康彥萍

(太鋼礦業(yè)分公司東山石灰石礦,太原 030003)

太鋼東山礦是太鋼唯一的優(yōu)質(zhì)冶金石灰及冶金輔料生產(chǎn)基地,年產(chǎn)冶金石灰120萬噸,主要向太鋼提供普通冶金石灰、燒結(jié)用石灰粉、鐵水預(yù)處理用石灰粉劑等系列。一直以來,回轉(zhuǎn)窯煅燒活性石灰,要求入窯石灰石粒徑為10 mm～40 mm,小于10 mm的礦石一般便宜外銷,沒有充分利用其價值,為有效利用資源,進(jìn)一步推動礦山后續(xù)發(fā)展動力,目前,對小于10 mm石粉篩選后將5 mm～10 mm小顆粒石灰石嘗試?yán)没剞D(zhuǎn)窯煅燒,其成功煅燒既能增加經(jīng)濟效益,又對礦山的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 國內(nèi)對于小顆粒石灰石的煅燒利用情況

國內(nèi)對于小顆粒石灰石煅燒也早有研究[1-3],煅燒爐型有流化床爐、懸浮預(yù)熱分解窯、豎窯以及回轉(zhuǎn)窯等,各有特點,見表1.

表1 國內(nèi)煅燒小顆粒石灰石的爐型及特點
Tab.1 Furnace types and characteristics of calcining small limestone

爐型原料適宜粒度描述 流化床爐10 mm以下順流的工藝布置(物流與熱流很難實現(xiàn)逆流,順流的工藝設(shè)置對成品的冷卻及成品本身熱量的回收較困難,此外,出爐高溫?zé)釓U氣所含熱量回收也需要重點考慮)優(yōu)點:投資少,施工難度低,操作維護(hù)簡單,環(huán)保清潔 懸浮預(yù)熱分解窯0.5～3 mm斗提送入旋風(fēng)預(yù)熱器,后進(jìn)入分解爐,分解爐內(nèi)煅燒后進(jìn)入旋風(fēng)筒,旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)分解后進(jìn)入反應(yīng)釜(生燒石灰可在此繼續(xù)分解),優(yōu)點:熱耗小,分解效率高 機械豎窯18～40 mm降低料面、薄加和勤加料,降低煤比和調(diào)整風(fēng)機風(fēng)量質(zhì)量有波動,窯體利用系數(shù)低 氣燒矩形豎窯20～40 mm料堆孔隙小、風(fēng)阻大、透氣性差 回轉(zhuǎn)窯5～20 mm目前有將5～20 mm小顆粒石灰石與20～40 mm石灰石一同在回轉(zhuǎn)窯中煅燒的情況,窯尾溫度控制在1 050±20度,窯速1.2-1.35轉(zhuǎn)/分,噴煤量200 kg/t

通過表1中對于各種窯爐煅燒情況的描述,基本可判斷最適宜我礦小顆粒石灰石煅燒的爐型為回轉(zhuǎn)窯。

2 東山礦小顆粒石灰石理化特性分析

太鋼東山礦年產(chǎn)小于10 mm全部用于外銷的石粉約41萬噸,經(jīng)過篩分后能得到近15萬噸的5 mm～10 mm可利用小顆粒石灰石,表2是對小顆粒石灰石主要化學(xué)成分指標(biāo)的分析,表3為小顆粒石灰石的礦相組成及晶體大小。

表2 試樣主要化學(xué)成分
Tab.2 The main chemical compositions of the sample

成分CaOMgOSiO2S 含量%53.880.721.240.019

表3 試樣礦相組成及晶體大小
Tab.3 The mineral phase compositions and crystal sizes of the sample

方解石鐵質(zhì)泥質(zhì) 含量%晶體大小mm含量%晶體大小mm含量%晶體大小mm 85<0.004<10.01～0.051<0.005

通過上表可知,我礦小顆粒石灰石CaO含量較高,礦相主要為方解石,且屬于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu),煅燒時有一個新相生成長大的過程,適當(dāng)細(xì)的晶粒度有利于生成較多的新相晶核,使煅燒出來的活性石灰晶粒較細(xì)、活性度較高,因此,東山礦小顆粒石灰石適合于煅燒活性石灰[4]。

3 石灰石分解動力學(xué)熱力學(xué)機理

CaCO3=CaO+CO2

石灰石的煅燒過程是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程[5],其內(nèi)部分解反應(yīng)分為5個步驟,如圖1所示,即:通過顆粒邊界層,由周圍介質(zhì)傳進(jìn)分解所需熱量;熱量繼續(xù)以傳導(dǎo)方式在顆粒分界層(由表面?zhèn)髦练纸饷?向內(nèi)傳導(dǎo);顆粒內(nèi)層的分解反應(yīng);分解出的CO2通過CaO層向外擴散;顆粒表面的CO2向氣流的擴散。這5個分步驟實質(zhì)上是由顆粒的傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和CO2的擴散3部分組成?？梢酝茢嗍沂念w粒大小和煅燒時間對傳熱傳質(zhì)和CO2的擴散有很大影響。

圖1 石灰石分解反應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of limestone decomposition reaction

4 馬弗爐煅燒試驗

將小顆粒石灰石利用馬弗爐進(jìn)行煅燒試驗[6],試驗主要分兩部分:

