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浅述石灰石煅烧工艺及设备

时间:2020-05-27 10:04

  作为冶金、化工、建材、医药、农业及环保等行业的基础原料,石灰具有应用范围广、使用量大的特点。随着下游行业产业结构调整以及节能环保工作的不断推进,石灰及其精深加工领域的需求将持续增长,行业发展面临新的机遇。而煅烧是石灰石生产中很关键的一道工序,煅烧的好坏对后续产品的质量影响很大。

  石灰石的形成时间的长短不同,其矿物组成、化学成份以及物理性质也并不相同,越短的时间形成,质地越疏松,越长时间形成,其结构就越是致密、坚固。石灰石的结构、杂质的成分和含量以及杂质在石灰石中的分布是否均匀与它的质量优劣都有很大程度关系。

  石灰石的主要成分是碳酸钙CaCO 3 ,少量的碳酸镁MgCO 3 以及一些二氧化硅SiO 2 ,三氧化二铝Al 2 O 3 和三氧化二铁Fe 2 O 3 杂质。通常情况,Al2O 3 、SiO 2 、Fe 2 O 3 等导致石灰煅烧困难。碱金属含量高于0.1%~0.2%或杂质含量高于4%~5%的石灰石,更容易形成低熔点的化合物,导致石灰局部或全部过烧情况发生,堵塞细孔通路,CO 2 释放受阻,石灰石的煅烧进程变缓。

  气态燃料、液态燃料和固态燃料三种形式的燃料全都可以在石灰石煅烧过程中使用。气体燃料有焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、电石炉煤气、天然气及由上述煤气配置的混合煤气等等。常用的液体燃料为重油,重油是蒸馏石油时得到的塔底产品,不可燃成分很少。常用固体燃料是焦炭和煤,其主要成分为固定碳、灰分、挥发分和水分等。石灰石煅烧所选用的燃料随着窑型和燃料市场价格的变化而变化。

  石灰石的锻烧是石灰石菱形晶格结构重新结晶转化为石灰的立方晶格结构的变化过程。煅烧时,主要是石灰石中碳酸钙CaCO 3 和碳酸镁MgCO 3 的分解反应,无烟煤中碳C的燃烧反应和氧化物的结瘤反应。

  在898℃时,碳酸钙分解出CO 2 的压力等于空气的压力。因此,把898℃称为碳酸钙的分解温度。温度越高,碳酸钙分解CO 2 就越激烈。

  碳酸镁的分解温度为640℃。氧化镁的活性低,因此,氧化镁基本不参与其他杂质反应,对煅烧过程影响不大。

  整体而言,石灰石煅烧过程大致经历3个阶段:首先生成碳酸钙假晶的亚稳氧化钙;其次,亚稳氧化钙再结晶生成稳定的氧化钙晶体,内比表面积达到最大;最后,再结晶氧化钙在高温条件下发生烧结,内比表面积迅速减小。

  石灰石的煅烧分为三个区段:预热区;煅烧区;冷却区。石灰石煅烧过程大致分4个步骤:开始分解前的膨胀;碳酸钙的分解;石灰石的烧结;石灰的冷缩。此外根据石灰石煅烧工艺,可分为并流煅烧和逆流煅烧。

  助燃空气及燃料均从煅烧带的上部供入向下流动,煅烧膛的物料也是自上向下流动,两者流向相同,这种物料与燃料产生的热气流流向相同的方式,称为并流煅烧。助燃空气及燃料产生的热气流方向与物料流动方向相反的煅烧过程称为逆流煅烧。从煅烧原理分析,在并流煅烧条件下生产出来的产品活性度高,生烧和过烧较低,产品的质量也容易控制。更适合于生产高品质石灰。

  提高煅烧温度可以提高生产能力,但温度过高容易导致结瘤事故且热损耗高。一般控制煅烧区温度为1050-1150℃。

  相同的煅烧温度下,石灰石的粒度越小,所需的煅烧时间越短。石灰石的粒度越均匀,所烧成的石灰质量越稳定。

  固体燃料的石灰窑生产通常用焦炭与无烟煤作燃料,燃料的块度必须与石灰石的块度相适应,燃料在窑内的下降速度必须与其燃烧速度相适应。粒度过小,容易生烧;粒度过大,易产生石灰过烧。

  燃料的配比量是影响石灰石煅烧分解的关键。配煤率的大小主要取决于无烟煤中固定碳含量的大小和煅烧温度的高低。配比低了温度达不到要求,煅烧不充分,石灰生烧严重;反之,配比过大易造成结瘤。

  石灰窑的装窑方法有混合装窑法和分层装窑法。混合法能使石灰石和燃料混合比较均匀,适合于配比率小、一次加入燃料不多的立窑;分层法便于调节燃料在窑截面的分布状态,适合于比率较大的立窑。

  风量是指送入窑内的空气量,风量取决于无烟煤完全燃烧所需的理论空气消耗量。风量过小,燃料无法完全燃烧,燃烧区温度降低,生烧量增加,燃料消耗增加;风量过大,窑气中CO2 浓度降低,温度下降,生烧量增加,燃料消耗亦增加。

