石灰豎窯設計的一些探討

摘要：本文對石灰豎窯設計進行了簡單探討。

關鍵詞：石灰豎窯

隨著我國國民經濟持續、穩定、健康的發展，對鋼的質量要求愈來愈嚴格，石灰的質量將直接影響所煉鋼材的多少和好壞，所以在冶金企業中，石灰的質量是非常重要的。我國雖然是能源大國，但由于工藝落后，尤其是舊窯型和土燒石灰窯污染大、質量差、能耗高、產量低，達不到煉鋼對石灰的質量要求，與世界上機械化全自動化石灰窯相比，差距還相當大。在石灰石煅燒過程中，窯體形狀的設計及原料的選擇是保證石灰質量的前提。在現階段，尤其是在國家控制環境污染，節能降耗的大背景下，燒固體燃料的機械化立窯和氣燒活性石灰窯是各鋼廠和企業面臨的選擇。機械化立窯煅燒產品活性低，對煉鋼和煉鐵要求不是能很好滿足，但是因為機械化立窯相對于氣燒活性石灰窯投資小，見效快，能耗低等一系列優點，還是各個鋼廠和向鋼廠供石灰的小企業的首選，而且由于燒結用灰也占很大比例，所以機械化立窯市場非常廣闊。

1 幾種窯型的比較

目前，國內較常使用的機械化立窯窯體形狀有以下幾種：圓截面形、橢圓截面形和準矩形截面形，當然還有根據這幾種窯型改進的窯型。橢圓截面形和準矩形截面形相對于圓截面形來說，對布料設備要求高，一臺布料設備很難保證物料在窯體內的均勻性，所以在沒有燃料、燃燒方式的特殊要求下，一般采用較少。圓截面形在布料過程中，因為物料在所有方向的分布概率相等，對于石灰窯布料的均勻性而言，圓截面形布料的方式更加簡單，對設備要求更低。圓截面形窯體又分為：直筒形、截圓錐形、花瓶型。

直筒形窯體，窯的內徑上下相同。這種窯的主要優點是：結構簡單、穩固和砌筑方便；具有較小的容積表面積，向周圍介質的散熱損失小。缺點是：當混合料粒度發生變化時，物料下落和氣流沿窯身整個截面分布的均勻性較差，窯壁效應明顯。截圓錐形窯體，窯的內徑自上至下逐漸擴大，呈喇叭口形，在窯身的下部向下又逐漸縮小為截圓錐形。物料和氣流沿窯身分布均勻，這種窯型有利于物料的均勻下落，窯壁效應明顯減小。花瓶型窯體，窯的內部幾何形狀呈花瓶型。這種窯體是由截圓錐形窯體發展來的，截圓錐形窯體的內截面輪廓線是折線，而花瓶型窯體為光滑曲線。因是流線型的窯體，加熱過程中，窯體上部形成負壓時，氣流受阻減小，這樣就使花瓶型窯體除了具有截圓錐形窯體的優點，還具有熱利用好，攏火的特點。通過實踐可以看出，花瓶型窯體比截圓錐形窯體和直筒形窯體不管從節能方面還是窯體壽命方面均能體現出一定的優勢。但是因為花瓶型窯體在砌筑、異型磚選擇等方面比截圓錐形窯體麻煩，所以截圓錐形窯體在實際中應用還是比較廣泛。

2 截圓錐形窯體布料平面錐度的設計

為了減小窯壁效應，我們一般采用的是旋轉布料方式。在物料下落過程中，因為粒度大的物料在窯體中心位置，相應的窯體中心物料間隙大于周邊（不包括窯壁處）物料間隙，這樣就會出現在窯體同一平面上燃料分布不均勻、窯體“偏火”的現象，為了減小這種現象，我們有必要加大在布料平面的周邊物料的孔隙率，一般采用的方法是在窯體的布料平面下做成正錐形，物料在下落的同時，以環線為中心向兩邊分布，這樣就可以增大周邊物料的孔隙率，使每次的布料平面的孔隙率相同，在每次加料后燃料下漏量相同，減小偏火現象。當然，這種錐度也不是越大越好，當超過某一值后，隨著錐度的增大，石灰的生燒率明顯增高，而且由于窯體周邊孔隙率太大，下漏到周邊的燃料增多，窯壁的溫度明顯高于窯體中心溫度，這樣對窯襯的壽命影響很大，由于我們一般把熱電偶插在窯壁第一層耐火磚后，這樣，溫度反饋的信號就不能真實反映窯體內的實際溫度，從而引起配風系統的操作存在較大誤差。根據經驗，我們一般把錐度收縮量控制在不小于3塊所煅燒的石灰石直徑，不大于窯體最大直徑的25%范圍之內。通過大量的生產實踐，我們認為這個數值是合理可行的。

