密闭电石炉尾气利用套筒窑煅烧石灰的工艺
电石是重要的工业原料，可以取代石油用于生产聚氯乙烯，随着国际市场石油价格不断攀升和国内市场对聚氯乙烯需求快速增长的影响，近年来我国电石行业快速扩张。密闭电石炉改变了电石生产高污染高排放的格局，成为电石生产的主要炉型，其尾气的回收利用主要是作为燃料用于煅烧石灰。由于电石炉尾气的特性和密闭电石炉对石灰的较高要求，环形套筒石灰窑成为利用密闭电石炉尾气煅烧高品质活性生石灰生产的首选窑型。
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密闭电石炉及尾气
根据国家有关法律法规和产业政策，按照调整结构、有效竞争、降低消耗、保护环境和安全生产的原则，修订了《电石行业准入条件》。新准入条件提出，新建电石企业电石炉初始总容量必须达到100000kV·A及以上，其单台电石炉容量≥25000kV·A。新建电石生产装置必须采用密闭式电石炉，电石炉气必须综合利用。鼓励新建电石生产装置与大型工业企业配套建设，以便做到资源、能源综合利用。因此密闭电石炉已成为电石行业的标准炉型。
从密闭电石炉出来的尾气(其主要成分为CO、CO2、CH4、H2、H2O等)经过净化干法除尘及冷却后可达到：热值2500×4.18kJ/m3;氧含量≤1%;压力2~3kPa;温度≤60℃;粉尘含量≤30mg/m3;焦油含量≤20mg/m3。然后经过煤气加压站将压力升至15kPa以上，供后段工序使用。
生产1t电石产生的烟气净化后，充分燃烧放出的热量约为5.4×106kJ，此电石炉尾气的热值约为3100×4.18kJ/m3，而实际生产中热值约为2500×4.18kJ/m3，副产尾气量约为500m3/t电石。
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密闭电石炉对生石灰的要求
生石灰是电石生产的主要原料，理化指标见表1。生石灰的杂质含量、生过烧、粒度都对密闭电石炉的工艺操作和能耗有着直接的影响，所以密闭电石炉对生石灰的理化指标要求较高，已超过冶金行业标准《冶金石灰》(YB/T042-2004)中的特级冶金石灰的标准。
表1 密闭电石炉用生石灰理化指标
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套筒石灰窑在电石炉尾气煅烧石灰工艺中的应用
煅烧石灰的窑型较多，国内生产的窑型有竖窑、回转窑、双膛窑、双梁窑、悬浮窑、套筒窑等。选择窑型需要考虑如下因素：供生产用的石灰石块度及烧结特性，可供使用的燃料种类，生产规模，对石灰的粒度及质量要求，生产自动化水平要求，投资多少，厂区位置大小，对环保有无特殊要求等。为了充分利用矿山资源，生产规模较大的厂可同时选用两种不同窑型，分别煅烧大块料和碎料。
3.1
密闭电石炉尾气中主要成分是CO，气体毒性高，无色无味，一旦泄露很难察觉，且属于低热值煤气。根据其特性，适合作为气烧窑燃料的窑型主要有：套筒窑、双梁窑、双膛窑。这三种窑型都是国内外比较先进的窑型，综合比较见表2。比较结果，套筒石灰窑比较适合使用密闭电石炉尾气煅烧石灰，且产品符合密闭电石炉对生石灰理化指标的要求。
3.2
套筒石灰窑作为煅烧活性石灰的先进窑型，相比其他以煤气为燃料的窑型，有以下优点：
(1)煅烧工艺合理、产品质量高、占地面积小，整个窑体为负压操作，安全、便于检查和维护，且环保和劳动条件好。
(2)作业率高。年作业率可达98%以上，平均5年左右中修一次。
(3)适用燃料范围宽，可使用发热值在1600×4.18kJ/m3以上的低热值煤气，且煤气压力为15kPa左右的常规压力。
表2 套筒窑、双梁窑、双膛窑综合比较表
(4)窑体设备简单，绝大部分设备可在国内制造。需引进的关键设备少。
(5)能耗较低。采用冷却气热量回输、废气换热等多种形式回收热量，热耗较低，一般在950×4.18kJ/kg石灰，大大低于其他窑型。综合电耗一般在40kW·h/t石灰。
