4 中文版 低热值的燃料气体用于并流蓄热式石灰竖窑

低热值燃料气体用于并流蓄热式石灰竖窑的燃烧系统 ---边界 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 研究与实现 来源:麦尔兹官方网站 摘要 由于钢铁厂焦炉煤气产量的逐步减少,生铁和钢材生产过程中产生的低热值燃料气体目前被用作并流蓄热式石灰竖窑的燃料。本文详细讨论了低热值燃料气体能多大程度上用于并流蓄热式石灰竖窑的操作。过程数据是由日产500吨的并流蓄热式石灰竖窑呈现的。热值为7.5兆焦/立方的燃料气体目前已经成功用于并流蓄热式石灰竖窑。这篇文章将证明,即使热值只有4.3兆焦/立方的燃料气体也可用于此窑。这将使工艺条件产生显著变化,但这在技术上是可以控制的。这些燃料气体至关重要的优势就是它们工艺过程中只产生很少的硫。 1.导言 生铁生产中越来越多地使用煤粉,减少了对冶金焦的需求。焦炉煤气的产量也随之减少,它本来是目前为止石灰窑经常使用的燃料。另一方面,生铁和钢材生产过程中又产生大量的低热值燃料气体。根据热值的不同,这些气体可以用于石灰的生产,或单独使用,或与焦炉煤气或其它更高热值的气体混合使用。 日产500吨的并流蓄热式石灰窑的案例表明,低热值燃料气体可以用于并流蓄热式石灰窑。作为边界案例,我们将焦炉煤气的操作和高炉煤气的操作进行了对比。石灰窑的热平衡和工艺参数的明显差别变得一目了然。本研究的结果表明,高炉煤气是可以在不添加更高热值燃料的情况下用于并流蓄热式窑的,只要它的热值不下降至低于一个特定的界限值。 此外,本文还阐释了一个方法,这将改善在并流蓄热式石灰窑中使用低热值燃料的工艺参数。最后,本文描述了日产500吨的并流蓄热式石灰窑成功使用混合气体燃料的燃烧过程。 2.使用焦炉煤气或高炉煤气时不同的工艺参数对比 表1 显示了典型的焦炉煤气和高炉煤气最重要的燃料性质。表中也包含了中国太原安装的一座并流蓄热式石灰窑的工艺数据,这将在后面的章节讨论。焦炉煤气的热值只有高炉煤气的25%。 表1中显示的焦炉煤气和高炉煤气的理论燃烧温度都足以燃烧并流蓄热式窑。对于其它气体来说,这个温度还有待确定,它代表贫煤气适合度的第一标准。由于并流蓄热式石灰窑的助燃空气已经预热超过700摄氏度,燃料气体的热值必须下降明显低于4兆焦/立方才能不达到所需燃烧温度。 此时需要特别指出的是,即使并流蓄热式石灰窑里是高热值燃料,其燃烧温度也不高,因为燃料是从燃烧区上端注入的。此时释放的能量立即被窑的煅烧过程吸收。 相关燃烧数据的对比表明,废气最小值Vmin和化学计量要求温度值随着热值的降低而升高。但是,如果焦炉煤气的Vmin/Vminf值等于1.17时,高炉煤气的这个值就上升到2.01(图3)。这导致燃烧气体和燃料气体不同的容积流量。 根据这个案例,不同事物工艺参数得到了确定和汇总。用于日产500吨的并流蓄热式石灰窑的两种燃料气体的热平衡和工艺计算都得到了比较。为了更容易理解,图1a显示了这个并流蓄热式石灰窑的方框图,包含了有关操作参数的名称。图1b显示了这个并流蓄热式石灰窑的燃烧气体预热。缩略词VZ代表预热区, BZ代表燃烧区,K代表连接导管,KZ代表冷却区。最重要的结果在表1、图4到图10中显示。 图2显示了两个窑壳的共同预热区VZ1+ VZ2的理论模型。因此有可能计算出热容流动比率X,就像计算热交换器的比率一样: X= (1) 此外,也有可能计算出预热区的热平衡。这个热平衡可用来简单检查和演示工艺计算的结果。 图4显示了燃烧空气具体数量Lfv 和废气具体数量Vkiln off gas。废气数量的上升和燃烧空气数量的下降形成了窑预热区的不同条件。 图9显示了使用焦炉煤气时的温度曲线和预热区边界的温度。图10显示了使用高炉煤气时的温度曲线和预热区边界的温度。这些数据显示了燃烧时间过去一半时产生的温度;这代表了一个近似平均值。热容流动比率的影响是清晰可辨的。对焦炉煤气来说,热容流动比率X=1.03时,温度曲线几乎是直的。在这些条件下,平均废气温度可下达至90摄氏度甚至更低。对高炉煤气来说,热容流动比率X=1.39时,温度曲线是弯曲向上的。在这些条件下,平均废气温度上升至250摄氏度(图6)。在预热区中,燃烧空气和石灰石之间的热传递,窑尾废气和石灰石之间的热传递可以用一组微分方程来呈现。但这些方程初步是无解的。因此,电脑模拟模式被用来计算温度曲线。 图5显示了具体热量要求q和具体燃料数量b。焦炉煤气的具体热量要求等于3.44兆焦/千克石灰,高炉煤气的具体热量要求则升至4.00兆焦/千克石灰。焦炉煤气的具体燃料数量b 等于0.204立方/千克石灰,高炉煤气的具体燃料数量b则升至0.936立方/千克石灰。在这种情况下,对日产500吨的石灰窑来说,燃料数量比燃烧空气的数量要高,等于20 323立方/时。