大型石灰豎窯設(shè)計經(jīng)驗與探討

宋雙彥

（中冶賽迪上海公司，上海 200940）

隨著我國工業(yè)化的迅猛發(fā)展，各式石灰豎窯在各行各業(yè)中普遍應(yīng)用。在生產(chǎn)管理和運行中，窯爐系統(tǒng)的順行性、達產(chǎn)達效性、機械化和自動化程度、節(jié)能環(huán)保指標等存在諸多待解課題。尤其是在國家控制環(huán)境污染、節(jié)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企業(yè)面臨的選擇。與氣燒活性石灰窯相比，雖然機械化立窯煅燒產(chǎn)品活性低，不能很好滿足煉鋼和煉鐵的要求，但其具有投資小、見效快、能耗低等優(yōu)點，而且石灰窯燒結(jié)用灰占比很大，所以機械化立窯是用戶的首選，應(yīng)用市場非常廣闊［1］。鞍鋼集團耐火材料公司開發(fā)建設(shè)了2座大型機械化焦炭石灰豎窯，是國內(nèi)首創(chuàng)大型石灰煅燒設(shè)備。該窯融合了俄羅斯、日本、歐洲類似豎窯的先進技術(shù)，在同類焦炭豎窯中，其有效容積、機械化和自動化程度、產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保、投資成本等方面均為領(lǐng)先水平。本文結(jié)合該窯的設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗，分析了類似窯的問題，討論解決問題的方案。

1 石灰豎窯的組成及工藝

石灰豎窯一般由幾個部分組成：窯上料及布料系統(tǒng)、窯本體煅燒系統(tǒng)、成品出料系統(tǒng)、供風系統(tǒng)及公輔系統(tǒng)等，豎窯系統(tǒng)工藝流程見圖1。簡要工藝流程如下：

圖1 豎窯系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process Flow of Shaft Kiln System

篩分合格的石灰石/焦炭物料經(jīng)過稱量斗稱量，被斗式提升機送到窯頂部稱量斗，再由電振給料機卸入旋轉(zhuǎn)料斗，由窯旋轉(zhuǎn)頂布料器均勻分布到窯內(nèi)。

豎窯內(nèi)一般從上到下分三個區(qū)：預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶。石灰石物料在窯內(nèi)預(yù)熱帶與逆流燃燒廢氣熱交換的同時下落，進入煅燒帶，被高溫煙氣和焦炭燃燒火焰等煅燒成為合格產(chǎn)品。成品石灰繼續(xù)向冷卻帶移動，進入冷卻帶后，與鼓入窯內(nèi)的冷卻風進行熱交換。冷卻后的合格產(chǎn)品由出料裝置輸出，卸到成品輸送皮帶上，送往下個工序或成品庫。

從窯底部鼓入的冷空氣在冷卻石灰的同時被加熱，與物料下落方向相反，逆流而上，在煅燒帶成為助燃空氣，使燃料充分燃燒，將石灰石煅燒為石灰。燃燒后的煙氣繼續(xù)向窯頂流動，預(yù)熱預(yù)熱帶的石灰石料柱，同時煙氣被冷卻，經(jīng)窯頂排氣管、除塵凈化裝置凈化后，經(jīng)煙囪排入大氣。

2 豎窯生產(chǎn)中的主要問題

2.1 原料欠/過燒

石灰石煅燒速度取決于其粒度及煅燒溫度，在一定溫度下，粒度越大，煅燒速度越慢。因為隨著形成石灰層的厚度增加，石灰的導熱系數(shù)小于石灰石，熱量難以進入石塊內(nèi)部，因此產(chǎn)生生芯現(xiàn)象，造成欠燒。

如果石灰石粒度過小，易與燃料灰分結(jié)合，生成低熔點固溶體液相而結(jié)坨，降低窯內(nèi)透氣性，形成偏窯或懸料等現(xiàn)象，影響物料均勻煅燒。同時，小粒度石灰石也容易被過燒，降低石灰氣孔率，導致活性度降低，因此，豎窯石灰石粒度一般控制在40～80 mm。

