活性石灰生产过程工艺条件的优化

万方数据ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２０）（８，１８（２）活性石灰生产过程工艺条件的优化邓新云＊颜鑫湖南化工职业技术学院株洲４ｌ２０（碎卢云峰石家庄鸿宇化学工程技术有限公司石家庄０５以Ｘ刃摘要　　　　生产活性石灰首先要有优质的石灰石、合格的燃料和先进的石灰窑等基本条件，其次，石灰石缎烧过程工艺条件的优化也至关重要。石灰缎烧质量取决于以下因素：①石灰石的块度、锻烧时间和锻烧温度的关系；②燃料块度与石灰块度的关系；③石灰窑的热效率与燃料配比的关系；④石灰质量与风量的关系；⑤生石灰运输与贮存方式选择；⑥窑气的净化与综合利用。关键词　　　　石灰石活性石灰工艺条件石灰乳优化活性石灰是一种优质轻烧石灰，它具有晶粒　　　　量和氧化铁、氧化铝、氧化硅等有害杂质含量。细小（０．１一３叩）、气孔率高（５０％）、体积密在轻质碳酸钙生产过程中一般要求石灰石中度小（１．５一１．７扩ｃ衬）、比表面积大（ｌ．５－５１０２、Ａ１２Ｏ，、凡２０３三者总含量＜３％，以免在２．ｏｍＺ／ｋｇ）、活性度高（〕３０耐）和残余ＣＯＺ石灰锻烧过程中发生“结瘤”现象。在８０℃左含量低（‘２％）等优点川。活性生石灰广泛应右的锻烧过程中，这三种有害杂质会与氧化钙形用于湿法烟气脱硫、酸性工业废水处理等环境保成熔点低而又勃稠的硅酸钙、铝酸钙、铁酸钙、护领域，以及轻质碳酸钙、电石、型煤粘合剂、铁铝酸钙等半熔融物质，这些勃稠物会把生石灰环氧氯丙烷、钢铁、烧结法氧化铝等化工、冶金生产过程。国内的石灰生产企业数以万计，年产粘成大块，有时会牢牢地挂在立窑的内壁上，使量在６自Ｘ幻ｋｔ以上，大部分为普通立窑、少部分生成的石灰不能顺利下落，因此造成结瘤事故。为机械立窑或回转窑，普遍存在规模偏小、技术结瘤事故会导致立窑的锻烧紊乱，严重影响各项落后、生石灰活性高低参差不齐等缺点。生石灰工艺技术指标，生产出不合格的生石灰。当的活性决定石灰消化过程所得石灰乳的活性，而Ａ１２ｏ，含量高时，在石灰消化过程中会形成一种石灰乳的活性和浓度又决定烟气脱硫和废水中和豁性大的膏体，以致堵塞化灰机的筛网［］ｚ。化工的效率、净化度和废石膏渣的量，决定钢铁除生产对石灰石总的要求见表１。渣、轻质碳酸钙、电石、氧化铝烧结矿和型煤粘表１纳米碳酸钙对石灰石的要求合剂等产品质量、原料利用率和运行费用。因成分或性质含量或参数此，研究石灰生产过程工艺条件的优化对提高活ＣａＣ０３（ＣａＯ），％〕９６．５（〕５４）性石灰质量、促进节能减排、建设“资源节约Ｍ邪０，（Ｍ扣），％＜Ｌ４６（＜０．）７型、环境友好型”社会具有重要意义。５１０２，％＜１．５　　　　　　从０，＋ＦｅＺｏ３，％＜０．４　　　　　　生产的基本条件Ｍｎ，％＜０．以只５　　　　　　　　生石灰的活性受制于石灰石矿的化学组成、Ｐ＋５微量　　　　锻烧窑型和燃料类型等基本条件。抗压强度，ＭＰａ〕１１７．６８　　　　１．１石灰石的选择１．２石灰窑的选择石灰石矿的品质取决于石灰石中碳酸钙的含　　　　缎烧窑有普通立窑、机械立窑和回转窑。　　　　