水泥机立窑改成活性石灰窑的技术措施

一、活性石灰窑的结构和类型

1、活性石灰窑的结构

    活性石灰窑主要由窑体、上料装置、布料装置、卸灰装置、自动化仪表控制及除尘装置等组成。

2、活性石灰窑类型：

    按燃料分有混烧窑，即烧固体燃料，焦炭、焦粉、煤等；气烧窑，包括烧高炉煤气，焦炉煤气，电石尾气，发生炉煤气，天然气等；

     按窑形分，有竖窑、回转窑、套筒窑、西德维马斯特窑、麦尔兹窑（瑞士）、弗卡斯窑（意大利）等。
同时又有正压操作窑和负压操作窑之分。

    不同形式的石灰窑，它的结构形式和煅烧形式有所区别，工艺流程基本相同。

二、烧石灰的基本原理和热工工艺

     以用无烟煤在立窑中煅烧石灰石为例来讨论石灰石煅烧过程中的化学反应。石灰石煅烧时，主要是碳酸钙的分解反应和碳的燃烧反应，其次是碳酸镁的分解反应和氧化钙的结瘤反应。

（一）碳酸钙的分解

1．碳酸钙分解反应的特点

碳酸钙分解反应的化学方程式为: 

     CaCO3(s)△CaO(s)+CO2(g)-179.6KJ       (1)

该反应具有如下几个特点：

（1）是多相反应（有气固两相）；

（2）是可逆反应；

（3）是吸热反应。

2．碳酸钙分解反应的热力学

     从碳酸钙的分解反应的化学方程式可知其平衡常数为：Kp=Pco2

     由式上可知碳酸钙分解反应的平衡常数等于该反应达到化学平衡时CO2 压力。由于平衡常数是温度的函数，所以在一定的的温度下，碳酸钙分解反应达到化学平衡时CO2的压力为一定值，称为该温度下碳酸钙的平衡压力。碳酸钙在不同温度下的平衡压力可由热力学数据进行理论计算获得。部分结果列于表1中。
表1碳酸钙在不同温度下的理论平衡压力

在0.1013MPa的空气中，CO2的分压为：

Pco2=0.03%×0.1013(Mpa)=0.3039×10-4(MPa)。 (2)

    温度为530℃时，碳酸钙的理论平衡压力为0.3039×10-4MPa。所以理论上在0.1013MPa的空气中，当温度高于530℃，碳酸钙分解出来的CO2的压力就大于空气中CO2的分压，这样分解出来的CO2就会不断地向空气中扩散，从而导致碳酸钙的不断分解。因此，530℃就是碳酸钙在0.1013MPa空气中开始分解的温度。当温度为898℃时，碳酸钙的理论平衡压力为0.1013MPa,所以称898℃为0.1013MPa下的分解温度，简称分解温度。在530～898℃范围内，碳酸钙的分解速度很慢。当温度达到898℃时，碳酸钙分解出来的CO2的压力为0.1013MPa,等于周围空气的总压力，这时就会产生“沸腾”现象，从而导致碳酸钙的剧烈分解。

     实际上，在898℃时，碳酸钙的分解速度仍然很慢，这是由于碳酸钙表面分解生成的氧化钙的热阻使分解面上的温度达不到898℃，所以碳酸钙并不会产生“沸腾”现象，发生剧烈分解。要使碳酸钙发生剧烈分解，温度必须超过898℃。

3．碳酸钙的分解反应的动力学

      碳酸钙的分解速度可用分解反应面（简称分解面，即已生成的氧化钙与未分解的碳酸钙之间的分界面）向内部移动的速度（R）来表示，该速度与碳酸钙的粒度无关，而只随煅烧温度的高低而变化。该速度与煅烧温度（t）的关系为：

lnR=0.003145t-3.3085   (3)            

   式中R-----分解面移动速度，cm/h; 

 t-----煅烧温度，℃。 

     由上式可知，煅烧温度越高，则速度越快，对一定粒度的碳酸钙，煅烧时间也越短。虽然该速度与碳酸钙的粒度无关，但碳酸钙的煅烧时间却与碳酸钙粒度有关，因为煅烧时间是分解面从从碳酸钙外表移动到碳酸钙中心所需的时间，显然碳酸钙的粒度不同，所需要的煅烧时间也不同。 

     石灰石的煅烧时间可用下式计算：   

        (4)

