《石灰產(chǎn)業(yè)大講堂》006期|粉體燃料煅燒石灰的關(guān)鍵技術(shù)
一、概 述
隨著石灰生產(chǎn)工藝節(jié)能化、環(huán)�；陌l(fā)展，石灰窯噴吹粉體燃料技術(shù)成為當今石灰生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向已成為共識。噴吹原料易得、經(jīng)濟適用的粉體燃料煤替代優(yōu)質(zhì)高價的塊狀無煙煤和焦炭，是現(xiàn)代石灰生產(chǎn)實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高石灰品質(zhì)和減輕環(huán)境污染的重要措施，已經(jīng)成為當前石灰生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排、降低成本的有效手段之一。
粉體燃料煅燒石灰主要采取爐內(nèi)噴吹的方式，粉體燃料的原料來源主要有煤炭、焦炭、焦丁、蘭炭、生物質(zhì)碳化粉等化石燃料品種，還有其他如石油焦、廢舊橡膠粉等燃料來源，都是適宜進行粉體噴吹的燃料來源。
我國由于資源條件和能源政策的限制，以及考慮生產(chǎn)成本問題，目前石灰行業(yè)大部分都以噴吹煤粉為主。噴煤粉技術(shù)能夠充分利用煤炭資源，提高能源利用率，同時減少了煤的排放和污染。適合粉體噴吹的石灰窯主要窯型為雙膛石灰窯、梁式窯、回轉(zhuǎn)窯等主要窯型。由于回轉(zhuǎn)窯能耗太高以及梁式窯的工藝缺陷等原因，目前噴吹粉體燃料的石灰窯主流窯型為雙膛窯生產(chǎn)工藝。
雙膛石灰窯工藝技術(shù)具有高效、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，而且雙膛石灰窯的結(jié)構(gòu)相對簡單，易于建造和維護，在石灰石燒制的過程中，煤粉的燃燒產(chǎn)生的熱量可以提供石灰石熱分解所需的能量，從而實現(xiàn)高效燒制。因此被應(yīng)用于各個行業(yè)，尤其是在建筑、冶金、化工、環(huán)保等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
本節(jié)課程將詳細介紹適宜石灰生產(chǎn)的粉體燃料的使用及控制技術(shù)要點，同時，還重點介紹了目前行業(yè)*新的粉體噴吹燃燒技術(shù)。
二、 適用石灰窯使用的粉體燃料控制要點
1、粉體燃料的指標控制關(guān)鍵點：
目前，國內(nèi)較多石灰生產(chǎn)企業(yè)采用原煤作為燃料鍛燒石灰石。
由于粒煤燃燒存在燃燒效率低、污染大等不足，所以一般將粒煤制備成煤粉后入窯燃燒，制備煤粉的燃料原煤的選擇與管控也就成為石灰生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
煤 粉 煤粉制粉流程圖SiO
2、Al
2O
3、CaO、MgO、Fe
2O
3 等組成。燃粉灰分在高溫形式下形成的低熔點化合物是導致粘窯和結(jié)圈的重要原因，低熔點化合物對窯襯有腐蝕作用， 能造成窯襯損壞， 煤粉附著在產(chǎn)品上， 使產(chǎn)品質(zhì)量降低， 因此采用低灰分燃料十分重要，灰分的熔點大于 1250℃
②揮發(fā)份控制
揮發(fā)份高有利于煤粉點火和穩(wěn)定燃燒，但揮發(fā)份高不利于煤粉系統(tǒng)安全生產(chǎn)，因此，石灰窯噴吹所用的粉體燃料的揮發(fā)份含量宜適中，揮發(fā)份和固定碳的含量與碳化有關(guān)，碳化程度越高，揮發(fā)份越少。
③水分控制
結(jié)晶水要在 200℃以上才能從煤中分解出來，燃料中的水分對于煤粉制備系統(tǒng)加料不暢，影響其正常工作，另外煤粉中水分過高， 降低燃料的可燃度，影響燃料的消耗。
2、 煤粉的爆炸性控制關(guān)鍵點
煤粉和空氣混合物在一定的條件下會產(chǎn)生爆炸，生產(chǎn)實踐和試驗研究證明，影響煤粉爆炸的主要因素有：
①揮發(fā)份，揮發(fā)份越高越容易爆炸；
②細度，煤粉越細，與空氣的接觸面越大，爆炸性也越大；
