石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣的探討

摘 要

摘要：從利用鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)高爐煤氣出發(fā)，論述了在石灰窯中采用高爐煤氣和天然氣的混合燃氣作為燃料的可行性，對燃燒混合燃氣時石灰窯的熱效率和熱耗等進行了計算與分析，測算了經(jīng)濟
摘要：從利用鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)高爐煤氣出發(fā)，論述了在石灰窯中采用高爐煤氣和天然氣的混合燃氣作為燃料的可行性，對燃燒混合燃氣時石灰窯的熱效率和熱耗等進行了計算與分析，測算了經(jīng)濟效益。石灰窯燃燒混合燃氣的實踐表明，該混燒工藝既有利于富余高爐煤氣的綜合利用，又降低了生產(chǎn)石灰的用氣成本，具有良好的經(jīng)濟效益、節(jié)能降耗效益、環(huán)保效益。
關鍵詞：高爐煤氣；混合燃氣；石灰窯；熱效率；熱耗；節(jié)能降耗
Discussion on Mixed Combustion of Blast Furnace Gas and Natural Gas in Lime Kiln
LIU Wei，ZHOU Wei-guo，LIU Yu
Abstract：Based on the utilization of by-product gas in iron and steel industry，the feasibility of using the mixed gas of blast furnace gas and natural gas as a fuel in lime kiln is discussed. The thermal efficiency and thermal consumption of lime kiln during burning the mixed gas are calculated and analyzed，and the economic benefit is evaluated. The practice of burning the mixed gas shows that the mixed combustion process favors the comprehensive utilization of surplus blast furnace gas and reduces gas consumption cost for producing lime，thus it has good economic and environmental benefits.
Key words：blast furnace gas；mixed gas；lime kiln；thermal efficiency；thermal consumption；energy saving and consumption reduction
1 概述
    石灰是鋼鐵冶煉過程中重要的物料。目前鋼鐵企業(yè)中一般都采用燃氣爐窯生產(chǎn)石灰，利用企業(yè)自身的副產(chǎn)煤氣(轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣等)或外購燃氣作為燃料[1]。根據(jù)石灰窯工藝對溫度的要求，企業(yè)一般都用熱值中等的氣體燃料[2]。寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司(以下簡稱分公司)有套筒式石灰窯2座，每年平均煅燒石灰約27×104t/a，其中1號爐窯煅燒石灰約14×104t/a，燃料為轉(zhuǎn)爐煤氣，年使用轉(zhuǎn)爐煤氣量為7500×104m3/a，2號爐窯煅燒石灰約13×104t/a，全部使用天然氣，年使用天然氣量為1570×104m3/a。
    分公司每年在高爐煉鐵工序上產(chǎn)生大量的高爐煤氣，主要供給熱風爐和發(fā)電廠使用，由于高爐煤氣的產(chǎn)量很大，在分公司高爐煤氣還有一定量的放散。高爐煤氣因熱值低、燃燒不穩(wěn)定等特性，不能單獨作為高質(zhì)量石灰生產(chǎn)的燃料。本文探討采用天然氣與高爐煤氣組成的混合燃氣來替代天然氣供2號石灰窯使用，以降低石灰的生產(chǎn)成本，充分利用分公司富余的高爐煤氣。
2 石灰窯改用混合燃氣的可行性
    ① 石灰窯對替代燃氣的基本要求
石灰窯使用混合燃氣前后其燃燒器和排煙系統(tǒng)等都應保持不變。使用替代燃氣時需要滿足以下要求：①燃料替代前后爐溫應該保持基本不變，以滿足原來的工藝要求。②燃料替代前后熱負荷應該保持不變，以滿足原來的產(chǎn)量。另外還要考慮保證替代燃氣正常的燃燒工況，并且要求石灰窯現(xiàn)有的燃燒結(jié)構(gòu)、送風和排煙系統(tǒng)等對替代燃氣有較強的適應性。目前分公司石灰窯的熱工要求是：石灰燒成溫度為900℃，爐窯溫度為1000℃左右，出燃燒室溫度(爐溫)為1300℃。燃料理論燃燒溫度與爐溫的關系式為：
 
