吳旭金

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司,廣東 廣州 510000)

淺論石灰窯頂溫與灰溫的關(guān)系

吳旭金

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司,廣東 廣州 510000)

通過對廣東南方堿業(yè)股份有限公司2009年12月份2#石灰窯生產(chǎn)進(jìn)行物料和熱量衡算,用數(shù)據(jù)說明在石灰窯生產(chǎn)過程中頂溫和灰溫的意義,以求在生產(chǎn)中取得一個(gè)科學(xué)的、合理的平衡,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

石灰窯;頂溫;灰溫;熱量損失

在石灰窯生產(chǎn)過程中,頂溫與灰溫造成的熱損失各有多少,很少有人認(rèn)真地計(jì)算過,所以在我公司流傳了一種“1℃灰溫?fù)p失的熱量相當(dāng)于10℃頂溫的熱損失”的說法,事實(shí)是否真如其說呢?

《純堿工學(xué)》一書描述:“灰窯熱損失主要有下列五項(xiàng):①窯氣帶出的熱量,約為總熱量的6%左右;②石灰?guī)С龅臒崃?約為總熱量的2%左右;③燃料未完全燃燒,約為總熱量的2%左右;④蒸發(fā)物料的水分,約為總熱量的0.2%;⑤窯體的散熱損失,約為總熱量的14%左右”。

以上五項(xiàng)熱損失中,其中第5項(xiàng)窯體的散熱損失主要取決于筑窯質(zhì)量和窯壁保溫層的維護(hù),一般可以理解為剛性熱損失或不可調(diào)控的熱損失。在日常生產(chǎn)中,要提高石灰窯的熱效率主要從前面四項(xiàng)入手,盡可能地減少這些項(xiàng)目的熱損失。下面將重點(diǎn)探討一下窯氣帶出的熱量與石灰?guī)С龅臒崃壳闆r。

先看幾組從我公司實(shí)際生產(chǎn)搜集回來的數(shù)據(jù)(見表1～表4):

表12009年12月份塊煤檢驗(yàn)結(jié)果

表22009年石灰石平均檢驗(yàn)結(jié)果 (%)

表32009年12月份2#石灰窯頂溫抽樣結(jié)果 (℃)

表42009年12月份2#石灰窯灰溫抽樣結(jié)果 (℃)

下面,以2#石灰窯為例,計(jì)算和分析石灰窯的物料平衡、熱量平衡、熱效率和熱損失情況。

1 計(jì)算過程

1)假定以生產(chǎn)1 t純堿為基準(zhǔn),石灰石當(dāng)量為1.45 t/t堿,石灰石分解率為92%,配煤率為7.6%,未能燃燒的白煤約為2%。

先計(jì)算石灰石含CaCO3為:

52.97%×100/56=94.59%

石灰石含MgCO3為:

2.17%×84.3/40.3=4.54%

由于石灰石含MgCO3量并不太多,為簡化計(jì)算過程,我們暫且將MgCO3看成CaCO3,此時(shí)石灰石含CaCO3為:

94.59%+4.54%=99.13%

生產(chǎn)每噸純堿用CaCO3為:

1.45×1000×99.13%=1437 kg

已經(jīng)分解的CaCO3為:

1437×92%=1322 kg

2)物料衡算

①生成CO2量

石灰石分解生成CO2量為:

1322×44/100=582 kg

582×22.4/44=296 m3/t堿

每噸堿用塊煤量為:

1450×7.6%=110.2 kg

燃燒白煤的碳量為:

白煤燃燒生成CO2量為:

則共生成CO2量為:

582+318=900 kg

900×22.4/44=458 m3/t堿

據(jù)崗位分析窯氣中含CO2為41%,則窯氣量為:

458/0.41=1117 m3/t堿

其中含N2量為:

1117-458=659 m3/t堿

659×28/22.4=824 kg

②生產(chǎn)每噸堿所需的空氣量為:

659/0.79=834 m3/t堿

834×29/22.4=1080 kg

③窯氣的重度為:

(900+824)/1117=1.543 kg/m3

④如果窯氣帶走的粉塵忽略不計(jì),則單純由石灰石分解獲得的粗石灰量為:

1450-582=868 kg

在煅燒石灰石過程中產(chǎn)生的白煤灰量為:

110.2×13.67%=15 kg

故總共獲得的粗石灰量為:

868+15=883 kg/t堿

綜上所述,總投入物料:

1450+1080+110.2=2640.2 kg

總產(chǎn)出物料為:

1117×1.543+883=2606.5 kg

總投入物料約等于總產(chǎn)出物料,基本符合實(shí)際生產(chǎn)情況。

3)熱量衡算

查找《純堿工學(xué)》獲得表5數(shù)據(jù)。

表5 石灰窯相關(guān)物料比熱表

查找《化工原理》可以得到,280℃時(shí),水汽熱焓為2752.0 kJ/kg,290℃時(shí),水汽熱焓為2732.3 kJ/kg。

由表3數(shù)據(jù),計(jì)算得該石灰窯的平均頂溫為286.0℃,采用差值法計(jì)算該溫度下水汽熱焓為2740.2 kJ/kg;由表4數(shù)據(jù),計(jì)算得該石灰窯的平均灰溫為42.9℃。假定2009年12月平均氣溫為293 K,衡算時(shí)選取273 K為基準(zhǔn)溫度,為簡化計(jì)算,忽略水分帶入熱量,則獲得總熱量計(jì)算如下:

白煤燃燒放出熱量為:

110.2×(1-2%)×28500=3.07 GJ

石灰石帶入熱量為:

1450×20×0.85=24.6 MJ

白煤帶入熱量為:

110.2×(1-2%)×20×0.837=1.8 MJ

空氣帶入熱量為:

1080×20×1.0=21.6 MJ

獲得總熱量=3077.88+24.60+1.80+21.60=3.12 GJ

消耗熱量計(jì)算如下:

分解CaCO3所需熱量為:

1322×1780=2.35 GJ

窯氣帶出熱量為:

(900+824)×0.958×286=0.47 GJ

石灰?guī)С鰺崃繛?

883×0.99×42.9=37.50 MJ

水汽帶出熱量為:

110.2×3.73%×2740.2=11.26 MJ

白煤未完全燃燒損失熱量為:

110.2×2%×28500=62.81 MJ

其它熱量損失為:

3125.89-2353.16-472.35-37.50-11.26-62.81=188.80 MJ

4)石灰窯的熱效率為:

2353160/3125894×100%=75.28%

2 結(jié)果分析

綜上所述,該石灰窯的熱效率是偏低的,下面再計(jì)算一下各項(xiàng)熱損失占總熱量的比例:

窯氣帶出熱量占總熱量的比例為:

472355/3125894×100%=15.11%

石灰?guī)С鰺崃空伎偀崃康谋壤秊?

37502/3125894×100%=1.20%

水汽帶出熱量占總熱量的比例為:

11263/3125894×100%=0.36%

白煤未完全燃燒損失熱量占總熱量的比例為:

62814/3125894×100%=2.01%

其它熱量損失(主要是窯體的散熱)占總熱量的比例為:

251614/3125894×100%=6.04%

由此可見,該石灰窯的主要熱量損失在窯氣帶出這項(xiàng)上,為了方便我們了解石灰窯頂溫控制的重要性,按照以上計(jì)算公式,我們在 Excel上建立一個(gè)數(shù)據(jù)模型,然后分別輸入不同的石灰窯頂溫度,即可得到表6結(jié)果。

表6 石灰窯頂溫、窯氣帶出熱量及占總熱量的比例

由表6可得,如果我們能將石灰窯頂溫由現(xiàn)在的286℃控制到設(shè)計(jì)指標(biāo)的120℃,該項(xiàng)熱量損失將從472.35 MJ下降到198.19 MJ,石灰窯的熱效率因此可提高8%～9%。

當(dāng)然,對于石灰窯來說,頂溫、灰溫高低都意味著石灰窯熱損失的大小,兩者都要避免過高,因此,頂溫與灰溫是相互矛盾的兩個(gè)指標(biāo),我們必須在操作控制上尋找一個(gè)相對較好的平衡。

同樣,按照以上計(jì)算公式,我們在 Excel上建立一個(gè)數(shù)據(jù)模型,然后分別輸入不同的石灰窯出灰溫度,即可得到表7結(jié)果。

表7 石灰窯灰溫、出灰?guī)С鰺崃考罢伎偀崃康谋壤?/p>

看到表7數(shù)據(jù),我想大家肯定懷疑是我弄錯(cuò)了,因?yàn)?00℃的出灰溫度,石灰?guī)С鰺崃?37.08 MJ,占總熱量的13.98%,稍有點(diǎn)石灰窯操作經(jīng)驗(yàn)的人都知道,這是不可能的結(jié)果,到底怎么回事呢?