2.2 窯上料系統(tǒng)不穩(wěn)定

豎窯上料系統(tǒng)加料處普遍揚塵較大，單斗提升機容易斷繩，造成小車下落等事故。同時，料斗里的物料顆粒容易偏析，入窯后，窯斷面顆粒分布不均，易造成窯內(nèi)氣流阻力不均，產(chǎn)生偏窯、生燒、過燒、結(jié)坨、懸料等現(xiàn)象。

2.3 燃料配比不合理

燃料比例和熱值不穩(wěn)定，雜質(zhì)多，同樣造成石灰石煅燒不均勻，有生燒、過燒現(xiàn)象出現(xiàn)，產(chǎn)品活性度低，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 供風系統(tǒng)不合理

由于供風系統(tǒng)不能將助燃空氣均勻分布在窯內(nèi)，造成有的地方風量多，含氧量多；有的地方風量少，空氣含氧量不足，使得燃料燃燒不均，造成石灰石煅燒不均，有的地方過燒、結(jié)坨；有的地方欠燒產(chǎn)生生芯，同樣影響產(chǎn)品活性度等質(zhì)量指標。

3 本設(shè)計豎窯系統(tǒng)

3.1 上料系統(tǒng)

為保證窯煅燒系統(tǒng)順暢，料柱氣孔率均勻，設(shè)計中，物料在入爐前進行篩分，嚴格控制物料粒度在合理范圍內(nèi)（40～80 mm），減少粉料量和雜質(zhì)，避免在窯內(nèi)結(jié)塊，影響窯內(nèi)物料順行和透氣性。

圖2為本設(shè)計豎窯和普通豎窯的上料系統(tǒng)配置的對比。由圖2看出，普通豎窯在窯前一般只是設(shè)置上料皮帶或皮帶秤，本設(shè)計豎窯為避免小車加料處揚塵和加料量不準確，在窯前設(shè)置稱量斗裝置，每批料都經(jīng)過稱量斗稱量后裝入上料小車，在此處還設(shè)有防止揚塵的防塵及除塵裝置，避免冒灰，改善生產(chǎn)環(huán)境。

圖2 本設(shè)計豎窯和普通豎窯上料系統(tǒng)配置的對比Fig.2 Comparison of Feeding System Configurations for New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

為保證上料系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性，采用變頻調(diào)速斗式提升機，并設(shè)有保護開關(guān)、事故開關(guān)及斷繩保護裝置等。本設(shè)計的上料小車軌道采用大角度，軌道傾斜角達80°，減小了行走摩擦力，卷揚位置設(shè)在離窯更近、更高的位置，改善繩索受力情況，其上面設(shè)有防雨設(shè)施，保護設(shè)備的同時便于觀察和檢修。

為改善加料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，窯頂設(shè)有緩沖料斗，使物料進一步混合均勻，提高了上料系統(tǒng)控制的可靠性，保證入窯煅燒物料量的準確性和連續(xù)性。

3.2 窯頂旋轉(zhuǎn)布料器

為了將物料均勻布置到窯頂物料斷面上，豎窯頂部選擇勻速旋轉(zhuǎn)布料器。為防止顆粒偏析，在布料器溜槽端部設(shè)有角度可調(diào)的擋料裝置，使分布在窯內(nèi)的物料落點可調(diào)，保證了布料的均勻性。

為防止窯斷面布料量不均，在布料器上設(shè)計了9個定位開關(guān)，旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計為變頻調(diào)速式，可以沿著布料半徑勻速布料、變速布料、定點布料。每次調(diào)整量最大可達3 t，能夠及時調(diào)整窯內(nèi)偏窯等現(xiàn)象，使窯內(nèi)料柱斷面阻力盡量一致，上升氣流均勻分布，穩(wěn)定窯況，便于物料均勻預(yù)熱、煅燒和冷卻。

