趙 博，陳延信

（西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所，陜西西安 710055）

貴州甕福磷肥廠于2011年建成產(chǎn)能為25萬(wàn)t/a的磷石膏制粒狀硫酸銨裝置，該裝置每年可消耗磷石膏固態(tài)廢渣超過(guò)60萬(wàn)t，同時(shí)排放30萬(wàn)t碳酸鈣廢渣。為了實(shí)現(xiàn)碳酸渣鈣的再利用，該廠采用西安建筑科技大學(xué)的高固氣比懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻技術(shù)，建成一條10萬(wàn)t/a碳酸鈣渣懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻制備活性石灰的配套試驗(yàn)生產(chǎn)線，石灰產(chǎn)品可用于火電廠煙氣脫硫、化工廠污水處理或用作建筑材料等。由于是首條工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)線，碳酸鈣渣懸浮態(tài)煅燒裝置獨(dú)特的工藝特性尚待深入探索，筆者根據(jù)中試試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)線調(diào)試階段的工藝操作經(jīng)驗(yàn)，初步總結(jié)出該生產(chǎn)線工藝控制的要點(diǎn)，可作為生產(chǎn)控制的參考。

1 高固氣比懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻技術(shù)

稀相懸浮態(tài)快速煅燒新技術(shù)具有傳遞面積大、綜合傳遞系數(shù)大、傳遞動(dòng)力大、反應(yīng)速率高和熱效率高的特點(diǎn)，可有效克服傳統(tǒng)碳酸鹽煅燒工藝能耗高及產(chǎn)品“過(guò)燒”和“欠燒”的問(wèn)題［1］。

高固氣比懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻技術(shù)的主體由3部分構(gòu)成：1）高固氣比預(yù)熱單元。將并聯(lián)平行的氣流與交叉串行的料流相結(jié)合，出旋風(fēng)分離器的氣體均等地通過(guò)平行雙系列預(yù)熱器，全部粉體從一個(gè)系列到另一個(gè)系列交替喂入，串行料流交叉進(jìn)入兩股平行氣流中，使100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的物料與50%（體積分?jǐn)?shù)）的氣流交換熱量，旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的固氣比可以提高到1倍左右，從而提高了系統(tǒng)的固氣比和換熱效率；2）高固氣比煅燒單元。采用選擇性的體外循環(huán)方式，讓粗顆粒物料和煤粉在煅燒爐內(nèi)循環(huán)分解，保障了出爐物料的分解率，提高了煅燒爐的熱穩(wěn)定性、出爐物料的分解率、煤粉燃燼率和單位容積產(chǎn)量［2］；3）快速冷卻單元。采用懸浮態(tài)冷卻方式，實(shí)現(xiàn)高溫產(chǎn)品的快速冷卻，獲得高活性產(chǎn)品，同時(shí)回收了高溫產(chǎn)品從煅燒單元帶走的絕大部分熱焓。

2 碳酸鈣渣懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻制備活性石灰生產(chǎn)線概況

2.1 原料和燃料

碳酸鈣渣為上游磷石膏制取硫酸銨生產(chǎn)線的廢渣，其化學(xué)成分和水分含量受制于上游工藝，波動(dòng)相對(duì)較大，其中 w（水分）=15%～28%，w［CaCO3（干基）］=72%～78%， 其他為 CaSO4·2H2O、SiO2、（NH4）2SO4和Ca5（PO4）3F 等，磷、硫、氟含量比較高，鉀、鈉含量較低。采用LS230型激光粒度分布儀測(cè)定其粒徑分布為 0～120 μm，平均粒徑為 16～18 μm，其中 90%的顆粒粒徑集中在32 μm以下，10 μm以下的顆粒約占總量的36%。流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)表明，碳酸鈣渣流動(dòng)性較差，噴流性較強(qiáng)［3］。該生產(chǎn)線原料水分含量大，1 t碳酸鈣渣中的水（水分按25%計(jì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）汽化吸熱會(huì)消耗564300 kJ的理論熱量，折合標(biāo)煤約19.29 kg。流動(dòng)性差導(dǎo)致喂料的連續(xù)性不好。

2.2 工藝流程

碳酸鈣渣懸浮態(tài)煅燒-快速冷卻制備活性石灰生產(chǎn)線采用二級(jí)預(yù)熱-煅燒分解-三級(jí)冷卻的配置，整個(gè)系統(tǒng)包括碳酸鈣渣上料喂料系統(tǒng)、高固氣比預(yù)熱系統(tǒng)、外循環(huán)式高固氣比煅燒爐系統(tǒng)、懸浮冷卻系統(tǒng)、熱風(fēng)制備系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送儲(chǔ)存系統(tǒng)和回灰上料喂料系統(tǒng)。工藝流程示意圖見圖1。

