黄磷尾气作为替代燃料用于石灰窑煅烧工艺

胡学琼，宁平，郜华萍，甘萍香，宋忠贤

（1.昆明市五华区环境保护监测站，云南昆明 650000；2.昆明理工大学环境科学与工程学院）

黄磷尾气作为替代燃料用于石灰窑煅烧工艺

胡学琼1，宁平2，郜华萍2，甘萍香2，宋忠贤2

（1.昆明市五华区环境保护监测站，云南昆明 650000；2.昆明理工大学环境科学与工程学院）

黄磷尾气含高浓度一氧化碳，其燃烧温度高，热辐射面积大，作为燃料是其最好的资源化利用途径。活性石灰窑所用的燃料是煤粉。黄磷尾气在具备一定条件时作为石灰窑煤粉的替代燃料具有可行生。通过研究黄磷尾气的燃烧特性、石灰窑的结构特点及温度分布、石灰窑对替代燃料的基本要求等，验证了黄磷尾气可以作为石灰窑煤粉的替代燃料。黄磷尾气用于石灰窑的替代燃料，在带来巨大经济效益的同时，也会带来不可估量的环境效益。

黄磷尾气；石灰窑；资源化利用；环境效益

黄磷尾气含CO体积分数为80%～90%。黄磷尾气以往的处理方式为点“天灯”，即经过简单的水处理后直接燃烧排空，不但不能实现资源的综合利用，还严重污染环境。黄磷尾气的燃烧温度最高可达920℃左右，火焰长度约250 mm、宽度约30 mm，有着较广的热辐射面积。黄磷尾气作为燃料资源化利用是其最好的循环利用途径。采用石灰窑生产石灰，石灰石理论分解温度为800～1 000℃，石灰实际烧成温度为900℃，炉窑温度在1 000℃左右，因此，黄磷尾气在具备一定条件时可以作为替代燃料用于石灰窑煅烧工艺。

1 黄磷尾气的燃烧特性

黄磷尾气含高浓度CO和H2S，其中CO非常容易被氧化，其燃点约为630℃，燃烧速度约为380 mm/s。CO与氧气混合燃烧时放出大量的热，因此黄磷尾气具有较高的热值，其理论热值约为1.1×107J/m3，实际燃烧最高热值可达1.25×107J/m3，是十分优良的燃气。黄磷尾气常规组分及含量见表1［1］。

表1 黄磷尾气常规组分及含量

在工业锅炉上，在不同的空气过剩系数（α）下，对黄磷尾气燃烧烟气成分及温度进行测定，结果表明：在α=1.0时，黄磷尾气最高燃烧温度约850℃；在α=1.2时，黄磷尾气最高燃烧温度接近900℃，火焰宽度约40 mm、高度约300 mm；在α=1.25时，黄磷尾气最高燃烧温度可达910℃；在α=1.3时，黄磷尾气燃烧稳定，燃烧温度分布相对均匀，在测点高度为300 mm处燃烧温度可达920℃，距离燃烧室中心20 mm范围内温度相对稳定，燃烧室内此处单位热容积最高［2］。实验结果表明，黄磷尾气燃烧的最佳空气过剩系数为1.3，在此空气过剩系数下，黄磷尾气中的CO能够在燃烧室充分燃烧，黄磷尾气的燃烧温度可高达920℃左右，能够满足石灰窑煅烧工艺所需的温度。

