭消耗量的高低对于降低生石灰成本、节约能源、提高产品质量均有着重要的意义。
1、工艺现状
安钢烧结厂白灰车间自1986年复产以来，通过引进改扩建，现有固体（焦炭）燃料石灰竖窑4座，其中2座普通石灰竖窑，另外2座为活性石灰竖窑。在生产操作中一直以有风就有产量的生产指导思想，对能源消耗的影响重视不够。
在对白灰竖窑的日常操作过程中，废气温度控制不严，废气温度偏高（200℃—250℃）；风量设定计算标准没有统一，实际生产操作中风量波动较大，导致煅烧带不稳使还原区含氧增加，废气中CO含量随之升高，损失热增加。焦比一直在7.8—8.0之间徘徊，焦炭消耗较高。
2、 石灰竖窑热平衡
利用焦炭作为燃料的石灰竖窑生产石灰，通过焦炭燃烧产生热量，使CaCO3分解脱去CO2生成CaO。要想降低石灰生产过程中焦炭消耗量，就要对焦炭燃烧产生的热能进行分析，弄清哪些是CaCO3分解所必需的，哪些是无效热能支出，通过降低无效热能支出来达到降低焦炭消耗的目的。 2.1石灰竖窑热平衡表
〔〕
表-1 混合烧竖窑每(t)石灰石的热平衡1
项目
收入热 燃料的燃烧
收入热 103kal
% 100
支出热 103kal
%
支出热
生石灰的分解热 生石灰的携带热 灰渣的携带热
不完全燃烧引起的热损失 未然素导致的损失热 废气的携带热 炉壁的辐射热 合计 549.150
357.163 2.140 0.039 10.232 4.050 104.965 70.561 549.150 65 0.1 0.0 1.8 0.7 19.2 12.9 100
2.2 CaCO3分解热 利用竖窑生产石灰，主要依靠燃料燃烧提供大量的热，促使CaCO3分解脱去CO2以得到CaO。
对于以焦炭作为燃料的石灰竖窑，在石灰的生产过程中，在预热带只存在石灰石、焦炭两种固体；在煅烧带以焦炭的燃烧提供热量，使CaCO3＝CaO＋CO2；在冷却带，随焦炭烧尽留下成品生石灰，即CaO。
在CaCO3分解过程中要吸收大量的热，从表-1可以看出，分解吸热占全体热消耗的65%。居于第一位，是石灰生产必不可少的热支出，是无法减少的，必须保证提供足够的热量使石灰生产持续进行。
2.3 CaCO3分解热损失
在石灰生产的过程中，随着CaCO3的吸热分解必然伴随着一些无效热能支出。这些无效的热能支出的高低，对竖窑热能利用和节能降具有关键的作用。
1.3.1废气带走热
废气带走的热占无效热能支出首位，达19.2%，据有关资料显示(表-2)废气在不同温度时的热损失和原料中水分含量不同与形成水蒸气时消耗的热量有关。
表-2 废气温度热损失对比
温度/ 热损失/ 相当焦炭量/
kg/h℃ ×4.18KJ/h
100 99045.3 14.385
120 341134.5 49.547
150 429052.9 62.317
200 579379.4 84.151
一般竖窑正常生产时，生产稳定时废气量变化不大，废气温度越高，则由废气带走的热量越多。而在正常的生产操作过程中，废气温度的高低是竖窑操作管理的一项重要参数。是预热带、烧成带、冷却带分布状态好坏一个重要的判断标准，而且对窑内煅烧热制度影响很大。如果能做到有效控制废气温度就可以降低焦炭的配比。 水蒸气损失热在废气热损失中占的量较大，废气中水蒸气的来源主要是石灰石、焦炭中所含水分在竖窑中吸热蒸发随废气排出，造成一部分热量损失。石灰石所含水分主要是结晶水，一般为1－1.5%左右，含量较低因其以结晶水的形式存在，在入窑之初无法采取措施降低；因此，要降低水蒸气携带走的热，应从降低焦炭水分入手，采取措施降低水分耗热，以达到降低废气中水蒸气带走的热。
2.3.2窑壁辐射热损失
窑壁辐射热损失，由表－1可以看出造成的热损失较多，占无效热能支出第二位。窑壁辐射热损失与废气热损失、灰渣的携带热损失相比，具有其特殊性。在同一座石灰竖窑上，其每小时的辐射热损失量基本一定，跟产品产量高低没有必然联系。因此，在产量提高时，单位石灰热损失因产量的提高反而降低。
2.3.3焦炭不完全燃烧热损失
在竖窑实际生产过程中随废气排放的CO热损失和焦炭挥发分热损失，即化学不完全燃烧热损失。而焦炭中挥发分含量较低，一般不大于2%，由挥发分引起的热损失较少，可忽略不计。
根据混料竖窑生产工艺特点，固体燃料不是以燃烧层的形式存在来对物料进行煅烧，而是被被煅烧物料分隔开，形成许多“燃烧点”。燃料的燃烧是在这些“燃烧点”上，并随煅烧物料一起下落的情况下，在特定的温度区域分几个阶段进行。即可将竖窑由上向下分为预热带、煅烧带、冷却带三部分。