・邓新云：讲师，在职研究生。１９２年毕业于湘潭大学化学工程专业。主要从事化学、化工教学和生产技术研究工作。联系人：颜鑫，联系方式：（　　价３３）５６３３３１０，Ｅ一二１：ｈｎｈ留ａｎｘｉｎ＠１６２・ｃｍｏ。２即８，１８（２）邓新云等活性石灰生产过程工艺条件的优化　　　　（１）采用固体燃料的混料式立窑能生产普的主要燃料。立窑锻烧石灰石用白煤和焦炭应符合万方数据通的石灰，但如果用于生产对白度和质量要求较高的纳米碳酸钙就有点困难，因为混料式立窑一般将石灰从窑底卸出，煤渣与石灰靠振动出灰机和人工进行分离，很难将煤渣完全剔除干净，煤渣一旦进入消化工序，将使产品中存在黑点杂质，一定程度上影响产品白度和质量，产品档次难以提高，而且用立窑生产石灰也很难避免过烧或轻烧。因此，混烧立窑生产的石灰质量不稳定，活性较差，消化后的氢氧化钙粒子较粗。（２）采用液体燃料或气体燃料的直燃式立　　　　窑所生产石灰的活性较高。　　　　（３）回转窑已经在钢铁、纳米碳酸钙等领域得到较广泛应用，可以锻烧粒度较小的石灰石（ｓｍｍ以上），提高了原料的利用率［］，。由于回转窑普遍采用液体、气体或煤粉等燃料，生石灰可以直接用于消化，生产连续性强，且工艺条件易于控制，产品质量稳定，活性很好。不足之处是燃料来源受到限制，建设成本较高。１．３燃料的选择　　　　燃料类型有固体燃料、液体燃料和气体燃料。１．３．１固体燃料固体燃料一般采用焦炭、无烟煤、型煤或煤粉　　　　等。（１　　　　）固体燃料应用在立窑中已有悠久的历史，随着普通立窑逐步被机械化立窑所取代，生石灰质量也更加稳定可靠，机械化立窑所用燃料多为焦炭，这是因为焦炭热值高，挥发分低，含硫量低，并具有较好的机械强度，是较理想的固体燃料。（　　　　２）无烟煤又称白煤，发热值比焦炭高，一般用于混料式立窑，但由于产地不同，其挥发分、含硫量、灰分等各异，与焦炭相比，机械强度较差，易碎裂成小块甚至粉末，但成本较低，目前也是我国立窑生产较普遍使用的燃料。固体燃料中挥发分超标时，使窑气中存在焦油，在窑气的净化输送过程中，将在管道或空压机阀片上产生阻塞，并降低产品白度和质量；当含硫量超标时，使窑气二氧化硫含量增加，在窑气洗涤输送中，二氧化硫遇水生成亚硫酸，对管道设备造成腐蚀；若产品存在硫，并作为日化产品的原料时，遇到铅将会生成ＰｂＳ黑色沉淀，使产品白度下降ＬＪＺ。由于国内富煤、少油、缺气，因此，煤炭等固体燃料是国内石灰生产的要求见表２。表２白煤和焦炭的性能要求白煤焦炭发热值，ｋＪ／ｋｇ〕２７２１４）３０１４５固定炭，％）７０　　）７２　　灰分，％燕２０　　簇２０　　挥发分，％蕊５．５　　盛４．５　　含硫，％簇１．２　　盛１．３　　水分，％簇３．０　　盛３．０　　块度，ｃｍ３￣７　　３￣７　　１．３．２液体燃料液体燃料有重油、渣油、柴油及近年来兴起　　　　的生化燃油等，称之为直接燃料，其窑型也称为直燃式立窑、直燃式回转窑。在一定的压力下燃油经喷嘴雾化后，与适量的空气混合，燃烧过程与气体燃烧过程完全相同。