回转窑节能环保改造实践

宋双彦，陶卫东，杜宏杰

（中冶赛迪上海公司，上海 200940）

石灰回转窑在我国冶金、化工、建材、造纸等领域内应用广泛[1]。行业普遍存在的问题主要有能耗偏高、漏风系数高、窑壳温度高、窑尾气温度偏高、出料温度高、产量低、热效率不高等。能源成本占到生产成本的40%以上，因此，能耗问题是回转窑系统研究的主要课题。20世纪80年代初，我国宝钢率先引进了3条产量达600 t/d的日本立波尔式回转窑，90年代国内钢铁厂陆续引进的是产量为600～1 000 t/d的美国KVS式回转窑，如宝钢、鞍钢、太钢、八钢、沙钢、攀钢、通钢等。宝钢最初引自日本的回转窑在操作、能耗、维修等方面落后于美国技术。为了满足产能需求，降低能耗和维修成本，减少扬尘、冒灰、漏风等现象，对其中2条逐一改造。改造后产能大大提高，便将不再需要的第3条窑就地拆除。基本从老式窑系统改造成为新的KVS式回转窑，全面改善了工艺和配套设施，取得了预期的节能环保效果。行业内在石灰窑节能方面改造通常只是针对窑的内衬材质、系统密封性及变频调速风机等局部开展小型技改，这样大规模改造尚数首例。本文对此作以介绍。

1 回转窑改造前的情况

改造前的宝钢回转窑主要由链篦式预热机系统、回转窑系统、水平推动式冷却机系统及公辅系统等组成。

1.1 改造前主要生产工艺

原料经水洗筛分，合格粒度的物料经带式输送机送到窑前仓，进一步沥去水分，再经上料皮带首先将物料平铺在链篦式预热机内进行预热，然后随着链篦机的板链移动，将料送入回转窑中煅烧。随着窑的转动，物料一边翻滚一边向前移动，待到回转窑头部，刚好煅烧完毕。合格粒度的物料落入水平推动式冷却机中进一步冷却，成品通过板链、带式输送机等送到成品库。

混合煤气通过窑头烧嘴在一次助燃风的作用下在窑内燃烧；从冷却器鼓入的冷风冷却成品物料的同时被加热，进入窑内作为二次助燃风。燃烧废气与物料换热后被窑尾除尘系统抽到窑尾，与链篦式预热机内的物料进一步换热并降低尾气温度，再经过竖管冷却器，最后进入窑尾除尘系统，净化后排入大气。

1.2 改造前工艺流程

改造前石灰回转窑工艺流程示意图见图1。该窑产能约600 t/d，窑尾废气温度约350℃，成品出料温度高，约130℃以上。

图1 改造前石灰回转窑工艺流程示意图Fig.1 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln before Improvement

1.3 改造前回转窑能耗分析

回转窑煅烧系统能耗高，约为5 016 kJ/kg产品，并且系统老化，漏风、冒灰严重，环保不达标，每年的检修量非常大。特别是链篦式预热机结构复杂，维修困难，每年耗材很高，生产成本与日俱增。

对回转窑的热平衡分析中，燃料带入化学热为热输入项，其余为热输出项。回转窑热平衡示意图见图2。

图2 回转窑热平衡示意图Fig.2 Diagram for Thermal Balance in Rotary Kiln

如图2所示，回转窑的能耗主要分为几大部分：① 燃烧废气带走热量；② 预热设备散热量；③煅烧物料吸热；④冷却设备散热；⑤窑体吸热；⑥窑体散热；⑦成品物料带走的热量。针对这几个热量消耗因素，经过多次论证和试验，从工艺、设备、控制等方面优化。

2 具体改造措施

2.1 窑预热系统

为了提高回转窑的热效率和生产效率，增加单位时间推入窑内的物料量，拆除原有链篦式预热机、竖管冷却器、废气除尘系统和水平推动式冷却机等设施，更换为带12个液压推杆的竖式预热器，相应配套布袋除尘系统。物料在预热器中得到充分换热，换热的物料量比链篦式预热机大大提高，单位时间推入窑内的物料量增加，大大提高了产量。保证产品质量的前提下，单位时间产出比增加，同时又减少了燃料消耗，从而显著降低了生产成本。

