陳海，張世紅，楊海平，李攀，王賢華，陳漢平

（1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；2.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

研究與開發(fā)

石灰石流態(tài)化煅燒探索研究*

陳海1，2，張世紅1，楊海平1，李攀1，王賢華1，陳漢平1

（1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；2.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

摘要：為了高效回收利用廢棄石灰石資源，對粒徑為0.5～1 mm的石灰石進(jìn)行了靜態(tài)煅燒和流態(tài)化煅燒實(shí)驗(yàn)，比較了其產(chǎn)物活性度的差別，探索流態(tài)化煅燒制備高活性度石灰的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流態(tài)化煅燒過程中煅燒時(shí)間、煅燒溫度對產(chǎn)物活性都有影響。隨著溫度的升高，得到最佳產(chǎn)物活性的煅燒時(shí)間會(huì)縮短，在此時(shí)間之后，繼續(xù)煅燒產(chǎn)物活性會(huì)下降；相比靜態(tài)煅燒，流態(tài)化煅燒不僅提高了石灰石分解的速率，也提高了產(chǎn)物燒結(jié)的速率，大幅度縮短了煅燒時(shí)間，同時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)得到高活性的石灰。在本實(shí)驗(yàn)中，石灰石在1 050℃下流化煅燒3 min，得到的產(chǎn)物活性度為338 mL；流態(tài)化煅燒過程中，煅燒溫度越高，產(chǎn)物活性度對煅燒時(shí)間的變化越敏感。

關(guān)鍵詞：石灰石；流態(tài)化煅燒；活性度

在現(xiàn)代工業(yè)中，石灰石資源作為原料在很多行業(yè)都有著舉足輕重的作用。水泥和鋼鐵兩大產(chǎn)業(yè)，每年要消耗大量的石灰石資源，然而，石灰石具有不可再生的特性，建材行業(yè)“十一五”規(guī)劃指出中國現(xiàn)有的石灰石儲(chǔ)量只能維持26 a。在石灰石開采環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生各種粒徑在25 mm以下的廢碴［1］；在石灰生產(chǎn)過程中，各種窯型對粒徑在10 mm以下的石灰石都無法有效利用［2］，這部分石灰石最終只能被廢棄或者外銷給建筑公司作鋪路石，附加值低且浪費(fèi)資源。饒發(fā)明等［3］對武鋼烏龍泉礦5～20 mm小顆粒石灰石進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)，得出在1 050～1 100℃煅燒120 min能獲得活性度為345～350 mL的活性石灰。薛正良等［4］研究發(fā)現(xiàn)，12～15 mm石灰石顆粒在1 300～1 400℃煅燒7 min，石灰活性度大于335 mL，且石灰活性度隨煅燒溫度升高而升高；當(dāng)煅燒超過12 min后，石灰開始過燒，活性度明顯下降；增大石灰石試樣顆粒尺寸，石灰的活性度降低。樂可襄等［5］通過對粒徑為10～20 mm的烏龍泉礦優(yōu)質(zhì)石灰石進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)，研究了煅燒溫度和時(shí)間對石灰活性的影響。然而，這些研究都是在靜態(tài)條件下對石灰石進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)，鑒于此，筆者利用流化床臺架，對石灰石進(jìn)行流態(tài)化煅燒實(shí)驗(yàn)，測定其產(chǎn)物活性度，并且與靜態(tài)煅燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比，探索流態(tài)化煅燒制備高活性度石灰的可行性。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1石灰石的成分

本實(shí)驗(yàn)選用湖北武穴石灰石，該石灰石的化學(xué)成分見表1。

表1　石灰石樣品化學(xué)成分分析%

1.2流化煅燒實(shí)驗(yàn)方法

流化煅燒實(shí)驗(yàn)臺架示意圖如圖1所示。將一組用螺紋連接的套管放入電爐中加熱，由空氣壓縮機(jī)提供流化風(fēng)，氣流會(huì)通過內(nèi)外管之間的夾縫流入內(nèi)管，在內(nèi)管下端用細(xì)密鐵絲網(wǎng)做成布風(fēng)裝置，同時(shí)保證內(nèi)管中的物料不會(huì)漏出。這樣，在風(fēng)量增大到一定程度時(shí)就可以使內(nèi)管中的石灰石流化，然后通過電爐加熱就可以實(shí)現(xiàn)流化煅燒。裝置內(nèi)管內(nèi)徑只有15 mm，所以選用粒徑較小的石灰石（0.5～1 mm），料層高度為150 mm。在熱態(tài)條件下，經(jīng)過觀察測定，當(dāng)風(fēng)量為1 m3/h時(shí)，石灰石可以均勻流化。