式中t0——燃料理論燃燒溫度，℃
    t1——爐溫，℃
    n——爐溫系數(shù)
    按爐溫≥1300℃的要求，取爐溫系數(shù)n為0.82，將各參數(shù)代入式(1)計算可得，當燃料的理論燃燒溫度＞1585℃時，可以作為替代燃料。
    ② 不同體積比混合燃氣燃燒參數(shù)
    分公司所用的高爐煤氣和天然氣各組分的體積分數(shù)見表1、2。高爐煤氣和天然氣的低熱值分別為2926kJ/m3和34297kJ/m3。
表1 高爐煤氣各組分體積分數(shù)    %
H2
O2
N2
CO
CO2
CH4
H2O
1.2
1.0
55.7
21.6
17.0
0.3
3.2
表2 天然氣各組分體積分數(shù)    %
CH4
C2H6
N2
CO2
H2O
95.5
0.3
1.5
0.5
2.2
    高爐煤氣和天然氣混合后，混合燃氣的熱值和特性都不同于高爐煤氣和天然氣。針對高爐煤氣和天然氣不同的體積比，可以計算出混合燃氣的熱值、理論燃燒溫度、燃燒的理論空氣量、煙氣量等。其中，混合燃氣熱值為：
    Qm=φQb+(1-φ)Qn    (2)
式中Qm——混合燃氣的低熱值，kJ/m3
    φ——混合燃氣中高爐煤氣的體積分數(shù)
    Qb——高爐煤氣的低熱值，kJ/m3
    Qn——天然氣的低熱值，kJ/m3
對于混合燃氣中高爐煤氣體積分數(shù)從0～90%的變化，高爐煤氣不同體積分數(shù)對應的混合燃氣理論燃燒溫度見圖1。
 

   ③ 石灰窯使用混合燃氣的可行性
   考慮石灰窯的工藝要求，從長期的生產(chǎn)實踐可知，石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣時，混合燃氣的低熱值在5000～10000kJ/m3時較為理想。當天然氣和高爐煤氣體積比為1:6時，低熱值約7400kJ/m3。從混合燃氣的熱值和燃燒特性分析，其煅燒工藝和轉(zhuǎn)爐煤氣很相近。由于1號爐窯的燃料為轉(zhuǎn)爐煤氣，因此，參照使用轉(zhuǎn)爐煤氣燒制石灰的實踐經(jīng)驗，2號爐窯混燒高爐煤氣和天然氣時可以不改變?nèi)紵骱退惋L系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且在燃燒特性上滿足工藝要求。分公司在1號爐窯使用轉(zhuǎn)爐煤氣方面已經(jīng)有多年的經(jīng)驗，因而利用混合燃氣來替代純天然氣有一定的實踐基礎。
    在燃氣混合調(diào)配方面，分公司現(xiàn)有15×104m3的高爐煤氣儲氣罐，可以保證高爐煤氣的穩(wěn)定供應。公司內(nèi)部天然氣、高爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣的輸配設施比較完備，并且各自輸送管網(wǎng)之間通過閥門連接，氣源之間可以相互補充，因此為燃氣的混合提供了基礎條件。基于公司內(nèi)部已有的燃氣管網(wǎng)，不需要進行過多的改造就可基本實現(xiàn)混合燃氣替代天然氣的目標。高爐煤氣和天然氣可以采用電動控制閥調(diào)控，并安裝流量計，根據(jù)不同工況實行自動調(diào)節(jié)，也可以采取手動調(diào)節(jié)。
    2008年全年分公司高爐煤氣放散率為6.7%，放散總量高達27382×104m3/a。假設2號石灰窯使用天然氣和高爐煤氣體積比為1:6的混合燃氣，按分公司2號石灰窯每年13×104t/a的石灰產(chǎn)量和相應的熱負荷，2號石灰窯可以充分利用高爐煤氣8400m3/h，每年利用的高爐煤氣達6 917×104m3/a，2號石灰窯利用的高爐煤氣占高爐煤氣放散總量的25.3%。無論從技術(shù)應用上，還是從運行成本和節(jié)能環(huán)保的角度，分公司在2號石灰窯上采用混合燃氣來替代純天然氣，都比較合理。
3 混合燃氣對石灰窯熱耗和熱效率的影響
    從生產(chǎn)工藝流程的角度，希望燃料熱值變化后，爐窯工況仍然穩(wěn)定，石灰產(chǎn)量保持不變，爐窯各項熱損失也基本不變?？稍O定：①燃料熱值變化前后，爐窯的加熱工藝和石灰產(chǎn)量不變，即單位時間爐窯中石灰石分解所吸收的熱量保持不變；②燃料熱值變化前后，爐窯的各項熱損失保持不變；③燃料熱值變化前后，煙氣出爐平均溫度不變，助燃空氣的預熱溫度不變。
爐窯熱效率的定義為：爐窯中石灰石分解所吸收的熱量與爐窯熱收入之比[3]。燃料熱值變化前：
 