此外，窑排除废气温度下降了约170℃，废气带走的热量减少，热效率提高，废气含尘浓度由改造前50 mg/m3降至20 mg/m3，减轻了对环境的污染，减小了系统阻力，大大减少设备维修量，节省生产操作空间。窑尾由正压系统改为全负压系统，使得整个窑系统为负压操作，减轻了窑尾除尘系统的负荷，系统操作更加灵活顺畅，改善了周边操作环境，大大降低无效含尘废气的排放量，预热系统节能约8%。

2.2 窑本体系统

回转窑窑头、窑尾通常是直筒型，没有很好的密封。窑尾漏料会影响窑尾密封装置的使用寿命[2]，出现漏风、漏料现象。为了改善窑体的密封性，将窑尾部由直筒形改为锥体形，同时加上金属密封结构，使得窑内物料量增加，减少漏风量和漏风散热，提高换热效率，从而提产降耗。

为便于窑尾转运溜槽前后自由移动，减少窑内检修时间，窑尾转运溜槽与之配套设计。小车上装有冷却风机，管线、阀门与小车一体设计，便于冷却窑尾部高温段，避免窑壳温度过高。窑检修时就不需拆卸管线设施，检修操作方便灵活。

由于窑驱动系统的大齿圈、轮带运行年限较长，磨损严重，造成窑运行不稳，所以更换大齿圈组件，使其运行平稳可靠，减小窑运行波动，保护传动系统不受损坏。

为减少窑内负荷，改善耐材隔热密封性及使用寿命，在窑预热段，窑内衬耐材更换成带有隔热材料预制块，且预制块可更换维修，在窑的运行过程中不易脱落，砌筑方便，保温效果好，减轻了冷却带耐材重量。

为延长窑烧成带耐材使用寿命，降低窑壳温度，在窑烧成带到窑头采用复合砖和隔热材料的结构，在保证窑壳温度和耐材抗高温性的基础上，进一步改善砌筑的整体性和密封性，同时也进一步减轻了该段的耐材荷载。

为改善窑尾、窑头隔热密封性和整体性，在预热器、冷却器、窑头罩等部位主要采用耐磨浇注料形式，施工、维修方便，密封性好，隔热性能强，轻巧耐用。通过上述改造，整个系统耐材负荷减轻了约10%，简化了砌筑结构，增强了保温和密封性能，窑尾窑壳温度从最高约550℃降到350℃左右，减少了散热量，同时避免了耐材脱落，延长了耐材的使用寿命。

深入研究窑各个部位的耐材后，窑衬采用了新耐材砌筑结构，提高窑的内衬整体密封性，延长使用寿命，避免了隔热砖长期使用后滑动粉化问题，减少维修更换量，显著降低窑壳温度，不再产生窑皮红斑现象，从而减少热损失，降低生产成本。

2.3 窑冷却系统

为了提高冷却系统的密封性及换热效率，拆除原有水平推动式冷却机系统和成品输送系统，更换成竖式冷却机系统，更换窑头冷却风系统和成品冷却除尘系统，由原来的电除尘改为布袋除尘。拆除板链式输送机，更换为耐热带式输送机，系统减轻了负荷。冷却器下部分布有分区的冷却风帽装置，增加了冷却面积，改善了内部通风和冷却效果，提高了换热效率，减小了窑头漏风系数，使窑头压力在微负压下操作，基本解决冒灰现象，成品温度控制在80℃以下，大大减少了系统热量损失，成品系统节能约2%。

回转窑散热是能源消耗的一个主要因素，通过改造窑内衬结构和窑头窑尾密封结构形式，减少了漏风量，降低了窑壳温度，提高了产能，改善了生产操作环境，减少了热损失，从而节约能源，达到节能降耗的目的。

2.4 “三电”等的改造

“三电”指的是电气、仪表和通讯。为了使窑内加料、出料更准确，减少燃料消耗，提高系统热效率,改善系统热工控制参数，窑的电气、控制、仪表及通讯等设施随着主工艺系统的改造同时更新。在上料系统和成品系统增加了皮带秤，精确控制煅烧量。增加了窑头、尾、传动等重要部位的监测，增加了窑尾废气的氧含量分析系统和料仓料位检测等。在冷却器上设有高温料位计，控制料位高度，使成品处于最佳冷却状态。使窑燃烧系统在合理的空燃比范围内，调整火焰长度，有利系统运行平稳，减少了废气带走的有效热，提高了系统的热效率和运行效率，使系统操作更直观更便捷，整个系统自动化程度高，实现灵活而稳定的集中生产操作，保证了产品质量和产量，节省人力，相应降低了生产成本。