由于液体燃料的稳定性、连续性和可流动性，通过流量控制可严格控制各项工艺指标，从而可连续稳定地生产出活性良好、且含杂质量很少的生石灰，可有效地避免过烧或轻烧现象。此外，采用液体燃料，还可以简化消化及精制除渣系统，通过皮带输送到化灰系统，充分利用余热来促进消化反应的进行，以得到活性良好、颗粒细小均匀的石灰乳。但鉴于能源结构，国内几乎没有采用液体燃料来生产活性石灰。１．３．３气体燃料气体燃料包括煤气、天然气、焦炉煤气、合　　　　成氨弛放气等，也是直接燃料，其窑型也称为直燃式立窑、直燃式回转窑。气体燃料应该是生产优质石灰的理想燃料，具有液体燃料的所有优点。虽然国内缺少天然气资源，但可采用钢铁厂副产的焦炉煤气作为气体燃料，也可建设煤气发生炉用煤炭制煤气，这将成为国内未来活性石灰生产的重要燃料来源。２．１锻烧时间、温度与块度的关系　　　　在石灰石和燃料质量一定的情况下，石灰石缎烧速度取决于石灰石的块度与石灰石表面的温度。在一定的温度时，石灰在高温区的停留时间取决于石灰石的块度。这是因为石灰的导热系数２工艺条件的优化ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２（）８，Ｘ１８（２）小于石灰石，所以石灰石的块度越大，随着缎烧的进行，石灰层厚度增加，导热系数减小，热量越难进人石灰石内部，需要的停留时间越长，所以大块的石灰石往往有夹心和轻烧现象。轻烧石灰具有白度高、活性好、体积收缩性小、易消化、消化后的氢氧化钙悬浮粒子小、生产的ＰｃＣ　　　　保持窑况正常及高效率操作的最主要条件是维持窑内温度分布的正常和稳定。如果窑内温度太低，则碳酸钙分解速率将减慢，造成轻烧；反之，如果窑温过高，则会使石灰过烧，而且有使炉料粘成大块或附在窑壁上的危险。情况严重时，不仅阻碍通风，也阻碍炉料下降，破坏窑壁。或纳米碳酸钙的沉降体积值高等特点〔’〕。图１所示为石灰石块度与媛烧时间和温度的关系。　　　　提高温度固然可以提高石灰石的分解速度，万方数据石灰石块度１０００’Ｃ，Ｊ工００八乙５０咋‘００１５０１００５０５１０王５２Ｑ２５３０股烧时ｌｑ’（ｈ）图１石灰石块度与缎烧时间和温度的关系　　　　由图１可见，石灰石的块度与缎烧时间和温度有密切的关系，所以石灰锻烧过程不仅要控制好窑内温度，还需要控制石灰石的块度范围，应尽可能做到块度均匀一致。否则，过小块度的石灰石将造成过烧，大块度的石灰石可能造成轻烧，而过大块度的石灰石甚至可能造成外表过烧而里面生烧的情况，使石灰的质量不均匀。因此，保证石灰石的块度均匀度也是避免石灰生烧或过烧的重要措施，生产中一般石灰石的块度应控制在８０一１２０ｍｍ范围内，并且小块应不小于大块的１乃，从而尽可能避免小块石灰石的过烧或大块石灰石的轻烧现象的发生。２．２石灰石锻烧温度与进度关系　　　　石灰石锻烧速度与温度关系更为密切，在石灰石块度一定的条件下，锻烧温度与锻烧进度的关系见图２。沮度℃　　　　　　　　　　　　　　溯溯爪口几二曰溯９００吓厂几巨巨巨叭厂厂口口８００７００巴口一口巨口口６００日日日日ＱＳ里０１５２０２５３０暇烧进度（．