圖1 碳酸鈣渣懸浮態(tài)煅燒生產(chǎn)線煅燒-冷卻系統(tǒng)流程示意圖

系統(tǒng)料流路線：碳酸鈣渣用鏟車送入受料坑，再經(jīng)上料板喂機(jī)、斗式提升機(jī)提升至緩沖料倉(cāng)，通過(guò)喂料板喂機(jī)、皮帶秤和旋轉(zhuǎn)鎖風(fēng)下料器進(jìn)入C1旋風(fēng)預(yù)熱器的換熱管；物料在高溫?zé)煔獾臄y帶下進(jìn)入C1筒體完成氣固分離，經(jīng)C1翻板閥和下料管進(jìn)入C2A換熱管，其路徑為C1→C2A→C2B；物料通過(guò)C2B的下料管進(jìn)入外循環(huán)式高固氣比反應(yīng)爐底部，在高溫?zé)煔獾臄y帶下于爐中完成碳酸鹽的分解反應(yīng)，進(jìn)入旋風(fēng)分離器C3完成氣固分離，高溫物料通過(guò)C3下料管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)CL1的換熱管，部分比重較大的物料顆粒在旋流分離器的作用下進(jìn)入外循環(huán)式高固氣比反應(yīng)爐中，進(jìn)行循環(huán)再分解；高溫物料依次經(jīng)過(guò)旋風(fēng)冷卻器CL1、CL2和CL3，得到充分冷卻，最終進(jìn)入產(chǎn)品輸送儲(chǔ)存系統(tǒng)。

系統(tǒng)氣流路線：冷卻風(fēng)由CL3的換熱管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，在懸浮冷卻系統(tǒng)中與高溫物料換熱變成高溫空氣，通過(guò)CL1出風(fēng)管進(jìn)入懸浮煅燒爐底部；燃煤熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入外循環(huán)式高固氣比反應(yīng)爐底部后與高溫空氣匯合，助燃噴入懸浮爐的煤粉，與物料反應(yīng)產(chǎn)生的氣體匯成一股高溫?zé)煔?。出爐高溫氣固兩相在C3中完成氣固分離后煙氣分兩路進(jìn)入預(yù)熱系統(tǒng)，其路徑分別為C2A→C1和C2B→C1。在C1出口兩股氣流匯合，進(jìn)入總風(fēng)管。

袋收塵收得物料經(jīng)過(guò)回灰拉鏈機(jī)、回灰上料斗提、回灰料倉(cāng)和螺旋喂料機(jī)進(jìn)入C2B的換熱管。

3 生產(chǎn)線操作控制方法

3.1 煅燒系統(tǒng)各設(shè)備的工藝作用

1）C1兩個(gè)旋風(fēng)筒作為高溫旋風(fēng)干燥器，脫除原料中絕大部分的水分，并將低溫物料預(yù)熱；2）C2A和C2B旋風(fēng)筒作為旋風(fēng)預(yù)熱器，繼續(xù)預(yù)熱物料；3）外循環(huán)式高固氣比反應(yīng)器作為分解爐，分解物料中的CaCO3，C3旋風(fēng)筒作為氣固分離器實(shí)現(xiàn)高溫石灰產(chǎn)品和高溫?zé)煔獾姆蛛x；4）熱風(fēng)爐為熱源，系統(tǒng)開車升溫階段作為預(yù)熱熱源，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行之后作為系統(tǒng)的補(bǔ)充熱源，起穩(wěn)定分解爐底部溫度的作用；5）CL1～CL3旋風(fēng)筒作為快速冷卻器，實(shí)現(xiàn)高溫石灰產(chǎn)品的快速冷卻，并回收一部分熱焓。

3.2 系統(tǒng)工藝控制

3.2.1 系統(tǒng)升溫的控制

熱風(fēng)爐點(diǎn)火時(shí)，打開一級(jí)預(yù)熱器入口的點(diǎn)火煙囪和沉降室煙囪，冷卻系統(tǒng)冷風(fēng)閥關(guān)閉，熱風(fēng)爐保持零負(fù)壓狀態(tài)，靠系統(tǒng)自然抽風(fēng)升溫；沉降室溫度達(dá)600℃左右后熱風(fēng)爐開始噴煤，調(diào)整喂煤量、送煤風(fēng)和熱風(fēng)爐助燃風(fēng)使熱風(fēng)爐火焰形狀和溫度平穩(wěn)良好，同時(shí)逐漸調(diào)大熱風(fēng)爐至分解爐的熱風(fēng)管道蝶閥，使熱風(fēng)爐內(nèi)保持微負(fù)壓（＜-10 Pa），沉降室溫度維持在（900±10）℃。

