石灰消化溫升速率的影響因素試驗(yàn)分析
生石灰在消化過程中的凝聚作用有利于制粒，提高小球的成球率和強(qiáng)度，從而提高燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)和產(chǎn)量，下面是小編搜集整理的一篇探究石灰消化溫升速率影響因素的論文范文，歡迎閱讀查看。
前言
生石灰發(fā)生消化反應(yīng)的生成物Ca(OH)2在燒結(jié)料中起粘結(jié)作用，增加混合料的成球性，且提高了混合料成球后的強(qiáng)度，改善了燒結(jié)料的粒度組成，提高了料層的透氣性[1].由于消石灰粒度極細(xì)，消化后的比表面積將比消化前增大約100倍，因此消化后能與混合料中的其他成分更好地接觸，固液相反應(yīng)將會更快，不僅加速了燒結(jié)過程，防止了游離CaO的存在，而且還可均勻地分布于燒結(jié)料中，對燒結(jié)過程的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有利影響[2].粒度細(xì)小的Ca(OH)2顆粒比粒度較粗的石灰石顆粒更容易生成低熔點(diǎn)的化合物，液相流動性好，凝結(jié)成塊，從而會降低燃料的用量[3].
生石灰遇水發(fā)生消化反應(yīng)放熱，在燒結(jié)生產(chǎn)過程中作為燒結(jié)熔劑，能提高料溫，減少燃料消耗，降低過濕層厚度，能顯著改善料層透氣性。而且，生石灰在消化過程中的凝聚作用有利于制粒，提高小球的成球率和強(qiáng)度，從而提高燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)和產(chǎn)量。另外，生石灰中高活性的CaO可使燒結(jié)液相中的鐵酸鈣組分增加，促使燒結(jié)礦中的w(FeO)降低。
基于在燒結(jié)過程中配加高活性石灰能夠強(qiáng)化燒結(jié)，提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量[4-5],為了使制備的石灰活性達(dá)到最大，以提高燒結(jié)礦質(zhì)量，故而對生石灰活性進(jìn)行了研究。測定CaO的活性，即測定CaO在消化過程中溫升的速率，是表征生石灰水化反應(yīng)速度的1個(gè)重要指標(biāo)[6].這是因?yàn)�，溫度升高的速率和幅度與生石灰的活性有著不可分割的關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)溫升越高則消化時(shí)間越短，說明石灰活性越高;當(dāng)生石灰反應(yīng)完全時(shí)，溫升速率為零[7].溫升速率即表觀消化轉(zhuǎn)化速率是通過消化過程中溶液的總升溫(ΔT)和消化時(shí)間(Δt)的比值來表示。表觀消化轉(zhuǎn)化速率越快，從一定程度上就說明石灰的消化速率越快[8].
本文通過對重慶鋼鐵股份有限公司使用的2種生石灰的基礎(chǔ)特性進(jìn)行分析，根據(jù)重鋼生產(chǎn)實(shí)踐，采用重鋼所用污泥水對石灰消化，并對影響生石灰消化溫升速率的污泥溫度、污泥石灰比、生石灰粒徑、攪拌速度四因素進(jìn)行正交試驗(yàn)、單因素試驗(yàn)，研究出各因素對石灰消化溫升速率的影響大小，制定最優(yōu)化的消化參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。
1試驗(yàn)材料與方法
1.1原料的化學(xué)成分及粒度分析本文所用的石灰樣品全部來自重鋼生產(chǎn)現(xiàn)場，有煬琨焰和大寶坡2個(gè)品種，并對石灰樣品分別進(jìn)行了化學(xué)成分分析和粒度分析，其結(jié)果分別如表1、圖1所示。
由表1及圖1可知，大寶坡生石灰中CaO含量與粒徑分布均好于煬琨焰生石灰，其中大寶坡生石灰w(CaO)高于煬琨焰中w(CaO)的3.18%,且其S含量也小于煬琨焰生石灰。大寶坡生石灰小于3mm粒徑的.比例為91.03%,高于煬琨焰(84.38%)。這將有利于其充分消化，減少燒結(jié)礦中白點(diǎn)的產(chǎn)生。
1.2試驗(yàn)方法
試驗(yàn)裝置是參照美國材料試驗(yàn)協(xié)會制定的ASTMc100標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)裝置主要由絕熱反應(yīng)器、熱電阻、可變速電動攪拌器、85-2數(shù)顯溫度儀。
試驗(yàn)開始前，先設(shè)定試驗(yàn)原料相關(guān)參數(shù)，向絕熱反應(yīng)器中倒入一定量的去離子水，開動攪拌器，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，然后使用加熱裝置將水溫加熱到所需要的值，待溫度恒定后，用裝料杯將剛稱量完的生石灰一次性倒入絕熱反應(yīng)器內(nèi)，立刻裝上密封蓋，每隔10s記錄1次反應(yīng)器內(nèi)的溫度，直到達(dá)到最高溫度，并且3次無變化時(shí)結(jié)束消化。總消化時(shí)間(t)為第1次出現(xiàn)最高溫度的時(shí)間，總溫升為該點(diǎn)的溫度與消化水溫度的差值，溫升速率則為總溫升與消化時(shí)間(t)的比值[9].
