石灰窑热平衡状态影响因素分析及节能效益估计

石灰窑热平衡状态影响因素分析及节能效益估计

1原料质量及操作工艺石灰炉是目前工业上生产石灰和获取二氧化碳气体的常用设备。它具有机械程度高、连续生产商、低能量利用率等特点。石灰的产量、质量和成本与石灰窑的类型、构造和性能以及操作制度等有直接关系,但由于生产过程加料和出灰的周期性波动,各种技术指标的变化,使石灰窑能耗及各种指标难以稳定在所要求的范围之内。因此如何调整石灰窑的工艺和操作参数,降低炉子能耗是生产中面临的主要问题。本文拟在对石灰窑进行热平衡与物料平衡分析的基础上,借助计算机仿真手段,全面分析各种参数之间的关系,进而优化石灰窑的生产操作。2节能特性根据能量守恒原理,在炉子稳定运行时,单位时间内供入炉子的热量之和Qi(热收入项)应等于通过各种途径排出的热量之和Qo(热支出项),即:∑Qi=∑Qo(1)∑Qi=∑Qo(1)因石灰窑操作大约以1h为周期(加料和出灰),故取热平衡周期为1h,所有参数均取1h平均值。则热(kJ/h)收入项包括:①焦炭化学热Q1=Gc·QDW(2)②焦炭物理热Q2=Gc·cpc·tm(3)③石灰石物理热Q3=Gs·cps·tm(4)④空气物理热Q4=qVk·cpk·tk(5)热(kJ/h)支出项包括:①石灰石分解热Q´1=Gs⋅(WCaΟ100⋅10056⋅QCaCΟ3+WΜgΟ100⋅8440⋅QΜgCΟ3)⋅FR(6)Q′1=Gs⋅(WCaO100⋅10056⋅QCaCO3+WMgO100⋅8440⋅QMgCO3)⋅FR(6)②烟气带出热Q′2=qVy·cpy·ty(7)③物料水分气化热Q´3=Gs⋅Wys100⋅2261(8)Q′3=Gs⋅Wys100⋅2261(8)④物料带出热Q´4=Gs(WCaΟ100+WΜgΟ100)⋅FR⋅cph⋅th+Gs⋅(1-WCaΟ100⋅10056⋅FR+WΜgΟ100⋅8440⋅FR)⋅c´ps⋅th+Gc⋅Ay100⋅(1-Sc)cpa⋅th+Gc⋅Sc⋅c´pcth(9)Q′4=Gs(WCaO100+WMgO100)⋅FR⋅cph⋅th+Gs⋅(1−WCaO100⋅10056⋅FR+WMgO100⋅8440⋅FR)⋅c′ps⋅th+Gc⋅Ay100⋅(1−Sc)cpa⋅th+Gc⋅Sc⋅c′pcth(9)⑤焦炭化学不完全燃烧热损失Q´5=qVy⋅CΟ′100×12640(10)Q′5=qVy⋅CO′100×12640(10)⑥焦炭机械不完全燃烧热损失Q′6=Gc·Qdw·Sc(11)⑦炉体散热损失Q´7=α0⋅∑Ai⋅(twi-t0)(12)Q′7=α0⋅∑Ai⋅(twi−t0)(12)最后得到炉子热效率:η=Q1∑Qi×100%(13)η=Q1∑Qi×100%(13)式中:G为物料流量,kg/h;Qdw为焦炭低位热值;cp为比热容,t为温度,℃,qV为气体流量,m3/h;W为质量百分数;FR为石灰石分解率;Sc为焦炭机械损失率;α0为炉壁综合换热系数;QCaCO3、QMgCO3为CaCO3和MgCO3的分解热;下标s、c、h、y分别代表石灰石、焦炭、石灰、烟气;上标y代表应用基成分。为了进行热平衡计算,针对某厂Ø4m×21m石灰窑进行了必要的测试。