叮ｈ）图２石灰石缎烧进度与温度的关系提高石灰窑产量，但缎烧温度愈高，石灰消化所需时间愈长。当锻烧温度过高时，使石灰过烧，其结晶单元将逐渐按规则排列整齐，其体积比轻烧石灰的体积将缩小４３％，且表面发黑，具有硬度大、密度大、活性差、消化速度慢、消化后氢氧化钙粒子粗、其产品ＰＣＣ或纳米碳酸钙的沉降体积值小等。因此，过烧石灰不仅浪费燃料、降低石灰窑产量，而且过烧使石灰质量变差，将严重影响产品质量Ｌ’〕。锻烧实验中缎烧温度、缎烧时间与石灰石分　　　　解率和石灰活性关系比较如表３汇’］，锻烧生产中锻烧温度、锻烧时间与石灰石分解率和石灰活性关系比较如表４［，１。表３实验数据的参数比较　　　　　　　　　　　　　　温度，℃时间，而ｎ分解率，％活性度，耐１０５０５４９８．５（４Ｘ】０６　　　　　　　　　　　　　　　　９８．８４１０１１５０４５９．２粼刃印　　　　　　　　　　　　　　　　９９．３３９０１２５０３０９．８３１０表４生产数据的参数比较温度，℃时间，ｈ分解率，％活性度，ｍｌ１０５０ｓ９３．５３８０ｌ０４９．０＿３８０１１５０８５９．３３７６ｒｏ９５．５３７０１２５０ｓ９５．８２９）（　　　　由表３和表４可以看出，实际生产的工艺条件不如实验条件，如石灰石的块度更大且不均匀，受热也欠均匀，因此，实际生产中的石灰石分解率和石灰活性要明显小于实验数据。当锻烧温度达到１５２０℃时所产石灰的活性度已经小于活性石灰的最小值３００ｍｌ，因此，实际生产中石灰窑的锻烧区中心的温度一般控制在１０５０－２０）８，（１８（２）邓新云等活性石灰生产过程工艺条件的优化万方数据１２００℃，超过１２５０℃是不允许的。２．３生石灰活性与固体燃料块度的关系　　　　在石灰石的锻烧过程中，不但要求燃料与石灰石混合均匀，并均匀分布在窑内，而且还要控制好固体燃料的块度。如果燃料块度过大，缎烧时间延长，造成窑内燃烧区下移，燃烧区温度下降，还会造成出窑石灰中残存有未烧尽的燃料，卸灰时产生漏火事故，这样不但浪费了燃料，使石灰产生轻烧。反之，如果固体燃料的块度过小，则燃烧速度加快，时间缩短，燃烧区上移，同样会产生轻烧。一般立窑中９０％以上焦炭的块度控制在４０一６０ｍｍ。燃料和石灰石之间的块度关系，关键还有相　　　　互配合的问题，如果配合不当，也有可能造成轻烧或过烧。配合的原则是石灰石块度愈小，则燃料块度也应愈小，一般二者块度之比应小于３。物料块度愈小，生产能力愈大，但气体阻力也会增高。总之，石灰石和燃料的具体块度应当按实验反复摸索来确定。２．４石灰窑的热效率与燃料配比　　　　石灰窑的热效率表示燃料热值的利用程度，是以分解石灰石中的碳酸钙所消耗的热量对燃料所放出的总热量之比来表示的。这也是衡量石灰窑先进性和设备状况的重要指标。影响石灰窑热效率的固有因素主要有：①石灰窑的高径比；②耐火砖砌层的厚度；③保温层厚度；④保温材料的选择；⑤布料器、卸灰器等附件设备。此外，石灰窑的热效率也与操作过程的工艺参数的调节密切相关。　　　　