碳酸钙渣悬浮态煅烧工业试验线工艺控制研究*

赵 博，陈延信

（西安建筑科技大学粉体工程研究所，陕西西安 710055）

贵州瓮福磷肥厂于2011年建成产能为25万t/a的磷石膏制粒状硫酸铵装置，该装置每年可消耗磷石膏固态废渣超过60万t，同时排放30万t碳酸钙废渣。为了实现碳酸渣钙的再利用，该厂采用西安建筑科技大学的高固气比悬浮态煅烧-快速冷却技术，建成一条10万t/a碳酸钙渣悬浮态煅烧-快速冷却制备活性石灰的配套试验生产线，石灰产品可用于火电厂烟气脱硫、化工厂污水处理或用作建筑材料等。由于是首条工业试验生产线，碳酸钙渣悬浮态煅烧装置独特的工艺特性尚待深入探索，笔者根据中试试验和工业试验线调试阶段的工艺操作经验，初步总结出该生产线工艺控制的要点，可作为生产控制的参考。

1 高固气比悬浮态煅烧-快速冷却技术

稀相悬浮态快速煅烧新技术具有传递面积大、综合传递系数大、传递动力大、反应速率高和热效率高的特点，可有效克服传统碳酸盐煅烧工艺能耗高及产品“过烧”和“欠烧”的问题［1］。

高固气比悬浮态煅烧-快速冷却技术的主体由3部分构成：1）高固气比预热单元。将并联平行的气流与交叉串行的料流相结合，出旋风分离器的气体均等地通过平行双系列预热器，全部粉体从一个系列到另一个系列交替喂入，串行料流交叉进入两股平行气流中，使100%（质量分数）的物料与50%（体积分数）的气流交换热量，旋风预热器内的固气比可以提高到1倍左右，从而提高了系统的固气比和换热效率；2）高固气比煅烧单元。采用选择性的体外循环方式，让粗颗粒物料和煤粉在煅烧炉内循环分解，保障了出炉物料的分解率，提高了煅烧炉的热稳定性、出炉物料的分解率、煤粉燃烬率和单位容积产量［2］；3）快速冷却单元。采用悬浮态冷却方式，实现高温产品的快速冷却，获得高活性产品，同时回收了高温产品从煅烧单元带走的绝大部分热焓。

2 碳酸钙渣悬浮态煅烧-快速冷却制备活性石灰生产线概况

2.1 原料和燃料

碳酸钙渣为上游磷石膏制取硫酸铵生产线的废渣，其化学成分和水分含量受制于上游工艺，波动相对较大，其中 w（水分）=15%～28%，w［CaCO3（干基）］=72%～78%， 其他为 CaSO4·2H2O、SiO2、（NH4）2SO4和Ca5（PO4）3F 等，磷、硫、氟含量比较高，钾、钠含量较低。采用LS230型激光粒度分布仪测定其粒径分布为 0～120 μm，平均粒径为 16～18 μm，其中 90%的颗粒粒径集中在32 μm以下，10 μm以下的颗粒约占总量的36%。流动性实验表明，碳酸钙渣流动性较差，喷流性较强［3］。该生产线原料水分含量大，1 t碳酸钙渣中的水（水分按25%计，质量分数）汽化吸热会消耗564300 kJ的理论热量，折合标煤约19.29 kg。流动性差导致喂料的连续性不好。

2.2 工艺流程

碳酸钙渣悬浮态煅烧-快速冷却制备活性石灰生产线采用二级预热-煅烧分解-三级冷却的配置，整个系统包括碳酸钙渣上料喂料系统、高固气比预热系统、外循环式高固气比煅烧炉系统、悬浮冷却系统、热风制备系统、废气处理系统、产品输送储存系统和回灰上料喂料系统。工艺流程示意图见图1。

图1 碳酸钙渣悬浮态煅烧生产线煅烧-冷却系统流程示意图

系统料流路线：碳酸钙渣用铲车送入受料坑，再经上料板喂机、斗式提升机提升至缓冲料仓，通过喂料板喂机、皮带秤和旋转锁风下料器进入C1旋风预热器的换热管；物料在高温烟气的携带下进入C1筒体完成气固分离，经C1翻板阀和下料管进入C2A换热管，其路径为C1→C2A→C2B；物料通过C2B的下料管进入外循环式高固气比反应炉底部，在高温烟气的携带下于炉中完成碳酸盐的分解反应，进入旋风分离器C3完成气固分离，高温物料通过C3下料管进入冷却系统CL1的换热管，部分比重较大的物料颗粒在旋流分离器的作用下进入外循环式高固气比反应炉中，进行循环再分解；高温物料依次经过旋风冷却器CL1、CL2和CL3，得到充分冷却，最终进入产品输送储存系统。

