先进高活性石灰窑技术创新与应用*

2015-03-22于宏林于宏朋

现代冶金 2015年5期

关键词：石灰窑高活性回转窑

于宏林, 于宏朋

(1.大峘集团有限公司，江苏南京 211112； 2.南京净环热冶金工程有限公司，江苏南京 210016)

先进高活性石灰窑技术创新与应用*

于宏林1, 于宏朋2

(1.大峘集团有限公司，江苏南京 211112； 2.南京净环热冶金工程有限公司，江苏南京 210016)

通过对照权威的产业资料、煅烧原理，介绍并对比了回转窑、套筒窑、双膛窑三种先进高活性石灰窑的技术特点，并结合国内最新投产的工程实例，阐述了三种石灰窑技术取得的创新技术，以及创新应用情况。

高活性石灰；煤混燃；回转窑；气套筒窑；双膛窑

引言

石灰是钢铁生产的重要辅料，对钢铁产品的质量至关重要，同时其生产过程的能耗和排放技术也是钢铁行业实现节能减排的重要一环。

高活性石灰是指活性度在350 mL/4N-HCl以上，比表面积大，气孔率高的石灰产品。采用高活性石灰，能够给钢铁生产各工序带来优势如下：

(1)炼钢：脱磷率和脱硫率提高10%～60%，石灰消耗降低15%～20%，CaF2消耗降低30%，渣量减少12%，缩短冶炼时间10%。

(2)精炼：减少钢包结渣，提高脱硫效率，延长耐材的使用周期，提高钢水质量。

(3)烧结：提高烧结速度，减少其它溶剂用量，增加烧结产量，提高烧结矿TFe品位。

先进高活性石灰窑，是指能够稳定生产活性度在350 mL/4N-HCl以上石灰，达到国家环保标准的全封闭自动化石灰窑。如何判定石灰窑是否是真正意义上的先进高活性石灰窑，需要多方面分析确定。

1 先进高活性石灰窑判定

1.1 产业政策或指导意见

根据2014年11月中国石灰协会发布的《关于全面推进石灰产业健康发展的指导意见》要求，将国内石灰生产企业按节能减排水平分类三类：其中划入第一类石灰企业(鼓励类)的窑型有回转窑、套筒窑、双膛窑、梁式窑，只有这四类窑型被认为工艺技术先进、产品质量优良、节能减排达标。而其他窑型，均被划入提升类或淘汰类。

中国石灰协会2012年发布的《中国石灰窑技术发展报告》中，将回转窑、套筒窑、双膛窑列入高活性先进石灰窑型，而对梁式窑的描述为“梁式窑包括引进窑型在内，大多数不能达产，质量也不稳定”，“梁式窑与回转窑、双膛窑、套筒窑不一样，原理上不能保证生产高活性的石灰”。

另一方面，装备大型化是降低产品能耗，减少排放的重要手段，而目前有据可查，单窑石灰产量在600t/d以上的窑型，只有回转窑、套筒窑、双膛窑三种。

因此，从产业政策和指导意见来看，先进高活性石灰窑选择范围是以上三种窑型。

1.2 煅烧原理分析

从石灰煅烧机理来看，CaCO3分解为CaO和CO2，这一反应为吸热反应，反应温度895℃，且在CO2气体氛围中反应持续，这一分解反应从物料表面逐渐向内部进行。因为反应进行中物料表面CO2分压较低，实际物料在820 ℃已经开始分解反应。但是完全反应的CaO的热传导率大约是CaCO3的1/2，因此，实际的石灰石煅烧温度应比理论上高，煅烧时间应比理论上长，通常石灰窑内温度为1 150～1 350 ℃。

CaCO3的分解速度对石灰生产有着重要意义，在正常操作的情况下，石料在石灰窑中通过时间大致是确定的，对于一定长度的煅烧带，如果在给定的热工条件下，CaCO3的分解速度(cm/min)与通过烧成带时间的乘积小于CaCO3粒级尺寸，石灰就会出现中心部分生烧，反之就容易造成过烧。因此，要确保石灰煅烧合理充分，就必须确保石灰受热时间足够长，且受热均匀。

根据窑内高温气流与石灰石物料相互的流向关系，石灰的煅烧又分为逆流煅烧和并流煅烧。其煅烧过程和受热机理分别如下：

1.2.1 并流煅烧

并流煅烧，就是石灰窑内石灰石物流方向与热气流方向相同。如图1所示，由于物料流向与气体流向是相同的，物料较长时间均匀受热煅烧，煅烧过程延长，因而在并流煅烧条件下生产出来的产品活性度高，生烧和过烧现象较少，产品的质量也容易控制。