 式中r----煅烧时间，h 
      R----石灰石的初始半径，m; 
     q----分解1m3CaCO3和加热CaO使其中心温度在到煅烧温度所需要的热量，KJ； 
     tS----块体表面温度，℃； 
     tI---分解面温度，℃； 
     λ---CaO的热导率，W/（m.℃）; 
     f----形状系数，见表2；
   α----气体向物料的传热系数（a对a辐），W/(m2.℃)。
表2 形状系数f

（二）、碳酸镁的分解

    由于石灰石中碳酸镁的含量很低，所以碳酸镁的分解反应是石灰石煅烧过程中的次要化学反应。碳酸镁分解反应的化学方程式为：

MgCO3(S)△MgO(s)+CO2-121KJ       (5)        

    该反应也是多相可逆吸热反应。碳酸镁在0.1013Mpa下的分解温度为640℃。由于产生的CO2量少，而且得到的MgO很不活泼，所以碳酸镁的分解反应对石灰石的煅烧过和影响不大。

三、石灰的质量和数量消耗

     工业用石灰对石灰石的质量要求主要有两个方面：一是要求含碳酸钙成分含量高，。二是它的结构晶粒要小，因为晶粒小的石灰石晶间不严实，且在含有有机物的情况下，有机物燃烧形成的多孔状，二氧化碳容易扩散，便于煅烧。三是杂质少，特别有害成分少如二氧化硅，氧化镁、氧化铝、氧化铁、硫和磷等。在石灰石中若有1%这些成分，生石灰中就是18%。 

     不同行业，不同用途又有不同的标准。如电石行业它特别强调活性度即软烧灰，炼铁行业它又强调的是强度，所以要硬烧灰，炼钢则又要 软烧灰。因此它的指标也是不一样的，活性石灰标准一般要求氧化钙含量要达到97%以上，生过烧率小于10%，活性度要在300ml以上。

     按理论计算烧1吨石灰需1.78吨石灰石，煅烧时生、过烧的高低与石灰石质量有一定关系。

四、碳的燃烧 

     由于碳是无烟煤的主要成分，所以无烟煤的燃烧可近似看成碳的燃烧。

1．碳燃烧反应的特点

无烟煤中的碳在高温下会与空气中的氧气发生下列燃烧反应：

C+O2→CO2+395.4KJ       (5)       

2C+O2→2CO+219.2KJ        (6)        

2CO+O2→2CO2+570.6KJ        (7)    

CO2+C＝2CO-176KJ                  (8) 

     在上述4个反应中，前3个反应为多相（除第3个反应外）不可逆放热反应，第4个反应为可逆吸热反应。反应式（5）为碳的完全燃烧反应，当氧气充足时此反应为主要反应。反应式（6）为碳的不完全燃烧反应，当氧气不足时此反应为主要反应。反应式（7）为一氧化碳的氧化反应，由反应（7）、式（8）得到的一氧化碳再与氧相遇时则发生此反应。反应式（8）为二氧化碳的还原反应，当二氧化碳与赤热的碳相遇时则发生此反应。

2. 碳燃烧反应的热力学

     上述4个反应的平衡常数列于表3中。由表3可知，反应式（5）、式（6）、式（7）可以看成是非功过可逆的放热反应，由反应（8）的平衡常数在石灰石的煅烧温度下为一般值，所以反应式（8）为可逆吸热反应。

     根据表3的平衡常数可以计算出平衡组成，总压为0.1013MPa时碳与空气中的氧气反应的平衡组成列于表4中

表3  碳与氧气反应的平衡常数

表4   总压0.1013Mpa时碳与空气中的氧气反应的平衡组成（体积百分数）

      由表4可知，随着温度的升高，二氧化碳的平衡含量减少，一氧化碳的平衡含量增加。当温度高于900℃时，二氧化碳的平衡含量很少，而一氧化碳的平衡含量却很高，从而一氧化碳成了碳与氧反应的主要产物。但实际碳燃烧时这种情况只有在氧气不足时才会发生，因为当氧气充足时由反应式（6），式（8）得到的一氧化碳会与氧继续反应生成二氧化碳，所以氧气充足时碳燃烧得到的气体中一氧化碳是少量的。

3．碳燃烧反应的热动力学 

     由于碳的燃烧反应属于气固相多相反应，所以碳燃烧反应的总速度，不仅受碳与氧气的化学反应速度（已消除扩散的影响）的影响，而且还受氧气向碳表面扩散速度的影响。

反应式（3-7）的反应速度与氧的浓度成正比，既

Ro2=kco2         (9)                                    