拥有先进的石灰窑和良好的设备状况前提下，提高石灰窑热效率的关键在于：①控制窑气出窑温度在巧０℃以下，同时也要控制生石灰出窑温度在８０℃以下；②窑内耐火砖需要定期更换检修，保温层要有足够的厚度，保温材料性能处于良好状态；③燃煤或焦炭的水分含量要低于３％；④固体燃料的粒度要比较均匀，石灰内未燃尽的碳含量应低于总量的１％。拥有先进的石灰窑、良好的设备状况和稳定　　　　优良的操作工艺参数，石灰窑的热效率可达０７％一７５％。有了较高的热效率，石灰窑的燃料配比就可控制在较低的水平。锻烧ｌｏｋｇ的石灰石一般需要白煤８．０一８．ｓｋｇ，实际生产中燃料配比除了跟窑况和操作工艺参数有关外，还与石灰石和燃料的块度有关。２．５生石灰质量与风量的关系　　　　石灰石锻烧过程质量与风量的关系极大。风量过大，多余的空气将带走一些热量，燃料消耗增加，同时，造成窑气浓度下降；反之，风量过小时，氧气不足，造成燃料燃烧不充分，产生ＣＯ，有效放热量减小，不仅浪费燃料，还容易造成石灰轻烧。因此，实际生产中要准确计算和严格控制进气量。　　　　石灰窑中燃料燃烧所消耗的氧气将全部转化为等摩尔的ＣＯ：，再加上碳酸钙、碳酸镁等分解产生的ＣＯ：，使总的抽气量应多于进气量（即实际风量），生产一吨生石灰的物料衡算关系见表５［ＺＪ。表５物料衡算关系　　　　　　　　　　　　　　　　项目石灰石，吨标煤，ｋｇ１４７．３焦炭，ｋｇ１料．１空气量，Ｎｍ，１２７４总抽气量，Ｎｍ３１６７４ＣｏＺ总量，Ｎｍ，４６３．２ＣＯ，浓度，％３８．４　　　　实际生产中通过对出窑石灰品质进行不间断的分析检验，不断优化石灰窑的各项工艺参数，不能刻意追求石灰石中碳酸钙的分解率达１０％，而是宁可选择４％一５％以内的石灰微生烧状态，也不愿意让石灰过烧，这是实现节能减排和保证石灰活性的双重需要。２．６原生碳酸钙的控制石灰出窑后，其运输和贮存方式也很重要，　　　　其化学活性与其露置在空气中的时间成反比，即存放时间越长，生石灰的化学活性越差。因为生石灰如果在空气中停留时间过长，空气中的二氧化碳和水蒸汽将分别与氧化钙反应生成原生碳酸钙和熟石灰，原生碳酸钙不仅将削弱石灰乳的脱硫能力，也因其化学活性降低而影响消化反应速度，同时还将影响轻质碳酸钙等化工产品的晶形和粒径，因此，生石灰一般要现烧现用ＬＪｚ。如果企业没有自建石灰窑需要外购生石灰，一般采用ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤＥＳＩＧＮ化工设计２朋８，１８（２）万方数据密封的槽车运输，也可以采用“吨袋”放在普通卡车上来运输。顾名思义，一只“吨袋”可容纳一吨左右的生石灰。“吨袋”由钢丝、厚塑料膜和编织材料复合组成，具有良好的密封性和强度，用于短期保存生石灰可有效避免原生碳酸钙的产生，保证生石灰活性。３窑气的综合利用窑气从窑顶出来后，其温度为巧。一２　　　　０℃，主要成分是ＮＺ、ＣＯ：和粉尘，其次还有少量的０２、ＣＯ、５０２、Ｈ２０等，窑气必须经过旋风除尘、换热器回收余热和水洗除尘脱硫后才能排放或进行综合利用。一般情况下，窑气净化前后干基组成见表６。表６窑气净化前后的组成　　　　　　　　　　　　　　％‘ｗｔ）净化前净化后Ｃ０２４５．８Ｎ２４９．