2 石灰窑简介

2.1 石灰窑结构

图1为弗卡斯石灰窑结构示意图。弗卡斯石灰窑大体上分为四部分，即贮料区、预热区、煅烧区、冷却区。贮料区位于石灰窑顶部，其贮料量在正常工况下可供生产石灰2～3 h，这样，在例行检修、石料倒运及上料装置需要暂短停机时，并不影响石灰窑的连续生产［3］，贮料区温度为100～200℃。预热区位于贮料区下方，由布料器将贮料区石料均匀布于预热区，预热过程所需的热量来自煅烧区产生的上升热气，预热区温度为200～800℃。煅烧区位于预热区下方。煅烧区设有梁式烧嘴，烧嘴分布在燃烧梁上，通过烧嘴将燃料均匀分布于煅烧区。石灰窑煅烧石灰石温度在900～1 100℃，煅烧区温度在700～1 100℃。冷却区位于石灰窑底部，由于刚烧制好的石灰温度很高，在900℃左右，所以需要通入一股冷却空气将其冷却。根据实际生产经验，单位质量石灰的冷却空气量可在0.6～0.8 m3/kg，冷却空气通过罗茨风机从窑底部输入窑内，最大压力约为30 kPa。冷却后石灰温度在130℃左右，冷却区温度在100～700℃。

图1 弗卡斯石灰窑结构示意图

2.2 石灰石煅烧原理

石灰石成分及含量（质量分数）：CaO，52.8%；MgO，1.2%；SiO2，0.45%；P，0.001%；S，0.003%。

石灰石分解［4］：

石灰石杂质的副反应：

石灰石煅烧过程简单来说就是一个吸收热量排出大量二氧化碳气体的过程。影响石灰石煅烧的因素主要有煅烧温度、石灰石粒度、石灰石与燃料的混合均匀程度［5］。在石灰石煅烧过程中，石灰石料块在煅烧带的起始处开始燃烧，随着石灰石料块在石灰窑中向下运动，石灰石料块吸热逐渐减少，加热气体温度也逐渐降低，既可使石灰石料块完成煅烧，又不至于产生CaO过烧而影响石灰活性［5］。

3 黄磷尾气替代煤粉用于石灰石煅烧的可行性

3.1 石灰窑对替代燃料的基本要求

石灰窑对替代燃料的基本要求：石灰窑使用混合燃料前后其燃烧器和排烟系统等都应保持不变；燃料替代前后炉温应保持基本不变，以满足原来的工艺要求；燃料替代前后热负荷应保持不变，以满足原来的产量。另外，还要考虑保证替代燃料正常的燃烧工况，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料有较强的适应性［6］。目前，大部分石灰窑的热工要求简单归纳为900℃左右的石灰烧成温度、1 000℃左右的炉窑温度、石灰冷却后130℃左右的出窑温度。净化后的黄磷尾气具备石灰窑对替代燃料的基本要求，同时净化后的黄磷尾气在一定条件下（如调整空气过剩系数及黄磷尾气流量）其燃烧温度能够满足石灰煅烧工艺所需的温度。

3.2 石灰窑的结构特点适用于黄磷尾气作为替代燃料

黄磷尾气经过简单的净化处理送到加压站加压至12 kPa，然后进入石灰窑燃烧。黄磷尾气的净化过程：黄磷尾气经过输送系统送入二级循环洗涤塔，经过冷热水封和输送系统送入旋风除尘器，经过输送系统送入石灰窑。

弗卡斯石灰窑以其独特的结构特点和煅烧机理，经改进设计后可以以净化的黄磷尾气作为燃料。弗卡斯石灰窑的结构特点是单筒竖窑，煅烧区由交错布置的烧嘴梁在煅烧空间合理布置烧嘴，每个烧嘴覆盖的煅烧空间有限，燃料和助燃风的分配可以实现精确调节，特别是双T型烧嘴梁的开发应用，使燃料和助燃风的调节更加科学和精确。这是弗卡斯石灰窑能够使用纯高炉煤气做燃料的基础因素［7］，同样石灰窑的这种结构特点也适用于净化后的黄磷尾气作燃料。

