摘要：从利用钢铁企业副产高炉煤气出发，论述了在石灰窑中采用高炉煤气和天然气的混合燃气作为燃料的可行性，对燃烧混合燃气时石灰窑的热效率和热耗等进行了计算与分析，测算了经济效益。石灰窑燃烧混合燃气的实践表明，该混烧工艺既有利于富余高炉煤气的综合利用，又降低了生产石灰的用气成本，具有良好的经济效益、节能降耗效益、环保效益。
关键词：高炉煤气；混合燃气；石灰窑；热效率；热耗；节能降耗
Discussion on Mixed Combustion of Blast Furnace Gas and Natural Gas in Lime Kiln
LIU Wei，ZHOU Wei-guo，LIU Yu
Abstract：Based on the utilization of by-product gas in iron and steel industry，the feasibility of using the mixed gas of blast furnace gas and natural gas as a fuel in lime kiln is discussed. The thermal efficiency and thermal consumption of lime kiln during burning the mixed gas are calculated and analyzed，and the economic benefit is evaluated. The practice of burning the mixed gas shows that the mixed combustion process favors the comprehensive utilization of surplus blast furnace gas and reduces gas consumption cost for producing lime，thus it has good economic and environmental benefits.
Key words：blast furnace gas；mixed gas；lime kiln；thermal efficiency；thermal consumption；energy saving and consumption reduction
1 概述
石灰是钢铁冶炼过程中重要的物料。目前钢铁企业中一般都采用燃气炉窑生产石灰，利用企业自身的副产煤气(转炉煤气、高炉煤气等)或外购燃气作为燃料[1]。根据石灰窑工艺对温度的要求，企业一般都用热值中等的气体燃料[2]。宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司(以下简称分公司)有套筒式石灰窑2座，每年平均煅烧石灰约27×104t/a，其中1号炉窑煅烧石灰约14×104t/a，燃料为转炉煤气，年使用转炉煤气量为7500×104m3/a，2号炉窑煅烧石灰约13×104t/a，全部使用天然气，年使用天然气量为1570×104m3/a。
分公司每年在高炉炼铁工序上产生大量的高炉煤气，主要供给热风炉和发电厂使用，由于高炉煤气的产量很大，在分公司高炉煤气还有一定量的放散。高炉煤气因热值低、燃烧不稳定等特性，不能单独作为高质量石灰生产的燃料。本文探讨采用天然气与高炉煤气组成的混合燃气来替代天然气供2号石灰窑使用，以降低石灰的生产成本，充分利用分公司富余的高炉煤气。
2 石灰窑改用混合燃气的可行性
① 石灰窑对替代燃气的基本要求
石灰窑使用混合燃气前后其燃烧器和排烟系统等都应保持不变。使用替代燃气时需要满足以下要求：①燃料替代前后炉温应该保持基本不变，以满足原来的工艺要求。②燃料替代前后热负荷应该保持不变，以满足原来的产量。另外还要考虑保证替代燃气正常的燃烧工况，并且要求石灰窑现有的燃烧结构、送风和排烟系统等对替代燃气有较强的适应性。目前分公司石灰窑的热工要求是：石灰烧成温度为900℃，炉窑温度为1000℃左右，出燃烧室温度(炉温)为1300℃。燃料理论燃烧温度与炉温的关系式为：
式中t0——燃料理论燃烧温度，℃
t1——炉温，℃
n——炉温系数
按炉温≥1300℃的要求，取炉温系数n为0.82，将各参数代入式(1)计算可得，当燃料的理论燃烧温度＞1585℃时，可以作为替代燃料。
② 不同体积比混合燃气燃烧参数
