于宏林, 于宏朋

(1.大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 211112； 2.南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

先進(jìn)高活性石灰窯技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用*

于宏林1, 于宏朋2

(1.大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 211112； 2.南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

通過對照權(quán)威的產(chǎn)業(yè)資料、煅燒原理，介紹并對比了回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯三種先進(jìn)高活性石灰窯的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合國內(nèi)最新投產(chǎn)的工程實(shí)例，闡述了三種石灰窯技術(shù)取得的創(chuàng)新技術(shù)，以及創(chuàng)新應(yīng)用情況。

高活性石灰； 煤混燃； 回轉(zhuǎn)窯； 氣套筒窯； 雙膛窯

引 言

石灰是鋼鐵生產(chǎn)的重要輔料，對鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，同時(shí)其生產(chǎn)過程的能耗和排放技術(shù)也是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要一環(huán)。

高活性石灰是指活性度在350 mL/4N-HCl以上，比表面積大，氣孔率高的石灰產(chǎn)品。采用高活性石灰，能夠給鋼鐵生產(chǎn)各工序帶來優(yōu)勢如下：

(1)煉鋼：脫磷率和脫硫率提高10%～60%，石灰消耗降低15%～20%，CaF2消耗降低30%，渣量減少12%，縮短冶煉時(shí)間10%。

(2)精煉：減少鋼包結(jié)渣，提高脫硫效率，延長耐材的使用周期，提高鋼水質(zhì)量。

(3)燒結(jié)：提高燒結(jié)速度，減少其它溶劑用量，增加燒結(jié)產(chǎn)量，提高燒結(jié)礦TFe品位。

先進(jìn)高活性石灰窯，是指能夠穩(wěn)定生產(chǎn)活性度在350 mL/4N-HCl以上石灰，達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的全封閉自動化石灰窯。如何判定石灰窯是否是真正意義上的先進(jìn)高活性石灰窯，需要多方面分析確定。

1 先進(jìn)高活性石灰窯判定

1.1 產(chǎn)業(yè)政策或指導(dǎo)意見

根據(jù)2014年11月中國石灰協(xié)會發(fā)布的《關(guān)于全面推進(jìn)石灰產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》要求，將國內(nèi)石灰生產(chǎn)企業(yè)按節(jié)能減排水平分類三類：其中劃入第一類石灰企業(yè)(鼓勵類)的窯型有回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯、梁式窯，只有這四類窯型被認(rèn)為工藝技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、節(jié)能減排達(dá)標(biāo)。而其他窯型，均被劃入提升類或淘汰類。

中國石灰協(xié)會2012年發(fā)布的《中國石灰窯技術(shù)發(fā)展報(bào)告》中，將回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯列入高活性先進(jìn)石灰窯型，而對梁式窯的描述為“梁式窯包括引進(jìn)窯型在內(nèi)，大多數(shù)不能達(dá)產(chǎn)，質(zhì)量也不穩(wěn)定”，“梁式窯與回轉(zhuǎn)窯、雙膛窯、套筒窯不一樣，原理上不能保證生產(chǎn)高活性的石灰”。

另一方面，裝備大型化是降低產(chǎn)品能耗，減少排放的重要手段，而目前有據(jù)可查，單窯石灰產(chǎn)量在600t/d以上的窯型，只有回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯三種。

因此，從產(chǎn)業(yè)政策和指導(dǎo)意見來看，先進(jìn)高活性石灰窯選擇范圍是以上三種窯型。

1.2 煅燒原理分析

從石灰煅燒機(jī)理來看，CaCO3分解為CaO和CO2，這一反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度895℃，且在CO2氣體氛圍中反應(yīng)持續(xù)，這一分解反應(yīng)從物料表面逐漸向內(nèi)部進(jìn)行。因?yàn)榉磻?yīng)進(jìn)行中物料表面CO2分壓較低，實(shí)際物料在820 ℃已經(jīng)開始分解反應(yīng)。但是完全反應(yīng)的CaO的熱傳導(dǎo)率大約是CaCO3的1/2，因此，實(shí)際的石灰石煅燒溫度應(yīng)比理論上高，煅燒時(shí)間應(yīng)比理論上長，通常石灰窯內(nèi)溫度為1 150～1 350 ℃。

CaCO3的分解速度對石灰生產(chǎn)有著重要意義，在正常操作的情況下，石料在石灰窯中通過時(shí)間大致是確定的，對于一定長度的煅燒帶，如果在給定的熱工條件下，CaCO3的分解速度(cm/min)與通過燒成帶時(shí)間的乘積小于CaCO3粒級尺寸，石灰就會出現(xiàn)中心部分生燒，反之就容易造成過燒。因此，要確保石灰煅燒合理充分，就必須確保石灰受熱時(shí)間足夠長，且受熱均勻。