3.3 窯頂料位計

普通豎窯容積小，斷面內(nèi)徑小，窯頂均采用一套料位計，有液壓重錘式、電動重錘式、探尺式等。而大容積、大斷面豎窯則不同，內(nèi)徑達4.8 m，一個料位計顯然不能真實反映窯內(nèi)布料的偏差。圖3為本設(shè)計豎窯和普通豎窯的料位檢測的對比，本設(shè)計采用超聲波料位計，且在窯頂不同半徑上每隔120°夾角布置一個，能更好地測量窯頂裝料和料面均勻分布情況，占用空間小，靈活耐用，便于生產(chǎn)操作和調(diào)整窯內(nèi)料柱各區(qū)域標高。

圖3 本設(shè)計豎窯和普通豎窯料位檢測的對比Fig.3 Comparison of Material Level Detecting for New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

3.4 窯頂部密封結(jié)構(gòu)

一般豎窯頂部溫度比較高，窯頂操作環(huán)境惡劣，有的高達500℃，對設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)等要求較高，且影響使用壽命。針對這種情況，本設(shè)計在窯頂部設(shè)置雙重密封裝置的同時，增加預(yù)熱帶高度，增加料層與窯尾氣交換面積。圖4為本設(shè)計豎窯和普通豎窯窯頂蓋結(jié)構(gòu)的對比，由于交換面積增加，從而有效提高窯換熱效率，大大降低廢氣排放溫度，使窯頂廢氣溫度控制在100℃以內(nèi)，同時也減少粉塵排放，達到節(jié)能減排的目的。

圖4 本設(shè)計豎窯和普通豎窯窯頂蓋結(jié)構(gòu)的對比Fig.4 Comparison of Kiln Cover Structures of New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

此外，在窯頂蓋和周邊采用隔熱層進一步減小窯頂散熱量，同時頂部耐材采用輕質(zhì)和重質(zhì)相結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)，最終窯頂蓋溫度控制在80℃以下，避免了窯頂設(shè)備受高溫影響，取得了良好的保溫節(jié)能效果。能源成本是生產(chǎn)工藝成本的主要部分，一般占到總能耗的80%以上，由于減少了廢氣量，降低了排放溫度，減少了窯頂散熱量，經(jīng)濟效益顯著提升。

3.5 窯殼及爐型

大型石灰豎窯由于半徑大，窯殼橢圓度不好控制，鋼板容易變形，焊接誤差大，加工難度高。為避免上述問題，本設(shè)計在充分利用鋼板寬度的基礎(chǔ)上，在窯殼上設(shè)有加固圈，圖5為本設(shè)計豎窯和普通豎窯窯殼的對比。加固圈不僅容易實施焊接工藝，而且提高牢固性，節(jié)省材料，同時保證了窯殼設(shè)計尺寸、橢圓度和密封性。

圖5 本設(shè)計豎窯和普通豎窯窯殼的對比Fig.5 Comparison of Kiln Shells of New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

在爐型設(shè)計上，由于大容積窯斷面達18 m2，料柱高達22 m，整個窯的側(cè)面擠壓力和料柱垂直荷載都大大增加。為保證物料流動順暢，煅燒氣流均勻分布，穩(wěn)定流動于預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶及三個煅燒區(qū)域位置，且氣流長度合理，對窯的高徑比、窯下部椎體、窯底鼓風裝置等都做了特殊的設(shè)計。特別是下椎體與出灰機的夾角，在滿足物料安息角的前提下，盡量做到最小，使窯出料順暢，避免懸料、結(jié)坨、卡料、出料溫度高等現(xiàn)象，出料溫度控制在80℃以內(nèi)。

3.6 窯內(nèi)襯耐材

為避免大型豎窯耐材量過大，荷載過高，本設(shè)計豎窯采用輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)，即一層重質(zhì)磚作為工作層，其余為輕質(zhì)磚和保溫材料，在滿足高溫、耐磨、耐腐蝕、吸收膨脹等工況的同時，大大減輕荷載，密封和保溫效果良好，窯殼溫度可以控制在75℃以內(nèi)，減少了窯體散熱，改善了操作環(huán)境。

