石灰窑环保和节能减碳技术现状浅析

董晓峣

一、引言

近年来，钢铁行业在大力推行超低排放改造及碳减排技术，严格落实环保节能、减碳要求，加速淘汰落后产能的背景下，逐步用先进石灰窑取代落后的石灰窑，并配套采用了碳减排相关技术，加速推动钢铁行业石灰工序的环保治理和节能降碳改造技术的应用。值得关注的是，在钢铁行业各生产工序中，石灰工序是减碳的重要环节，其对炼钢、炼铁工序减碳均具有十分重要的作用，且具有一定的独特性。本文针对国内钢铁长流程企业主要采用的先进窑型（即套筒窑、双膛窑、回转窑）的环保措施和节能减碳技术进行对比分析，提出了应考虑的问题。即今后在新窑设计时或对现有窑体改造时适当增加预热段长度或增加回转窑冷却段长度，以起到节能环保的作用；应积极推进石灰窑CO2捕集、封存及利用等减碳技术的应用，并针对如何提高成品石灰活性度予以更多的关注和探讨、研究。

二、环形套筒窑、双膛窑、回转窑工艺流程简述

（一）环形套筒窑工艺流程

环形套筒窑窑体由外壳和内套两部分嵌套组成，区域划分为预热带、逆流煅烧带、并流煅烧带及冷却带。该窑型具备环形区域煅烧、并流煅烧及气体循环的特征，有利于生产出高活性度石灰，以降低热耗。

相较于其他石灰窑窑型的堆料煅烧导致的中间与周围石料流速不均匀问题，套筒窑的特殊结构避免了此类问题。石灰石原料和气流在套筒窑外壳、内套中间形成的环形区域自上而下流动，石料流速均匀。此外，套筒窑设置的窑顶横梁、拱桥及出料门结构，使石料在下落过程中进一步均匀分布，有利于石料均匀受热，充分煅烧。

石灰石在套筒窑下燃烧室形成的并流煅烧区域，与燃料和助燃气体一同自上而下流动，过程中充分与高温气体反应煅烧，有利于生产出高活性度的石灰成品。此外，套筒窑上、下燃烧室及喷射器的设置，将下燃烧室并流煅烧产生的高温烟气，同冷却段的冷却空气经环形套筒进入喷射器，与管内高速热空气混合后，再次返回下燃烧室，由此形成往复循环。套筒窑上、下燃烧室内形成的循环气体，充分利用了煅烧过程中产生的热量，从而降低热耗、能耗。相较于其他窑型，套筒窑为负压操作，在石灰煅烧、出灰过程中有利于抑制烟（粉）尘外溢、污染物排放，对周围环境影响较小，利于环保。

（二）双膛窑工艺流程

双膛窑配置煅烧膛、蓄热膛两个窑膛，中间设有烟气通道，互通彼此相连。该窑型兼具并流和蓄热的煅烧方式。双膛窑采取的煅烧工艺是一个往复循环、交替运行的过程，其中一个窑体在煅烧石灰石时产生的高温烟气，为另一窑膛提供热量蓄热石灰石，二者之间经每12～15分钟功能相互交替转换一次。

供给双膛窑的助燃风从其中一个窑膛顶部进入，石灰石升温预热后其产物同石灰石一并从煅烧带自上而下流动，即采用并流煅烧的方式，被烧过程中物料充分燃烧，有利于生产出高质量活性石灰。煅烧窑膛产生的高温烟气，经中间烟气通道至另一窑膛，高温烟气上升至预热段，对石灰石进行预热，充分利用高温烟气余热。双膛窑特殊的工艺结构，使双膛窑具备热效率高、能耗低、石灰活性度高等特点。

（三）回转窑工艺流程

相对于套筒窑和双膛窑的装置，回转窑装置简易。原料由窑尾筒体喂入，燃料和助燃气体从窑头喷入，由于筒体倾斜转动，物料向窑头流动，高温烟气向反向流动，在此过程中物料与高温烟气逆流煅烧，石灰成品在窑头冷却段冷却后出料，主要过程为上料—烘干—预热—焙烧—冷却—卸料—筛分—入仓及工艺除尘和环境除尘。回转窑具有较简单合理的物流气流设计，一般产量较高。