1.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
四因素分別為污泥溫度、石灰粒度、攪拌強(qiáng)度、泥灰比，因素水平表見表2,針對表2中的因素水平進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)，如表3所示。
石灰消化速率的影響因素主要有消化水溫度、生石灰粒度、攪拌強(qiáng)度、消化水和石灰質(zhì)量比等。針對重鋼燒結(jié)廠實(shí)際情況，采用重鋼所用的污泥水代替試驗(yàn)中所用的去離子水來消化試驗(yàn)所用的生石灰，攪拌強(qiáng)度的調(diào)整由攪拌器轉(zhuǎn)速來調(diào)整。為研究出各個(gè)因素對石灰消化的影響，設(shè)計(jì)了4因素4水平正交試驗(yàn)，其中試驗(yàn)的衡量指標(biāo)為石灰的表觀消化轉(zhuǎn)化速率。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1大寶坡石灰樣數(shù)據(jù)分析
對大寶坡石灰按照正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，各組試驗(yàn)溫升速率結(jié)果如圖2所示，表4為大寶坡石灰正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果。
對圖2及表4運(yùn)用直觀分析法可知，各個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響順序?yàn)椋何勰鄿囟却笥谀嗷冶却笥谑伊６却笥跀嚢鑿?qiáng)度。最優(yōu)方案為污泥溫度60℃，石灰粒度小于0.5mm,轉(zhuǎn)速300r/min,泥灰比為1.5∶1.0時(shí)，大寶坡石灰樣的表觀消化轉(zhuǎn)化速率最快，也就是消化最完全。
2.2煬琨焰石灰樣數(shù)據(jù)分析
對大寶坡石灰按照正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行試驗(yàn)，各組試驗(yàn)溫升速率結(jié)果如圖3所示，表5為煬琨焰石灰正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果。
對圖3及表5運(yùn)用直觀分析法可知，各個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響順序?yàn)椋耗嗷冶却笥谖勰鄿囟却笥跀嚢鑿?qiáng)度大于石灰粒度。最優(yōu)方案為污泥溫度60℃，石灰粒度0.5~1.0mm,轉(zhuǎn)速300r/min,泥灰比為1.5∶1.0時(shí)，煬琨焰石灰樣的表觀消化轉(zhuǎn)化速率最快，消化最完全。
通過大寶坡石灰樣和煬琨焰石灰樣的正交試驗(yàn)結(jié)果可知：污泥溫度和泥灰比對石灰表觀消化轉(zhuǎn)化速率的影響比石灰粒度和攪拌強(qiáng)度顯著。提高污泥溫度，選擇適當(dāng)?shù)哪嗷冶�，可以大幅提高石灰消化率，石灰粒度的大小對提高石灰消化率有一定影響，攪拌�?qiáng)度對石灰消化速率影響有限。
2.3單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析
為了研究出各因素對石灰消化具體的影響，針對正交試驗(yàn)結(jié)果，分別對污泥溫度、生石灰粒度、泥灰比3種因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方案見表6.分別測定各單因素水平下大寶坡與煬琨焰兩產(chǎn)地生石灰的溫升速率，見圖4至圖6.