③濃度，煤粉的爆炸性隨著它在空氣中的濃度增大而變大， 但濃度增加到一定限度后，爆炸性又開始減小，煤粉濃度的爆炸范圍為0.3-0.6kg/m³；
④介質(zhì)含氧量：
懸浮在含氧量大的氣體介質(zhì)中的煤粉，可爆炸性大并且爆炸力強，實踐證明在含氧量小于 16％的氣體中，煤粉不會爆炸；
⑤混合物溫度：
煤粉空氣混合物的溫度越高，爆炸的可能性越大，一般不超過下列溫度：
原煤水分＜25％， 煙煤≤70° ；
原煤水分＞25％， 煙煤≤80° 。
三、煤粉燃燒特性的判別方法
1、揮發(fā)分與煤的可燃性
目前仍沿用以工業(yè)分析得出的可燃基揮發(fā)分判斷煤的燃燒性能將其作為爐膛設(shè)計和燃燒器型式選取的依據(jù)，用其確定熱風邂度，一、二次風的比率以及煤粉經(jīng)濟細度等的重要運行參數(shù)眾所周知，熱解反應(yīng)析出的揮發(fā)分是煤中不穩(wěn)定的物質(zhì)，從褐煤到無煙媒隨著地質(zhì)年代的增長，其含量逐漸減少，它是煤的活性的一種表現(xiàn)。因此，用揮發(fā)分的數(shù)量判別煤的可燃性，在煤的大類別(無煙煤、煙煤褐煤)之間，或同類煤中揮發(fā)分數(shù)值相差較大的煤種之間是正確的。然而，用于比較揮發(fā)分含量低的無煙媒、貧煤之間以及高揮發(fā)物的揭媒頁巖之間的可燃性確有較大的偏差。
揮發(fā)分只是在數(shù)量上表達了煤的熱解性能，它沒有涉及揮發(fā)物質(zhì)的組成，例如不同揭煤中的有機物質(zhì)的化學性質(zhì)差異就很大。對于揮發(fā)分相同的煤種，因其組分不同析出過程不同在燃燒過程中起的作用就不同。
另外，在測定過程中所測揮發(fā)分結(jié)果的真實性不同。高揮發(fā)分媒在測定過程中，因揮發(fā)物析出快、量多，能夠避免氧對焦炭氧化造成的誤差。而低揮發(fā)分的無煙煤，在測定過程中部分焦炭已被氧化，造成測定結(jié)果的誤差曾用純炭粉按常規(guī)揮發(fā)分測定方法進行試驗，結(jié)果有19%的質(zhì)量損失。這說明對于揮發(fā)分特別低的煤種，因焦炭氧化對揮發(fā)分測定結(jié)果會有很大影響。再者，在測定過程中有些煤種中無機物的分解也會給測定結(jié)果帶來影響。例如，碳酸鹽的部分分解，部分無機硫的揮發(fā)以及礦物質(zhì)中結(jié)晶水在較高溫度區(qū)域的分解。
綜上所述，揮發(fā)分僅代表煤粉在一定試驗條件下有機物熱解的數(shù)量，反映了一些煤種的可燃性。用它來判別各種煤種的可燃性，則不夠確切，甚至出現(xiàn)偏差因此需要尋求更能反映煤熱解性能的指標，以彌補揮發(fā)分指標的不足。
2、煤的著火穩(wěn)燃特性判別指標
中國*早的煤分類指標，稱為加水燃率(FC)/(V+M以該指標將煤分為褐煤(<09)，褐性煙煤(0.9~1.3)，低碳煙煤(1.3~1.7)，中碳煙煤(1.7~3)，高碳煙煤(3~4)，無煙性煙煤(4~6)，低碳無煙煤(6~8)，中碳無煤(8~10)，高碳無煙煤(10~12)，它是用固定碳分析基水分及揮發(fā)分表示煤的變質(zhì)程度
四、新一代粉體燃料燃燒技術(shù)
近年來，被喻為綠色煤炭的可再生能源生物質(zhì)的研究，已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，生物質(zhì)混煤燃燒也已成為生物質(zhì)能利用的一種重要方式。
1、煤粉與生物質(zhì)混燃技術(shù)應(yīng)用
單獨噴吹燃燒煤粉，雖然目前為止在石灰窯上的應(yīng)用非常廣泛，技術(shù)也相對穩(wěn)定，但是由于化石燃料的不可再生性及其燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的污染，需要對其進一步研究改進。而生物質(zhì)能源恰好補充了化石燃料的缺陷，其為清潔的可再生能源，并且燃燒產(chǎn)物中污染物排放量小， 甚至能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的零排放，其各項綜合指標使得生物質(zhì)作為一種新的可再生能源受到關(guān)注。