實(shí)驗(yàn)過程中，首先在流化風(fēng)的條件下加熱套管，用熱電偶測定管內(nèi)溫度，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度后，取出熱電偶，然后加入石灰石樣品，開始計(jì)時(shí)，流化煅燒相應(yīng)的時(shí)間后，取出內(nèi)管，在空氣中冷卻到室溫，取出煅燒產(chǎn)物；接著，在靜態(tài)條件下做相同工況的煅燒實(shí)驗(yàn)；最后測定流化煅燒產(chǎn)物和靜態(tài)煅燒產(chǎn)物活性度，比較兩種煅燒方式的差別。

1.3石灰活性度測定方法

根據(jù)YB/T 105—2005《冶金石灰物理檢驗(yàn)方法》測定石灰的活性度。其具體步驟如下：準(zhǔn)確稱取粒度為1～5 mm的石灰50.0 g，加入2 000～3 000 mL的水中水化，同時(shí)用4 mol/L的鹽酸將石灰水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2中和。從加入石灰試樣開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，始終要在一定攪拌速度下進(jìn)行，并須隨時(shí)保持水化中和過程中的等量點(diǎn)。準(zhǔn)確記錄恰好10 min時(shí)鹽酸的消耗量。以10 min消耗鹽酸的毫升數(shù)表示石灰的活性度［6］。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2給出了950℃石灰石靜態(tài)及流化煅燒的產(chǎn)物活性度。由圖2可知，隨著煅燒時(shí)間的增加，靜態(tài)條件下產(chǎn)物活性度會(huì)逐漸升高，這是因?yàn)樵摐囟认率沂纸饩徛?，隨著時(shí)間增加，石灰石分解率增加，生成的CaO增加，使得活性度升高；而流化條件下，產(chǎn)物活性度很快達(dá)到了高活性，在30 min時(shí)產(chǎn)物活性度就達(dá)到358 mL，這可以說明石灰石在流化煅燒條件下分解速率要比靜態(tài)煅燒快，這是由于流化加強(qiáng)了擾動(dòng)［7］，可以保證石灰石均勻受熱，同時(shí)分解產(chǎn)生的CO2也可以及時(shí)排出。

圖2　950℃石灰石煅燒產(chǎn)物活性度隨煅燒時(shí)間變化關(guān)系

圖3給出了1 000℃石灰石靜態(tài)及流化煅燒的產(chǎn)物活性度。與圖2相比可以發(fā)現(xiàn)，溫度升高使得獲取產(chǎn)物最佳活性度的煅燒時(shí)間縮短。在20 min時(shí)，流化煅燒產(chǎn)物活性度為375 mL，靜態(tài)煅燒產(chǎn)物活性度為341 mL，之后繼續(xù)煅燒，產(chǎn)物活性度都會(huì)下降，這是因?yàn)楫?dāng)石灰石完全分解后，隨著煅燒時(shí)間的繼續(xù)增加，生成的CaO晶粒會(huì)發(fā)生重結(jié)晶，晶粒與晶粒之間會(huì)融合，形成大晶粒，很難與鹽酸反應(yīng)，因而活性度會(huì)下降［8-9］。與此同時(shí)，從活性度下降的這段曲線可以看出，流化煅燒產(chǎn)物的活性度下降得更迅速，這可以反映出流態(tài)化煅燒不僅能夠在短時(shí)間內(nèi)使產(chǎn)物達(dá)到高活性，而且當(dāng)煅燒時(shí)間超過該時(shí)間后，繼續(xù)煅燒，產(chǎn)物活性度也會(huì)下降得很快，即流態(tài)化煅燒同時(shí)加快了石灰石分解和產(chǎn)物的燒結(jié)。因此，在流態(tài)化煅燒過程中，對時(shí)間的控制要求非常嚴(yán)格。

