节能环保TGS石灰窑使用高爆裂性原料的生产实践

刘树钢， 李玉茹， 李 斌， 赵立顺， 李 雷， 门长占， 周 宏， 张德国

（1.唐山今实达科贸有限公司， 河北 唐山 063020；2.唐山助纲炉料有限公司， 河北 唐山 063600；3.唐山精研实业有限责任公司， 河北 唐山 063600；4.北京首钢国际工程技术有限公司， 北京 100043）

老一代石灰窑技术产量低，煤气耗量大，难以大型化，TGS气烧活性石灰窑技术，突破了低热值煤气石灰窑的环保、节能和大型化的难题，单炉日产量超过了600 t。

1 TGS气烧活性石灰窑炉型及工艺特点

1.1 工艺流程

工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

1.2 TGS石灰窑特点

TGS石灰窑采用了大型中心风冷复合式烧嘴、煤气助燃风双预热、日本国井式侧向烧嘴、特种耐火材料、哑铃形六段炉型、分级入炉、旋转螺旋配合多管的布料系统设备，采用液压往复出料机、排料上道液压密封阀、排料下道液压密封阀和弹性密封排料称量斗配合的密封排料系统设备等多项已成熟的实用新技术，采用计算机自动化调节燃烧模式和计算机自动提示排料模式的专家软件，提高了TGS石灰窑的机械化程度，提高了石灰的质量，使TGS石灰窑达到低耗高效的生产状态。TGS石灰窑结构简单可靠，投资低、能耗低、维修和运行费用低、电耗低，能量利用率高，因而生产成本低，经济效益高[1]。

2 TGS500石灰窑使用高爆裂性原料的问题及攻关

2.1 宽粒度原料生产阶段

山西晋城福盛钢铁有限公司纯高炉煤气TGS500石灰窑工程自2017年5月27日投产，所用原料筛设计筛孔40 mm，投产第四天后产量即达320～360 t/d，生过烧低于15%，但由于所用原料为山西晋城福盛钢铁有限公司自有正在新建的石灰石矿山（石灰石矿的破碎筛分设备还没有建成，使用临时安装的一台破碎机和溜筛处理矿石），且属于一种高爆裂性的石灰石，又恰逢政府控制炸药和多雨天气，石灰石供应非常紧张，杂石很多，投产9 d后，窑前40 mm原料筛被迫焊6 mm圆钢，而压缩至17 mm筛孔，石灰窑生产进入了罕见的困难状态之中。

原料粒度在0~50 mm范围，且粒度波动很大，其中0~15 mm比例在8%至14%范围内波动，阴雨天高达15%~21%；15~40 mm比例在29%至43%范围内波动，阴雨天高达33%~46%；80~150 mm比例在10%至18%范围内波动；合格的40~80 mm石灰石原料比例在25%~51%范围内波动，阴雨天进一步降至16%~40%。

而出炉的石灰产品中，0~40 mm的比例高达56%至65%，阴雨天更高达63%至86%；大于80 mm的比例在0~2%范围内波动；40~80 mm的石灰比例低至23%~44%，阴雨天更是降至13%~35%。详细观察发现，炉顶料面附近有明显的、密集的、沉闷的爆裂声音，证明炉内石灰石发生了严重的爆裂问题。

40～80 mm的石灰石块在马弗炉内的爆裂实验证明，升温速度即使降低到15℃/min，升至1000℃保温恒温30 min，该石灰石爆裂比例仍然大于60%；升温速度20℃/min，升至1000℃保温恒温30 min，该石灰石爆裂比例大于80%（一次实验用5个样品，其中有4个样品，在马弗炉内450～500℃已经爆裂至3半至5半，唯一一个未爆裂的样品也有4道大裂缝，小裂缝6道，一次500 mm高自由落体即摔成4半，这证明即使是没有完全爆裂开的石灰石，当烧成石灰后，也会在下料过程中被挤压、磨损而开裂）。

初期，所有风机全部控制在28～32 kPa，绝大部分时间都超过了风机铭牌额定压力29.4 kPa，经常接近风机电机的额定电流或轴承所允许的极限温度，煤气压力也控制在30～33 kPa，即使如此高的气体压力，产量却降至310～330 t/d，生过烧却升至25%至45%，且生过烧并存，稍一降生烧，过烧就急速升高，甚至出现结块，另外尽管每吨石灰的总冷却风量一直维持在560～730 m3/t灰，排料温度也升至180～240℃，严重威胁成品处理系统的设备安全，两次烫坏烧结石灰粉运输罐车的输灰胶管，除炉顶温度210～310℃和每公斤石灰石热耗440×4.187至490×4.187 kJ/kg较正常以外，其他操作参数严重偏离正常范围，石灰质量严重波动，这种被动局面一直持续了近两个月[2]。

2.2 原料粒度由0～150 mm压缩至30～120 mm范围生产阶段

石灰石矿山的破碎筛分设备建成后，由于政府控制炸药和多雨天气，石灰石供应仍然比较紧张，杂石也较多，且矿石本身较易破碎，仍无法实现40 mm至80 mm的粒度要求，只把原料粒度由0至150 mm压缩至30 mm至120 mm范围，同时加强现场操作，初步改善了炉内气流和温度分布的均匀性[3]。