分解爐底部溫度達(dá)到650℃以后開啟風(fēng)機(jī)，逐漸加大熱風(fēng)爐喂煤量、拉大風(fēng)量并穩(wěn)定系統(tǒng)溫度；分解爐噴煤時(shí)，分解爐底部溫度應(yīng)控制在650℃以上，C1出口負(fù)壓為150～200 Pa，熱風(fēng)管道蝶閥全開，初始噴煤量為0.4～0.6 t/h。

3.2.2 投料前操作

分解爐底部溫度升至850℃時(shí)，將冷卻系統(tǒng)冷風(fēng)閥調(diào)至5%開度，降低系統(tǒng)升溫速率，逐漸增加分解爐噴煤量至1.0～1.2 t/h，30 min內(nèi)將分解爐底部溫度升至900℃，準(zhǔn)備投料。

3.2.3 投料操作

確認(rèn)空氣炮、上（喂）料、回料及產(chǎn)品入庫(kù)設(shè)備等正常運(yùn)轉(zhuǎn)；拉大風(fēng)量使C1出口負(fù)壓為-1.6～-1.4 kPa，分解爐底部至一級(jí)預(yù)熱器出口壓差達(dá)到1 kPa以上才可投料；初始投料量在10 t/h左右；調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)閥門和廢氣管道冷風(fēng)閥開度，保證初始投料階段袋收塵入口溫度在240℃（短時(shí)間）以下，袋收塵入口保持負(fù)壓；調(diào)節(jié)入爐熱風(fēng)閥門和分解爐噴煤量使分解爐溫度不高于920℃。待高溫物料進(jìn)入冷卻系統(tǒng)以后，逐漸調(diào)大冷卻系統(tǒng)冷風(fēng)閥，同時(shí)逐漸增加喂料量和分解爐噴煤量，使系統(tǒng)各段工況穩(wěn)定。

3.2.4 正常生產(chǎn)時(shí)的操作

緩慢拉大風(fēng)量、增加分解爐噴煤量和投料量，正常運(yùn)行時(shí)，投料量以32～37 t/h為宜（根據(jù)原料水分含量變化適時(shí)調(diào)整），分解爐噴煤量為1.4～1.6 t/h（根據(jù)煤粉質(zhì)量變化適時(shí)調(diào)整）；廢氣管道（C1出口）壓力應(yīng)為-3.3～-3.2 kPa，分解爐底部至一級(jí)預(yù)熱器出口壓差應(yīng)達(dá)1.8 kPa以上。注意各旋風(fēng)筒和分解爐壓力變化情況，避免塌料和堵料；分解爐出口溫度高于910℃時(shí)，要注意降溫；熱風(fēng)爐溫度高于1050℃時(shí)，要注意熱風(fēng)爐降溫；正常運(yùn)行時(shí)袋收塵入口溫度在180℃以下?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)熱風(fēng)管道蝶閥，使出冷卻系統(tǒng)的高溫空氣保持合理的最大風(fēng)量，CL3下料管溫度保持在最低水平。

遇到緊急情況需要停車時(shí)，首先應(yīng)減少分解爐噴煤并減料，待CL1入口溫度呈持續(xù)降低趨勢(shì)時(shí)，適當(dāng)減小系統(tǒng)總風(fēng)量，保證袋收塵入口溫度低于220℃；系統(tǒng)正常運(yùn)行后切忌大幅度調(diào)整投料量和噴煤量。正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)各工藝段溫度、壓力控制范圍如表1所示。

表1 試驗(yàn)生產(chǎn)線各工藝段工藝指標(biāo)控制范圍

該生產(chǎn)線的原料中的CaCO3和水分含量波動(dòng)較大，設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)較小，所以工藝參數(shù)變化范圍相對(duì)較大；生產(chǎn)實(shí)踐表明，生產(chǎn)線各項(xiàng)工藝指標(biāo)控制在上述合理范圍之內(nèi)，可以保證渣中碳酸鈣表觀分解率達(dá)97%以上，獲得高活性的石灰產(chǎn)品。通過(guò)72 h連續(xù)考核結(jié)果顯示，該生產(chǎn)線在平均投料量為（33±1） t（統(tǒng)計(jì)量）的情況下，按照表 1 中所述的工藝參數(shù)控制范圍，碳酸鈣表觀分解率可達(dá)97%～98.5%，燒成熱耗僅為3564 kJ/kg。