3.3 黄磷尾气替代煤粉的热值换算

以煤粉为燃料达到石灰窑所需温度需要的煤粉用量，换算成黄磷尾气作燃料达到石灰窑相同温度需要的黄磷尾气用量，结果见图2。由图2可以看出，以煤粉为燃料在石灰窑中所能达到的温度，若以黄磷尾气为燃料通过调节黄磷尾气的流量也能达到相同的温度，因此，黄磷尾气经过简单的净化处理可以用于石灰窑煅烧。

图2 在石灰窑中达到同等温度所需煤粉用量（a）和黄磷尾气用量（b）

4 黄磷尾气用于石灰窑煅烧的环境效益

黄磷尾气经过简单的水洗处理用作石灰窑的燃料，可以脱除30%左右的H2S及部分杂质。以年产1万t黄磷生产装置为例，如果以黄磷尾气替代燃煤用作燃料燃烧，则每年可减少含硫化合物排放288 t，减少含氮化合物排放256 t，减少粉尘颗粒物排放55.2t。2008年，中国黄磷实际总产量为52万t，直接排放的黄磷尾气超过14.4亿m3，其中含约5 000 t的SO2、1 880 t的P2O5排入大气，直接排放热损失折合标煤57.6万t，造成直接经济损失5.76亿元［2］。由此可见，黄磷尾气作为替代燃料用于石灰石煅烧的资源化综合利用，在带来巨大经济效益的同时，也带来了不可估量的环境效益。

5 结论

利用黄磷尾气替代燃煤生产石灰，不仅开辟了黄磷尾气资源化综合利用的新渠道，还可以降低黄磷尾气对环境的污染，从而实现黄磷尾气的综合利用和节能减排，具有较好的社会效益、环保效益和经济效益。

［1］王学谦.黄磷尾气催化氧化净化新技术研发及理论研究［D］.昆明:昆明理工大学，2007.

［2］周洲.黄磷尾气燃烧特性初步研究［D］.昆明:昆明理工大学，2012.

［3］陈英军.弗卡斯窑煅烧石灰石的原理及其应用［J］.非金属矿，2002，25(6):45-47.

［4］段润林.石灰石在竖式石灰窑内的煅烧过程分析［J］.山西化工，2000，20(3):39-41.

［5］初建明，高士林.冶金石灰生产技术手册［M］.北京:冶金工业出版社，2009.

［6］刘伟，周伟国，刘裕.石灰窑混烧高炉煤气和天然气的探讨［J］.煤气与热力，2009，29(12):20-23.

［7］D·特鲁兹.弗卡斯石灰窑技术的重大突破——以纯高炉煤气为燃料的弗卡斯竖式石灰窑“三路压力系统”［C］∥2006年中国石灰工业技术交流与合作大会论文资料汇编，北京:中国石灰协会，2006:1-6.

联系方式：43943305@qq.com

Yellow phosphorus tail gas as alternative fuel for lime kiln calcining process

Hu Xueqiong1，Ning Ping2，Gao Huaping2，Gan Pingxiang2，Song Zhongxian2
（1.Wuhua District Environmental Protection Monitoring Station of Kunming City，Kunming 650000，China；2.Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Yellow phosphorus tail gas contains high concentrations of carbon monoxide.Due to its high combustion temperature and large thermal radiation area，it is the best resource utilization way to use it as fuel.In general，the active lime kiln fuel is coal powder.Yellow phosphorus tail gas can be used as an alternative fuel in lime kiln under some certain conditions.Through the researches on combustion characteristics of yellow phosphorus tail gas，the structure characteristics of the lime kiln，temperature distribution，and on the basic requirements for alternative fuels of the lime kiln，it was verified the yellow phosphorus tail gas could be used as alternative fuel of coal powder.To do so，not only huge economic benefits will be brought，but also immeasurable environmental benefits will be generated.

yellow phosphorus tail gas；lime kiln；resource utilization；environmental benefit

TQ127.1

A

1006-4990（2013）12-0038-03

2013-06-22

胡学琼（1986—），女，硕士研究生，研究方向为工业尾气资源化利用。

郜华萍