产量随之升至410～460 t/d，生过烧仍然经常并存，只是压低一些生烧时，过烧升高速度没有初期那么明显了，基本上消除了结块现象，石灰质量波动也有所减少，w（CaO）65%～74%，w（MgO）4%～12%，w（SiO2)4%～9%，另外每吨石灰的总冷却风量与前期相同一直维持在560～730 m3/t灰，排料温度却降至160～190℃，料温对成品处理系统设备安全的威胁得以缓解，没再出现烫坏烧结石灰粉运输罐车的输灰胶管的问题，炉顶温度在210～300℃，每公斤石灰石热耗450×4.187~490×4.187 kJ/kg，其它操作参数也有所改善，而风机和煤气压力仍然维持在上述接近极限的状态，本阶段持续了一个多月。

2.3 提产阶段

为了减少外购石灰数量，随之展开了以提高产量为主要目的的工作。

2.3.1 进一步改善原料粒度均匀性

提高了石灰石矿山的管理，窑前原料筛孔完全恢复设计尺寸40 mm，原料粒度由30～120 mm进一步改善至40～100 mm范围。

2.3.2 适当减少冷却风量

由于排料温度一直比较高，为了缓解料温对成品处理系统设备安全的威胁，每吨石灰的总冷却风量一直维持在560～680 m3/t灰，甚至短期到过730 m3/t灰，却没有完全达到降低排料温度的目的，还对降低生烧和提高产量增加了困难，因此逐步将总冷却风量降低至520～550 m3/t灰。

2.3.3 充分利用漏斗效应提高炉内料柱的整体透气性

TGS石灰窑的专家软件中把炉中心至炉墙分成20个环带，炉子正中心为第一环带，紧靠炉墙为第20环带，专家软件可以对每个环带单位高度的微元体内的气体力学、物理化学等运行参数进行模拟计算，以便得到最优化的生产控制参数。

TGS石灰窑的旋转螺旋配合多管的布料系统设备是根据漏斗效应设计的，对于本工地所遇到的原料粒度差异大且爆裂严重的不透气物料，利用漏斗效应，减少一点溜槽角度，把小颗粒物料主要布于炉内半径的第16至第18环，这样，第19至20环的物料粒度是逐渐增加的，第15环至炉中心的第1环物料粒度也是逐渐增加的，因此，尽管总体物料粒度差异很大（如果整体均匀混合后，会达到最大的堆积密度和最小的空隙率），而对于每一环内的物料的粒度差异就减少了，大幅度提高了每一环的物料粒度均匀性，从而提高了料柱空隙率和料柱透气性，由此大大提高了TGS石灰窑对原料粒度差异大或爆裂严重的不透气物料的抵抗能力[4]。

2.3.4 充分利用国井式烧嘴穿透能力强的特点

根据专家软件的模拟提示和炉内取样结果分析，进一步强化气流和温度分布的均匀性。

2.3.5 自动调节燃烧模式

采用计算机自动化调节燃烧模式，保持恒定的燃烧温度。由专家软件执行燃烧的自动控制，比人工调节燃烧的精度提高了很多。

2.3.6 精确调节密封排料系统设备

通过精确调节密封排料系统设备，既减少了炉底漏风量，改善了炉底环保，又大大提高了排料均匀性，确保20 m高料柱的排料误差小于±1.5%，且误差部位不固定，炉内料柱运动的均匀性为提高气流分布和温度分布均匀性提供了可靠的保障。

2.3.7 确定排料模式

采用计算机自动提示排料模式，保持每吨石灰石恒定的燃烧热量。

2.3.8 适当减少排料量

适当减少每次排料的排料量，将相邻两次排料的时间间隔（包括排料过程时间+至下一次开始排料之间的不排料时间）由14～18 min缩短至10～12 min。

根据竖炉内料柱的下料过程为随机的、不连续的、局部的，尺寸具有一定几率分布规律（越靠近料面尺寸越小）的亚稳态悬拱空穴（形象称为架桥，与液体中气泡的有些状态类似）的随机塌落过程（形象称为桥墩或桥拱的随机塌落过程），对于竖炉块状带的某一块炉料（正常粒度的料块），只在其塌落瞬间或跟随其下方料块塌落的瞬间，发生下料运动（包括垂直落下和小量的横移），其余大部分时间处于相对静止状态，这种下料过程的规律，对于竖炉块状带的空隙率、气流分布、温度分布、物理化学反应（包括传质传热过程、各种反应和黏结块发育程度等）都发生着本质性的影响作用，这是TGS石灰窑和其专家软件设计、生产操作所依据的最重要理论之一，本下料理论对于其它种类竖炉强化生产也具有重大意义。