(6)套筒窑采用换热以及余热利用等技术，达到了环保节能的效果。
(7)利用套筒窑烧制的生石灰活性度高(350mL以上)、CaO含量高(≥92%)、生过烧5%以下等特点，有利于密闭电石炉工艺操作。
3.3
①逆流煅烧和并流煅烧有机结合
石灰石在套筒窑内煅烧过程中的一个显著特点是逆流煅烧和并流煅烧同时进行。套筒窑外壳上分布的两层燃烧室将窑体分成两个逆流操作的煅烧带和一个并流操作的煅烧带。
(1)逆流煅烧
上燃烧室为不完全燃烧,助燃空气供给不足,只有50%左右。在废气引风机的作用下，不完全燃烧烟气进入上部料层与来自下方含过剩空气的气流相遇，使不完全燃烧产物得到完全燃烧。这个区域(从上燃烧室到上部内套筒下口平面)即为上部煅烧带。在此区域内其气流方向与物料流动方向相反,煅烧过程称为逆流煅烧。
逆流煅烧时，石灰石处于分解初期需要吸收大量热量，所以一般不会产生过烧现象。随着料流向下运动,石灰石逐渐通过上部煅烧带。在上部煅烧带内完全燃烧后的烟气继续上行至窑顶，在窑顶又分成两部分：一部分(约占废气总量的70%，气量通过调节阀控制)经环形石灰石层(预热带)对石灰石进行预热,同时自身温度降到180℃左右;另一部分(约占废气总量的30%左右)经上内筒进入空气换热器，温度降低到180～250℃，再进入废气管道。两部分烟气均由同一台引风机抽出，然后经布袋除尘后排入大气。
在上、下燃烧室之间的区域为中部煅烧带，中部煅烧带亦为逆流煅烧。
(2)并流煅烧
下部燃烧室为完全燃烧。空气过剩系数为2.0左右。下燃烧室燃烧产生的高温烟气(温度<1350℃)分成两股：一股经中部煅烧带、上部煅烧带流向窑顶与来自上燃烧室的不完全燃烧气体相遇;另一股气流在下燃烧室喷射器的作用下往下走，形成并流煅烧带(下燃烧室平面到下内筒循环气体入口平面之间的区域)。
并流煅烧是套筒窑整个煅烧工艺的关键。石灰最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多个循环气体入口处进入下内筒;石灰冷却空气从底部吸入窑内,被高温石灰预热后与高温烟气一起从下内筒入口处进入下内筒内。两股气流混合后称为循环气体(其中含有过剩空气可以作为燃烧二次空气)，温度一般为800～900℃。循环气体经下内筒入口→下内筒顶部→喷射器→下燃烧室料层→下内筒入口，如此循环往复。
在并流煅烧区，随着物料向下流动，石灰石表面逐渐形成了CaO外壳，使吸热性变差，但恰好此时较贫化的燃料和空气发生接触燃烧，热量供给较温和，因此不会使CaO外壳过烧，又能使生芯继续分解。
②气流分布均匀
针对传统竖窑气流分布不均衡问题，套筒式竖窑对窑体内部结构进行了如下几方面的特殊处理。
(1)设置上、下两个中心内筒，使窑的装料空腔呈环形，减少料层厚度，以利于火焰或高温气体穿透整个料层。
(2)设置上、下两层错开均布的多个燃烧室，且每个燃烧室与内筒之间由耐火砖砌筑而成的拱桥相连，以便燃烧产生的高温烟气均匀地分布在窑的整个断面上。
(3)在下内筒的上、下部，沿圆周开有若干个孔(均布)，作为循环气体的进出口。开孔数目与燃烧室相对应，使窑内下部煅烧带气体被均匀地引入下内筒。
通过以上特殊设计，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,消除了热沟造成的质量不稳定以及耐火衬易损环现象。
③回收余热，降低能耗
套筒窑回收余热主要有以下三个途径：
(1)下内筒作为循环气体的通道。下燃烧室产生一部分高温富氧气体向下流动将石灰石冷却空气加热到800～900℃，通过下内筒引出窑外，在喷射介质作用下重新回到下燃烧室作为助燃空气利用。
(2)上内筒将窑顶30%的废气引出窑外通过空气换热器将热量传递给引射用空气，从而回收余热，提高引射空气温度。
(3)冷却下内筒的空气自身预热到200℃左右后，也被收集到环管内，然后分配到各燃烧室作为助燃空气再次利用。
通过以上三个途径,使窑内气体多余热量得到合理利用，从而达到节能的目的。能耗仅为930×4.18kJ/kg石灰左右。