图1 并流煅烧原理图

1.2.2 逆流煅烧

逆流煅烧，就是在石灰窑内石灰石的物流方向与热气流方向相反。从图2中可以看出，助燃空气和废气与物料的温度曲线只有一个交点，燃气温度需高于物料所需煅烧温度200～300 ℃，在逆流煅烧过程中物料处于煅烧反应的时间较短，热量得不到充分利用，窑内的热耗大大增加。生产出来的产品活性度受到限制，且产品中生烧和过烧现象较多。

图2 逆流煅烧原理图

从煅烧机理上看，双膛窑煅烧全程都是顺流煅烧，理论上煅烧工艺最合理；套筒窑一部分采用逆流煅烧，一部分采用顺流煅烧，也能确保煅烧工艺合理；回转窑虽然是逆流燃烧，但因为采用全程物料翻滚与烟气接触，受热均匀；因此实际生产中，以上三种窑型从煅烧原理上，都能够保证产品的高活性度和稳定性。

而除此之外的其它窑型，如梁式窑、机械立窑、中石立窑、马氏窑等，均为全程逆流煅烧，且物料不能翻滚做到均匀受热，从原理上看，无法确保产品的高活性。

综上所述，能够满足高活性、先进、大产量的石灰窑型，应在回转窑、套筒窑、双膛窑中进行选择。

2 三种窑型原理及比较

2.1 回转窑原理

回转窑流程如图3所示：石灰石首先进入窑前预热器，在预热器中石灰石被来自回转窑窑尾的1 000～1 100 ℃的烟气预热到900 ℃左右,大约有10%～20%的石灰石被分解。预热后的石灰石通过溜槽进入回转窑被继续加热,在1 200～1 250 ℃的温度下持续分解,直至完全煅烧。煅烧好的石灰从窑头排出，落入窑后的冷却器内，从冷却器底部鼓入的冷风将石灰冷却后，经振动出灰装置排出。

图3 回转窑原理图

2.2 套筒窑原理

套筒窑流程如图4所示：套筒窑由砌有耐火材料的窑壳和分成上、下两段的内套筒组成,窑壳与内套筒同心布置,石灰石位于窑体和内套筒之间的环形空间内以利于气流穿透。下内套筒位于竖窑的下部,结构为双层钢壳形成环隙,环隙内通空气冷却,其内、外侧砌耐火砖衬；上内套筒悬挂在窑顶部。上、下内套筒各有其不同的功能,上内套筒主要是将高温废气抽出用于预热喷射空气，下内套筒主要是用于产生循环气流形成并流煅烧，同时起到保证气流均匀分布的作用。套筒窑的结构特点是因在一个窑身内设置了内套筒，从而形成了并流煅烧。

图4 套筒窑原理图

2.3 双膛窑原理

双膛窑流程如图5所示：双膛窑设有两个平行的窑膛，并通过窑体下部的连接通道相连，其煅烧工艺有两大特点：并流和蓄热。所谓并流就是在石灰石煅烧时，燃烧产物和石灰石一起并列向下流动，这样利于煅烧出高质量的活性石灰。所谓蓄热就是窑膛1的燃烧产物——高温废气通过两窑膛下部的连接通道进入窑膛2；窑膛2内的高温废气向上流动，将预热带的石灰石预热到较高温度，把热量积蓄起来，同时高温废气下降到一个很低的温度后排出窑膛。这种工作原理充分地利用了废气余热，保证了该种窑具有很高的热效率。两个窑膛的功能(煅烧和蓄热)交替互换。即一个窑膛煅烧，另一个窑膛蓄热，每12 min交替换向。

图5 双膛窑原理图

2.4 比较分析

回转窑、双膛窑、套筒窑各项特点比较如表1所示，表中数据来自中国石灰协会技术报告。

三种窑型中，行业内公认双膛窑能耗最低，回转窑能耗最高；回转窑和双膛窑能处理小颗粒原料，产品活性度最高；三种窑均为全封闭环保窑型，套筒窑和回转窑为负压，而双膛窑为正压，对设备密封要求较高。

表1 三种窑型比较表

3 三种窑型的技术创新和应用

3.1 回转窑取得的技术创新和应用

回转窑最初由国外引进，技术上有德国克劳斯玛菲公司带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑，日本三菱公司带链蓖预热机和推动蓖冷机的回转窑，美国美卓公司带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑三种；目前国内800 t/d及以下回转窑技术已经比较成熟，能够完全替代进口技术，操作生产均比较稳定。但国内1 000 t/d及以上回转窑数量仍比较少，如何能够完全消化替代进口技术，尤其是1 000 t/d及以上回转窑预热器技术，将石灰热耗降低到1 100 kcal /kg.CaO以下，仍是国产大型回转窑需要创新的课题。