分公司所用的高炉煤气和天然气各组分的体积分数见表1、2。高炉煤气和天然气的低热值分别为2926kJ/m3和34297kJ/m3。
表1 高炉煤气各组分体积分数 %
|
H2
|
O2
|
N2
|
CO
|
CO2
|
CH4
|
H2O
|
|
1.2
|
1.0
|
55.7
|
21.6
|
17.0
|
0.3
|
3.2
|
表2 天然气各组分体积分数 %
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CH4
|
C2H6
|
N2
|
CO2
|
H2O
|
|
95.5
|
0.3
|
1.5
|
0.5
|
2.2
|
高炉煤气和天然气混合后，混合燃气的热值和特性都不同于高炉煤气和天然气。针对高炉煤气和天然气不同的体积比，可以计算出混合燃气的热值、理论燃烧温度、燃烧的理论空气量、烟气量等。其中，混合燃气热值为：
Qm=φQb+(1-φ)Qn (2)
式中Qm——混合燃气的低热值，kJ/m3
φ——混合燃气中高炉煤气的体积分数
Qb——高炉煤气的低热值，kJ/m3
Qn——天然气的低热值，kJ/m3
对于混合燃气中高炉煤气体积分数从0～90%的变化，高炉煤气不同体积分数对应的混合燃气理论燃烧温度见图1。
③ 石灰窑使用混合燃气的可行性
考虑石灰窑的工艺要求，从长期的生产实践可知，石灰窑混烧高炉煤气和天然气时，混合燃气的低热值在5000～10000kJ/m3时较为理想。当天然气和高炉煤气体积比为1:6时，低热值约7400kJ/m3。从混合燃气的热值和燃烧特性分析，其煅烧工艺和转炉煤气很相近。由于1号炉窑的燃料为转炉煤气，因此，参照使用转炉煤气烧制石灰的实践经验，2号炉窑混烧高炉煤气和天然气时可以不改变燃烧器和送风系统的结构，并且在燃烧特性上满足工艺要求。分公司在1号炉窑使用转炉煤气方面已经有多年的经验，因而利用混合燃气来替代纯天然气有一定的实践基础。
在燃气混合调配方面，分公司现有15×104m3的高炉煤气储气罐，可以保证高炉煤气的稳定供应。公司内部天然气、高炉煤气以及转炉煤气的输配设施比较完备，并且各自输送管网之间通过阀门连接，气源之间可以相互补充，因此为燃气的混合提供了基础条件。基于公司内部已有的燃气管网，不需要进行过多的改造就可基本实现混合燃气替代天然气的目标。高炉煤气和天然气可以采用电动控制阀调控，并安装流量计，根据不同工况实行自动调节，也可以采取手动调节。
2008年全年分公司高炉煤气放散率为6.7%，放散总量高达27382×104m3/a。假设2号石灰窑使用天然气和高炉煤气体积比为1:6的混合燃气，按分公司2号石灰窑每年13×104t/a的石灰产量和相应的热负荷，2号石灰窑可以充分利用高炉煤气8400m3/h，每年利用的高炉煤气达6 917×104m3/a，2号石灰窑利用的高炉煤气占高炉煤气放散总量的25.3%。无论从技术应用上，还是从运行成本和节能环保的角度，分公司在2号石灰窑上采用混合燃气来替代纯天然气，都比较合理。
3 混合燃气对石灰窑热耗和热效率的影响
从生产工艺流程的角度，希望燃料热值变化后，炉窑工况仍然稳定，石灰产量保持不变，炉窑各项热损失也基本不变。可设定：①燃料热值变化前后，炉窑的加热工艺和石灰产量不变，即单位时间炉窑中石灰石分解所吸收的热量保持不变；②燃料热值变化前后，炉窑的各项热损失保持不变；③燃料热值变化前后，烟气出炉平均温度不变，助燃空气的预热温度不变。
炉窑热效率的定义为：炉窑中石灰石分解所吸收的热量与炉窑热收入之比[3]。燃料热值变化前：
式中η1——燃料热值变化前，炉窑热效率
Фr——炉窑中石灰石分解的吸收的热量，kW
Фi,1——燃料热值变化前，炉窑热收入之和，kW
燃料热值变化后：
式中η2——燃料热值变化后，炉窑热效率
Фi,2——燃料热值变化后，炉窑热收入之和，kW
由上述设定可知，燃料热值变化前后石灰石分解所吸收的热量中，保持不变。即有：
Фi,1η1=Фi,2η2 (5)
石灰石分解所吸收的热量为：
式中G——石灰石平均加入量，kg/h
ωCaO——石灰石中CaO的质量分数
——石灰石中CaCO3分解吸热系数，kJ/kg ωMgO——石灰石中MgO的质量分数
