生石灰三级消化技术在烧结工艺中的应用与研究

马建军，张树刚，孙 浩，王 浩，宗树成，朱顺华，董 蓓，师 平，丰兴国

（天津铁厂有限公司，河北056404）

0 引言

现阶段关于生石灰消化技术的研发开始起步，主要是围绕消化工艺的一些新的技术问题展开。 虽然各种相关新工艺已开始起步发展，但应用于脱硫行业或者烧结行业中的消化技术并不成熟。 因此，深入研究、探索生石灰消化新工艺、新技术，对提高烧结脱硫脱硝的效率具有重要意义。

天铁公司四烧车间在原有脱硫、脱硝工艺的基础上，研发搭建了一套生石灰干消化系统，用来满足烧结烟气脱硫、脱硝工艺的需求，并深入研究了消化条件（水灰比、消化水温、搅拌转速、雾化水速率）对生石灰干消化过程的影响。 通过研究发现，生石灰在消化过程中，消化水温直接反应生石灰转化率，因此，可以通过对温度的监控，来控制生石灰的消化反应速度和消化反应程度，有利于制备高活性的脱硫剂。

1 生石灰消化工艺概述

1.1 生石灰消化的基本原理

生石灰与水反应生成氢氧化钙的过程称为消化反应，其反应的热力学反应方程式为：

从反应式可以看出，该反应过程为放热反应。一般在生石灰消化过程中，消化器内的温度在100℃以上，最高可达160～180 ℃。 正常情况下，消化的原料生石灰不会是纯氧化钙，而是由含有不同成分的石灰石煅烧生成的，外加生石灰生烧、过烧的现象，因此，生石灰消化所加的水量和发出的热量，由于里面的杂质含量的种类、数量以及生、过烧程度而有很大的不同。

1.2 生石灰消化的主要工艺

在脱硫工艺里，常见的钙基脱硫剂中，活性最好的是Ca（OH）2，适用于中低温下的烟气脱硫，拥有广泛的应用前景。 然而Ca（OH）2的价格相对于原材料生石灰高很多，这就促成了生石灰消化工艺的研究和发展。 如何通过新技术、新工艺来获得高效、高质、低成本的脱硫剂已成为现阶段烧结脱硫工艺的主要研究课题，该项研究在国内外都取得了一定的技术突破，并逐步向深层次开展工作。 目前消化工艺主要有湿法消化、干法消化两种。

湿法消化工艺：该工艺是通过生石灰在消化罐与大量的水充分进行消化反应，该方法大量的消耗水，消化温度较低，消化时间较长，且活性不易保证，容易堵塞管路。

干式消化工艺：该工艺是近年来逐渐被应用于脱硫工艺上的，是将一定质量和粒级标准的生石灰投入消化器内与一定量的水进行反应，该工艺消化装置简洁，能有效地解决堵塞问题，质量、活性优于湿法。

1.3 生石灰消化的主要设备

这两种工艺采用的消化装置有： 滞流式装置、打浆式装置和回转式装置等几种。 搅拌方式一般有两类，分别是机械搅拌消化和气流扰动搅拌消化。目前国内脱硫工艺中主要采用机械搅拌消化，而气流扰动搅拌消化方式很少使用。 机械搅拌消化一般有叶片旋转搅拌式消化装置和旋转喷水消化装置两种。

2 螺旋式三级生石灰消化技术的研发

由试验可知，生石灰消化反应时剧烈放热，在3 min 之内温度就可以到达100 ℃以上，水和生石灰的比例直接影响反应的最高温度和消化时间。 因此天铁公司烧结厂研发了一套通过螺旋式三级搅拌的干式生石灰消化装置，并在四烧车间脱硫、脱硝系统中投入使用。 该项技术，在消化过程中可通过温度对消化反应进行监控，然后通过调整生石灰下料量和喷水量，调整水和生石灰的比例；另外通过调整空气压力，调整水雾化程度，使雾化水和生石灰混合更加均匀，已达到更高的消化质量。

