趙春竹 范哲銘 陳 釗 李強(qiáng)生

(1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，2.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司)

石灰煅燒設(shè)備一般包括豎窯和回轉(zhuǎn)窯兩類。目前，國(guó)內(nèi)外冶金活性石灰煅燒設(shè)備基本均采用回轉(zhuǎn)窯?；剞D(zhuǎn)窯生產(chǎn)石灰，可使用粒度較小的石灰石(粒徑5 mm以上)作為原料，從而提高原料適用范圍和利用率；煅燒生產(chǎn)的石灰質(zhì)量好、純度高、活性好，活度一般可以達(dá)350～400 mL(50 g石灰、4NHCL、10 min)；還具有機(jī)械化程度高，易于控制，勞動(dòng)條件好，產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于冶金工業(yè)。

文章通過對(duì)某鋼廠Φ4.2 m×50 m冶金石灰生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行熱平衡測(cè)試，定量分析石灰回轉(zhuǎn)窯熱量利用現(xiàn)狀，確定其熱效率及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，為進(jìn)一步提高石灰回轉(zhuǎn)窯的熱工操作、生產(chǎn)及能源利用提供依據(jù)和參考。

1 回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝

在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中，首先將適當(dāng)粒度的石灰石裝入預(yù)熱器，在預(yù)熱器內(nèi)被來自回轉(zhuǎn)窯窯尾1 000 ℃左右的煙氣預(yù)熱，此時(shí)少量石灰石被分解；預(yù)熱后的石灰石經(jīng)溜槽從窯尾(高端)加入，燃料從窯頭(低端)噴出燃燒，煙氣由窯尾排出；物料加入回轉(zhuǎn)窯后，隨旋轉(zhuǎn)傾斜窯體在窯內(nèi)沿周向翻滾的同時(shí)沿軸向向窯頭(低端)移動(dòng)，物料在移動(dòng)過程中，與燃燒高溫?zé)煔饽媪鲹Q熱，被加熱到1 200～1 250 ℃繼續(xù)分解，直到煅燒完全；煅燒生成約950 ℃的成品石灰從窯頭排出進(jìn)入冷卻器，經(jīng)冷卻器底部鼓入的冷風(fēng)冷卻后排出。

某鋼廠冶金石灰回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝及熱平衡測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某鋼廠冶金回轉(zhuǎn)窯熱工測(cè)試系統(tǒng)

2 熱平衡測(cè)試方案及測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 計(jì)算基準(zhǔn)

溫度基準(zhǔn)：0 ℃；

大氣壓基準(zhǔn)：101 325 Pa。

2.2 測(cè)試方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，劃定熱平衡測(cè)試范圍如圖1虛線方框所示，測(cè)點(diǎn)位置、主要測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試儀器見表1。

表1 主要測(cè)試項(xiàng)目及儀器

2.3 主要測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)煤氣成分及參數(shù)

該回轉(zhuǎn)窯同時(shí)采用焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣作為燃料噴入回轉(zhuǎn)窯，兩種煤氣成分及參數(shù)見表2。

表2 煤氣成分及參數(shù) %

(2)原料及產(chǎn)品成分分析

石灰石及石灰產(chǎn)品比重分別為1 500和1 000 kg/m3，成分分析見表3。

表3 石灰石和石灰成分 %

(3)物料溫度

進(jìn)行了6次測(cè)溫，時(shí)間分別為9：00、10：00、11：00、13：30、14：30、15：30，計(jì)算得到物料在預(yù)熱器出口、回轉(zhuǎn)窯出口、冷卻器出口的平均溫度為593.83、929.33和234.73 ℃。

(4)預(yù)熱器出口排煙溫度及成分

預(yù)熱器出口排煙溫度及成分見表4。

表4 預(yù)熱器出口排煙溫度及成分

(5)回轉(zhuǎn)窯表面溫度

采用紅外熱像儀對(duì)回轉(zhuǎn)窯表面進(jìn)行測(cè)試，除窯輥附近窯體表面溫度略高于250 ℃，窯體絕大部分表面溫度在280 ℃以上，平均溫度為284.18 ℃。

(6)環(huán)境參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算，回轉(zhuǎn)窯熱平衡測(cè)試期間現(xiàn)場(chǎng)平均環(huán)境溫度37.07 ℃，濕度36.67%，風(fēng)速0.43 m/s，大氣壓力9 92.14 Pa。