——石灰石中MgCO3分解吸热系数，kJ/kg 目前分公司2号石灰窑中石灰石平均加入量G=32670kg/h，石灰石中CaO的质量分数ωCaO=54.65%，CaCO3的分解吸热系数=2949.12kJ/kg，MgO的质量分数ωMgO=0.28%，MgCO3的分解吸热系数=2854.5kJ/kg。将各参数代入式(6)，计算得石灰石分解所吸收的热量Фr=15254kW。按分公司2号石灰窑17300kg/h的石灰产量要求，在设定的3个基本条件下，通过对石灰窑中燃料热值变化前后的热工计算，对于各种体积比的天然气与高炉煤气的混合燃气，理论上计算出了石灰窑生产石灰的单位热耗和热效率。结果表明，当混合燃气中高炉煤气体积分数从0上升到90%时，炉窑的单位热耗随之从4139kJ/kg升高到4444kJ/kg，而其热效率也从74.18%降低到69.10%，但是生产单位质量石灰消耗的天然气量逐步降低，充分利用了企业自身的高炉煤气。混合燃气中不同高炉煤气体积分数时2号石灰窑单位热耗和热效率的变化曲线见图2。
随着混合燃气中天然气比例的降低，虽然石灰窑单位热耗随之增加，其热效率也逐渐降低，但是混合燃气的使用带来了更多的经济效益，也充分利用了分公司多余的高炉煤气，减少了高炉煤气的放散。
4 实际混烧效果
公司的高炉煤气、天然气和转炉煤气管网相互关联，容易混合调配。通过对混合燃气中天然气和高炉煤气各种配比下石灰窑单位热耗和热效率的理论计算与分析，分公司选取了天然气和高炉煤气1:6的体积配比模式，在2号石灰窑中做了测试研究。对混合燃气烧制的石灰进行分析，衡量石灰质量的质量分数、活性度和灼减率3个指标都满足要求，石灰质量得到了保证。混合燃气烧制出的石灰的质量与使用纯天然气时相当，石灰窑中不同燃气烧制的石灰参数见表3。
表3 不同燃气烧制的石灰参数比较
|
石灰参数
|
样品1(混合燃气烧制)
|
样品2(纯天然气烧制)
|
|
质量分数/%
|
94.40
|
96.64
|
|
灼减率(质量分数)/%
|
3.09
|
2.97
|
|
残留CO2质量分数/%
|
0.57
|
0.56
|
|
活性度/mL
|
342.50
|
345.00
|
实际混烧时石灰窑的主要技术经济指标如下
① 炉窑热效率η
实际混烧过程中，测得炉窑热效率为70.56%。
② 石灰成品单位热耗
式中Qu——石灰成品单位热耗，kJ/kg
Qim——实际混烧时炉窑热收入之和，kW
Gp——实际混烧时炉窑石灰产量，kg/h
根据测得数据，计算得石灰成品的单位热耗Qu为4498.98kJ/kg。测试结果表明，实际情况与理论分析基本一致，混合燃气满足了煅烧石灰的工艺要求。
5 经济性比较
根据分公司石灰生产的实际情况，结合混烧效果对比，2号石灰窑石灰产量不变，在天然气和高炉煤气1:6的体积比的条件下，分公司生产石灰的燃料费用减少，生产单位质量石灰可以减少天然气使用量为34.58m3/t，利用高炉煤气的量为490m3/t。按照目前2号石灰窑每年13×104t/a的石灰产量，使用天然气和高炉煤气体积比为1:6的混合燃气，每年可以节省天然气的量为455×104m3/a，利用高炉煤气的量为6917×104m3/a。分公司采购天然气的价格为2.80元/m3，而高炉煤气是富余燃气，此举可使2号石灰窑每年节省燃料费用1 274×104元/a。另外，根据对混烧时烟气的检测，烟气排放完全满足排放标准。
6 结论
① 混合燃气的组成影响石灰窑热效率和单位热耗，石灰窑的热工计算表明，混合燃气中高炉煤气体积分数从0上升到90%时，石灰窑的热效率由74.18%降低到69.10%，而石灰窑的单位热耗从4139kJ/kg升高到4444kJ/kg。
② 石灰窑混烧高炉煤气和天然气的混合燃气的实际效果与预期一致，满足了煅烧石灰的工艺要求。在分公司高炉煤气还有放散的情况下，石灰窑采用混合燃气降低了用气成本，产生了一定的经济效益。高热值燃气中掺混高炉煤气也为钢铁企业高炉煤气的利用提供了一条很好的途径。
参考文献：
[1] 关宸祥.石灰窑[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.
[2] 罗琨.套筒式竖窑工艺特点及其相关工艺配置[J].武钢技术，2002，40(1)：51-55.
[3] 同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等.燃气燃烧与应用(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社.2000.
(本文作者：刘伟1 周伟国1 刘裕2 1.同济大学机械工程学院 上海 201804；2.宝山钢铁股份有限公司不锈钢分公司 上海 200431)
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