諶 昀，王日昕，伍永福，黃飛霏

（1.江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330029；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

麥爾茲窯是以天然氣、煤氣、燃油以及煤粉為燃料，能夠?qū)⑹沂?、菱鎂礦和白云石等礦物質(zhì)進(jìn)行煅燒的輕燒窯，其主要特點(diǎn)為節(jié)約能源和流體蓄熱。麥爾茲窯的主要原理是在煅燒膛初期，被物料加熱的助燃空氣和燃料充分混合燃燒，達(dá)到高活性煅燒需要的理想溫度，隨著物料的下移和燃燒的逐漸結(jié)束，物料吸收的熱量逐漸減少，燃料燃燒后的產(chǎn)物和物料分解出的CO2經(jīng)過連接通道進(jìn)入蓄熱膛，體現(xiàn)了并流蓄熱的特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的石灰窯生產(chǎn)的石灰石產(chǎn)量較高比較適合高品質(zhì)煉鋼的需要，自動(dòng)化程度較高，具有煅燒產(chǎn)品質(zhì)量好、燃料廣泛且能耗低、節(jié)能環(huán)保、操作維護(hù)方便、施工周期短以及調(diào)試成功率高等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。通過優(yōu)化麥爾茲石灰窯的工藝，保障其有效的生產(chǎn)能力，提高石灰窯的整體質(zhì)量和性能參數(shù)，并且保障了設(shè)備的正常運(yùn)行。本文通過對窯的直徑和高度、料層的阻力、窯墻材料的選擇等幾個(gè)方面對窯體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 條件設(shè)定

1.1 原料

表1 石灰石質(zhì)量性能指標(biāo)表（%）

注：石灰窯用石灰石40mm～80mm，其中大于80mm和小于40mm的總量不大于5%。石灰石表面清潔干凈、不帶泥沙，其結(jié)構(gòu)為致密細(xì)晶粒，非爆裂，成分均勻且穩(wěn)定。

1.2 燃料

表2 燃料性能指標(biāo)表

2 窯體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩個(gè)雙室石灰窯室（煅燒和蓄熱）是交替進(jìn)行的，即一個(gè)窯筒煅燒和另一個(gè)窯筒蓄熱。12分鐘后（隨時(shí)可調(diào)），它開始改變方向，兩個(gè)熔爐的功能切換。

在正常生產(chǎn)條件下，窯內(nèi)壓力始終高于未煅燒的窯內(nèi)壓力，以保證氣體正常流入窯內(nèi)。助燃空氣在壓差的作用下從爐膛頂部進(jìn)入并向下流動(dòng)。在預(yù)熱區(qū)，助燃空氣在被熱石灰石預(yù)熱的同時(shí)，向下流動(dòng)（在爐膛干燥期間，石灰石的預(yù)熱溫度比熱廢氣高），在石灰石到達(dá)煅燒帶時(shí)，與此處均勻布置的噴槍輸送的氣體充分混合，由于此處的石灰石的溫度較高，在空氣和氣體的混合物與熾熱的石灰石接觸時(shí)，其會立即燃燒，因此，空氣和氣體的燃燒產(chǎn)物與石灰石一起向下流動(dòng)，這一過程被稱為“競爭流”，其并流可使燃燒火焰直接與生石灰石接觸，石灰石發(fā)生鈣化，熱交換效率高，到達(dá)煅燒區(qū)末端時(shí)，燃燒氣體的溫度相對較低，這可以保證石灰石可以在均勻的光照燃燒狀態(tài)下鈣化。

煅燒后產(chǎn)生的石灰進(jìn)入冷卻區(qū)，與窯底供給的石灰冷卻風(fēng)接觸換熱，使石灰的溫度降至60℃～80℃。石灰和石灰冷卻空氣完成熱交換后，溫度升高，熱量積聚并上升至連接通道，該通道與燃燒廢氣混合并進(jìn)入爐膛2。

在B爐室內(nèi)，廢氣自下而上，經(jīng)過煅燒區(qū)，到達(dá)預(yù)熱區(qū)。

在預(yù)熱區(qū)，新加入的石灰石相當(dāng)于一個(gè)大型熱交換器，廢氣與石灰石接觸進(jìn)行熱交換，余熱被釋放到石灰石中，溫度降至大約150℃～180℃，從爐頂排出。吸收廢氣余熱后，石灰石的溫度升高，熱量積聚，等待從烘箱的頂部供應(yīng)的燃燒空氣的下一個(gè)預(yù)熱循環(huán)（之前將熱量吸收到石灰中，然后釋放熱量的過程稱為“蓄熱”）。12分鐘的鈣化循環(huán)已經(jīng)完成。

在煅燒循環(huán)之后，切換開始，并且切換時(shí)間約為40秒到60秒。

在切換過程中，應(yīng)進(jìn)行以下操作：

（1）將燃燒空氣轉(zhuǎn)移至另一個(gè)爐膛；

（2）將氣體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)爐膛；

（3）從窯底排出活性石灰。

反之，空氣和氣體的燃燒進(jìn)入爐膛B；燃燒氣體從爐膛頂部排放到燃燒室；石灰石從a室頂部充入，然后開始第二個(gè)鈣化循環(huán)。

兩個(gè)雙室石灰窯室的作用（煅燒和蓄熱）是交替進(jìn)行的，即一個(gè)窯煅燒，另一個(gè)窯蓄熱。12分鐘后（時(shí)間可調(diào)），開始轉(zhuǎn)向，兩臺爐的功能切換[3]。