3 物料平衡與能量平衡

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，參照《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計(jì)算方法》、《炭素制品生產(chǎn)爐窯—回轉(zhuǎn)窯熱平衡測(cè)定和計(jì)算方法》、《加熱爐熱工測(cè)定》等熱工測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法，得到該回轉(zhuǎn)窯物料平衡表和能量平衡表見表5、表6。

表5 物料平衡表

表6 能量平衡表

4 熱平衡測(cè)試分析

(1)計(jì)算誤差

經(jīng)測(cè)試計(jì)算，物料平衡、能量平衡計(jì)算誤差分別為-4.08%、-1.21%，均小于±5%，符合計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)成料比

根據(jù)物料平衡表，該回轉(zhuǎn)窯熟料與生料的成料比為1∶2.26。

(3)熱效率

根據(jù)能量平衡表，回轉(zhuǎn)窯熱效率為67.82%，熱效率較高。這主要是由于原料石灰石經(jīng)煙氣預(yù)熱后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，降低了系統(tǒng)排煙氣熱損失；同時(shí)二次風(fēng)經(jīng)冷卻器吸收成品顯熱后作為助燃風(fēng)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，降低了出料顯熱損失。

(4)系統(tǒng)表面散熱

根據(jù)能量平衡表，系統(tǒng)表面散熱占14.1%，主要原因?yàn)榛剞D(zhuǎn)窯表面溫度較高，大部分超過280 ℃，散熱損失大。可采取適當(dāng)保溫措施，如選取保溫性能更好的輕質(zhì)耐火材料作為窯體砌筑材料，經(jīng)測(cè)算，若能使回轉(zhuǎn)窯表面溫度降低30 ℃，則系統(tǒng)表面散熱可減少2.31%，系統(tǒng)熱效率提高1.78%；還可加裝表面散熱回收裝置，對(duì)回轉(zhuǎn)窯表面散熱進(jìn)行回收利用[1]。

(5)熟料帶出熱

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，冷卻器熟料出料溫度為234.17 ℃，熟料帶出顯熱占4.36%，還存在較大的節(jié)能空間，若能使出料溫度降低100 ℃，則系統(tǒng)熱效率可提高1.21%。

(6)空氣系數(shù)與漏風(fēng)[2]

根據(jù)燃料消耗量和燃料成分計(jì)算理論空氣消耗量為14 848.3 m3/h，一、二次風(fēng)實(shí)際供入量為15 774.28 m3/h，空氣系數(shù)為1.06，與理論空燃比基本相符。預(yù)熱器出口煙氣含氧量為7.1%，計(jì)算出系統(tǒng)空氣系數(shù)為1.51，表明系統(tǒng)存在較為嚴(yán)重的漏風(fēng)。分析現(xiàn)場(chǎng)情況，主要為預(yù)熱器漏風(fēng)，煙氣熱量被漏風(fēng)帶走，降低了預(yù)熱器預(yù)熱效率，同時(shí)使排煙、除塵系統(tǒng)承擔(dān)更大的額外負(fù)荷。應(yīng)進(jìn)行密封改造，減少漏風(fēng)，增強(qiáng)換熱，降低排煙熱損失，提高系統(tǒng)熱效率。

5 結(jié)論

(1)系統(tǒng)排煙熱損失最大，占14.92%。預(yù)熱器漏風(fēng)較為嚴(yán)重，導(dǎo)致排煙熱損失增加，應(yīng)增強(qiáng)系統(tǒng)密閉性以提高系統(tǒng)熱效率；同時(shí)，降低排煙溫度也是提高系統(tǒng)熱效率的主要手段，如可采取調(diào)整回轉(zhuǎn)窯操作制度以增強(qiáng)窯內(nèi)換熱，增加煙氣在預(yù)熱器停留時(shí)間，對(duì)低溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行進(jìn)一步回收等措施。

(2)表面散熱損失位居其次，占14.1%。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯，可采用隔熱性能更好的耐火材料，以及加裝窯體表面散熱回收裝置等；對(duì)于預(yù)熱器、冷卻器等，可采取加裝外保溫等措施，減少散熱損失。

(3)因熟料出料溫度較高，帶走的顯熱損失也較高，占比為4.36%。應(yīng)對(duì)冷卻器進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整或改造，降低出料溫度，提高系統(tǒng)熱效率。

(4)因回轉(zhuǎn)窯熱工參數(shù)較為復(fù)雜，影響因素多，建議對(duì)回轉(zhuǎn)窯操作制度進(jìn)行綜合性全面診斷、優(yōu)化與調(diào)整，將更多的變量引入連鎖控制中，提高煅燒工藝自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制。