三、石灰窑环保治理技术现状

2012年颁布的《炼钢工业大气污染物排放标准》（GB28664-2012），要求执行大气污染物特排地区的现有/新建企业石灰窑烟气颗粒物排放浓度分别执行50mg/m3、30mg/m3起。近些年，国家对钢铁行业环境保护管理日趋严格，针对污染防治技术、大气污染物排放标准等方面均做出了更为严格的要求。自2019年4月生态环境部等五部委发布《关于推进实施钢铁行业超放的意见》（环大气〔2019〕35号）起，相关部委陆续颁布《关于做好钢铁企业超低排放评估监测工作的通知》（环办大气函〔2019〕92号）、《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020年修订版）》（特急函件环办大气函〔2020〕340号）、《关于进一步规范重污染天气应急减排措施的函》（特急函件环办便函〔2021〕439号）等一系列文件，旨在强力推进钢铁行业超低排放改造。重点区域超低排放改造完成后，将实现主要大气污染物排放量大幅度持续下降、环境空气质量持续改善。《意见》中明确了有组织排放源污染物排放指标，其中石灰窑颗粒物排放浓度小时值不高于10mg/m3。在巨大的环保压力驱动下，各企业防治措施效果较好，石灰窑在生产过程中产生的烟气颗粒物排放浓度普遍低于10mg/m3，但烟气治理方面仍存在一些问题。

目前，石灰窑烟气颗粒物治理多数采用袋式除尘器，除尘设备实际运行过程中普遍存在除尘布袋、除尘管道易结垢、布袋使用寿命短等问题。由于石灰粉粉尘粒径较小、同时具有亲水性，同焙烧烟气裹挟一同进入袋式除尘器时，极易吸收烟气中的水分，发生化合反应生成氢氧化钙，其与CO2反应后生成的CaCO3，附着在除尘布袋表面，使布袋板结，影响除尘器过滤面积、过滤风速，导致过滤效率降低、过滤后烟气排入大气的颗粒物浓度超标。

针对石灰窑除尘设施结垢问题，诸多研究结果均取得了明显的成效。有分析指出，通过在引风机外壳底安装冷凝水外排控制阀、在进气弯头下方安装集水槽，定期外排收集的冷凝水，定期人工维检，定期对除尘管道清灰，并在集尘罩管道增设气体折流板，同时选用防水材质的滤料或多材质混合滤料[1]，十分有利于缓解石灰窑除尘管道的水汽含量较高、结垢现象。祁东彬指出，采用脉冲式布袋除尘器，定期反吹清灰，并在清灰时采用自动化控制阀门间开、关切换时间，可以大幅提高除尘气清灰效果[2-3]；优化滤袋设置结构，合理调配反吹气反吹压力、时间等，均有利于除尘器除稳定运行、达到预期除尘效果，有利于提高石灰窑废气除尘效果[1]。

回转窑石灰窑还普遍存在漏风率、窑顶温度、成品出料温度偏高等问题，有研究指出，改造传统的直筒型窑体为窑尾锥形窑体，加强窑本体密封，有利于降低漏风率；对预热段内衬进行改造，采用隔热材料预制块替代传统的耐材内衬，并对窑体燃烧段至窑头部分采用复合砖+隔热材料修筑方式，可大幅减低窑顶温度、提高耐材使用寿命；采用竖式冷却+耐热袋式成品输送机的形式有利于降低成品温度，很大程度上减少了石灰窑热耗[4]。此外，由于国内钢铁行业引入回转窑的时间相较于其他两种主流窑型早，在超低排放改造时，有部分企业由于产量、场地等因素限制，无法新建、更换原有回转窑窑型，为达到超低排放要求，只能在原有基础上进行改造。所以，应给予回转窑环保治理及改造技术一定的关注。

目前，回转窑普遍存在窑尾烟气偏高问题，即便采用耐高温材质滤料，长时间高温环境下运行也易损坏除尘布袋，缩短布袋使用寿命，出现袋式除尘效果降低、颗粒物排放浓度超标、后期维检费用高等问题。

有研究指出，通过改造回转窑预热系统，采用竖式预热器替代链篦式，投运后既可保证产量和质量，又可将废气温度降低至200℃以下，延长了布袋的使用寿命。同时，该项技术改造将回转窑窑尾正压操作环境转变为负压操作，废气颗粒物外排浓度也相应的降低。该项技术的应用不仅可以满足环保要求，还提升了热效率，减少了热耗及燃料消耗，实现了节能降耗的目的[4]。通过采用烟气预热回收技术，将160℃～300℃的高温烟气引入气-水换热器，通过热交换使高温烟气的转化成270kg/t石灰的低压蒸汽，产生的低压蒸汽并入公司管网，根据实际需求用于生产或供生活采暖使用。既可降低烟温保证袋式除尘器稳定、安全运行，使烟气达标排放，又能实现节能降耗的效果。