由圖4可以看出，隨著消化污泥溫度的提升，2種生石灰溫升速率即表觀消化速率均增大，并且溫度越高，溫升速率提高幅度越大。原因是污泥溫度越高，使得各反應(yīng)物離子之間傳質(zhì)加快，并且反應(yīng)放出大量熱量使溶液溫度迅速升高，又促進(jìn)了物相之間的傳質(zhì)，促進(jìn)了消化反應(yīng)的進(jìn)行。由于大寶坡石灰CaO含量高于煬琨焰石灰，粒徑小于3mm的比例高出煬琨焰石灰的6.65%,消化過程中放熱量更大，使得其溫升速率及上升趨勢均大于煬琨焰石灰。
由圖5可知，隨著生石灰粒級的增大，表觀消化轉(zhuǎn)化率呈降低趨勢，其中大寶坡石灰、煬琨焰石灰分別降低至0.248,0.035℃/s,這是因?yàn)槭伊皆叫�，與水反應(yīng)的表面積越大，使反應(yīng)原料和反應(yīng)產(chǎn)物Ca2+和OH-的擴(kuò)散加快[10],使得反應(yīng)速率加快，有利于消化反應(yīng)進(jìn)行。
從圖6可以看出，泥灰比從1.0∶1.0增加到4.0∶1.0時(shí)，大寶坡石灰與煬琨焰石灰溫升速率分別從0.505,0.229℃/s減小到0.144,0.027℃/s.這是由于隨著灰泥比增加，污泥的量增加，石灰乳的流動性比低泥灰比時(shí)有了明顯提高，導(dǎo)致消化溫度降低，從而導(dǎo)致消化速度放緩[11].但是當(dāng)泥灰比過小時(shí)，所得的氫氧化鈣產(chǎn)物較粘稠，流動性很差，阻礙了水分子在液-固界面的擴(kuò)散傳質(zhì)，甚至使消化反應(yīng)中途停止[12].而且對于實(shí)際消化裝置來說，容易造成設(shè)備和管道的阻塞，和安全隱患，這些都不利于消化裝置的正常和安全運(yùn)行，從而加重設(shè)備和操作兩方面的費(fèi)用[13].所以綜合考慮，石灰消化過程控制泥灰比為1.5∶1.0.
2.4石灰優(yōu)化組合比較分析
為了更好指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，在正交試驗(yàn)及單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將試驗(yàn)所得出的優(yōu)化組合與重慶鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)現(xiàn)場的組合進(jìn)行對比分析，其結(jié)果如表7所示。
由表7可知，在我們優(yōu)化方案的基礎(chǔ)之上，大寶坡石灰溫升速率由生產(chǎn)現(xiàn)場對比組的0.163℃/s增加到0.433℃/s,提高了2.67倍。煬琨焰石灰樣溫升轉(zhuǎn)化速率由0.109℃/s增加到0.409℃/s,提高了3.75倍。由此可見石灰優(yōu)化試驗(yàn)對影響因素的選取和水平確定較為合理，石灰溫升速率提升比較明顯，對重鋼石灰消化參數(shù)的選取具有指導(dǎo)意義。
3結(jié)語
以重鋼現(xiàn)場所使用的2種石灰為基礎(chǔ)，通過4因素4水平正交試驗(yàn)，分析了影響石灰消化速率的各因素，得到以下結(jié)論。
1)通過大寶坡和煬琨焰的石灰樣的正交試驗(yàn)，分析得知污泥溫度和泥灰比對石灰表觀消化轉(zhuǎn)化速率的影響比石灰粒度和攪拌強(qiáng)度顯著。在提高污泥溫度，選擇適當(dāng)?shù)哪嗷冶�，可大幅提高石灰消化率，石灰粒度的大小對提高石灰消化率是有影響的，攪拌�?qiáng)度對石灰消化速率影響有限。
2)大寶坡石灰各個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響順序?yàn)椋何勰鄿囟却笥谀嗷冶却笥谑伊６却笥跀嚢鑿?qiáng)度，其中最優(yōu)方案為污泥溫度60℃，石灰粒度小于0.5mm,轉(zhuǎn)速300r/min,泥灰比1.5∶1.0時(shí)為石灰消化的最優(yōu)條件;而煬琨焰石灰樣的各個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響順序?yàn)椋耗嗷冶却笥谖勰鄿囟却笥跀嚢鑿?qiáng)度大于石灰粒度，最優(yōu)方案為污泥溫度60℃，石灰粒度0.5~1.0mm,轉(zhuǎn)速300r/min,泥灰比1.5∶1.0時(shí)為石灰消化最優(yōu)條件，表觀消化轉(zhuǎn)化速率最快，消化最為完全。
3)隨著消化污泥溫度的提升，溫升速率提高幅度較大，并且溫度越高，溫升速率提高幅度越大;隨著粒級的增大，溫升速率逐漸降低;隨著泥灰比的增加，表觀消化速率有降低的趨勢。
4)通過優(yōu)化試驗(yàn)組與生產(chǎn)現(xiàn)場消化數(shù)據(jù)對比看出，大寶坡石灰表觀消化轉(zhuǎn)化速率比對照組提高了2.67倍，煬琨焰石灰樣表觀消化轉(zhuǎn)化速率提高了3.75倍。
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