弗卡斯套筒窯的設計優化

羅 聰

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410011）

0 引言

目前，我國生產冶金石灰的窯型主要有氣燒豎窯、麥爾茲窯、回轉窯及弗卡斯套筒窯。弗卡斯套筒窯（以下簡稱“套筒窯”）是目前公認的、最先進的石灰豎窯窯型，其核心技術為意大利弗卡斯公司所有。

1 套筒窯簡介

1.1 工作原理

套筒窯是圓形橫截面，窯面為環狀，裝料由頂部料鐘（布料器）加入。

（1）在套筒窯的中心裝有一個立式吊式的圓筒，煅燒帶便成為環形截面。燃燒室以徑向安裝在窯的外筒上，在燃燒室朝向窯內開口的地方有耐火材料砌筑的“拱橋”將內外筒體連接起來。“拱橋”下是將物料徑向切料，這使得燃燒氣體均勻地進入物料并釋放其熱量。上、下燃燒室交錯排列，使氣體均勻分布。

（2）兩排燒嘴將窯成分3 個煅燒帶，其中上面與中間的呈逆流煅燒、下面為并流煅燒。入窯的石灰石在預熱帶先以對流方式得到預熱，然后進入上部煅燒帶。在上部煅燒帶，上燃燒室內未完成燃燒的熱氣體完成燃燒、石灰石進行分解。在中間煅燒帶，物料和從下燃燒室分流出來的熱氣體并流燃燒而完全分解成石灰，石灰進入冷卻帶。

（3）套筒窯在負壓下工作，依靠一臺高溫廢氣引風機形成窯內負壓環境。內筒冷卻氣由離心風機供給，用于下燒嘴的一次助燃空氣及噴射器工作用氣由兩臺羅茨風機供給。

（4）套筒窯設有換熱器，利用部分燃燒廢氣對一次助燃空氣進行預熱，同時經過熱交換的燃燒廢氣溫度降低到除塵系統的允許范圍內，對下內筒進行強制冷卻而被加熱了的冷卻空氣作為二次助燃空氣供上、下燒嘴使用。下內筒與窯體所砌耐火材料共同形成再循環通道，在噴射器的引射作用將通過冷卻帶冷卻石灰而被加熱的空氣和一部分燃燒室的燃燒廢氣沿此通道再次送入下燃燒室，使得下燃燒室充分燃燒，上燃燒室產生的熱氣和下燃燒室產生的部分熱氣逆流而上、形成上部逆流煅燒，下燃燒室產生的多數熱氣順流而下、形成并流煅燒。其主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

1.2 主要部件

（1）窯殼及內筒結構。窯殼由型鋼及鋼板焊接而成，并帶耐火襯托圈，內砌耐火材料。在窯附屬結構及熱交換器平臺位置設有施工門，施工時可將耐火材料放入窯內。內套筒分為上內套筒和下內套筒，上內套筒懸掛在窯的頂部，下內套筒位于整個豎窯的中下部位。內套筒由兩層鋼板制成，兩層之間形成環隙，環隙內通過空氣強制冷卻，內套筒的內、外側均砌有耐火材料。

（2）燃燒和噴射器系統。燃燒室為圓筒設計，自撐式結構，直接焊在窯殼上。在下燃燒室末端有排塵螺旋管，裝有卸灰閥用于燃燒室排塵。上、下燒嘴分別固定在燃燒室上。噴射器連接循環氣體通道，噴射器頂端為噴射管，用金屬軟管與換熱器出來的驅動風環管相連。噴射管噴出的高壓氣體形成負壓，將循環氣體導入下燃燒室，達到窯內氣體循環的目的。

（3）耐火材料。環形套筒窯的耐火材料主要有鎂鋁尖晶石磚、低氣孔率黏土磚、高鋁隔熱磚、黏土磚、輕質黏土磚、澆注料、耐火纖維以及其他散料等，磚型約36 種。根據工作環境的不同，窯內各位置使用的耐火材料也不同：在燃燒室噴射器處主要耐材為鎂鋁尖晶石磚及鎂質搗打料；“拱橋”處主要耐火材料為高純莫來石磚，滿足耐磨要求；其他工作層主要是低氣孔率黏土磚和高鋁高強澆注料。

（4）出灰系統。套筒窯出灰系統有7 個底部帶出料口的漏斗式出料器和出料臺。為了定量出灰，每個出料臺裝置一個推桿，每個推桿定量出料、每次推出50 kg 石灰，在預調定的間隔時間將石灰推入下面的貯料斗（料斗內存在微負壓，以便吸入一定量的空氣在窯底冷卻石灰）。出料臺同步工作，每次出灰量350 kg，通過推料次數控制出灰量。

2 套筒窯的先進性

在國內已經投產的石灰豎窯中，套筒窯技術屬領先水平，其優勢主要體現在4 個方面。

（1）優質。產品活性度高達360～410 mL（采用德國Wuelfrath 法，5 min 消耗4 當量濃度的鹽酸），CO2殘余量不大于2%（24 h 平均值），生（過）燒率可控制在5%以下。活性度是優質冶金石灰最重要的質量指標，活性度越高，石灰在煉鋼時的還原能力就越強，越有利于提高煉鋼生產能力，減少造渣材料消耗，提高脫硫脫磷效果，減少煉鋼的熱量消耗。