系统气流路线：冷却风由CL3的换热管进入冷却系统，在悬浮冷却系统中与高温物料换热变成高温空气，通过CL1出风管进入悬浮煅烧炉底部；燃煤热风炉产生的高温烟气进入外循环式高固气比反应炉底部后与高温空气汇合，助燃喷入悬浮炉的煤粉，与物料反应产生的气体汇成一股高温烟气。出炉高温气固两相在C3中完成气固分离后烟气分两路进入预热系统，其路径分别为C2A→C1和C2B→C1。在C1出口两股气流汇合，进入总风管。

袋收尘收得物料经过回灰拉链机、回灰上料斗提、回灰料仓和螺旋喂料机进入C2B的换热管。

3 生产线操作控制方法

3.1 煅烧系统各设备的工艺作用

1）C1两个旋风筒作为高温旋风干燥器，脱除原料中绝大部分的水分，并将低温物料预热；2）C2A和C2B旋风筒作为旋风预热器，继续预热物料；3）外循环式高固气比反应器作为分解炉，分解物料中的CaCO3，C3旋风筒作为气固分离器实现高温石灰产品和高温烟气的分离；4）热风炉为热源，系统开车升温阶段作为预热热源，系统稳定运行之后作为系统的补充热源，起稳定分解炉底部温度的作用；5）CL1～CL3旋风筒作为快速冷却器，实现高温石灰产品的快速冷却，并回收一部分热焓。

3.2 系统工艺控制

3.2.1 系统升温的控制

热风炉点火时，打开一级预热器入口的点火烟囱和沉降室烟囱，冷却系统冷风阀关闭，热风炉保持零负压状态，靠系统自然抽风升温；沉降室温度达600℃左右后热风炉开始喷煤，调整喂煤量、送煤风和热风炉助燃风使热风炉火焰形状和温度平稳良好，同时逐渐调大热风炉至分解炉的热风管道蝶阀，使热风炉内保持微负压（＜-10 Pa），沉降室温度维持在（900±10）℃。

分解炉底部温度达到650℃以后开启风机，逐渐加大热风炉喂煤量、拉大风量并稳定系统温度；分解炉喷煤时，分解炉底部温度应控制在650℃以上，C1出口负压为150～200 Pa，热风管道蝶阀全开，初始喷煤量为0.4～0.6 t/h。

3.2.2 投料前操作

分解炉底部温度升至850℃时，将冷却系统冷风阀调至5%开度，降低系统升温速率，逐渐增加分解炉喷煤量至1.0～1.2 t/h，30 min内将分解炉底部温度升至900℃，准备投料。

3.2.3 投料操作

确认空气炮、上（喂）料、回料及产品入库设备等正常运转；拉大风量使C1出口负压为-1.6～-1.4 kPa，分解炉底部至一级预热器出口压差达到1 kPa以上才可投料；初始投料量在10 t/h左右；调节风机阀门和废气管道冷风阀开度，保证初始投料阶段袋收尘入口温度在240℃（短时间）以下，袋收尘入口保持负压；调节入炉热风阀门和分解炉喷煤量使分解炉温度不高于920℃。待高温物料进入冷却系统以后，逐渐调大冷却系统冷风阀，同时逐渐增加喂料量和分解炉喷煤量，使系统各段工况稳定。

3.2.4 正常生产时的操作

缓慢拉大风量、增加分解炉喷煤量和投料量，正常运行时，投料量以32～37 t/h为宜（根据原料水分含量变化适时调整），分解炉喷煤量为1.4～1.6 t/h（根据煤粉质量变化适时调整）；废气管道（C1出口）压力应为-3.3～-3.2 kPa，分解炉底部至一级预热器出口压差应达1.8 kPa以上。注意各旋风筒和分解炉压力变化情况，避免塌料和堵料；分解炉出口温度高于910℃时，要注意降温；热风炉温度高于1050℃时，要注意热风炉降温；正常运行时袋收尘入口温度在180℃以下。可以通过调节热风管道蝶阀，使出冷却系统的高温空气保持合理的最大风量，CL3下料管温度保持在最低水平。