此外，為避免保溫隔熱材料長期使用老化、變形、粉化、堆料等情況，在豎窯高度方向，每隔一定高度設(shè)有支撐環(huán)，增強了耐材砌筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長了內(nèi)襯使用壽命，一般可達8年以上。

3.7 窯下部支撐結(jié)構(gòu)

大型豎窯有效容積達 430 m3，有效高度24 m，窯內(nèi)裝載物料近700 t，加上設(shè)備、耐材、鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)施，總荷載達1 300多噸，因此，下部的支撐尤為重要。本設(shè)計采用鋼結(jié)構(gòu)支撐和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的辦法，既滿足了下部出料設(shè)備的安裝和檢修空間，又穩(wěn)定地支撐起整個上部荷載，同時，克服高溫對下部結(jié)構(gòu)的影響。

3.8 窯出料裝置

溫度分布不均石灰豎窯容易結(jié)塊，出料設(shè)備要有足夠的出料面積和支撐作用，設(shè)計采用螺錐出灰機，圖6為本設(shè)計豎窯和普通豎窯出料系統(tǒng)的對比。

圖6 本設(shè)計豎窯和普通豎窯出料系統(tǒng)的對比Fig.6 Comparison of Discharging Systems of New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

由于螺錐出灰機堅固耐用，且能對大塊料起到破碎及攪拌作用，避免了懸料、卡料等現(xiàn)象。采用變頻調(diào)速電機后，出料量可調(diào)，便于控制出料速度，并與上料系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、鼓風系統(tǒng)、料位檢測等連鎖，維持窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)定，各帶長度分布合理，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖7為本設(shè)計豎窯和普通豎窯卸料裝置的對比，由圖7看出，本設(shè)計豎窯卸料段采用兩道液壓出料閘板，保證豎窯連續(xù)不停風出料，避免了普通出料設(shè)備卡料、漏風等情況，保證了系統(tǒng)的嚴密性，穩(wěn)定窯況及產(chǎn)能。

圖7 本設(shè)計豎窯和普通豎窯卸料裝置的對比Fig.7 Comparison of Unloading Devices of New Designed Shaft Kiln and Ordinary Shaft Kiln

3.9 豎窯燃燒和鼓風系統(tǒng)

目前，大斷面窯普遍采用嵌入式多點布置噴槍、梁式燒嘴、側(cè)面高速燒嘴等達到煅燒帶溫度分布均勻的目的，但存在噴槍頭磨損燒蝕、梁維修困難、煅燒不均、生燒、過燒、結(jié)坨等現(xiàn)象。

本設(shè)計豎窯采用焦炭和石灰石混燒，最大限度利用燃料有效熱，能耗相對較低。除了在窯上料、加料系統(tǒng)考慮物料混勻之外，還在窯底鼓風系統(tǒng)考慮氣流分布的均勻性，在窯周邊及中心布置帶風帽的鼓風裝置，使氣流沿著窯底物料斷面均勻分布，并緩慢上升，擴大了進風面積，提高了窯冷卻帶熱交換效率，保證合格產(chǎn)品迅速冷卻，同時也保護了出料設(shè)備。

窯鼓風系統(tǒng)采用高壓變頻風機，保證窯內(nèi)壓力的同時，滿足助燃和冷卻兩個功能。冷卻風從窯底部中心和窯下部側(cè)面供給，快速冷卻物料的同時被加熱，繼續(xù)向上流動作為輔助燃料燃燒的二次風，使焦炭充分燃燒，節(jié)約能源。

3.10 煙氣凈化系統(tǒng)

窯頂部設(shè)有2個廢氣收集罩，使窯頂處于負壓狀態(tài)，廢氣流均勻穩(wěn)定，避免產(chǎn)生窯壁偏流現(xiàn)象。在每個廢氣收集罩入口設(shè)有隔網(wǎng)，避免碎石等落入。廢氣與石灰石充分換熱后，低于100℃，再通過布袋除塵凈化合格后排入大氣，凈化后的粉塵含量低于20 mg/m3，滿足環(huán)保要求。