式中η1——燃料熱值變化前，爐窯熱效率
    Фr——爐窯中石灰石分解的吸收的熱量，kW
    Фi,1——燃料熱值變化前，爐窯熱收入之和，kW
燃料熱值變化后：
 
式中η2——燃料熱值變化后，爐窯熱效率
    Фi,2——燃料熱值變化后，爐窯熱收入之和，kW
    由上述設定可知，燃料熱值變化前后石灰石分解所吸收的熱量中，保持不變。即有：
    Фi,1η1=Фi,2η2    (5)
石灰石分解所吸收的熱量為：
 
式中G——石灰石平均加入量，kg/h
    ωCaO——石灰石中CaO的質(zhì)量分數(shù)
    ——石灰石中CaCO3分解吸熱系數(shù)，kJ/kg
    ωMgO——石灰石中MgO的質(zhì)量分數(shù)
    ——石灰石中MgCO3分解吸熱系數(shù)，kJ/kg
    目前分公司2號石灰窯中石灰石平均加入量G=32670kg/h，石灰石中CaO的質(zhì)量分數(shù)ωCaO=54.65%，CaCO3的分解吸熱系數(shù)=2949.12kJ/kg，MgO的質(zhì)量分數(shù)ωMgO=0.28%，MgCO3的分解吸熱系數(shù)=2854.5kJ/kg。將各參數(shù)代入式(6)，計算得石灰石分解所吸收的熱量Фr=15254kW。按分公司2號石灰窯17300kg/h的石灰產(chǎn)量要求，在設定的3個基本條件下，通過對石灰窯中燃料熱值變化前后的熱工計算，對于各種體積比的天然氣與高爐煤氣的混合燃氣，理論上計算出了石灰窯生產(chǎn)石灰的單位熱耗和熱效率。結(jié)果表明，當混合燃氣中高爐煤氣體積分數(shù)從0上升到90%時，爐窯的單位熱耗隨之從4139kJ/kg升高到4444kJ/kg，而其熱效率也從74.18%降低到69.10%，但是生產(chǎn)單位質(zhì)量石灰消耗的天然氣量逐步降低，充分利用了企業(yè)自身的高爐煤氣?；旌先細庵胁煌郀t煤氣體積分數(shù)時2號石灰窯單位熱耗和熱效率的變化曲線見圖2。
 