对低热值气体来说,水的部分应尽可能分离出来,以限制体积流量。 图7显示了焦炉煤气的燃烧空气所需压力Plv和冷却空气所需压力Plk分别达到了24和18千帕。由于更高的体积流量,在使用高炉煤气时,这些值都上升至Plv=42千帕和Plk=30千帕。这些数据都是在石灰石颗粒大小为40-80毫米时和对燃烧过程进行正常描述时确定的。 图8显示了燃料气体所需压力。在这个案例中,焦炉煤气所需的最大压力Pb=44千帕,而高炉煤气所需的最大压力Pb=62千帕。目前各工厂在操作过程中积累的经验证实,燃料气体所需压力必须只略高于燃烧空气所需压力,以确保燃料气体均匀分布到并流蓄热式石灰窑的喷枪式燃烧器中。 本章中描述的焦炉煤气的案例清楚地表明,高热值气体将会在并流蓄热式石灰窑中达到出色的热效率,这在其它类型的石灰窑中是达不到的。 高炉煤气的案例表明低热值气体仍然可以在并流蓄热式石灰窑中使用得很好,只要不低于某 个最小的热值。在并流蓄热式石灰窑中,低热值气体的热效率比在其它类型的石灰窑中的还要好。高炉煤气的案例或多或少可以作为一个临界案例,在这个案例中,工厂设计中产生的的技术难题依然可以在技术上很好地克服。 3.从这些观察中得出的结论 到目前为止进行的研究表明,热容流动比率上升时,并流蓄热式石灰窑的热效率就会下降,废气量则会上升,工艺空气和燃烧气体所需压力也会上升。 由于这些气体的热值已经低到差不多4.3兆焦/立方石灰的程度了,所以这些劣势是有道理的,而且可以通过合适的工厂工程抵消掉。 这些气体的热值还可以更低,只要高炉煤气的温度能够提高,提高方式可以是预热区里的热传递,也可以是通过热交换器把窑的连接通道里的部分热气利用起来。这样一来,预热区里的剩余热量和废气温度就会降低,并流蓄热式石灰窑的热效率就会提高。这一方法已经被授予了专利,它将会为并流蓄热式石灰窑产生出色的热值,只要高炉煤气的温度能够提高220摄氏度。高炉煤气的废气温度将从250摄氏度降至190摄氏度,具体热量要求将从4.00兆焦/千克石灰降至3.78兆焦/千克石灰. 表1也显示了这一方法(即预热高炉煤气)的工艺数据。图11显示了温度曲线的预期和预热区边界的温度。图3到图8则用一个单点代表了这些温度。 4.实现 第一座改用贫煤气做燃料的并流蓄热式石灰窑坐落在挪威南部的莫拉纳。这座窑建立于1972年,一开始是用轻汽油做燃料。1984年这座窑转变了燃烧系统,开始用电动铁矿石熔化炉里的贫煤气做燃料。它是一种可燃成分主要为一氧化碳的气体。此气体的热值接近7.5兆焦/立方。至今,这座石灰窑还是用这种气体做燃料。 用贫煤气做燃料的并流蓄热式石灰窑的最新发展是去年在太原安装的一座窑(图12)。它是一座日产500吨的并流蓄热式石灰窑,用转炉煤气做燃料。前面提到过,表1也显示了这座石灰窑的技术数据。图3到图8显示了热值为7.5兆焦/立方相关的运行数据。 像高炉煤气那样,转炉煤气的可燃成分也主要是一氧化碳。但是, 这种转炉煤气的一氧化碳含量大约是高炉煤气的两倍高。 窑炉操作实践表明,所有目标值数都能轻易获得。这座窑所达到的石灰质量超过了所有预期。石灰中残余的二氧化碳含量少于1%,还有400毫升4n HCI的活性值,都是在粗糙颗粒滴定5分钟后测量的。 图13用图解表示法展示了用贫煤气做燃料的燃烧系统。应该特别强调那种简单的压缩概念,就是用旋转活塞鼓风机将转炉煤气压缩到一个特定数值,此数值必须只略高于燃烧气体的压力。转炉煤气在各个窑壳里33个喷枪式燃烧器中的均匀分布通过孔板得以实现。转炉煤气的总量通过一个孔板来测量。此外,沃泊指数也测量了,并且,产品流量和沃泊指数保持不变,以保证石灰窑里所需的源源不断的能量供应。 中国太原的并流蓄热式石灰窑合同是在2001年6月签订的。9个月后,窑安装完毕,今年1月委托完毕。今年3月成功完成性能测试,所以接受协议可以毫无保留地签署了。工厂最后交付给顾客进行操作。 为了达到最佳的窑炉操作,并把废气温度的变化降到最低,在燃烧过程中向窑的废气壳里两度加入石灰石。由于目前转炉煤气的热值比原来 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的要低,就添加了少量的焦炉煤气,因此窑的日产量达到了510吨。 5.结论 从已经执行的项目中得到的良好结果证实了目前进行的研究的正确性。热值明显低于7.5兆焦/立方的燃料气体可以成功用于并流蓄热式石灰窑的燃烧系统。 热值非常低的燃烧气体可以和热值更高的气体混合。和其它气体比起来,钢铁厂里利用贫煤气是非常有优势的,因为其燃烧过程中只介入了很少的硫。其它低热值的气体,比如从生物质气化中产生的气体,都可以用于并流蓄热式石灰窑,根据它们的热值,或单独使用,或与其它热值更高的气体混合使用。