四、石灰窑节能、减碳技术现状

在积极有序推动钢铁行业超低排放改造的同时，中央于2020年9月提出了碳达峰、碳中和目标，此后中共中央国务院、生态环境部、工信部等相继发布《关于开展重点行业建设项目碳排放影响评价试点的通知》《完善能源消费强度和总量双控制度方案》的通知、《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》《废钢铁产业“十四五”发展规划》《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》《关于绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》等重要文件，明确表示全力推进工业节能降碳、倡导工业绿色低碳转型，并指出钢铁行业要确保如期完成“双碳”目标。可见，钢铁行业实施节能降碳技术势在必行。

在钢铁行业各生产工序中，石灰工序是减碳的重要环节，因碳酸钙分解产生的烟气主要成分是CO2，成品石灰的活性对下游炼钢工序的石灰消耗量有重要影响，因此其对炼钢工序的节能碳、减排均具有重要的作用，且具有一定的独特性。由于采用先进窑型是石灰窑冶炼节能降耗、减碳技术发展的重要前提、具有至关重要的作用。国内钢铁企业主要选用的先进窑型（套筒窑、双膛窑、石灰窑）的工艺参数对比（见表1）。

如表1所示，在保证产品质量的前提下，回转窑和双膛窑允许入炉原料最小粒度最小，而套筒窑较大；产品石灰活性度、过烧率为套筒窑最优、双膛窑和回转窑次之；单位热耗回转窑最大，双膛窑和套筒窑均相对较小；单位电耗套筒窑最小，回转窑与双膛窑单位电耗相似。一般套筒窑生产的石灰活性度较高，回转窑产量较大，双膛窑节能效果最佳，三种窑型各具优点。

表1 不同窑型石灰窑冶炼工艺指标

近年，随着环保要求提高和技术逐步发展，不同窑型石灰窑的冶炼指标也得到了同步提升。目前，舞钢2019年建设投产的日产量600t双膛窑，采用高自动化控制系统，对温压、产品质量等参数以及上料、装卸等各系统均进行了自动检测、控制，产品活性度在360～400ml范围内，质量稳定，能耗可达3556.4～3765.6 kJ/kg石灰，生烧率可达5%以下[5]。

相较于双膛窑，套筒窑和回转窑普遍存在工艺烟气温度较高的问题，烟气烟温一般约为200℃～250℃，热能损失较大。在新窑设计时或对于现有窑体改造，在综合考量窑体承重状况、钢结构强度等多方面因素后，如果考虑增加预热段长度或增加回转窑冷却段长度，使烟气冷却距离、时间增加，将烟温降至100℃～130℃，随烟气温度降低热能损耗随之减少。同时，由排烟量公式可知，随温度降低烟气量减少，污染物排放量也随之减少。此方法既可取得显著的节能效果，又利于窑体工艺烟气除尘，兼顾石灰窑的节能、环保效果。对此，应该予以更多的关注。

目前，回转窑单窑产能突破1200t/d[6]，能耗也逐年减小，回转窑煅烧石灰石入炉最小粒度可达10mm[7-9]。随着回转窑冶炼技术的逐步发展，该窑型能耗明显下降，加之其具有产量大、入炉石灰石粒径范围广、生烧率较低等特性，目前在钢铁行业应用较广。有研究指出，回转窑配合智能燃烧技术，建立高精度控制模型，自动优化生产过程参数，可降低污染物排放及生产成本，稳定产品质量，并有利于实现节能减排的目标[8-9]。

据统计，自2015年至2020年我国钢铁行业粗钢产量逐年增加，但炼钢石灰单耗呈现逐年缓慢下降趋势，单耗由吨钢45.5kg下降至吨钢36.8kg，说明近年逐步淘汰落后产能、采用先进窑型替代落后窑型，对石灰窑节能降耗起到了十分明显的作用（见表2）。

表2 2015-2020年我国粗钢产量、石灰消耗量及单耗统计

在石灰窑节能降耗取得显著成效的同时，我们也应对石灰窑减碳治理技术给予更多的关注。其中，需要特别关注的是石灰窑的冶炼指标中的石灰活性度，该指标与石灰窑碳排放息息相关。

活性度≥310ml的石灰称之为活性石灰，其具有高纯度、高活性度特征。活性石灰造渣效果十分显著。炼钢过程中应用活性石灰，可减少冶炼造渣时间、缩短吹炼时间、提高钢水收得率、降低石灰单耗，有利于钢水脱硫去鳞，进一步提高钢水质量。有资料统计，采用高质量石灰（活性石灰）与使用普通石灰相比，转炉吹炼时间可缩短10%,钢水收得率可提高1%,石灰消耗可减少30%～50%以上，原料的废钢比可提高2.5%[11-12]，十分有利于实现炼钢过程的节能、减碳目标。

近年，随着钢铁行业石灰窑装备升级、冶炼技术的优化、节能意识提高、逐步认识到活性石灰在炼钢冶炼中的重要作用，炼钢石灰中活性石灰消耗量占比逐步提高，到2025年我国冶金石灰达到国际先进水平的产能占比预计可增加至70%以上[6]。