3 截圓錐形窯體預熱帶高度的計算

H預——預熱帶高度，m；t料——經熱交換后物料的溫度，℃；t氣——進入熱交換區的氣體溫度，℃；D料——石料消耗量，kg；d料——石料直徑，mm；ρ視——視熱容，kg/m3；C視——比熱，KJ/（kg·k）；α∑——總放熱系數，W/（m2·k）；ρ堆——堆密度，kg/m3；W料——料流水當量，kg/h；W氣——氣流水當量，kg/h。

通過以上公式可以看出，預熱帶高度是關于石料直徑d料的函數，也就是說對于不同煅燒石灰石的直徑，預熱帶高度是不同的，所以設計石灰窯時必須清楚參與生產的石料的尺寸。預熱帶過低不能完全利用余熱，因為窯氣溫度過高，對工藝中的除塵系統會造成很大的影響，對除塵設備提出的要求會更高。盲目的增大預熱帶的高度也是非常錯誤的。預熱帶過高好像對余熱的利用更高，其實不然，預熱帶過高會增加工程造價這是不言而喻的，最主要的是預熱帶過高會出現儲料帶，在儲料帶會發生CO2+C=2CO的劇烈反應，這樣就增大了窯氣中一氧化碳的含量，使窯氣惡化。隨著預熱帶的增加窯體高度也隨著增高，同時窯體內氣體的阻力也增加，對窯下鼓風機的性能也提出了更高的要求。當然還會出現能耗增大、產品成本增加的一系列問題。可見預熱帶對石灰窯來說是非常重要的，設計人員必須重視起來。

4 截圓錐形窯體煅燒帶高度計算

H煅——煅燒帶高度，m；X0——煅燒帶中氧含量的初始濃度，%；X——煅燒帶中氧含量的最終濃度，%；Re——用于煅燒帶的雷諾數；χ——燃料層煅燒系數；d燃——燃料直徑，mm。

煅燒帶的位置和高度在石灰窯煅燒過程中的重要性不言而喻，因為這里溫度最高，壓力最大，化學反應最劇烈。通過上式我們可以看出，煅燒帶的高度是燃料直徑d燃的函數，燃料直徑越大煅燒帶越長，所以說一種窯型設計完以后，它的煅燒原料尺寸也就確定了，不是一種窯可以用好多種原料。如果使用的燃料直徑大于窯體所設計的燃料尺寸，煅燒帶下移，出灰溫度升高，不僅浪費能源，而且對出灰設備的壽命影響也很大；如果使用的燃料直徑小于窯體所設計的燃料尺寸，煅燒帶上移，預熱帶縮短，窯氣溫度升高，浪費能源，并且對窯氣處理設備影響很大。可見只有正確的計算出煅燒帶的位置及尺寸，嚴格按照設計的參數生產才能真正實現節能降耗的目的。

5 截圓錐形窯體冷卻帶高度計算

H冷——冷卻帶高度，m；S灰——石灰的產量，kg；D灰——石灰的直徑，mm；ρ視——石灰視密度，kg/m3；C視——石灰視熱容，KJ/（kg·k）；α∑——總放熱系數，W/（m2·k）；ρ堆——石灰堆密度，kg/m3；W料——料流水當量，kg/h；W氣——氣流水當量，kg/h。

通過以上公式可以看出冷卻帶的高度與石灰的產量成正比，產量越高冷卻帶越長，盲目的增大或減小冷卻帶的高度也是不可取的，冷卻帶高度的改變勢必影響煅燒帶和預熱帶的位置，對石灰的品質和窯體的壽命會造成很大的影響。

6 截圓錐形窯體冷卻帶“收口”的設計

為了使空氣的在窯的橫截面上良好分布，同時減小卸料裝置及內部風帽的尺寸，一般把冷卻帶的形狀設計成倒圓錐形的。通過實踐和參考有關書籍，這個錐度以窯體母線與水平面呈98°的傾角我們認為是可行的。

物料下落過程是一個體積膨脹的過程，只有準確計算出預熱帶，煅燒帶，冷卻帶才能有效減小物料對窯壁的壓力；因為能清楚的知道煅燒帶的位置，從而可以減少高品質的耐高溫的耐火磚的使用量，這樣即增加石灰窯窯體的使用壽命又減少了浪費，降低石灰窯工程的投資。通過預熱帶、煅燒帶、冷卻帶高度的計算可以準確掌握石灰窯內部的熱分布和對以后的生產數據進行科學準確的分析，對窯體內煙氣的成分檢測和比較就有的放矢了。

作者簡介：焦芳：（1977-），性別：女，民族：漢，籍貫：保定安國市，職稱：助理工程師，學位：學士，主要研究方向：煤礦機械。