式中：Ro2——以氧的浓度变化表示的反应速度，kmol/(m3.s);
         Co2——氧的浓度，kmol/m3;
              k----反应速度常速，s-1。 

    反应速度常数k与温度的关系满足阿累尼乌斯（S.Arrhenius）方程，即

K= k0e-Ea/RT    (10)                                             

式中：k0——频率因子，s-1;
        Ea——活化能，Kj/kmol；
        R——通用气体常数 [R=8.314KJ/(kmol.K)]
        T——热力学温度,K。 

      温度较低(775℃以下)时,K值较小,化学反应速度比扩散速度小,碳燃烧反应的总速度受化学反应速度的控制;温度很高(90℃以上)时,K值很大,化学化应速度比扩散速度大,碳燃烧反应的总速度受扩散速度的控制;温度介于上述两者之间时,K值较大,化学反应速度与扩散速度相当,对碳燃烧反应的总速度很有影响.由于碳的燃烧反应在高温下进行,所以碳燃烧反应的总速度受扩散速度的控制.氧气向碳表面的扩散速度为：

    (11)

式中：Cdm=（Cdi –Cdb）/ln(Cdi/Cdb);
          No2——氧气向碳表面的扩散速度， kmol/s；
          D——氧气在气相中的扩散系统，m2/s；
          ZG——气膜厚度，m；
          C——气相总浓度，kmol/m3；
       Cdm——惰性气体在碳表面和气相主体中浓度的对数平均值，kmol/m3；
       Cdi，Cdb ——分别为碳表面和气相主体中惰性气体的浓度，kmol/m3；
       A——气固相接触面积，m2 
Ci ，Cb 分别为碳表面和气相主体中氧气的浓度，kmol/m3；
       KG——气膜传质系数，m/s。

由式（11）可知，减小气膜厚度，增加气固相接触面积，提高气相主体中氧气的浓度都可以加大扩散速度，从而加大碳燃烧反应的总速度。减小无烟煤的粒径，可以增加气固相接触面积。提高空气的流速则既可以减小气膜的厚度又可以提高气相主体中氧气的浓度，所以提高空气的流速是加速碳燃烧反应最有效的办法。 

 反应式（6），式（7）与反应式（5）的反应速度相差不大。反应式（8）的饿反应速度大致与二氧化碳的浓度成正比，即：

Rco2 =kCco2       (12)                            

式中：Rco2——以二氧化碳的浓度变化表示的反应速度，kmol/（m3.s）；
         Cco2——二氧化碳的浓度，kmol/m3；
        k——反映速度常数，s-1.
    K与温度的关系也满足式（10）的阿累尼乌斯（S.Arrhenius）方程。 

     反应式（3-10）比反应式（3-7）的反应速度常数要小得多，所以反应式（3-10）比反应式（5）的反应速度要慢得多。即使在2000下，反应式（8）的反应速度也是受化学反应速度控制（不受扩散速度影响）。

4．碳的实际燃烧过程 

     根据碳燃烧反应的热力学和动力学可知，在实际碳的燃烧中，当氧气充足时，碳与氧气首先进行碳的完全燃烧反应，既反应式（5），然后产物二氧化碳与上部赤热的碳进行二氧化碳的还原反应，既反应式（8），然后产物一氧化碳又与氧气进行一氧化碳的碳化反应，既反应式（7）。由于反应式（8）比反应式（7）的反应速度要慢的多，所以由反应式（8）生成的一氧化碳会立即与氧气反应生成二氧化碳，并且当上部碳的温度下降时，反应式（8）的反应速度已大大减小，而反应式（7）的反应速度仍然很大。因此，氧气充足时碳燃烧得到的气体中的一氧化碳是少量的。当氧气不足时，碳与氧气首先也进行碳的完全燃烧反应，既反应式（3-7），然后产物二氧化碳也与上部赤热的碳进行二氧化碳的还原反应，既反应式（8），但由于氧气不足，由反应式（8）得到的一氧化碳不再与氧气反应，而且碳与氧气再进行的是碳的不完全燃烧反应，既反应式（8），因此，氧气不足时碳燃烧得到的气体中的一氧化碳是可观的。