石灰窑产生的二氧化碳主要来自于石灰石的分解以及燃料燃烧[13]。相关研究指出，生产1t石灰产生二氧化碳为1.1～1.7t[6]，严格控制煅烧时间和温度，避免石灰石煅烧过程中产生生烧、过烧现象，采用气体燃料替代固体燃料，提高入窑原料、气体燃料质量，配合自动化智能燃烧等技术，是直接影响活性石灰质量的关键因素[13-15]；一般情况下，石灰活性度提高，炼钢工序石灰用量会相应降低，有利于二氧化碳排放量减少。所以，提高石灰活性度也是实现石灰窑碳减排的重要途径。增加石灰活性度，减少单位产品二氧化碳排放，进一步优化能源结构，配合采用碳捕集、封存及利用技术，十分有利于石灰窑工序减碳。

目前，钢铁企业石灰窑产生的CO2大部分直接排放，大多未进行捕集、封存及利用。值得关注的是，诸多领域CO2均可以得到有效应用，如冶金、石油、化工、机械加工和农业、食品存储、冷藏冷冻等行业。有研究指出，二氧化碳捕集再利用的成本相对较低[12]。现今较为成熟的CO2捕集技术主要为PSA变压吸附法、化学吸收法及液化提纯法等。我国已有采用PSA变压吸附法捕集石灰窑CO2钢铁企业。首钢京唐采用PSA变压吸附法对石灰窑产生的烟气进行3级加压、2级吸附，提纯出浓度超过99.8%的CO2，并分别与氧气混合用于300t脱磷转炉顶吹、与氮气混合用于300t脱磷转炉底吹。实际投产运行后，炉渣铁损减少5585t/a，两种喷吹模式下分别节约氮气年用气费用254万元、氧气年用气费用424万元，相较于使用纯氧气、氮气喷吹脱磷，2座转炉产出钢水的磷含量减少5%左右、年费用节约500万元左右；经折算，石灰窑CO2捕集、再利用后，相较于直接排放CO2排放量减少1531.25t/a（减碳416.5t/a）[16]。捕集的石灰窑CO2若还存在富余量还可作原料外售其他相关行业。

目前，焦化工序、炼钢工序、轧钢工序等均已有对CO2加以利用的技术。焦化工序产生的CO2可与焦炉煤气制取乙二醇、与苯酚制取水杨酸，制得的乙二醇为溶剂、合成涤纶等重要化工原料，制得的水杨酸为食品加工业、制药等行业重要的原料，近年两种副产物在相关行业需求量持续增长，均具有较好的市场前景。炼钢工序，CO2替代部分氩气或氮气可用作转炉喷吹气，由于反应生成的CO体积更大，其搅拌能力明显优于氮气和氩气，可进一步在精炼工序提升LF炉脱硫率和RH脱碳效率。此外，实验表明，通过在转炉吹氧时混合一定比例的CO2，可以提高钢水的脱磷效率、降低炉渣铁损，并提高煤气回收量。轧钢工序，CO2混合氩气替代氩气焊接不锈钢板、碳钢板，焊缝性能、焊接质量等均优于使用纯氩气、纯CO2焊接。此外，CO2还可用作海水淡化后的浓海水脱硬预处理，经处理后的浓海水可再利用作为膜法淡化的原料水，既减少了该方法的结构问题，又解决了我国北方地区由于冬季海水温度较低使用膜法海水淡化时造成的一系列相关问题；预处理反应生成的副产物为化工原料，可外售再利用[13,17]；油田开采使用CO2驱油技术可提高采收率；蔬菜大棚引入净化后的CO2，十分有利于蔬菜的生长发育，进而增加产量且采收的蔬菜质量较高[13,18]。

综上，石灰窑产生的CO2捕集后具有较为广泛的应用市场，可实现石灰窑及相关工序/行业节能降耗、减碳的目的，并可节约实际运行成本。推行石灰窑CO2捕集、封存及利用技术，具有较大的发展空间和较广泛的应用市场。建议有关方面应给予更多的关注，进行深入的研讨，积极推动该技术的发展与应用。

五、结语

目前，我国钢铁行业石灰窑的环保、节能技术较为成熟，应用广泛，且取得了较好的成效，但石灰窑碳减排技术仍需进一步深入探讨，其中，石灰成品的活性度提高与石灰工序碳减排有十分密切的关联，所以，在关注石灰窑CO2捕集、封存及利用等减碳技术的同时，也应就如何提高石灰窑出品石灰活性度和降低烟气温度相关技术进行深入探讨和研究。