3 窯墻材料的確定

查閱表3的相關(guān)數(shù)據(jù)，窯墻材料從內(nèi)到外依次選用10mm陶瓷纖維毯，15mm陶瓷纖維毯，20mm陶瓷纖維毯，25mm陶瓷纖維毯，60mm陶瓷纖維板，6mm陶瓷纖維板，87mm陶瓷纖維板，50mm硅鈣板，75mm硅鈣板，60mmLF10輕質(zhì)粘土磚，124mmLF10輕質(zhì)粘土磚，64mmLF6輕質(zhì)粘土磚。

表3 材料性質(zhì)表

4 窯的直徑和高度確定

4.1 窯的有效容積

式中：V有效——窯的有效容積（m3）

D內(nèi)——窯的內(nèi)徑（m）

H有效——窯的有效高度（m）

4.2 窯的產(chǎn)量

式中：G——窯的產(chǎn)量(t/d)

V有效——窯的有效容積（m3）

A——窯的單位容積產(chǎn)量（t/m3.d）

4.3 窯的內(nèi)徑和有效高度的確定

根據(jù)窯的內(nèi)徑和選定的長徑比H/D內(nèi)，確定出窯的有效高度。窯的長徑比H有效/D內(nèi)，按以下情況選?。鹤匀煌L(fēng)立窯H有效/D內(nèi)=(3～4):1；機(jī)械通風(fēng)立窯H有效/D內(nèi)=(5～6):1。因此，窯的有效高度即為：對于自然通風(fēng)立窯H有效=(3～4)·D內(nèi)；對于機(jī)械通風(fēng)立窯H有效=(5～6)·D內(nèi)。

4.4 內(nèi)徑和高度的確定

根據(jù)下圖可知：內(nèi)徑D=4mH；有效=20m；V0=0.24米/秒；雙膛窯產(chǎn)量為600t/d；一個(gè)石灰窯產(chǎn)量300t/d。由上述數(shù)據(jù)可得：

日產(chǎn)600t需要的燃料量=600000×0.1406=84360kg

4.5 窯的有效換熱面積

窯的有效內(nèi)徑D=4m；

窯的有效高度H=20m；

窯的有效換熱面積=πD×H=251.33㎡。

5 料層的阻力計(jì)算

立窯料層的阻力損失數(shù)值取決于煅燒物料燃料的粒度及其波動(dòng)范圍，氣體流速，喂料方法，料塊于窯內(nèi)的燒成，粉化或破碎狀況，以及在相應(yīng)的溫度下氣體的粘度等。

石灰立窯料層的阻力損失通過測定實(shí)際生產(chǎn)立窯的數(shù)據(jù)求得：

式中：P0：按有效（通風(fēng)）料柱高度計(jì)的單位壓力損失，毫米水柱/米；

P1：窯低風(fēng)壓，毫米水柱。為測定方便，一般可取為送風(fēng)管的風(fēng)壓；

P2：窯頂料面以上空間風(fēng)壓，毫米水柱；

h：窯內(nèi)有效料柱高度（從料柱的送風(fēng)點(diǎn)算起到料面的高度），米。

單位容積產(chǎn)量=1.19

原料粒度≈60

根據(jù)圖1可知：

圖1 石灰立窯中的單位壓力損失ΔP（毫米水柱/米）與氣體流速（米/秒）和粒度的關(guān)系（其粒度比為2；1）

窯底風(fēng)壓P1=400

頂壓P2=40

有效料柱高h(yuǎn)=17.5

阻力損失P0=20.57

空氣管道管徑的計(jì)算。

石灰窯送風(fēng)管道的直徑按下式計(jì)算：

式中：d內(nèi)——風(fēng)管內(nèi)徑，單位為m

V空——管道內(nèi)的空氣流量，單位為m3/h

W——管道內(nèi)的空氣流速，單位為m/s。

空氣流速W，一般計(jì)算時(shí)取10～12m/s。這里取W=10米/秒。

理論空氣量為8.381002625m3/kg；窯的生產(chǎn)時(shí)間為20h/d；一個(gè)窯每日生產(chǎn)300t，因此，需要的空氣流量為300000×8.381002625÷20=125，715.039375m3/h。

由上式可知：

6 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)600t/d雙膛并流蓄熱式混料式石灰窯的原始設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合本文機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，可對麥爾茲石灰窯工藝技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：

（1）窯墻材料從內(nèi)到外依次選用10mm陶瓷纖維毯，15mm陶瓷纖維毯，20mm陶瓷纖維毯，25mm陶瓷纖維毯，60mm陶瓷纖維板，6mm陶瓷纖維板，87mm陶瓷纖維板，50mm硅鈣板，75mm硅鈣板，60mmLF10輕質(zhì)粘土磚，124mmLF10輕質(zhì)粘土磚，64mmLF6輕質(zhì)粘土磚。

（2）冷卻段的高度為5.480m，預(yù)熱帶的高度為4.740m，煅燒帶的高度為1.88m，煅燒筒的高度為6.95m，環(huán)形通道的高度為3.5m。