但是生物質(zhì)能源也有其自身的缺點，如發(fā)熱密度小，燃燒效率低，并且直接燃燒生物質(zhì)由于其熱值低很難達到煅燒石灰的熱工要求。因此將兩者混合噴吹燃燒，即能夠減少污染物的排放，也能夠達到環(huán)保指標，不但緩解了碳排放壓力，而且也有效的降低了燃料成本，增加了經(jīng)濟效益。
由“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團”旗下“唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司”及“唐山金泉成套設(shè)備有限公司”研究開發(fā)的“煤粉與生物質(zhì)混燃煅燒石灰成套裝置”等系列技術(shù)，成功的解決了在生物質(zhì)利用技術(shù)中，純生物質(zhì)直燃技術(shù)存在效率低、燃盡時間短等關(guān)鍵性問題。利用現(xiàn)有石灰窯的煤粉噴吹技術(shù)進一步改進提升，對生物質(zhì)和煤粉進行混燃，相對于燃燒純煤粉和純生物質(zhì)燃燒技術(shù)，不僅提高了生物質(zhì)利用率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不易燃煤種達到著火更容易，燃盡程度提高或燃盡時間縮短的目的，尤其是摻混生物質(zhì)對難燃煤種著火特性的影響比對易燃煤種更加明顯，使石灰生產(chǎn)中對噴吹的煤炭種類選擇更加廣泛。
從唐山金泉公司已經(jīng)公開的部分技術(shù)信息顯示：
生物質(zhì)與煤粉混合燃燒，主要有以下兩種方法：
（1）將生物質(zhì)直接與煤混合后磨制成的混合粉末直接噴入爐膛進行燃燒煅燒石灰。
（2）將生物質(zhì)提前單獨制成粉末，在燃燒器風口與煤粉氣流混合， 一同吹入爐膛進行燃燒煅燒石灰。
第１種方式直接混合制粉，步驟簡單，現(xiàn)有的石灰窯磨粉設(shè)備以及系統(tǒng)就可以對其進行加工制造，但是由于生物質(zhì)難以粉碎且能量密度低，對磨煤機的容量要求很高，并且摻燒的生物質(zhì)比例在很大程度上會影響到系統(tǒng)的安全運行，以致混燃中摻燒生物質(zhì)的含量大大受限。
第2種方式由于生物質(zhì)成分不同，磨成粉末不能直接用磨煤機， 需要對其進行改裝或加入專門的系統(tǒng)， 雖然提高了設(shè)備投資的費用， 但是，值得一提的是，由于提高了生物質(zhì)摻燒比例，可以提高燃燒的經(jīng)濟性。
爐內(nèi)煤粉與生物質(zhì)混合燃燒的特性如下：
（1）由于生物質(zhì)自身的物理性質(zhì)，導致其揮發(fā)分的含量較煤粉高， 著火點也低于煤粉，因此當其與煤粉混合點燃時，相對于煤粉單獨燃燒而言，較低溫的環(huán)境就能使混合燃料著火而點燃。所以一般情況下， 爐膛的溫度會低于煤粉單獨燃燒時的溫度，約1000℃范圍左右，這樣也避免了高溫時爐膛內(nèi)部的石灰結(jié)瘤、結(jié)焦、結(jié)渣及高溫型氮氧化物的生成。
（2）生物質(zhì)的種類豐富，摻燒比例也并不固定，但是這些因素僅會影響到其在與煤粉混合燃燒時的燃盡程度，并不影響燃燒溫度及火焰穩(wěn)定性，對煅燒石灰工況來講，影響不大。
（3）生物質(zhì)的顆粒過大時，對燃燒過程的燃盡效率影響也并不大。此外，生物質(zhì)的一些其他物理特性及燃燒特性都能改變化學反應(yīng)的過程，如較高的反應(yīng)活性、揮發(fā)分等均可以改善煤粉的燃燒特性。
（4）燃料從燃燒器噴入爐膛可以有多種方式，密切影響到燃燒產(chǎn)物中污染物如NOX的形成及排放。相對于單一的煤粉燃燒而言，生物質(zhì)與煤粉的混合燃燒較為復(fù)雜，保證總體的富氧環(huán)境，應(yīng)采用空氣的分級燃燒。此外，由于生物質(zhì)自身的物理特性，其固硫能力強，自身含硫低，同時減少了SO2的排放。
（5）生物質(zhì)粉體中含有較高比例的碳，含氮較少，幾乎不含硫，燃燒后對環(huán)境危害大大降低。
（6）和煤相比，生物質(zhì)粉體中含水分較少，含揮發(fā)分較多，含灰分較低，易于著火，且在燃燒初期粉體經(jīng)過熱分解析出的揮發(fā)分首先參與燃燒。粉體在燃燒過程中，主要以懸浮燃燒的方式在爐膛中形成體積燃燒，有利于在煅燒石灰時火焰在石料縫隙中的分布和流動，使石灰窯窯內(nèi)還原氣氛更加合理，石灰活性度可以進一步提高，石灰生過燒率呈下降趨勢。