2.1 螺旋式三级生石灰消化工艺特点

螺旋式三级生石灰消化技术是专门针对脱硫系统所需的消石灰品质要求研制开发的一种高效实用的新技术。

2.1.1 一般生石灰消化工艺特点

一般生石灰消化工艺为叶片旋转搅拌式消化和旋转喷水消化，两种消化工艺都存在着多种弊端。

（1）叶片旋转搅拌式消化工艺的弊端：消化控制时间较为固定，可调性较差；消化反应要求白灰质量必须保证足够的活性，否则无法满足消化完全反应，造成质量较差。

（2）旋转喷水消化工艺的弊端：喷头的位置较低，白灰消化后粘性较大，容易堵塞喷头；喷头寿命短，检修率较高；同时喷水不均匀，混匀效果较差。

2.1.2 螺旋式三级生石灰消化工艺特点

（1） 新型消化工艺可根据不同质量的生石灰，在消化过程中调整消化反应的速度和进程，喷水位置为最高点，不易堵塞，使用周期较长。

（2）由于空气打压形成雾化水，更有利于水和白灰的充分接触和混匀，达到最佳的混匀效果，新型消化工艺可以保证消化充分、反应完全，使消石灰保持较高的温度。

（3）工艺安全、稳定、可靠、维修方便，处理能力的调节性好，消石灰可随用随消。

（4）消化效率高、占用空间小、投资较小、自动化程度高和无环境污染。

（5）系统运行耗能低，运行成本低，同时由于生石灰价格较消石灰低200 元/吨左右，有利于整体成本的降低。

2.2 螺旋式三级生石灰消化工艺流程

螺旋式三级生石灰消化装置工艺流程如图1所示。 消化装置包括：1 生石灰气力输送管道，2 消石灰仓，3 生石灰仓，4 卸灰阀，5 给料机，6 螺旋消化器顶部雾化喷嘴，7 雾化喷嘴压缩空气管道，8 雾化喷嘴供水管道，9 螺旋消化器，10 消石灰气力输送风机。

（1）生石灰仓的进料口与生石灰气力输送管道连接，出料口设有卸灰阀并与给料机进口连接；给料机内设输送带，出料口与螺旋消化器的进料口连接；螺旋消化器的出料口处设有消石灰气力输送风机，将经过三级消化好的消石灰送往消石灰仓连，供给脱硫工艺使用。

（2）本方案的压力水管和压力空气管均设有调节阀，可控制水和空气流量比例，使水和空气在喷嘴处形成雾化水，雾化水可与固态生石灰粉进行充分接触、混合。

图1 螺旋式三级生石灰消化装置工艺流程图

（3）新型生石灰消化装置中，螺旋消化器共分三级，三级均为变频电机单独驱动，可根据生石灰给料量和上一级反应器内温度，调整电流，进行调节转速，保证其消化反应完全。

（4）一级螺旋消化器的螺旋轴贯穿壳体，螺旋轴带动螺旋叶片旋转，推动正在与雾化水充分接触的生石灰向尾部传输，生石灰在消化反应的同时，旋转叶片使白灰充分混合，到达底部后，落入二级螺旋消化器； 二级螺旋消化器为充分消化反应室，螺旋叶片反向旋转推动正在发生反应的白灰和消石灰传输到头部，落入螺旋式三级消化器；三级螺旋消化器推动基本反应完全的消石灰向尾部传输。

（5）三级消化装置为三层装置，这样可节省布置空间，且三层不同的温度显示，可以明显的反应出消化的进程。转速的调整可以调整三个阶段消化进程，使整个消化进程均匀分配于三层螺旋消化器中。

2.3 螺旋式三级生石灰消化实施效果

螺旋式三级生石灰消化技术是在现有的消化工艺基础上的技术更新，在烧结烟气脱硫项目中的实践效果显著。 目前已申报两项专利，一项发明专利（专利号：202011295316.X）和一项实用新型专利（专利号：202022678039.2）。

螺旋式三级生石灰消化技术，不仅对于烧结烟气脱硫，在烧结工艺中也可以得到良好的推广应。由于烧结工艺需要消化反应提供的热量来提高料温，所以该技术完全有能力为烧结工艺服务。 目前天铁公司正在研究，在烧结配料室白灰下料仓位置安装一级螺旋生石灰消化装置，通过新的消化技术，使烧结得到高品质消石灰Ca（OH）2，同时也能够提供更高的热量来提升混合料的温度。 而且烧结配料无需完整的螺旋式三级生石灰消化技术，只需一级螺旋生石灰消化装置就可以满足烧结工艺的需求。

3 结语

实践证明，天铁公司烧结厂研发的螺旋式三级生石灰消化技能够满足烧结烟气脱硫脱硝工艺的需求，并有向多元化推广的价值。

（1）新型消化工艺可使固态的生石灰粉末与雾化水混合均匀，随着螺旋式三级旋转搅拌，生石灰消化反应充分、完全，能够保证消化反应的快速进行，并达到较高的消化温度，完全满足脱硫的需求，且系统安全、稳定、可靠，维修方便。

（2）新型生石灰消化技术的研究，为今后消化技术向多元化转变打下了基础，使其应用可以拓展到脱硝、脱硫工艺以外的更广泛的领域。

（3）新型消化工艺占用空间小、投资较小、运行费用低、自动化程度高和无环境污染的特点，使其具有先天的竞争优，是今后生产企业生生石灰消化工艺的一个优先选项。