根據(jù)窯內(nèi)高溫氣流與石灰石物料相互的流向關(guān)系，石灰的煅燒又分為逆流煅燒和并流煅燒。其煅燒過程和受熱機(jī)理分別如下：

1.2.1 并流煅燒

并流煅燒，就是石灰窯內(nèi)石灰石物流方向與熱氣流方向相同。如圖1所示，由于物料流向與氣體流向是相同的，物料較長時(shí)間均勻受熱煅燒，煅燒過程延長，因而在并流煅燒條件下生產(chǎn)出來的產(chǎn)品活性度高，生燒和過燒現(xiàn)象較少，產(chǎn)品的質(zhì)量也容易控制。

圖1 并流煅燒原理圖

1.2.2 逆流煅燒

逆流煅燒，就是在石灰窯內(nèi)石灰石的物流方向與熱氣流方向相反。從圖2中可以看出，助燃空氣和廢氣與物料的溫度曲線只有一個(gè)交點(diǎn)，燃?xì)鉁囟刃韪哂谖锪纤桁褵郎囟?00～300 ℃，在逆流煅燒過程中物料處于煅燒反應(yīng)的時(shí)間較短，熱量得不到充分利用，窯內(nèi)的熱耗大大增加。生產(chǎn)出來的產(chǎn)品活性度受到限制，且產(chǎn)品中生燒和過燒現(xiàn)象較多。

圖2 逆流煅燒原理圖

從煅燒機(jī)理上看，雙膛窯煅燒全程都是順流煅燒，理論上煅燒工藝最合理；套筒窯一部分采用逆流煅燒，一部分采用順流煅燒，也能確保煅燒工藝合理；回轉(zhuǎn)窯雖然是逆流燃燒，但因?yàn)椴捎萌涛锪戏瓭L與煙氣接觸，受熱均勻；因此實(shí)際生產(chǎn)中，以上三種窯型從煅燒原理上，都能夠保證產(chǎn)品的高活性度和穩(wěn)定性。

而除此之外的其它窯型，如梁式窯、機(jī)械立窯、中石立窯、馬氏窯等，均為全程逆流煅燒，且物料不能翻滾做到均勻受熱，從原理上看，無法確保產(chǎn)品的高活性。

綜上所述，能夠滿足高活性、先進(jìn)、大產(chǎn)量的石灰窯型，應(yīng)在回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯中進(jìn)行選擇。

2 三種窯型原理及比較

2.1 回轉(zhuǎn)窯原理

回轉(zhuǎn)窯流程如圖3所示：石灰石首先進(jìn)入窯前預(yù)熱器 ，在預(yù)熱器中石灰石被來自回轉(zhuǎn)窯窯尾的1 000～1 100 ℃的煙氣預(yù)熱到900 ℃左右,大約有10%～20%的石灰石被分解。預(yù)熱后的石灰石通過溜槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯被繼續(xù)加熱,在1 200～1 250 ℃的溫度下持續(xù)分解,直至完全煅燒。煅燒好的石灰從窯頭排出，落入窯后的冷卻器內(nèi)，從冷卻器底部鼓入的冷風(fēng)將石灰冷卻后，經(jīng)振動出灰裝置排出。

圖3 回轉(zhuǎn)窯原理圖

2.2 套筒窯原理

套筒窯流程如圖4所示：套筒窯由砌有耐火材料的窯殼和分成上、下兩段的內(nèi)套筒組成,窯殼與內(nèi)套筒同心布置,石灰石位于窯體和內(nèi)套筒之間的環(huán)形空間內(nèi)以利于氣流穿透。下內(nèi)套筒位于豎窯的下部,結(jié)構(gòu)為雙層鋼殼形成環(huán)隙,環(huán)隙內(nèi)通空氣冷卻,其內(nèi)、外側(cè)砌耐火磚襯；上內(nèi)套筒懸掛在窯頂部。上、下內(nèi)套筒各有其不同的功能,上內(nèi)套筒主要是將高溫廢氣抽出用于預(yù)熱噴射空氣，下內(nèi)套筒主要是用于產(chǎn)生循環(huán)氣流形成并流煅燒，同時(shí)起到保證氣流均勻分布的作用。套筒窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是因在一個(gè)窯身內(nèi)設(shè)置了內(nèi)套筒，從而形成了并流煅燒。