遇到紧急情况需要停车时，首先应减少分解炉喷煤并减料，待CL1入口温度呈持续降低趋势时，适当减小系统总风量，保证袋收尘入口温度低于220℃；系统正常运行后切忌大幅度调整投料量和喷煤量。正常运行时系统各工艺段温度、压力控制范围如表1所示。

表1 试验生产线各工艺段工艺指标控制范围

该生产线的原料中的CaCO3和水分含量波动较大，设备结构参数相对较小，所以工艺参数变化范围相对较大；生产实践表明，生产线各项工艺指标控制在上述合理范围之内，可以保证渣中碳酸钙表观分解率达97%以上，获得高活性的石灰产品。通过72 h连续考核结果显示，该生产线在平均投料量为（33±1） t（统计量）的情况下，按照表 1 中所述的工艺参数控制范围，碳酸钙表观分解率可达97%～98.5%，烧成热耗仅为3564 kJ/kg。

4 系统控制要点及难点

4.1 高温烟气、高温冷却风的控制

热风炉燃煤产生的高温烟气和冷却系统送出的高温冷却风是入炉的主要风源，二者的温度、风量及其配比直接关系到入炉风的温度，对喷入悬浮炉内的煤粉燃烧状况和预热分解系统的温度影响很大，在原料均质性稳定的前提下，悬浮炉内煤粉的正常稳定燃烧才能够保证系统工况的稳定。

在系统升温阶段，热风炉产生的高温烟气是系统的主要热源，所以在这一阶段应该将热风管道阀门尽量开大至一定开度（一般为85%～90%），关闭冷却系统的冷风阀，减少冷空气的漏入量，保证系统的持续稳定蓄热；投料前需要将冷却系统的冷风阀打开至较小开度（一般以20%为宜），在这之前要适当增加分解炉喷煤量，避免投料后突然开大冷却风阀导致炉内温度出现较大波动；初始投料量以10 t为宜，视具体工况逐渐增加分解炉喂煤量、投料量、冷却风管阀门开度以及减小入炉热风管道蝶阀开度。热工计算表明，系统正常运行时，燃煤热风炉产生的烟气量（标态体积）占进入悬浮炉底部烟气量（标态体积）的20%左右，80%左右为出冷却系统的高温空气。所以在进入正常运行阶段后，在维持炉内工况稳定的前提下应尽量开大冷却风管阀门开度，实现高温石灰产品的快速冷却，并回收出炉高温产品带走的部分热焓，以保证系统工况和单位产品能耗处于最优状态。

4.2 原料成分波动时的控制

碳酸钙渣化学成分和水分含量受制于上游磷石膏制硫酸铵工艺，波动相对较大，其中水分质量分数为15%～28%，CaCO3干基质量分数为72%～78%。水的汽化和碳酸盐的分解都是强吸热的失重反应，二者的大幅波动不但造成预热煅烧系统和收尘系统的工况波动大，而且更会使C3的高温物料量产生波动，进而影响出冷却系统高温空气的温度，最终影响到悬浮炉内煤粉燃烧状况和整个系统的稳定性。所以，在原料成分出现较大的波动时，局部温度稳定性较差，此时不可频繁操作，注意观察系统各工况参数的变化趋势，在设备性能允许的条件下进行小幅度的操作，避免出现生产事故。

5 有待改进之处

影响该生产线稳定运行的最主要因素就是原料均质性差，水分含量和碳酸钙含量波动较大。所以在实际生产过程中：1）要优化上游硫铵生产线的工艺过程，提高废渣的均质性；2）要对原料进行适当的均化，在原料场内安装均化机械设备，进一步提高碳酸钙渣的均质性。只有原料的均质性得到提高，整个系统的稳定性和产品质量才能得到保证。

［1］徐德龙.水泥悬浮预热预分解技术理论与实践［M］.北京：科学技术文献出版社，2002：3-5.

［2］陈延信.粉体高固气比换热与反应系统的研究与开发［D］.西安：西安建筑科技大学博士学位论文，2011

［3］胡亚茹.碳酸钙渣理化性质与流动性分析［J］.水泥，2010 （10）：4-6.