    隨著混合燃氣中天然氣比例的降低，雖然石灰窯單位熱耗隨之增加，其熱效率也逐漸降低，但是混合燃氣的使用帶來了更多的經(jīng)濟效益，也充分利用了分公司多余的高爐煤氣，減少了高爐煤氣的放散。
4 實際混燒效果
    公司的高爐煤氣、天然氣和轉(zhuǎn)爐煤氣管網(wǎng)相互關聯(lián)，容易混合調(diào)配。通過對混合燃氣中天然氣和高爐煤氣各種配比下石灰窯單位熱耗和熱效率的理論計算與分析，分公司選取了天然氣和高爐煤氣1:6的體積配比模式，在2號石灰窯中做了測試研究。對混合燃氣燒制的石灰進行分析，衡量石灰質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)、活性度和灼減率3個指標都滿足要求，石灰質(zhì)量得到了保證?；旌先細鉄瞥龅氖业馁|(zhì)量與使用純天然氣時相當，石灰窯中不同燃氣燒制的石灰參數(shù)見表3。
表3 不同燃氣燒制的石灰參數(shù)比較
石灰參數(shù)
樣品1(混合燃氣燒制)
樣品2(純天然氣燒制)
質(zhì)量分數(shù)/%
94.40
96.64
灼減率(質(zhì)量分數(shù))/%
3.09
2.97
殘留CO2質(zhì)量分數(shù)/%
0.57
0.56
活性度/mL
342.50
345.00
實際混燒時石灰窯的主要技術(shù)經(jīng)濟指標如下
① 爐窯熱效率η
實際混燒過程中，測得爐窯熱效率為70.56%。
② 石灰成品單位熱耗
 
式中Qu——石灰成品單位熱耗，kJ/kg
    Qim——實際混燒時爐窯熱收入之和，kW
    Gp——實際混燒時爐窯石灰產(chǎn)量，kg/h
    根據(jù)測得數(shù)據(jù)，計算得石灰成品的單位熱耗Qu為4498.98kJ/kg。測試結(jié)果表明，實際情況與理論分析基本一致，混合燃氣滿足了煅燒石灰的工藝要求。
5 經(jīng)濟性比較
    根據(jù)分公司石灰生產(chǎn)的實際情況，結(jié)合混燒效果對比，2號石灰窯石灰產(chǎn)量不變，在天然氣和高爐煤氣1:6的體積比的條件下，分公司生產(chǎn)石灰的燃料費用減少，生產(chǎn)單位質(zhì)量石灰可以減少天然氣使用量為34.58m3/t，利用高爐煤氣的量為490m3/t。按照目前2號石灰窯每年13×104t/a的石灰產(chǎn)量，使用天然氣和高爐煤氣體積比為1:6的混合燃氣，每年可以節(jié)省天然氣的量為455×104m3/a，利用高爐煤氣的量為6917×104m3/a。分公司采購天然氣的價格為2.80元/m3，而高爐煤氣是富余燃氣，此舉可使2號石灰窯每年節(jié)省燃料費用1 274×104元/a。另外，根據(jù)對混燒時煙氣的檢測，煙氣排放完全滿足排放標準。
6 結(jié)論
    ① 混合燃氣的組成影響石灰窯熱效率和單位熱耗，石灰窯的熱工計算表明，混合燃氣中高爐煤氣體積分數(shù)從0上升到90%時，石灰窯的熱效率由74.18%降低到69.10%，而石灰窯的單位熱耗從4139kJ/kg升高到4444kJ/kg。
    ② 石灰窯混燒高爐煤氣和天然氣的混合燃氣的實際效果與預期一致，滿足了煅燒石灰的工藝要求。在分公司高爐煤氣還有放散的情況下，石灰窯采用混合燃氣降低了用氣成本，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益。高熱值燃氣中摻混高爐煤氣也為鋼鐵企業(yè)高爐煤氣的利用提供了一條很好的途徑。
參考文獻：
[1] 關宸祥.石灰窯[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.
[2] 羅琨.套筒式豎窯工藝特點及其相關工藝配置[J].武鋼技術(shù)，2002，40(1)：51-55.
[3] 同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，等.燃氣燃燒與應用(第3版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2000.
 
(本文作者：劉偉1 周偉國1 劉裕2 1.同濟大學機械工程學院 上海 201804；2.寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司 上海 200431)