液压往复出料机每运行一个周期用时32 s，沿用过去TGS石灰窑的运行经验，生产初期定为每次排料液压往复出料机运行11个周期，每次排料约4.83 t石灰，总共用时5.87 min，石灰产量在410～460 t/天时，相邻两次排料的时间间隔在14～18 min，把每次排料液压往复出料机运行周期减到9个，每次排料约3.95 t石灰，再通过增加煤气流量（正比于产量）将相邻两次排料的时间间隔压缩到10～12 min，这样每次排料用时4.8 min，不排料的时间就压缩至5.2～7.2 min，炉况表现为在这不排料的5.2～7.2 min时间内，炉内仍然存在炉料的局部下料运动，特别是前2～4 min内炉料的局部下料运动更为明显，也就是说炉内保留了更多的亚稳态悬拱空穴，这些亚稳态悬拱空穴既增加了料柱的空隙率和料柱透气性，增加了气体流量，有利于增加产量，同时又改善了传质传热，均匀了炉温分布，也防止了结块。但如果每次排料量过少或过慢，容易出现下料不匀的问题。

2.3.9 保持适当的生烧比例

在这种原料粒度差异大，爆裂又非常严重的生产条件下，过分追求低生烧率，会给生产带来更大的困难，保持适当的生烧比例，可以降低炉顶温度，增加产量，缩短排料时间间隔，增加料柱透气性。并且多数钢铁厂烧结，均人为使用部分石灰石粉，炼钢也人为使用部分石灰石块，甚至有人宣传全石灰石炼钢，因此钢铁厂生产，怕过烧，不太怕生烧，特别是喜欢低硅、低硫且生过烧稳定的石灰产品。

2.3.10 本阶段主要生产参数和结果

原料粒度在40～100 mm范围，且粒度波动仍较大，只是有较大的改善，其中0～15mm比例在3%～7%范围内波动，阴雨天高达5%～11%；15～40 mm比例在8%～16%范围内波动，阴雨天高达13%～21%；80～100 mm比例在8%～15%范围内波动；合格的40～80 mm石灰石原料比例增加到62%～81%，阴雨天降至53%～73%。出炉的石灰产品中，0～40 mm的比例高达41%～49%，阴雨天更高达51%～67%；大于80 mm的比例在0～1%范围内波动；40～80 mm的石灰比例在50%～59%范围内波动，阴雨天更是降至32%～49%。详细观察，炉顶料面附近仍有明显的、密集的、沉闷的爆裂声音，证明炉内石灰石发生的严重爆裂问题还一直存在。

产量 495～510t/d，石灰质量：w（CaO）=69%～74%、w（MgO）=6%～12%、w（SiO2）=4%～7%，总冷却风量降低至 520～550 m3/t灰，出灰温度 160～180℃，炉顶温度在220～310℃，每公斤石灰石热耗465×4.187 kJ/kg至490×4.187 kJ/kg，而风机和煤气加压机仍然维持在上述接近极限的状态，其它操作参数也有所改善，本阶段平稳运行四个多月。

2.4 以提高石灰质量，特别是提高石灰质量稳定性为主要目的阶段

本阶段，由于钢铁厂压产，石灰供应矛盾缓解，本炉操作思想随之转变为以提高石灰质量为主，产量随钢铁生产需要而调节。本阶段主要是把2.3.1至3.3.9所述工作持续深化做细。石灰石矿山也有进一步的改善，其中杂石有了明显的降低，石灰石成分也有所稳定：w（CaO）=46%～51%、w（MgO）=3%～7%、w（SiO2）=2.5%～4.0%。

3 TGS500石灰窑使用高爆裂性原料的生产实践与效果

本阶段主要生产参数和结果：

产量 400～440 t/d。石灰质量：w（CaO）=75%～79%、w（MgO）=5%～12%、w（SiO2）=4%～6%。总冷却风量 525～540 m3/t，出灰温度 150～160 ℃，炉顶温度在250～330℃，全用高炉煤气，每公斤石灰石热耗490×4.187 kJ/kg至 520×4.187 kJ/kg，而风机和高炉煤气加压机比上述接近极限的状态所留出的保险系数增加了0.5%，本阶段从2018年3月平稳运行至今。

4 结论

生产实践证明，原料粒度差异大或高爆裂性原料给石灰窑生产带来了巨大的困难，主要表现为料柱透气性差，因而炉内气流分布、料流分布和温度分布非常容易恶化。TGS石灰窑独特的装备及操作技术，突破了这个生产难题，可以实现稳定生产。尤其是TGS石灰窑大型中心风冷复合式烧嘴与日本国井式侧向烧嘴两种烧嘴的密切配合，提高了火焰穿透能力，提高了对于这种困难生产条件的抵抗能力。减少冷却风量，提高炉料粒度均匀性，提高炉内料柱的整体透气性，提高操作精度，提高气流分布和温度分布均匀性，减少每次排料的排料量，缩短相邻两次排料的时间间隔，保持适当的生烧比例等操作思想，对于原料粒度差异大或高爆裂性原料的石灰窑生产，具有较大的抵抗能力。本次生产经验对于具有同类生产条件的石灰企业具有借鉴意义。