  风压主要取决于立窑的有效高度及石灰石和无烟煤的粒度。窑顶出气压力维持在正压,以免空气漏入窑气中,使窑气中CO 2 浓度降低。如果压力过大,鼓风机的电耗增加。

  窑顶出气及窑底出料温度均应较低。过高的话,热量流失,配比率升高,窑气中CO 2 浓度降低。

  碳酸钙的分解率=分解的碳酸钙/投入的碳酸钙*100%。若要维持高分解率,需要配比率适当,碳酸钙在煅烧区有足够的停留时间,煅烧温度不能过低。

  窑气中CO 2 的含量越高,石灰乳所需碳化时间就越短,碳化塔生产能力就越大。维持窑气中CO 2 浓度高的条件:

  煅烧设备的选择对能否充分利用石灰石资源有着重要的影响。生产石灰所用的窑炉林林总总,回转窑、环形套筒式竖窑、悬浮窑,并流蓄热式双膛竖窑、CID窑、双梁石灰竖窑等等。国内外生产石灰使用最多的四种是:回转窑、并流蓄热式竖窑、环形套筒竖窑和梁氏烧嘴竖窑。

  回转窑从属于回转圆筒类的热工设备,筒体、滚圈、窑头罩、窑尾罩、支撑装置(带挡轮或不带挡轮)、传动装置等几个基本部分组成,浆状或散状物常用此设备进行加热处理。

  回转窑属敞开式煅烧方式,窑体结构简单,气流畅通,含硫烟气可及时排出,燃料中的硫成份不易附着,因而产品含硫量低。生产出的活性石灰产品质量稳定,生、过烧率很低,可以煅烧出高活性度的炼钢用活性石灰;

  回转窑可以直接煅烧不大于50mm的细粒级石灰石,能充分利用优质石灰石矿山资源;

  回转窑煅烧系统设备较多,重量大,投资高,占地面积大,并对煅烧的石灰石强度有一定的要求,在煅烧过程中强度变低、易爆裂的石灰石不适合在回转窑中煅烧。

  环形套筒竖窑最早是由德国贝肯巴赫公司研制开发的,首次实现了炉内并流煅烧,是生产活性石灰的先进技术,在国际上深受欢迎。环形套筒竖窑在生产使用有多方面优势:燃料适用范围广,窑体构成简单,热量高效回收,热量极低,工艺合理,采用负压操作,作业率很高。

  套筒式竖窑主要构件为内套筒和外壳,物料与气体就在内、外壳之间流动。从下到上主要划分为石灰冷却带、下燃烧室下部并流焙烧带、上、下燃烧室之间逆流焙烧带和石灰石预热带四个区域。

  1.料斗;2.料口;3.加料斗;4.外筒;5.上内筒;6.下内筒;7.上烧嘴平台;8.下烧嘴平台;9.上燃烧室;10.下燃烧室;11.液压推杆系统;12.出料台;13.石灰仓;14.振动出料机;15.循环气体入口;16.拱桥;17.冷却梁;18.环形管道;19.喷射器;20.烧嘴;21.循环气体管道;22.环形烟道。

  并流蓄热式双膛竖窑有两个窑身,窑身的上部有换向系统,用于交替轮换使用两个窑身,在窑身煅烧带的下部设有彼此连通的通道。

  采用并流蓄热式竖窑生产的石灰具有质量好,粒度均匀,活性度高,残余二氧化碳含量低,硫含量低的优点,很好的满足了炼钢用石灰的要求。另外,它的节能功效明显,单位产品热耗量很大程度减少,在全部的石灰煅烧窑中的热量消耗是最少的。但是,它的生产率与国内其他的以焦炭为燃料的竖窑相比,高出约30%~40%。除此之外,投资建设的费用,竖窑比回转窑更少,所需的建设场地也不大。

  梁式窑大体上可分为四部分:贮料带、预热带、煅烧带、冷却带。贮料带处于窑顶部,贮量约够2~3h的石灰正常生产;石料在预热带吸收向上升腾的热气中的热量;煅烧带有上下两层燃烧梁,各燃烧梁上的喷嘴将燃料均匀地喷在石料层上,充分燃烧,为石灰石的分解提供热量;冷却带位于煅烧窑的底部,热石灰通过和冷空气进行热交换,石灰被冷却,空气被预热,然后升入煅烧带。

  双梁石灰竖窑采用的是意大利TF软件系统,在控制方面,系统全部都能实现连锁自动控制,同时在现场及电脑画面上可进行单个人工调试,自动化水平高,质量稳步上升。另外,其最突出特点是工艺设计理念先进,采用三路压力系统,与传统的结构相比增加了一个后置燃烧带,石灰的活性度被进一步提高。此外,双梁石灰竖窑与回转窑相比,其生产效率非常高,与相同生产能力的窑相比,其投资费用较低,占地面积小,热耗和电耗低,生产稳定,灵活度大,燃料适应性强,设备维护费用小。

  除此之外,还有沸腾炉、CID窑、横流式竖窑、双斜坡窑、悬浮窑等。实际生产中,对于煅烧工艺及装置的选择则要综合考虑生产用的石灰石粒度及煅烧特性、使用的燃料种类、生产规模、对石灰的粒度及质量要求、生产自动化水平要求、投资多少、厂区位置大小、对环保有无特殊要求等因素。

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