4 系統(tǒng)控制要點(diǎn)及難點(diǎn)

4.1 高溫?zé)煔狻⒏邷乩鋮s風(fēng)的控制

熱風(fēng)爐燃煤產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂屠鋮s系統(tǒng)送出的高溫冷卻風(fēng)是入爐的主要風(fēng)源，二者的溫度、風(fēng)量及其配比直接關(guān)系到入爐風(fēng)的溫度，對(duì)噴入懸浮爐內(nèi)的煤粉燃燒狀況和預(yù)熱分解系統(tǒng)的溫度影響很大，在原料均質(zhì)性穩(wěn)定的前提下，懸浮爐內(nèi)煤粉的正常穩(wěn)定燃燒才能夠保證系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。

在系統(tǒng)升溫階段，熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔馐窍到y(tǒng)的主要熱源，所以在這一階段應(yīng)該將熱風(fēng)管道閥門盡量開大至一定開度（一般為85%～90%），關(guān)閉冷卻系統(tǒng)的冷風(fēng)閥，減少冷空氣的漏入量，保證系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定蓄熱；投料前需要將冷卻系統(tǒng)的冷風(fēng)閥打開至較小開度（一般以20%為宜），在這之前要適當(dāng)增加分解爐噴煤量，避免投料后突然開大冷卻風(fēng)閥導(dǎo)致爐內(nèi)溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)；初始投料量以10 t為宜，視具體工況逐漸增加分解爐喂煤量、投料量、冷卻風(fēng)管閥門開度以及減小入爐熱風(fēng)管道蝶閥開度。熱工計(jì)算表明，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，燃煤熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣量（標(biāo)態(tài)體積）占進(jìn)入懸浮爐底部煙氣量（標(biāo)態(tài)體積）的20%左右，80%左右為出冷卻系統(tǒng)的高溫空氣。所以在進(jìn)入正常運(yùn)行階段后，在維持爐內(nèi)工況穩(wěn)定的前提下應(yīng)盡量開大冷卻風(fēng)管閥門開度，實(shí)現(xiàn)高溫石灰產(chǎn)品的快速冷卻，并回收出爐高溫產(chǎn)品帶走的部分熱焓，以保證系統(tǒng)工況和單位產(chǎn)品能耗處于最優(yōu)狀態(tài)。

4.2 原料成分波動(dòng)時(shí)的控制

碳酸鈣渣化學(xué)成分和水分含量受制于上游磷石膏制硫酸銨工藝，波動(dòng)相對(duì)較大，其中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～28%，CaCO3干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%～78%。水的汽化和碳酸鹽的分解都是強(qiáng)吸熱的失重反應(yīng)，二者的大幅波動(dòng)不但造成預(yù)熱煅燒系統(tǒng)和收塵系統(tǒng)的工況波動(dòng)大，而且更會(huì)使C3的高溫物料量產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響出冷卻系統(tǒng)高溫空氣的溫度，最終影響到懸浮爐內(nèi)煤粉燃燒狀況和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，在原料成分出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí)，局部溫度穩(wěn)定性較差，此時(shí)不可頻繁操作，注意觀察系統(tǒng)各工況參數(shù)的變化趨勢(shì)，在設(shè)備性能允許的條件下進(jìn)行小幅度的操作，避免出現(xiàn)生產(chǎn)事故。

5 有待改進(jìn)之處

影響該生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素就是原料均質(zhì)性差，水分含量和碳酸鈣含量波動(dòng)較大。所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中：1）要優(yōu)化上游硫銨生產(chǎn)線的工藝過(guò)程，提高廢渣的均質(zhì)性；2）要對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)?shù)木谠蠄?chǎng)內(nèi)安裝均化機(jī)械設(shè)備，進(jìn)一步提高碳酸鈣渣的均質(zhì)性。只有原料的均質(zhì)性得到提高，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量才能得到保證。

［1］徐德龍.水泥懸浮預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)理論與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2002：3-5.

［2］陳延信.粉體高固氣比換熱與反應(yīng)系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2011

［3］胡亞茹.碳酸鈣渣理化性質(zhì)與流動(dòng)性分析［J］.水泥，2010 （10）：4-6.