3空气过剩系数的输入与输出关系通常石灰窑尾气中CO含量是变化的,可以假设燃料中有Cy1y1%的碳最终转化为CO,Cy2y2%的碳转化为CO2,则燃料中总的含碳量:Cy=Cy1+Cy2(14)进一步假设焦炭的挥发成分主要是CH4(因焦炭中挥发分含量较低,通常在2%以内,故这种假设对计算结果并不会带来明显误差),则根据元素平衡可得:式中:qVy为尾气排出量,m3/h;qVk为空气量,m3/h;Sy、qVy、Wyc为焦炭中硫、挥发物及水分含量;WCaO、WMgO、Wys为石灰石中CaO、MgO和水分含量;RO′2为尾气中CO2+SO2含量。再令焦比:CR=GcGs(18)通常石灰窑生产中下料量、焦比、风量为主要输入条件,而石灰产量与出口CO2浓度为主要输出结果。为了探讨输入与输出的数量关系,将以上五式并联求解,经推导得到下列关系式:式中:αk为空气过剩系数。αk=实际风量理论风量=qVk(83Cy+Sy+2qyV)×22.432×1100×10.21×Gs⋅CR(20)4石灰窑生产条件对ro2浓度的影响表1是某厂Ø4m×21m石灰窑的典型热平衡测算结果。从表1可见,该炉实际热效率约为65%,主要热损失是排烟损失和化学不完全燃烧热损失。其原因:一是实测的排烟温度较高(191℃),二是出口CO浓度较高(2.72%),说明窑内存在较严重的燃烧不完全现象。计算还表明,焦比和石灰石分解率是影响炉子热效率的重要因素,图1给出了相应的计算结果(计算基准:Gs=15.0t/h,αk=1.10,CO′=2%)。从图1可以看出,焦比增大时,尽管分解率会有所提高,但炉子能耗增大、热效率降低,对石灰窑的生产并不是有利的。式(19)和式(20)表示了各种输入条件(成分、焦比、下料量、空气量、石灰石分解率及不完全燃烧率)对出口RO′2浓度的综合影响。为了便于分析,针对石灰窑的生产条件,我们编程计算得到下列主要结果。(计算基准条件为:CR=0.08,FR=0.90,CO′=2%,Gs=15.0t/h)。从图2～图4可见,空气过剩系数是影响出口RO′2浓度的最显著因素。当风量增大时,由于尾气中N2的含量增大,RO′2浓度明显下降;焦比增大时,所需风量增大,使得出口RO′2浓度也降低。同时,当分解率升高时,分解得到的CO2量相应增大,故RO′2浓度升高。而当CO′浓度升高时,由于焦炭转化为CO2的碳量相应减小,故RO′2浓度降低。当焦比不变时,RO′2浓度不随下料量的大小变化,只与空气过剩系数有关。石灰窑运行操作中,主要靠顶温和灰温作为调节风量、焦比、下料量和出灰的依据。根据热平衡计算及生产实践表明,炉顶尾气温度对风量和出口CO浓度比较敏感,典型结果如图5所示。从图5可以看出,当出口CO浓度降低时,由于焦炭燃烧充分,燃烧释热量加大,故顶温升高。计算表明,CO浓度的降低导致热效率的提高要大于因顶温升高而导致热效率的降低,因此炉子热效率将上升。要降低出口CO浓度,主要应通过调整原料粒度和改变风帽结构等措施,改善窑内通风状态来实现。5最佳工艺参数的确定结合石灰窑的热工特性,对某厂Ø4m×21m石灰窑进行了热工分析,得出了出口RO′2浓度的综合影响因素关系式(19),并分析了各种因素的相互影响规律,得到Ø4m×21m石灰窑的最佳工艺控制条件为:下料量15～17t/h,焦比0.075～0.078,过剩空气系数1.05～1.10,顶温130～150℃,CO含量1%～2%,灰温50～80℃,分解率88%～92%,则出口RO′2浓度可稳定在36%～39%,这不但有利于提