2、生物質(zhì)焦與煤混合燃燒技術(shù)
目前，國內(nèi)對生物質(zhì)與煤的共燃燒研究主要集中在生物質(zhì)原材料直接與煤的混合燃燒，而對生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物——生物質(zhì)焦與煤的共燃燒過程中對煤粉催化作用的研究，則較少報道。
生物質(zhì)焦是生物質(zhì)原料在缺氧環(huán)境下通過熱化學轉(zhuǎn)化得到的一種固體材料。是生物質(zhì)在氣化、裂解過程中的副產(chǎn)品。生物質(zhì)在熱化學反應(yīng)過程中，增加了燃料的能量密度，更適合在現(xiàn)有燃煤工業(yè)爐進行燃燒。因此生物質(zhì)焦和煤混合燃燒也受到國內(nèi)外學者的廣泛研究。
生物質(zhì)焦的特性受諸多因素的影響，如熱解溫度、熱解氛圍和熱解速率等。研究不同熱解條件對生物質(zhì)焦特性的影響是生物質(zhì)焦利用技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。
中國石灰產(chǎn)業(yè)學會與唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)集團聯(lián)合研發(fā)中心重點研發(fā)的“生物質(zhì)焦與煤炭混合噴吹生產(chǎn)石灰技術(shù)”，研究實驗了不同配比條件下生物質(zhì)焦對噴吹煤粉助燃的特點，將木質(zhì)生物質(zhì)焦分別與不同煤種按照不同比例進行了熱重實驗和燃燒實驗。對其混合燃燒特性進行了充分的分析研究，并根據(jù)生物質(zhì)焦的微觀結(jié)構(gòu)對其在石灰窯內(nèi)催化煤粉燃燒的機理進行了深度研究。
唐山金泉冶化科技產(chǎn)業(yè)有限公司技術(shù)中心理化試驗室提供的部分實驗報告數(shù)據(jù)顯示：
①隨著生物質(zhì)焦摻混比例逐步增大，燃燒過程中生物質(zhì)焦對煤粉有助燃效果。
②生物質(zhì)焦的摻入可以改善煤的揮發(fā)分析出特性。
③由于生物質(zhì)焦的揮發(fā)分在較低溫度下即可析出，生物質(zhì)焦對煤有催化助燃的作用，從而改善了煤的著火性能。
④在煤中摻入生物質(zhì)焦后，*大燃燒速率有所提前。
⑤生物質(zhì)焦具有氣孔發(fā)達、孔隙率高和比表面積大等物理特性。這種特性使其作為氧氣的通道，吸附氧氣能力強，促進了氧氣的擴散速率，相當于增大了氧氣濃度，從而提高了燃燒速率。
⑥尤其是在雙膛窯并流煅燒過程中，生物質(zhì)焦加速了氧在氣相和碳之間的傳遞過程。因此，氧氣濃度較大時，加快了生物質(zhì)焦傳遞氧的速率和氧氣擴散速率，從而提高了煤粉的燃燒速率。
⑦生物質(zhì)焦能夠通過催化作用來改變碳氧化反應(yīng)過程，降低反應(yīng)活化能，進而提高反應(yīng)速率，從而表現(xiàn)出催化煤粉燃燒的助燃效果�？擅黠@改善煤粉燃燒的動力學條件，對煤粉有助燃作用。
⑧相比煤而言，生物質(zhì)焦的灰分含量極低，活化能較低；揮發(fā)分含量高與煙煤相近，易著火，燃燒性能明顯優(yōu)于無煙煤，適合石灰窯噴吹。
⑨生物質(zhì)焦對不同煤種煤粉燃燒特性的影響趨勢基本一致，隨著添加量的增加，對煤粉的助燃效果越好，但助燃效果與煤種本身性質(zhì)有關(guān)。
五、進一步研究展望
近年來，我國在生物質(zhì)燃燒方面有很大的進步，無論是單獨的生物質(zhì)燃燒技術(shù)，還是生物質(zhì)氣化和液化燃燒技術(shù)，還是本課程所述的生物質(zhì)與煤粉直接混燃的技術(shù)，都掌握了很大的信息量，獲得了很大的進步。隨著國際能源同漸短缺及環(huán)境日漸遭受破壞，生物質(zhì)燃燒技術(shù)作為潔凈的能源技術(shù)已經(jīng)成為任何一個國家中不可或缺的一部分。我國在某些技術(shù)上正在向發(fā)達國家學習，盡管目前離發(fā)達國家還有一定的距離，但是已經(jīng)日漸趨近。