（2）節能。與其他窯型相比，套筒窯的熱耗和電耗均較低。

（3）環保：套筒窯本體為負壓運行，無“跑冒漏”現象（這也是套筒窯有別于其他窯型最顯著的特點之一）；煙氣經過布袋除塵器后，粉塵排放濃度優于國家標準。

（4）其他：自動化水平高；故障率低，設備利用率高（每年可持續操作48 周）；生產成本和運行成本低（表2）。

表2 各種窯型主要技術經濟指標對比

3 套筒窯工藝布置的設計難點

國內某公司引進此設備，長沙有色冶金設計研究院有限公司（以下簡稱“設計院”）針對套筒窯項目做配套設計時，設計難點主要有4 個。

（1）總圖布置的設計。項目占地面積小，對多個布置方案反復篩選，選擇了最合理的總圖布置，既能保障工藝流程的順暢，又滿足合理的操作和檢修空間要求，解決了兩座600 t/d 石灰窯建設的用地問題。

（2）環保除塵的設計。石灰窯旁邊就是該公司的中央變電站（220 kV），因此環保除塵是本項目重點考慮的問題之一。除塵降噪工作主要分為4 個部分：①原料堆場除塵，考慮自動噴霧灑水措施，或晴天、刮風時產生的揚塵；②崗位除塵，在原料至成品的生產線上所有崗位有可能產生灰塵的地方全部設置除塵器；③煙氣除塵，設計院在轉化設計時首次將套筒窯的煙氣匯合管改為重力除塵器，使每座窯的重力除塵器除塵量達到6 t/d，煙氣系統除塵效率＞99.5%，優于國家排放標準；④風機房降噪，設計中對羅茨風機采用隔聲罩封閉，風機房內墻鋪設隔音材料，風機房窗戶采用雙層真空玻璃等多種措施對風機房降噪。在煙氣除塵方面，弗卡斯公司的煙氣流程為：窯頂兩路煙氣+換熱器出來煙氣→煙氣匯合管→高溫風機→三通閥→布袋除塵器→煙囪。設計院在轉化設計時，充分結合廠區內現有條件和充分運用已掌握的技術，首次將套筒窯的煙氣匯合管改為重力除塵器。實踐證明，這一重大改進使每座窯的重力除塵器除塵量達到6 t/d，大大緩解了除塵器的作業強度，延長了高溫風機及除塵器的使用壽命，提高了套筒窯作業率。經過該布袋除塵器過濾收塵后的氣體含塵濃度在20 mg/m3以下，優于國家排放標準

（3）煤氣系統的設計。煤氣中水分含量較高是影響套筒窯熱工控制的重要因素。設計院在設收集篩選大量相關工程資料的基礎上，提出并采用在套筒窯的轉爐煤氣總管上增設煤氣脫水器的方案，成功脫掉了煤氣中的部分游離液態水及部分焦油和粉塵，增加了煤氣系統控制精度，提高了煅燒質量。

4 套筒窯技術的優化

（1）換熱器清灰。由于煙氣管內的煙氣含塵較大，煙氣管極易堵塞，造成停爐休風。根據現場實際情況和對弗卡斯公司設計理念優化，在換熱器頂蓋處增加了4 個空氣炮自動吹掃裝置，從不同部位對換熱器進行吹掃，周期為10 h，單個空氣炮吹掃時間20 s。該方法較好地解決了換熱器清堵的問題，減少了石灰窯休風時間。

（2）內筒冷卻風系統。套筒窯在風機出口選用的是常閉型式氣動蝶閥，在停電和儀表氣源壓力低的工況條件下該閥將自動關閉，但是其在工藝條件是不允許關閉的。為此，在氮氣系統設計時選用備用氣瓶對該閥供氣，氣瓶出口裝電磁閥，氣源管上靠近外部管網氣源端增加逆止閥，電磁閥與外網氣源壓力聯鎖，外網氣源壓力低時，打開氣瓶出口電磁閥，對氣動蝶閥氣缸供氣，逆止閥阻止備用氣源外流。該方法較好地解決了該閥在停氣時自動關閉的問題，保障內筒冷卻風系統的安全運行，滿足了其工藝要求。

（3）套耐火材料。窯內耐材砌筑結構復雜，根據以往的技術經驗對其設計進行了一定優化：原設計中、上、下內筒底部掛磚容易脫落，在設計時用“高鋁高強澆注料+2%的鋼纖維”替代原設計的掛磚，使用效果很好，未出現掉磚現象；原設計中部分磚型圖不合理，會嚴重影響砌筑質量和砌體的穩定性，對所有不合理的磚型尺寸進行修改和代換，保障砌體質量。

（4）上內套筒熱電偶的設置與安裝。原有設計中將熱電偶沿熱風放散管至窯殼處安裝，這樣給熱電偶的安裝和更換帶來了不便。在轉化設計時將熱電偶套管延長至旋轉布料器平臺處，縮短了熱電偶的長度，既節約投資又便于操作和更換。

（5）液壓出灰機的位置。原有設計中將液壓出灰機的油缸安裝在套筒窯內，設備的檢修、更換極不方便。為此，在轉化設計時通過延長推桿將液壓出灰機的油缸外置，使其整體固定在出灰平臺上，既不影響平臺通過又便于檢修、更換。

5 小結

通過對弗卡斯套筒窯的設計優化，實現了設備更換，實現企業的生產經營與環境保護的協調發展，從而保證企業長遠、可持續發展。