２粉尘０　　０２勺‘…０２．７Ｃ０‘．且２．３５０２１１０　　合计１００１ｏｏ３．ＩＣ０：的综合利用　　　　石灰生产过程产生的窑气中含有３８％－５４％（ｗｔ）的ＣＯＺ，而且ＣＯ：含量越高，窑气的利用价值越大，这要求在实际生产中要准确计算和严格控制进气量。ＣＯ：属于温室气体，全球变暖的罪魁祸首。从目前的实际情况来看，窑气中的ＣＯＺ基本上都是随烟气经除尘后直接排放，没有进行回收，主要原因有：（１　　　　）窑气中ＣＯ：浓度不是很大，简单净化后的窑气主要用于制轻质碳酸钙、型煤熟化剂，需求量有限，回收利用场合有限。２（　　　　）窑气中ＣＯ：的深度回收技术目前主要采用变压吸附、中空纤维膜分离法、深冷分离法等制得９９％左右高浓度ＣＯ：，然后用于尿素、纯碱、灭火剂、干冰等工业生产，或进一步提纯后用于碳酸饮料等食品生产，其使用价值会大大提高，但需要额外增加设备投资，运行费用也较高，从而增加活性石灰生产系统的投资成本。随着“两型社会”建设对环境保护和节能　　　　减排要求越来越高，通过技术进步和国家政策扶持，石灰工业窑气的综合利用必将逐步得到重视并最终加以解决。借鉴多种产品联合生产的科学理念是实现石灰生产过程节能减排和环境保护的发展方向。３．２粉尘及废水的综合治理　　　　生产活性石灰会产生一定的粉尘，一般情况下粉尘总量约占产量的１０％，其中Ｃａｏ约占４０％，其余为煤尘等杂质。一个Ｚｏｏｋ以ａ石灰的石灰厂，每年粉尘量就能回收近２０ｋｔ，如果不加利用直接排放，这种强碱性的粉尘会造成严重的环境污染。回收可用于制水泥砖、修路等民用建材，其中制砖工业能就地大量消纳粉尘、废渣和废水，不仅能有效避免环境污染，还能变害变废为宝，产生较好的经济效益，不失为一种较理想的选择ｔ‘〕。４结语　　　　（１）活性生石灰的生产必须要有优质的石灰石、合格的燃料和合适的石灰窑。（２　　　　）石灰石锻烧过程的工艺优化也是至关重要的。活性生石灰的工艺优化必须要正确认识石灰活性与石灰石的块度、锻烧时间、锻烧温度、锻烧速度、燃料块度、风量、石灰窑的热效率与燃料配比等相互关系。（３）生石灰运输与贮存需要采用密封的槽　　　　车或吨袋包装。（４）借鉴多种化工产品联合生产的科学理　　　　念，加强对窑气的净化、提纯和综合利用，加强对粉尘和废水的综合治理。参　　　　　　　　　　　　　　　　　　考文献１孙全应，张巧灵．活性石灰生产及在炼钢中的作用　　　　　　　　　　ｔＪ］．特钢技术，２１】）４（２）２颜　　　　鑫．王佩良，舒均杰编著．纳米碳酸钙关键技术【Ｍ〕．北京：化学工业出版社，２的７年８月第１版　　　　　　　　３姜德虎．国产小型回转窑缎烧活性石灰的经济价值　　　　　　　　　　［Ｊ］．化１设计，１９８（４）４店亚新．影响活性石灰的因素分析〔Ｊ　　　　］，炼钢，２００１（３）　　　　　　　　５段玉震．活性石灰的锻烧试验研究〔　　　　Ｊｌ．安阳工学院学报，２加７（　　　　　　　　４）６颜　　　　鑫．生产纳米碳酸钙的绿色新工艺【Ｊ］．无机盐工业，２（　　　　　　　　）Ｘ７（１１）（修改回稿２０　　　　　　　　　　　　　　　　　　０８一以一０２）