大峘集团通过消化国外技术，研制出具有自主知识产权的全国产化1 000 t/d回转窑，在宝钢集团湛江钢铁项目中，击败众多国外竞争对手，承接了两项1 000 t/d回转窑工程；目前该项目已全部建成投产，成为国内为数不多的、完全掌握1 000 t/d回转窑技术的供货商，完成了大型国产化回转窑技术的创新和工程应用，也是全国产化大型回转窑首次在宝钢集团的成功应用。

宝钢集团湛江2×1 000 t/d回转窑工程由竖式预热器、回转窑、竖式冷却器、二次风机及其它辅助设备构成。燃料为3 500 kcal/m3混合煤气。其核心技术为采用十八管式竖式预热器，利用窑尾热烟气使物料在进入回转窑之前就被预热到900 ℃以上，实现20%～25%的预分解，压损低；采用多管加料，安装维护简单，物料流量控制方便；各仓室单独进料，不易产生偏料现象。分仓加热式结构使得物料进出相对独立，热风循环自成一体，物料预热更加均匀，预热效果显著。工作中即使个别仓室出现故障可单独关闭，不影响整体系统的正常运行。

3.2 套筒窑取得的技术创新和应用

套筒窑最初由德国贝肯巴赫公司引进，也称“环形套筒窑”，随后意大利弗卡斯公司在此技术上开发出“梁式桥”套筒窑，目前套筒窑国产化已经比较成熟；但常规套筒窑对燃料要求较高，必须是热值在1 800 kcal/m3以上的气体燃料，而不能像回转窑、双膛窑一样，能够直接采用煤粉作为燃料，其适用性受到限制。

大峘集团通过大量工程实践，研制出低热值煤气+煤粉混燃套筒窑以及全煤粉燃烧的套筒窑技术，成为世界上首家同时掌握高炉煤气+煤粉混燃/全煤粉燃烧套筒窑技术的供货商，其总包承建并投产的唐山东海钢铁公司的3×600 t/d套筒窑，是世界上首座高炉煤气+煤粉混燃/全煤粉燃烧套筒窑，开创了气煤混烧套筒窑技术的创新和工程应用。

唐山东海钢铁公司3×600 t/d套筒窑，设置了高炉煤气燃烧/煤粉磨制喷吹燃烧双系统；生产中既可以采用高炉煤气燃烧，辅助增加煤粉燃烧，提高燃料热值的模式，也可以切换到采用全煤粉燃烧的模式，给企业能源调度提供了极大方便。两套燃烧系统能够互补，并且相互独立，互不干扰，并通过全氮气环境磨制、喷煤设置，保证了系统的安全性。

3.3 双膛窑取得的技术创新和应用

双膛窑也称并流蓄热式石灰竖窑，最初由瑞士麦尔兹公司开发，后被德国伯利休斯公司收购；另外意大利西姆公司也开发类似结构的双膛窑。引进的双膛窑截面有圆形、D型、方形几种，但相对成熟稳定的600 t/d窑型，仍只有圆形截面窑型。传统双膛窑可采用煤粉、煤气、气煤混烧等燃料，但仍要求混合燃气热值在1 800 kcal/m3以上。而且由于双膛窑悬挂缸等专利技术仍掌握在国外公司手中，造成双膛窑投资较高，全国产的600 t/d双膛窑仍有待创新开发。

南京净环热冶金工程有限公司经过大量研发，回避国外专利，开发了自有专利的全国产化600 t/d双膛窑，并成功开发了可同时适应低热值煤气、中热值煤气、高热值煤气的高中低热值燃气双膛窑。其总包承建并投产的广西盛隆冶金公司8座600 t/d双膛窑工程，既是目前已投产使用的、规模最大的国产气烧双膛窑工程，也是世界上首个低热值—中热值—高热值燃气全适应的双膛窑工程。

广西盛隆冶金公司8座600 t/d双膛窑，可分别采用高炉煤气(热值800 kcal/m3)，高炉-转炉混合煤气(热值1 100 kcal/m3)，高炉-焦炉混合煤气(热值1 800 kcal/m3)进行生产。通过近3年的生产实践，采用高炉煤气、高炉-转炉混合煤气、高炉-焦炉混合煤气生产出的产品质量、成本无明显差异，且该双膛窑能够在线灵活调节切换使用燃气，在保证产品高活性度情况下，提高了企业能源使用的灵活性，同时，全国产化的装备也大大降低了工程的投资。