康彥萍

(太鋼礦業(yè)分公司東山石灰石礦,太原 030003)

太鋼東山礦是太鋼唯一的優(yōu)質(zhì)冶金石灰及冶金輔料生產(chǎn)基地,年產(chǎn)冶金石灰120萬噸,主要向太鋼提供普通冶金石灰、燒結(jié)用石灰粉、鐵水預(yù)處理用石灰粉劑等系列。一直以來,回轉(zhuǎn)窯煅燒活性石灰,要求入窯石灰石粒徑為10 mm～40 mm,小于10 mm的礦石一般便宜外銷,沒有充分利用其價值,為有效利用資源,進一步推動礦山后續(xù)發(fā)展動力,目前,對小于10 mm石粉篩選后將5 mm～10 mm小顆粒石灰石嘗試利用回轉(zhuǎn)窯煅燒,其成功煅燒既能增加經(jīng)濟效益,又對礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 國內(nèi)對于小顆粒石灰石的煅燒利用情況

國內(nèi)對于小顆粒石灰石煅燒也早有研究[1-3],煅燒爐型有流化床爐、懸浮預(yù)熱分解窯、豎窯以及回轉(zhuǎn)窯等,各有特點,見表1.

表1 國內(nèi)煅燒小顆粒石灰石的爐型及特點
Tab.1 Furnace types and characteristics of calcining small limestone

爐型原料適宜粒度描述 流化床爐10 mm以下順流的工藝布置(物流與熱流很難實現(xiàn)逆流,順流的工藝設(shè)置對成品的冷卻及成品本身熱量的回收較困難,此外,出爐高溫熱廢氣所含熱量回收也需要重點考慮)優(yōu)點:投資少,施工難度低,操作維護簡單,環(huán)保清潔 懸浮預(yù)熱分解窯0.5～3 mm斗提送入旋風(fēng)預(yù)熱器,后進入分解爐,分解爐內(nèi)煅燒后進入旋風(fēng)筒,旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)分解后進入反應(yīng)釜(生燒石灰可在此繼續(xù)分解),優(yōu)點:熱耗小,分解效率高 機械豎窯18～40 mm降低料面、薄加和勤加料,降低煤比和調(diào)整風(fēng)機風(fēng)量質(zhì)量有波動,窯體利用系數(shù)低 氣燒矩形豎窯20～40 mm料堆孔隙小、風(fēng)阻大、透氣性差 回轉(zhuǎn)窯5～20 mm目前有將5～20 mm小顆粒石灰石與20～40 mm石灰石一同在回轉(zhuǎn)窯中煅燒的情況,窯尾溫度控制在1 050±20度,窯速1.2-1.35轉(zhuǎn)/分,噴煤量200 kg/t

通過表1中對于各種窯爐煅燒情況的描述,基本可判斷最適宜我礦小顆粒石灰石煅燒的爐型為回轉(zhuǎn)窯。

2 東山礦小顆粒石灰石理化特性分析

太鋼東山礦年產(chǎn)小于10 mm全部用于外銷的石粉約41萬噸,經(jīng)過篩分后能得到近15萬噸的5 mm～10 mm可利用小顆粒石灰石,表2是對小顆粒石灰石主要化學(xué)成分指標的分析,表3為小顆粒石灰石的礦相組成及晶體大小。

表2 試樣主要化學(xué)成分
Tab.2 The main chemical compositions of the sample

成分CaOMgOSiO2S 含量%53.880.721.240.019

表3 試樣礦相組成及晶體大小
Tab.3 The mineral phase compositions and crystal sizes of the sample

方解石鐵質(zhì)泥質(zhì) 含量%晶體大小mm含量%晶體大小mm含量%晶體大小mm 85<0.004<10.01～0.051<0.005

通過上表可知,我礦小顆粒石灰石CaO含量較高,礦相主要為方解石,且屬于細晶粒結(jié)構(gòu),煅燒時有一個新相生成長大的過程,適當細的晶粒度有利于生成較多的新相晶核,使煅燒出來的活性石灰晶粒較細、活性度較高,因此,東山礦小顆粒石灰石適合于煅燒活性石灰[4]。

3 石灰石分解動力學(xué)熱力學(xué)機理

CaCO3=CaO+CO2

石灰石的煅燒過程是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程[5],其內(nèi)部分解反應(yīng)分為5個步驟,如圖1所示,即:通過顆粒邊界層,由周圍介質(zhì)傳進分解所需熱量;熱量繼續(xù)以傳導(dǎo)方式在顆粒分界層(由表面?zhèn)髦练纸饷?向內(nèi)傳導(dǎo);顆粒內(nèi)層的分解反應(yīng);分解出的CO2通過CaO層向外擴散;顆粒表面的CO2向氣流的擴散。這5個分步驟實質(zhì)上是由顆粒的傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和CO2的擴散3部分組成?？梢酝茢嗍沂念w粒大小和煅燒時間對傳熱傳質(zhì)和CO2的擴散有很大影響。

圖1 石灰石分解反應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of limestone decomposition reaction

4 馬弗爐煅燒試驗

將小顆粒石灰石利用馬弗爐進行煅燒試驗[6],試驗主要分兩部分:

第一部分,將一定量的小顆粒石灰石試樣放入設(shè)定好溫度的馬弗爐中進行煅燒,主要考察煅燒溫度和煅燒時間對成品活性度的影響。

第二部分:將一定量的小顆粒石灰石試樣與10 mm～40 mm的石灰石試樣放入室溫的馬弗爐中開始升溫煅燒,主要對比小顆粒石灰石與10 mm～40 mm石灰石的升溫曲線。

表4、表5分別是第一部分、第二部分的試驗結(jié)果,圖2是兩種粒徑石灰石升溫曲線圖。

表4 物料在不同溫度下放入馬弗爐中煅燒1 h、2 h、3 h、4 h
Tab.4 The material in a muffle furnace at different temperatures when calcining for 1 h,2 h,3 h,4 h

煅燒溫度/℃煅燒時間/min活性度/mL 9501000105060290 120310 180325 240330 60310120345 180360 240340 60315120345 180350 240325

將馬弗爐升到預(yù)定溫度,按預(yù)定的煅燒時間煅燒。煅燒結(jié)束后從爐內(nèi)取出試樣讓其自然冷卻然后進行活性度測定,結(jié)果如上表。試驗結(jié)果表明:

(1) 太鋼東山礦5 mm～10 mm小顆粒石灰石煅燒出的石灰活性度較高,均在290 mL以上。

(2) 在較低溫度下,隨著煅燒時間的增加,產(chǎn)品的活性度有增加的趨勢,在較高溫度下,產(chǎn)品活性度隨煅燒時間的增加活性度先增加,繼續(xù)增加時活性度反而下降。

(3) 在本試驗條件下,試樣在1 000 ℃～1 050 ℃煅燒溫度下煅燒2 h～3 h,產(chǎn)品的活性度最高,為345 mL～360 mL.

表5 試樣在室溫下放入馬弗爐中,1 000 ℃ 保溫2 h
Tabl.5 the sample in a muffle furnace at room temperature when keeping at 1000℃for 2 h

溫度(℃)252003004005006007008009001000 小顆粒石灰石升溫時間0405586117149210268440490 10～40 mm試樣升溫時間0224474140189259314359414

圖2 兩種粒徑石灰石升溫曲線圖Fig.2 Limestone heating curve of two different particle sizes

將兩類試樣放入馬弗爐中從室溫開始煅燒,在達到1 000 ℃時保溫2 h,試驗過程中記錄升到同一溫度所用時間。試驗結(jié)果見表5。從圖2來看,試樣在煅燒前期(室溫～400 ℃)兩種石灰石樣品升溫時間幾乎相近,煅燒中期(500 ℃～800 ℃)小顆粒石灰石升溫時間相對稍快,到煅燒后期達到分解溫度時(900 ℃～1 000 ℃)小顆粒石灰石明顯煅燒緩慢,究其原因,在分解溫度前兩種粒度的石灰石升溫速率相近,而達到分解溫度后,由于小顆粒石灰石粒度小,在窯內(nèi)堆積空隙較小阻礙了生成產(chǎn)物CO2的逸出從而導(dǎo)致反應(yīng)向右進行的進程變慢,據(jù)此分析,當用回轉(zhuǎn)窯煅燒小顆粒石灰石時其煅燒時間應(yīng)相對10 mm～40 mm石灰石煅燒稍長,窯速相對稍小一些。圖3是試驗前后物料的對比圖。

圖3 煅燒前后物料對比Fig.3 Comparison of materials before and after calcining

馬弗爐試驗結(jié)果對回轉(zhuǎn)窯批量試驗具有一定的指導(dǎo)意義,但由于物料粒徑較小,實際回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中可能還會存在一些可以預(yù)見的問題:

(1)小顆粒物料由于粒徑較小,煅燒過程中可能會造成預(yù)熱器懸料,進而對除塵造成較大的壓力。

(2)小顆粒物料煅燒時可能會增加窯皮量,對窯況造成一定的影響。

因此,在批量試驗時還需要嚴格注意以下幾點:

(1)觀察預(yù)熱器阻力變化情況,注意因阻力增加導(dǎo)致的風(fēng)機振動;

(2)觀察窯內(nèi)結(jié)皮情況,并認真填寫記錄;

(3)根據(jù)冷卻器阻力、出料溫度和火焰燃燒狀況,適當調(diào)整二次風(fēng)量;

(4)觀察窯內(nèi)物料運動情況,保持物料有效的運動狀態(tài),并分析填充率和窯轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)東山礦小顆粒石灰石CaO含量較高,礦相主要為方解石,且屬于細晶粒結(jié)構(gòu),適宜煅燒高活性石灰。

(2)在馬弗爐中,試樣在1 000 ℃～1 050 ℃煅燒溫度下煅燒2 h～3 h,產(chǎn)品的活性度最高,為345 mL～360 mL.

(3)與10 mm～40 mm石灰石煅燒相比,小顆粒石灰石在達到分解溫度后可能需要更長的時間來完成分解過程。

(4)目前東山礦每年可煅燒的小顆粒石灰石約有15萬噸,這些小顆粒石灰石原來便宜外銷,煅燒成活性石灰后附加值提高,如果能利用現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯進行批量煅燒不僅能大大提高其附加值,還使得礦產(chǎn)資源得到了更合理的利用,對東山礦的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,因此,下一步還需對回轉(zhuǎn)窯批量試驗的參數(shù)和試驗中存在的問題進行完善優(yōu)化。