④全程负压操作
套筒窑的特殊结构大大降低了窑内气流阻力损失，易实现全程负压操作，有利于窑内工况调节，同时减轻窑体密封件的负荷，改善劳动环境，使操作更安全。
⑤原料适应性更强
传统石灰竖窑由于自身结构和煅烧工艺的局限性，入窑原料粒度限制在70～150mm范围内，超过标准(小于70mm或大于150mm)则会影响窑内透气性和石灰煅烧质量。而套筒窑由于采用环形空间煅烧石灰石，极大地改善了窑内物料透气性,为石灰石提供了优良的煅烧条件，从而扩宽了原料粒度范围和粒径比。套筒窑的原料范围为15～180mm，粒径比能达到1∶3的水平。
⑥燃料选择适应范围较宽
套筒窑的适应性强，可以采用烟煤、褐煤、重油、天然气、焦炉煤气、转炉煤气及混合煤气等燃料。采用混合煤气要求发热值大于7500kJ/m3。且对煤气压力要求不高，大于15kPa为常规压力。
⑦操作简单，容易调节
套筒窑主要通过控制循环气体温度来调节煅烧状况，调节方式主要有以下两种：
(1)出料调节方式
循环气体温度对排料速度变化比较敏感。改变排料速度，会影响石灰石在窑内的停留时间。如果循环气体温度高，表明石灰煅烧程度高，石灰中残余CO2含量很少，这时排料速度应加快，使上部未烧透的矿石进入并流区煅烧;反之亦然。
(2)供热调节方式
改变热量传输，即通过改变下燃烧室的燃料量可以获得所要求的循环气体温度，进而控制石灰的煅烧程度。
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套筒石灰窑在电石炉尾气煅烧石灰工艺中的应用
套筒式煅烧石灰竖窑又名环形窑，简称套筒窑，起源于德国肯巴赫·威尔曼司特勒公司，由德国人卡尔·贝肯巴赫在20世纪60年代研究成功，世界上已有300余座套筒式竖窑投入使用。目前，被世界各国广泛采用，欧洲和日本用这种窑型较为普遍。近几年来，我国也逐渐引入这种窑型，先后在梅钢、马钢、本钢等大型钢铁企业应用。套筒式竖窑设备简单，操作和维修方便，工作环境较好，产品质量优良，占地面积较小，是一种很有发展前景的新型窑型。
根据国家“十二五”规划对高耗能高污染企业的环保要求及电石行业对电石炉尾气综合利用相关规定，尾气回收利用并降低二氧化碳排放已经是电石行业发展的必然趋势。而利用环形套筒石灰窑煅烧生石灰是密闭电石炉尾气最有效的利用途径。经过论证及考察，结合电石炉生产经验，国电英力特能源化工投资建设了国内首例以干法处理密闭电石炉尾气为燃料，引进意大利弗卡斯形套筒石灰窑来煅烧用于密闭电石炉生产电石的高品质生石灰生产线，电石炉尾气作为气烧石灰窑的燃料，既节能又消除了尾气的污染，而且气烧石灰质量均匀，反应活性好，利于密闭电石炉工艺操作，降低了电石的能耗，生产线工艺流程见图1。
此装置规模为2×30000kV·A密闭电石炉配套300TPD套筒石灰窑生产线，2009年8月点火，9月正式投产出料，10月完成达产达标考核。
图1 套筒窑利用电石炉尾气煅烧高品质生石灰工艺流程图
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结 语
伴随着国内钢铁行业以及电石行业的发展，活性石灰作为钢铁业必需的辅料和电石行业的主要原料，需求量增加，质量要求也越来越高，石灰市场出现了前所未有的发展机遇，套筒石灰窑生产的活性石灰具有气孔率高、表面积大、活性高、硫含量低等特点，在钢铁行业已经得到广泛的应用和推广。国电英力特作为电石行业引进套筒石灰窑技术第一家，经过一段时间的熟悉和学习，掌握了套筒窑利用电石炉尾气煅烧高品质生石灰技术。经过两年的生产运行，找出了目前装置存在的缺陷，为套筒窑和密闭电石炉配套使用积累了大量宝贵的经验，在新建的多联产循环经济项目中进行了多项技术改进，并采用了国内已经成熟的国产化套筒窑技术。
通过密闭电石炉及套筒石灰窑配套项目的成功运行经验，可以看出套筒窑利用电石炉尾气为燃料，煅烧密闭电石炉专用高品质活性生石灰技术是电石行业走向低碳经济和节能环保的新举措。
文章来源：国电宁夏英力特煤基化学有限公司