五、立窑煅烧石灰石时区段的划分

     用无烟煤在立窑中煅烧石灰石时，空气由窑底中央风道和周围风道送入窑内，风压高低视立窑的有效高度及石灰石和无烟煤的粒度而定。风量大小视生产能力而定,由石灰石煅烧得到的石灰,借助窑底出料机的转动卸出。出料温度应维持在60~80℃。从窑顶出来的废气,进入除尘器，废气的温度应维持在120~150℃。

    根据窑内物料和气体所经历的物理，化学程度的不同，可以沿窑的高度自上而下将窑分为3个区：预热区，煅烧区和冷却区。
1．预热区

     预热区位于窑的上部，约占窑的有效高度的1/3左右。在该区中物料（石灰石和无烟煤）自上而下从常温升高到约900℃，从而下一区（燃烧区）上升的气体（窑气）则自下而上从约900℃降低到约120℃。物料在从常温升高到约900℃的过程中物料中的水分（游离水和结晶水）被完全蒸发掉，石灰石中的碳酸镁已全部分解，石灰石中的碳酸钙的表面也开始分解，煤中所有有机物质和部分矿物质已分解，所以在该区中物料所经历的主要过程是干燥和预热。而气体在从约900℃降低到约120℃的过程中，所经历的主要过程是增湿和冷却。
如果预热区的高度不够（煅烧区上移），那么不仅物料得不到充分得预热和干燥，而且会使气体（窑气）的温度过高。

2．煅烧区 

     煅烧区位于窑的中部，约占窑的有效高度的1/6。在该区中物料（石灰石和无烟煤）自上而下先从约900℃升高到约1200℃，然后又从约1200℃降低到约900℃（但石灰石的分解面温度维持在约900℃），并且石灰
石变成石灰，无烟煤变成煤渣；从下一区（冷却区）上升的气体（空气）自下而上也是先从约900℃升高到约1200℃，然后又从约1200℃降低到900℃，并且空气变成窑气。在该区中主要是物料（无烟煤）中的碳与气体中的氧气进行燃烧反应以及物料（石灰石）中的碳酸钙进行分解反应。 

     如果煅烧区的高度不够，那么碳酸钙的分解反应就不能充分进行，造成“生烧”；反之如果煅烧区的高度过高，那么在碳酸钙的分解反应充分进行之后，石灰会进一步烧结，造成“过烧”。

3．冷却区

     冷却区位与窑的下部约占窑的有效高度的1/2左右。在该区中物料（石灰与煤渣）自上而下约900℃降低到60℃，而气体（空气）则自下而上从常温升高到约900℃。物料在从约900℃降低到60℃的过程中，煤渣中剩余的碳不再燃烧，石灰石中剩余的碳酸钙也不再分解，所以再该区中物料所经历的主要过程是冷却。而气体（空气）在从常温升高到约900℃的过程中，气体所经历的主要过程则是预热。 

      如果冷却区的高度不够（煅烧区下移），不仅气体（空气）得不到充分的预热而且会使物料的温度过高。
各个区段的位置和高度并不是恒定的，因为物料（石灰石和无烟煤）的形状，粒度和配比以及气体（空气）的流量，都会使各区段的位置和高度发生变化。而且各区段的界限也难以准确的划分，因为形状和粒度不均匀的物料会使区段的界限模糊。
预热区和冷却区都是热交换区，预热区中气体（窑气）温度高，将热量传递给温度低的物料（石灰石和无烟煤）。冷却区中物料（石灰和煤渣）温度高，将热量传递给温度低的气体（空气）。这样就可以达到高的热效率。如果预热区和冷却区的高度足够高，而且窑体的保温层足够厚，热效率可以达到80%以上。

石灰石的煅烧过程可分为下列4个步骤：

(1)开始分解前的热胀

石灰石从常温升高到约900℃时，其体积会因受热而有所膨胀。

(2)碳酸钙的分解　

当石灰石表面的温度达到或超过碳酸钙的分解温度898℃时，石灰石中的碳酸钙就开始分解，所需分解时间取决与石灰石的粒度和煅烧区的温度。分解期间，分解面由石灰石的表面向内部移动，生成的石灰附着于尚未分解的石灰石上，生成的CO2 从石灰石中逸出。分解反应结束后，石灰的体积于开始分解前石灰石的体积相差很小，由于分解时有44%的CO2从石灰石中逸出，因此分解反应结束后的石灰是高度疏松的固体。