2.5 辅助设施的改造

为了改善生产环境，减少二次污染物，节水节电等，取消了原料系统的水洗设施，直接采用窑前筛分系统，大大节约了占地及电、水等动力消耗，同时不水洗的原料利用率进一步提高，节约了资源。水分低的原料入窑也便于预热、煅烧，消耗热量相对较低，减少了窑废气的水分，避免除尘布袋结露等问题。筛下料直接送烧结等用户再利用，不再产生泥饼等污染物，减少环境污染。

为减少粉尘等废气排放，窑尾气除尘设有事故除尘系统，使窑尾在检修或事故时，均可使废气得到除尘净化，有组织排放，满足环保要求。

为保护窑及其传动系统寿命，设计事故水箱，使其在停电等事故时，窑可以维持运转及冷却，使窑不会变形，传动系统得到冷却保护，延长了系统的使用寿命。

3 改造后的回转窑情况

3.1 改造后的石灰窑生产工艺

改造后的回转窑工艺流程示意图见图3。筛分后合格粒度的物料通过带式输送机送入竖式预热器顶部料仓内，再分区落入预热器的分割区进行热交换，再通过预热器推杆将物料经转运溜槽推入窑内煅烧，煅烧合格的物料通过竖式预热器进行充分冷却，再卸到耐热皮带上，送往成品库或下游用户。

混合煤气和一次助燃风通过烧嘴燃烧，二次风在冷却成品物料后，被加热到约600℃，带入窑内参与燃烧，燃烧产生的高温废气在窑内流向窑尾的同时，与逆流翻滚移动的物料进行热交换，再进入竖式预热器与物料进一步换热，被除尘系统抽出并净化，最终排入大气。

图3 改造后的回转窑工艺流程示意图Fig.3 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln after Improvement

3.2 热工参数及产品指标对比

改造前后回转窑的热工参数及产品指标对比见表1所示。由表1看出，改造后的回转窑产能从600 t/d提高到750 t/d，提高了25%，每年增加产能约5万t。出窑废气温度降到180℃，成品出料温度降至82℃，产品活性度提高至380 mL，残余CO2低至2.0%。经计算，改造后的回转窑实现年节能降耗10%以上，每年节能约2万t标准煤,自改造以来运行效果良好，每年节省生产成本约千万元以上。

表1 改造前后回转窑的热工参数及产品指标对比Table 1 Comparison of Thermal Parameters and Indexes of Products on Rotary Kiln before and after Improvement

4 改造经验

回转窑改造后，石灰石/白云石不再水洗，所以可以结合炼钢、烧结用户的需求，适当提高矿石粒度，尤其是更易碎的白云石粒度，可减少运输过程中矿石的破碎量，减少废品率，进一步提高矿源利用率，从而提高产能，降低生产成本。

一般普通窑漏风系数在15%左右，窑产能提高后，在不影响煅烧产品质量的前提下，增加窑密封性，可适当控制空燃比，可将一次风机设计为变频调速型式，使窑热工制度更加合理稳定、精准操作，达到节能减排的目的。

为避免回转窑窑皮脱落堵塞冷却器，在窑冷却器上设置了隔栅，旁边设有大块料导出口。但此处温度很高，散热大，有时会导致闸板变形等问题，因此增加了保温结构，且不影响执行机构操作，隔热效果良好，改善了操作环境。为避免回转窑内衬耐材抽签脱落，建议改变耐材砖型，在控制单个重量的基础上，增加砌筑环的砖与砖的接触面积，使其整体性更好，强度更高，减少检修次数，节约材料成本。

一般回转窑竖式预热器内没有隔墙分区，本次改造增加了隔墙，能使窑废气更充分地与矿石接触，增加推杆推料量，不仅产能得到提高，还能更好地进行热量交换，预热更加均匀，降低预热器顶部温度和废气温度，起到进一步节能的效果。

5 结语

宝钢对其立波尔式回转窑的预热系统、本体系统、冷却系统的工艺、设备、热效率、结构隔热密封性及附属设施进行了改造。改造后回转窑运行效果良好，产能从600 t/d提高到750 t/d，每年增加产能5万t。出窑废气温度降到180℃，成品出料温度降至82℃，产品活性度提高至380 mL，残余CO2低至2.0%。工艺流程简化后，由于设备控制环节减少，能源消耗和维修成本得到降低，每年节能约2万t标准煤，实现年节能降耗10%以上，每年节省生产成本约千万元以上。