圖4 套筒窯原理圖

2.3 雙膛窯原理

雙膛窯流程如圖5所示：雙膛窯設(shè)有兩個(gè)平行的窯膛，并通過窯體下部的連接通道相連，其煅燒工藝有兩大特點(diǎn)：并流和蓄熱。所謂并流就是在石灰石煅燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物和石灰石一起并列向下流動，這樣利于煅燒出高質(zhì)量的活性石灰。所謂蓄熱就是窯膛1的燃燒產(chǎn)物——高溫廢氣通過兩窯膛下部的連接通道進(jìn)入窯膛2；窯膛2內(nèi)的高溫廢氣向上流動，將預(yù)熱帶的石灰石預(yù)熱到較高溫度，把熱量積蓄起來，同時(shí)高溫廢氣下降到一個(gè)很低的溫度后排出窯膛。這種工作原理充分地利用了廢氣余熱，保證了該種窯具有很高的熱效率。兩個(gè)窯膛的功能(煅燒和蓄熱)交替互換。即一個(gè)窯膛煅燒，另一個(gè)窯膛蓄熱，每12 min交替換向。

圖5 雙膛窯原理圖

2.4 比較分析

回轉(zhuǎn)窯、雙膛窯、套筒窯各項(xiàng)特點(diǎn)比較如表1所示，表中數(shù)據(jù)來自中國石灰協(xié)會技術(shù)報(bào)告。

三種窯型中，行業(yè)內(nèi)公認(rèn)雙膛窯能耗最低，回轉(zhuǎn)窯能耗最高；回轉(zhuǎn)窯和雙膛窯能處理小顆粒原料，產(chǎn)品活性度最高；三種窯均為全封閉環(huán)保窯型，套筒窯和回轉(zhuǎn)窯為負(fù)壓，而雙膛窯為正壓，對設(shè)備密封要求較高。

表1 三種窯型比較表

3 三種窯型的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

3.1 回轉(zhuǎn)窯取得的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

回轉(zhuǎn)窯最初由國外引進(jìn)，技術(shù)上有德國克勞斯瑪菲公司帶豎式預(yù)熱器和豎式冷卻器的回轉(zhuǎn)窯，日本三菱公司帶鏈蓖預(yù)熱機(jī)和推動蓖冷機(jī)的回轉(zhuǎn)窯，美國美卓公司帶豎式預(yù)熱器和豎式冷卻器的回轉(zhuǎn)窯三種；目前國內(nèi)800 t/d及以下回轉(zhuǎn)窯技術(shù)已經(jīng)比較成熟，能夠完全替代進(jìn)口技術(shù)，操作生產(chǎn)均比較穩(wěn)定。但國內(nèi)1 000 t/d及以上回轉(zhuǎn)窯數(shù)量仍比較少，如何能夠完全消化替代進(jìn)口技術(shù)，尤其是1 000 t/d及以上回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱器技術(shù)，將石灰熱耗降低到1 100 kcal /kg.CaO以下，仍是國產(chǎn)大型回轉(zhuǎn)窯需要創(chuàng)新的課題。

大峘集團(tuán)通過消化國外技術(shù)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全國產(chǎn)化1 000 t/d回轉(zhuǎn)窯，在寶鋼集團(tuán)湛江鋼鐵項(xiàng)目中，擊敗眾多國外競爭對手，承接了兩項(xiàng)1 000 t/d回轉(zhuǎn)窯工程；目前該項(xiàng)目已全部建成投產(chǎn)，成為國內(nèi)為數(shù)不多的、完全掌握1 000 t/d回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的供貨商，完成了大型國產(chǎn)化回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的創(chuàng)新和工程應(yīng)用，也是全國產(chǎn)化大型回轉(zhuǎn)窯首次在寶鋼集團(tuán)的成功應(yīng)用。

寶鋼集團(tuán)湛江2×1 000 t/d回轉(zhuǎn)窯工程由豎式預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、豎式冷卻器、二次風(fēng)機(jī)及其它輔助設(shè)備構(gòu)成。燃料為3 500 kcal/m3混合煤氣。其核心技術(shù)為采用十八管式豎式預(yù)熱器，利用窯尾熱煙氣使物料在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前就被預(yù)熱到900 ℃以上，實(shí)現(xiàn)20%～25%的預(yù)分解，壓損低；采用多管加料，安裝維護(hù)簡單，物料流量控制方便；各倉室單獨(dú)進(jìn)料，不易產(chǎn)生偏料現(xiàn)象。分倉加熱式結(jié)構(gòu)使得物料進(jìn)出相對獨(dú)立，熱風(fēng)循環(huán)自成一體，物料預(yù)熱更加均勻，預(yù)熱效果顯著。工作中即使個(gè)別倉室出現(xiàn)故障可單獨(dú)關(guān)閉，不影響整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 套筒窯取得的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