圖3　1000℃石灰石煅燒產(chǎn)物活性度隨煅燒時(shí)間的變化關(guān)系

圖4給出了1 050℃石灰石靜態(tài)及流化煅燒的產(chǎn)物活性度。由圖4可知，該溫度條件下更能反映出流化煅燒優(yōu)于靜態(tài)煅燒。15 min之內(nèi)隨著時(shí)間的增加靜態(tài)煅燒產(chǎn)物活性度升高，而對于流化煅燒產(chǎn)物，在3 min時(shí)就達(dá)到了最佳活性度338 mL，這說明采用流化煅燒可以大幅度縮短石灰石煅燒時(shí)間。另外，從流化煅燒產(chǎn)物1～5 min的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物活性度的波動(dòng)很大，這可以反映出在流態(tài)化煅燒過程中，溫度越高，產(chǎn)物活性度對煅燒時(shí)間的變化越敏感。

圖4　1050℃石灰石煅燒產(chǎn)物活性度隨煅燒時(shí)間的變化關(guān)系

綜上可得，煅燒溫度和煅燒時(shí)間對流態(tài)化煅燒產(chǎn)物活性度都有影響。隨著煅燒時(shí)間的增長，產(chǎn)物活性度先增加后降低；溫度越高，得到高活性產(chǎn)物所需的時(shí)間越短。相比靜態(tài)煅燒，流化煅燒條件下石灰石分解速率有較大的提升，能夠在很短時(shí)間內(nèi)得到高活性的產(chǎn)物。

3　結(jié)論

1）與靜態(tài)煅燒類似，流態(tài)化煅燒過程中煅燒時(shí)間、煅燒溫度對產(chǎn)物活性度都有影響。隨著溫度的升高，得到最佳產(chǎn)物活性度的煅燒時(shí)間會(huì)縮短，在此時(shí)間之后，繼續(xù)煅燒產(chǎn)物活性度會(huì)下降。2）相比靜態(tài)煅燒，流態(tài)化煅燒不僅提高了石灰石分解的速率，也提高了產(chǎn)物燒結(jié)的速率，這樣，大幅度縮短了煅燒時(shí)間，同時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)得到高活性的石灰。在本實(shí)驗(yàn)中，石灰石在1 050℃下流化煅燒3 min，得到的產(chǎn)物活性度為338 mL。3）流態(tài)化煅燒過程中，煅燒溫度越高，產(chǎn)物活性度對煅燒時(shí)間的變化越敏感。

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聯(lián)系方式：chenhai0009@foxmail.com

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CN，103274374

中圖分類號：TQ132.32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）10-0008-03

收稿日期：2013-04-14

作者簡介：陳海（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭沂撵褵匦?，已發(fā)表文章3篇。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體（51021065）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃）（2010CB227003）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAD15B05-03）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目（2011YQ120039）。

Exploratory study on fluidized calcination of limestone

Chen Hai1，2，Zhang Shihong1，Yang Haiping1，Li Pan1，Wang Xianhua1，Chen Hanping1
（State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，W uhan 430074，China）

Abstract：In order to recycle the abandoned limestone resources efficiently，the static-and-fluidized-calcination experiments on the limestone，of which the particle size was at 0.5～1 mm，were conducted.Activities of their products were compared，and the feasibility of preparing the lime with high activity through fluidized calcination was explored.Experimental results showed that the calcination time and temperature both made influence on the product activity in the process of the fluidized calcination.With the temperature increased，the time to obtain the product of the best activity would be shortened，later，with the continuous calcination，the product′s activity would fall.Compared with static calcination，fluidized calcination could not only enhance the decomposition rate of the limestone，but also increased the sintering rate of the product.Meanwhile，fluidized calcination could significantly shorten the calcination time and could get the lime with high activity in a short time. In these experiments，it was found that the activity of the product was 338 mL，with the fluidized calcination of the limestone for 3 min at 1 050℃.During the fluidized calcination experiment，with the higher calcination temperature，the activity of the product was more sensitive to the change of the calcination time.

Key words：limestone；fluidized calcination；activity