(3)石灰的烧结

分解反应结束后，如果生成的石灰还在煅烧区，则石灰中的CaO晶体就会继续长大，石灰的体积就会缩小，从而使石灰烧结。

(4)石灰的冷缩 

 石灰从约900℃降到60℃时，其体积会因受冷而有所收缩。石灰烧结后，其活性度会显著降低。所以应尽量避免石灰的烧结。
空气由窑底中央风道和周围风道送入窑内，风压高低视立窑的有效高度及石灰石和无烟煤的粒度而定。对有效高度为15~20m的立窑,一般进立窑的风压(表压)约为5~6kPa。风量大小视生产能力而定,由石灰石煅烧得到的石灰,借助窑底圆锥出料机的转动,经刮板及星形出料机卸出。出料温度应维持在60~80℃。从窑顶出来的废气,进入除尘器，废气的温度应维持在120~150℃。

六、水泥机立窑改成石灰窑的技术措施

     水泥机立窑与石灰窑比，有许多相同之处，但由于所采用的原、燃料不同及对产品的要求不同，因而其煅烧工艺（主要包括加料、卸料方式和送风方式）及原有窑体结构要求等均有较大差别。下面以Φ3.0m水泥机立窑改成石灰窑为例分别进行讨论。

1、上料设备

     水泥机立窑的上料设备为提升机，它仅能输送粉状或粒状物料，不能输送烧制石灰的粒度为30mm～80mm的块状物料，要进行改造。

     最常用的上料设备是料车提升机，具有结构简单、运行可靠占地面积小和上料操作可联锁自动化等优点。料车提升机是由提升架、电动换向卷扬机、沿特制固定轨道运行的料车、钢丝绳和导向轮等部分组成。

2、回转装料布料器

     石灰窑布料很关键，因为它必须把燃料和石灰石同时装入窑内，通过布料实现炉料在窑内的合理分布，消除炉壁效应，均衡炉内阻力，力求整个炉截面“上火”均匀一致。所以布料器形式和使用效果对石灰窑的生产效率有很大影响。
回转装料布料器是由受料斗、双层料钟、中间容器、下部料斗和固定在转动轴上的分配流槽组成。接管用来排出中间容器的窑气，以便在CO2回收时防止往窑气中吸入空气。上部料钟的提升是当料车提升机的升运斗向下运动时通过差动滑轮组来完成，下部料钟的放下是在升运斗向上运动时通过差动滑轮组来完成，当用平衡铊提升下部料钟时，分配流槽用棘轮机构进行转动，棘轮机构同差动滑轮组连接在一起。

3、卸料机

     塔式机立窑底部为一由调速传动装置驱动的偏心塔篦，上面均布通风孔和破碎齿，塔篦与筒体衬板间有一定的间隙，塔篦的作用一是对熟料进行破碎，二是使破碎后的熟料通过间隙落入料封管内卸出。但成品石灰须保持一定的块度，不需破碎，故在改造中我们对塔篦进行了处理，去掉破碎齿，并适当扩大塔篦与衬板间的间隙，或更换卸料装置。

4、送风

     水泥机立窑一般采用罗茨风机送风，而石灰立窑由于料层阻力小（5~6kPa），透气性好，因此原机立窑所配罗茨风机不能使用。通常风机风量选择在4000m3/h～5000m3/h之间，风压在5kPa～6kPa之间的离心通风机即可。

5、窑体

     水泥机立窑窑体具有较完备的耐火、耐磨和保温设施。无论是自然通风还是机械通风，通风性能均较为优越，且窑罩密闭程度较好，收尘设施齐全，完全具备强化煅烧石灰的各项条件。但水泥机立窑长径比仅为3～4，较同直径的直筒式长径比为5～6的机械化石灰窑小，且水泥机立窑上有1.5m左右的喇叭口，边风容易过盛，窑壁效应有所增加，如操作不当，则会造成窑产量低、热耗较高的现象。建议将Φ3.0m立窑加高到15米。

6、结论

（1）综合利用已闲置的水泥机立窑烧制优质石灰是可行的。只要对其稍加改造即可使其在自然通风或机械通风状态下烧制石灰。

（2）针对水泥机立窑的特点，烧制石灰必须实行中火慢速煅烧。尤其是在加料和出料操作上要采取重点压边，逼风趋中，出料尽可能保持连续、均匀，切实稳定窑的热工制度，保持窑的正常煅烧，实现优质高产低消耗。