生物質(zhì)資源是一種清潔、無污染能源且儲量十分豐富， 因此發(fā)展生物質(zhì)資源的利用對于我國節(jié)能減排具有重要意義。特別是生物質(zhì)焦克服了生物質(zhì)本身易磨性差、儲存運輸不方便、熱值低等缺點，是一種能夠在現(xiàn)有石灰窯采用燃煤生產(chǎn)中應(yīng)用的燃料。而且生物質(zhì)焦比生物質(zhì)原料具有更高的熱值和固定碳含量，與煤炭和生物質(zhì)焦一煤炭混合燃料相比，生物質(zhì)焦燃燒時產(chǎn)生的N0x氣體更少。
所以，唐山金泉公司通過對新型生物質(zhì)燃料與傳統(tǒng)化石燃料組合燃燒技術(shù)的研究與開發(fā)，以及生物質(zhì)焦和煤共燃的研究，為生物質(zhì)及生物質(zhì)焦在石灰生產(chǎn)中的工程應(yīng)用中取得了可靠的理論支撐和實踐應(yīng)用，特別是對唐山金泉公司推出的“生物質(zhì)+全系列燃料生產(chǎn)石灰技術(shù)”中生物質(zhì)氣化后的“生物質(zhì)焦”副產(chǎn)品找到了一個很好的用武之地，不但解決了副產(chǎn)品的銷售、處理問題，也節(jié)省了石灰煅燒的燃料能耗，提高了石灰生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。對生物質(zhì)燃料在石灰生產(chǎn)中得到良好科學的應(yīng)用，具有重大的意義。
據(jù)悉，該項系列技術(shù)中的一項新的石灰生產(chǎn)技術(shù)成果（ZGS外支撐式混噴雙燃雙膛豎窯），在7月18日，由中國石灰產(chǎn)業(yè)學會組織的“2023年中國石灰產(chǎn)業(yè)新技術(shù)（新裝備）科技成果鑒定會（第二季）”中，獲得科技鑒定證書和“石灰行業(yè)新技術(shù)（裝備）應(yīng)用推廣證書（編號：ZSCX-2023XJS-59798）”。同時，該項技術(shù)還被中國石灰產(chǎn)業(yè)學會命名為“新時代低碳環(huán)保型石灰生產(chǎn)十.大旗艦技術(shù)”首個重點推廣項目，目前已經(jīng)在國內(nèi)及國外多地開始規(guī)劃建設(shè)示范性項目。
從該項技術(shù)的鑒定資料中獲知：該項技術(shù)成果在實現(xiàn)傳統(tǒng)的混料式豎窯生產(chǎn)工藝與雙膛窯噴吹功能的完美組合的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新實現(xiàn)了雙膛窯體的“噴吹煤粉+氣體燃料+噴吹生物質(zhì)焦+電輔懸浮燃燒”的全系列燃料的復(fù)合應(yīng)用。該項技術(shù)淘汰了傳統(tǒng)雙膛豎窯爐內(nèi)牛腿式支撐及懸掛缸吊掛結(jié)構(gòu)，采用爐外通道式支撐結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩個爐體余熱煙氣循環(huán)，達到蓄熱和余熱高效利用的功能。尤其是其采用的爐外煙氣循環(huán)通道氣力清灰和氣力輸送粉塵技術(shù)與余熱懸浮燃燒小顆粒石料的組合，是典型的創(chuàng)新的技術(shù)，不但實現(xiàn)了“全粒徑石灰石資源高值化綜合利用”，而且還實現(xiàn)了“全系列燃料復(fù)合應(yīng)用”的目的。
由上述可見，在“碳達峰、碳中和”的雙碳目標下，唐山金泉公司大力推動新能源在石灰行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用和石灰生產(chǎn)領(lǐng)域流程的再造，對石灰石全粒徑資源整體高值利用和燃料多元化應(yīng)用生產(chǎn)，提高產(chǎn)品競爭力，實現(xiàn)了節(jié)能、減排、降耗、增值，有利于生態(tài)環(huán)境的保護，助力雙碳目標，即符合新形勢下低碳經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的要求，也將是石灰產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展趨勢。