套筒窯最初由德國貝肯巴赫公司引進(jìn)，也稱“環(huán)形套筒窯”，隨后意大利弗卡斯公司在此技術(shù)上開發(fā)出“梁式橋”套筒窯，目前套筒窯國產(chǎn)化已經(jīng)比較成熟；但常規(guī)套筒窯對燃料要求較高，必須是熱值在1 800 kcal/m3以上的氣體燃料，而不能像回轉(zhuǎn)窯、雙膛窯一樣，能夠直接采用煤粉作為燃料，其適用性受到限制。

大峘集團(tuán)通過大量工程實(shí)踐，研制出低熱值煤氣+煤粉混燃套筒窯以及全煤粉燃燒的套筒窯技術(shù)，成為世界上首家同時(shí)掌握高爐煤氣+煤粉混燃/全煤粉燃燒套筒窯技術(shù)的供貨商，其總包承建并投產(chǎn)的唐山東海鋼鐵公司的3×600 t/d套筒窯，是世界上首座高爐煤氣+煤粉混燃/全煤粉燃燒套筒窯，開創(chuàng)了氣煤混燒套筒窯技術(shù)的創(chuàng)新和工程應(yīng)用。

唐山東海鋼鐵公司3×600 t/d套筒窯，設(shè)置了高爐煤氣燃燒/煤粉磨制噴吹燃燒雙系統(tǒng)；生產(chǎn)中既可以采用高爐煤氣燃燒，輔助增加煤粉燃燒，提高燃料熱值的模式，也可以切換到采用全煤粉燃燒的模式，給企業(yè)能源調(diào)度提供了極大方便。兩套燃燒系統(tǒng)能夠互補(bǔ)，并且相互獨(dú)立，互不干擾，并通過全氮?dú)猸h(huán)境磨制、噴煤設(shè)置，保證了系統(tǒng)的安全性。

3.3 雙膛窯取得的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

雙膛窯也稱并流蓄熱式石灰豎窯，最初由瑞士麥爾茲公司開發(fā)，后被德國伯利休斯公司收購；另外意大利西姆公司也開發(fā)類似結(jié)構(gòu)的雙膛窯。引進(jìn)的雙膛窯截面有圓形、D型、方形幾種，但相對成熟穩(wěn)定的600 t/d窯型，仍只有圓形截面窯型。傳統(tǒng)雙膛窯可采用煤粉、煤氣、氣煤混燒等燃料，但仍要求混合燃?xì)鉄嶂翟? 800 kcal/m3以上。而且由于雙膛窯懸掛缸等專利技術(shù)仍掌握在國外公司手中，造成雙膛窯投資較高，全國產(chǎn)的600 t/d雙膛窯仍有待創(chuàng)新開發(fā)。

南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司經(jīng)過大量研發(fā)，回避國外專利，開發(fā)了自有專利的全國產(chǎn)化600 t/d雙膛窯，并成功開發(fā)了可同時(shí)適應(yīng)低熱值煤氣、中熱值煤氣、高熱值煤氣的高中低熱值燃?xì)怆p膛窯。其總包承建并投產(chǎn)的廣西盛隆冶金公司8座600 t/d雙膛窯工程，既是目前已投產(chǎn)使用的、規(guī)模最大的國產(chǎn)氣燒雙膛窯工程，也是世界上首個(gè)低熱值—中熱值—高熱值燃?xì)馊m應(yīng)的雙膛窯工程。

廣西盛隆冶金公司8座600 t/d雙膛窯，可分別采用高爐煤氣(熱值800 kcal/m3)，高爐-轉(zhuǎn)爐混合煤氣(熱值1 100 kcal/m3)，高爐-焦?fàn)t混合煤氣(熱值1 800 kcal/m3)進(jìn)行生產(chǎn)。通過近3年的生產(chǎn)實(shí)踐，采用高爐煤氣、高爐-轉(zhuǎn)爐混合煤氣、高爐-焦?fàn)t混合煤氣生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量、成本無明顯差異，且該雙膛窯能夠在線靈活調(diào)節(jié)切換使用燃?xì)?，在保證產(chǎn)品高活性度情況下，提高了企業(yè)能源使用的靈活性，同時(shí)，全國產(chǎn)化的裝備也大大降低了工程的投資。

4 結(jié)束語

通過江蘇省石灰領(lǐng)域技術(shù)人員的努力，在回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、雙膛窯這三種行業(yè)鼓勵采用的先進(jìn)高活性石灰窯上，都取得了一定的創(chuàng)新和應(yīng)用成果。相信隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的提高，先進(jìn)高活性石灰窯技術(shù)一定能取得更多的創(chuàng)新和推廣。

2015-05-04

于宏林(1977—)，男，高級工程師。電話：13951689632

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