3.11 “三電”系統(tǒng)

鞍鋼集團耐火材料公司白灰車間原來的21座小豎窯比較落后，沒有集中操作畫面，單窯產(chǎn)量低，產(chǎn)品質(zhì)量差，能耗高。本設(shè)計豎窯全窯采用自動化PLC控制，可以實現(xiàn)一鍵操作，多畫面集中CRT監(jiān)控，自動化程度高，真正實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)石灰。在窯頂部、窯各個溫區(qū)分布帶、窯出料端均設(shè)有溫度、料位等檢測，同時窯加料量、出料量、燃料混配比例、廢氣量、鼓風量及其壓力、流量等均可控制調(diào)節(jié)，隨時調(diào)整窯各個操作參數(shù)，使窯系統(tǒng)處于最佳熱工狀態(tài)，保證產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

（1）生產(chǎn)系統(tǒng)PLC過程控制功能

從原料儲存、輸送到成品輸送、儲存所有設(shè)備啟/停、邏輯控制、狀態(tài)顯示、檢測參數(shù)等可全部在計算機上操作，實現(xiàn)系統(tǒng)周期上料、出料。根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)、報警連鎖參數(shù)等自動順序控制，連續(xù)順行生產(chǎn)，使系統(tǒng)在完全自動化狀態(tài)下穩(wěn)定生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)力。

（2） 儀表系統(tǒng)

在原料系統(tǒng)設(shè)置除鐵器、料量稱量裝置，在成品系統(tǒng)設(shè)置料量、溫度檢測等裝置。在窯的頂部、窯側(cè)面不同煅燒段、出料端設(shè)置料位、壓力、溫度等檢測裝置。在供、排風系統(tǒng)設(shè)置流量、壓力、溫度等檢測，整個生產(chǎn)系統(tǒng)各個參數(shù)處于可控狀態(tài)，便于生產(chǎn)預(yù)判和調(diào)整。

（3） 電訊系統(tǒng)

在整個石灰生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置了火災(zāi)報警、工業(yè)電視監(jiān)控、有線調(diào)度電話及無線通訊等功能，便于科學、有序、高效管理生產(chǎn)。

4 實際效果

在借鑒各國石灰豎窯先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，新建豎窯內(nèi)徑從4.0 m增大到4.8 m，有效容積提高了約40%。上料系統(tǒng)和出料系統(tǒng)實現(xiàn)全機械化、自動化操作，產(chǎn)品生燒、過燒量減少，產(chǎn)品活性度從180 mL提高到240 mL，殘余CO2控制在6%以內(nèi)。產(chǎn)量從200 t/d提高到320 t/d，耐材壽命長達8年以上，減輕了勞動強度，改善了生產(chǎn)環(huán)境，提高了勞動生產(chǎn)率，減小了環(huán)境污染，大大降低了生產(chǎn)成本。鞍鋼集團耐火材料公司機械化石灰豎窯系統(tǒng)于2000年11月投產(chǎn)并迅速達產(chǎn)，各工藝系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全達到設(shè)計要求的控制水平［2］。鞍鋼本部、礦山公司等相繼建了多座同樣的豎窯，目前在鋼鐵廠燒結(jié)用戶的使用效果比較好。

5 結(jié)語

對普通豎窯的窯型結(jié)構(gòu)、加料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、“三電”系統(tǒng)等進行了一系列改進設(shè)計。多年的生產(chǎn)實踐驗證，全窯系統(tǒng)機械化和自動化程度高，產(chǎn)能可達320 t/d，石灰活性度可達240 mL，延長了窯的的使用壽命，生產(chǎn)運行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保效果良好，滿足鋼鐵廠燒結(jié)等用戶需求，大大降低了生產(chǎn)成本。