其實(shí),要解答這個(gè)問題,還得從石灰窯的生產(chǎn)慣例上來尋找答案。在石灰窯生產(chǎn)過程中,由于慣例原因,我們平常所看到的、所講的、所關(guān)注的灰溫,實(shí)際上并不是一個(gè)真是意義上的出灰溫度,而是一個(gè)偽灰溫,它的準(zhǔn)確名字應(yīng)該叫“石灰窯內(nèi)空氣溫度”,它與真正意義上的灰溫相差甚遠(yuǎn),而且受空氣溫度、窯內(nèi)送風(fēng)大小、風(fēng)壓高低等諸多因素的影響,暫時(shí)還沒能找到一個(gè)可以讓兩者互相換算的公式,只能從經(jīng)驗(yàn)上總結(jié)和推斷相對接近實(shí)際的生石灰溫度。表8是我多年從事石灰窯生產(chǎn)所掌握的石灰窯內(nèi)空氣溫度及與之對應(yīng)的生石灰實(shí)測溫度數(shù)據(jù)。

表8 石灰窯內(nèi)空氣溫度及與之對應(yīng)的生石灰實(shí)測溫度 (℃)

根據(jù)表8數(shù)據(jù)繪成圖1。

圖1 窯內(nèi)空氣溫度與生石灰實(shí)測溫度對照圖

從圖1我們可以看出,隨著石灰窯內(nèi)空氣溫度升高,生石灰的實(shí)測溫度是遞增的,所以我們要充分認(rèn)識石灰窯內(nèi)空氣溫度與生石灰的實(shí)際溫度的區(qū)別,不要被常規(guī)的出灰溫度(即:石灰窯內(nèi)空氣溫度)影響我們對石灰窯窯況的判斷。

從表8我們可以采用差值法推斷出常規(guī)的出灰溫度(即:石灰窯內(nèi)空氣溫度)42.9℃對應(yīng)的實(shí)際的生石灰溫度約為111℃。故以上熱量衡算計(jì)算過程中,石灰?guī)С鰺崃繎?yīng)該校正為:883×0.99×111=97.03 MJ,占總熱量的3.10%;而其它熱量損失(主要是窯體的散熱)占總熱量的比例為4.14%。

為了說明在石灰窯生產(chǎn)過程中頂溫和灰溫意義的大小,以求在生產(chǎn)中取得一個(gè)科學(xué)的、合理的平衡。我從表6、表7中選取了比較有代表意義的3組相同溫度下的窯氣和生石灰?guī)ё邿崃繐p失數(shù)據(jù)來分析,見表9。

從表9可以看出:在常規(guī)生產(chǎn)溫度范圍內(nèi),窯氣帶出熱量要比相同溫度的生石灰?guī)С鰺崃慷?。以上?jì)算也可得知,在2#石灰窯實(shí)際生產(chǎn)控制過程中,平均頂溫為286.0℃,平均灰溫為42.9℃情況下,窯氣帶出熱量占總熱量的15.11%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于占總熱量3.10%的石灰?guī)С鰺崃?這是極不科學(xué),極不合理的。就2#石灰窯的現(xiàn)狀,如果從節(jié)能角度來說,該石灰窯控制頂溫的意義遠(yuǎn)大于控制灰溫。當(dāng)然,灰溫涉及進(jìn)窯操作人員的安全,關(guān)系到窯內(nèi)設(shè)備能否得到正常維護(hù),關(guān)乎石灰窯生產(chǎn)能否連續(xù)等等,所以,一味地忽視灰溫控制也是不科學(xué)的,石灰窯操作法中把灰溫指標(biāo)定為≤60℃正是綜合了各方面因素后才確定的。

表9 相同溫度下石灰窯窯氣和生石灰?guī)ё邿崃繐p失

3 結(jié) 論

在石灰窯生產(chǎn)過程中,從熱力學(xué)角度來說,頂溫、灰溫都是控制低一點(diǎn)好,但它們是相互矛盾的兩個(gè)指標(biāo),如果片面地追求其中一個(gè)指標(biāo),必然會影響到另一個(gè)指標(biāo)的正常。從經(jīng)驗(yàn)來看,需要嚴(yán)格按照指標(biāo)規(guī)定:頂溫≤140℃,灰溫≤60℃進(jìn)行控制,在此基礎(chǔ)上來追求更低的頂溫、灰溫,從而進(jìn)一步提高石灰窯的熱效率,任何顧此失彼的做法都是不科學(xué)、不合理的、不可取的、不節(jié)能的。

[1]中國純堿工業(yè)協(xié)會.純堿工學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1990.

[2]陳學(xué)勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1990.

[3]王振中.化工原理,上冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994.

[4]姚梓均.無機(jī)物工藝學(xué),下冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995.

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2010-05-18

吳旭金(1976—),本科學(xué)歷,化工總控技師,化工工程助理工程師。曾多年從事廣東南方堿業(yè)股份有限公司石灰車間生產(chǎn)管理工作,現(xiàn)任該公司總調(diào)度室調(diào)度員。