第一部分,將一定量的小顆粒石灰石試樣放入設(shè)定好溫度的馬弗爐中進(jìn)行煅燒,主要考察煅燒溫度和煅燒時間對成品活性度的影響。

第二部分:將一定量的小顆粒石灰石試樣與10 mm～40 mm的石灰石試樣放入室溫的馬弗爐中開始升溫煅燒,主要對比小顆粒石灰石與10 mm～40 mm石灰石的升溫曲線。

表4、表5分別是第一部分、第二部分的試驗結(jié)果,圖2是兩種粒徑石灰石升溫曲線圖。

表4 物料在不同溫度下放入馬弗爐中煅燒1 h、2 h、3 h、4 h
Tab.4 The material in a muffle furnace at different temperatures when calcining for 1 h,2 h,3 h,4 h

煅燒溫度/℃煅燒時間/min活性度/mL 9501000105060290 120310 180325 240330 60310120345 180360 240340 60315120345 180350 240325

將馬弗爐升到預(yù)定溫度,按預(yù)定的煅燒時間煅燒。煅燒結(jié)束后從爐內(nèi)取出試樣讓其自然冷卻然后進(jìn)行活性度測定,結(jié)果如上表。試驗結(jié)果表明:

(1) 太鋼東山礦5 mm～10 mm小顆粒石灰石煅燒出的石灰活性度較高,均在290 mL以上。

(2) 在較低溫度下,隨著煅燒時間的增加,產(chǎn)品的活性度有增加的趨勢,在較高溫度下,產(chǎn)品活性度隨煅燒時間的增加活性度先增加,繼續(xù)增加時活性度反而下降。

(3) 在本試驗條件下,試樣在1 000 ℃～1 050 ℃煅燒溫度下煅燒2 h～3 h,產(chǎn)品的活性度最高,為345 mL～360 mL.

表5 試樣在室溫下放入馬弗爐中,1 000 ℃ 保溫2 h
Tabl.5 the sample in a muffle furnace at room temperature when keeping at 1000℃for 2 h

溫度(℃)252003004005006007008009001000 小顆粒石灰石升溫時間0405586117149210268440490 10～40 mm試樣升溫時間0224474140189259314359414

圖2 兩種粒徑石灰石升溫曲線圖Fig.2 Limestone heating curve of two different particle sizes

將兩類試樣放入馬弗爐中從室溫開始煅燒,在達(dá)到1 000 ℃時保溫2 h,試驗過程中記錄升到同一溫度所用時間。試驗結(jié)果見表5。從圖2來看,試樣在煅燒前期(室溫～400 ℃)兩種石灰石樣品升溫時間幾乎相近,煅燒中期(500 ℃～800 ℃)小顆粒石灰石升溫時間相對稍快,到煅燒后期達(dá)到分解溫度時(900 ℃～1 000 ℃)小顆粒石灰石明顯煅燒緩慢,究其原因,在分解溫度前兩種粒度的石灰石升溫速率相近,而達(dá)到分解溫度后,由于小顆粒石灰石粒度小,在窯內(nèi)堆積空隙較小阻礙了生成產(chǎn)物CO2的逸出從而導(dǎo)致反應(yīng)向右進(jìn)行的進(jìn)程變慢,據(jù)此分析,當(dāng)用回轉(zhuǎn)窯煅燒小顆粒石灰石時其煅燒時間應(yīng)相對10 mm～40 mm石灰石煅燒稍長,窯速相對稍小一些。圖3是試驗前后物料的對比圖。

圖3 煅燒前后物料對比Fig.3 Comparison of materials before and after calcining

馬弗爐試驗結(jié)果對回轉(zhuǎn)窯批量試驗具有一定的指導(dǎo)意義,但由于物料粒徑較小,實際回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中可能還會存在一些可以預(yù)見的問題:

(1)小顆粒物料由于粒徑較小,煅燒過程中可能會造成預(yù)熱器懸料,進(jìn)而對除塵造成較大的壓力。

(2)小顆粒物料煅燒時可能會增加窯皮量,對窯況造成一定的影響。

因此,在批量試驗時還需要嚴(yán)格注意以下幾點:

(1)觀察預(yù)熱器阻力變化情況,注意因阻力增加導(dǎo)致的風(fēng)機振動;

(2)觀察窯內(nèi)結(jié)皮情況,并認(rèn)真填寫記錄;

(3)根據(jù)冷卻器阻力、出料溫度和火焰燃燒狀況,適當(dāng)調(diào)整二次風(fēng)量;

(4)觀察窯內(nèi)物料運動情況,保持物料有效的運動狀態(tài),并分析填充率和窯轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)東山礦小顆粒石灰石CaO含量較高,礦相主要為方解石,且屬于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu),適宜煅燒高活性石灰。

(2)在馬弗爐中,試樣在1 000 ℃～1 050 ℃煅燒溫度下煅燒2 h～3 h,產(chǎn)品的活性度最高,為345 mL～360 mL.

(3)與10 mm～40 mm石灰石煅燒相比,小顆粒石灰石在達(dá)到分解溫度后可能需要更長的時間來完成分解過程。

(4)目前東山礦每年可煅燒的小顆粒石灰石約有15萬噸,這些小顆粒石灰石原來便宜外銷,煅燒成活性石灰后附加值提高,如果能利用現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行批量煅燒不僅能大大提高其附加值,還使得礦產(chǎn)資源得到了更合理的利用,對東山礦的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,因此,下一步還需對回轉(zhuǎn)窯批量試驗的參數(shù)和試驗中存在的問題進(jìn)行完善優(yōu)化。