在煅烧带和预热带的交界处存在着一个还原区，而在还原区氧几乎是不存在的。从下部氧化带吹上来的高温废气因缺少O2与炽热的焦炭表面进行还原反应CO(CO2＋C=2CO)。因此，窑顶废气中总会含有一定量的CO。据有关资料显示当废气中的CO含量达到2%时，热损失量为490455×4.18kj/h，当焦炭固定炭含量为85.2％时，发热量6900×4.18KJ/kg相当于每小时消耗焦炭490455/6900=71.08kg；如果废气中的CO含量减少到1%，则热损失量相当于每小时消耗焦炭34.92kg。因此，废气中的CO含量越低越好，但在实际生产中往往是很难达到的，对此，石灰竖窑在正常条件下废气中的CO含量有一个正常范围。窑况异常时，如煅烧带倾斜造成局部缺O2，氧化带内部分焦炭不能充分燃烧使废气中的CO含量增加，加大热损失。
机械不完全燃烧热损失即随废气排出的细焦粒及随石灰排出的未燃尽焦核。入窑时细焦粒因窑顶压力高，不能进入窑内，而是直接随废气排出而造成热损失。如果出现配焦量过多、焦炭粒度过大，就会出现焦核未燃尽造成的热损失。
3降低焦炭消耗的措施
由以上分析可知，造成焦炭消耗量增加的原因是多方面的，我们如果能在实际生产中采取有效措施，对几个主要的无效热能支出加以控制，就能实实在在地降低焦炭消耗。
3.1废气热损失控制方法
竖窑正常生产时，废气量变化不大，又由(表-2)可知废气温度越高，则由废气带走的热量越多。因此在竖窑生产时，应改变以往大风操作忽视顶温控制的习惯，实际使用风量应尽量接近理论风量。以稳定预热带、烧成带、冷却带分布状态为前提，使废气温度控制在110—130℃，有效控制废气温度以降低焦炭的消耗。 形成水蒸气时消耗的热量与原料中水分含量有关。随水分的增加，耗热量也会相应增加。因此，在利用混料竖窑生产石灰采用水洗焦时，应对焦炭水分加以控制，焦炭水分应尽可能低。同时，在焦炭进仓后要有一定的仓储时间，使焦炭进一步干燥，以达到降低焦炭水分的目的。
3.2窑壁辐射热损失控制方法
根据实际情况，在竖窑的设计过程中，通过改善窑衬隔热性能，设计合理的窑衬结构及合理的绝热层等。在施工过程中，严格按工艺要求进行监督，保证施工质量，以达到降低热辐射损失的目的，为降低入窑焦比提供了可能性。
在竖窑实际生产过程中，随着产量的增加，竖窑辐射热损失就会相对降低。因此，石灰竖窑在正常生产时，应尽可能扩大生产能力，提高投石以利于窑内热量的充分利用，降低焦耗。事实也是如此，石灰竖窑随投石量的增加，产量的提高，焦比也有降低正说明了这点。
3.3焦炭不完全燃烧热损失控制方法
对焦炭不完全燃烧热损失的控制，实际上也就是对废气中CO含量的控制。在实际生产过程中，要降低废气中CO的含量，就要通过改善焦炭质量、严格送风制度、原燃料混合制度，来达到降低焦炭不完全燃烧热损失的目的。
首先，在焦炭的选择上，采用反应能力低的冶金焦作燃料，即小孔薄壁焦作为燃料。其次，在竖窑的生产过程中，应使原燃料充分混匀，使煅烧带火层分布均匀，高度合理，不能因原燃料混合不均匀，造成煅烧带倾斜。最后，在实际的操作中，对风量和焦比的控制，应以理论值作为基准进行设定。对于焦比设定，在最低的单位热耗情况下，氧化带向上扩展，即还原区向低于1000℃的温度区域移动，使CO2还原过程减慢，CO的含量降低，因此，焦比的设定在满足CaCO3分解的基础上尽可能低；在送风量的设定上，应尽量选取较低的空气过剩系数，使通过窑送风管引入煅烧带和预热带的空气得以烧尽，以降低CO热损失。
要降低焦炭机械不完全燃烧热损失，就应从燃料进仓入手，提高焦炭粒度合格率，降低焦粉含量，并对混入焦炭中的气孔焦和超上限的大块焦进行筛选和控制。
4、实施效果
通过对竖窑热散失各方面的分析，找出可控因素、造成热损失的主要因素有针对性进行改进对废气温度进行控制、风量设定严格按理论风量设定不得随意改动
5、结束语
石灰竖窑降低焦炭消耗是个涉及多方面、相互联系、相互影响因素的系统工作。要从生产的各个环节，多方面齐抓共管，才能取得显著成效。
5.1改善原料条件
提高原燃料粒度合格率，使原燃料混合粒径保持最佳。应减少焦炭中焦粉及小粒焦含量；采用结构致密，反应性较差的小孔薄壁焦，尽量使焦炭氧化带与石灰石分解区相吻合，减少焦炭发生还原反应产生CO的可能。
5.2加强竖窑操作管理
加强竖窑操作使原燃料混合均匀，形成良好的料面，使预热带、煅烧带、冷却带形成稳定的三带分布。给提高投石、增加产量，降低废气温度，降低焦比提供条件。
5.3作好日常设备点巡检工作
作好日常设备点巡检工作，提高设备作业率，特别要搞好窑体各部位密封工作，减少漏风率，尽量按理论风量送风，减少废气产生量，进而减少废气热损失。
6、参考文献
[1]马智明 石灰技术 中国科学技术出版社 1994.第119页。
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