冶金石灰窑炉节能技术及发展方向

1.前言

石灰作为工业生产的重要辅料，广泛应用于冶金、化工、环保、建材等诸多行业，高品质的活性石灰主要应用于炼钢、烧结，以及电石行业。2014年我国粗钢产量达到8.2亿吨，烧结矿产量约为9亿吨。按照2013年转炉、电炉炼钢平均石灰消耗量为47.8kg/t，烧结矿石灰消耗量为66.5kg/t计算，2014年冶金石灰的消耗总量约为9860万吨。2014年冶金石灰产能约为1.1亿吨[1]。

冶金行业作为我国国民经济的重要基础产业和实现工业化的支柱产业，同时也是能源消耗大户，节能降耗一直是冶金行业发展的重中之重。各种冶金工业炉窑在生产过程中会消耗大量的能源，在某些领域还存在严重的资源浪费现象，违背了我国节能减排的发展目标，这就迫切的需要实现工业炉窑的节能发展。随着活性石灰工业的快速发展，技术水平的不断提高，节能降耗的需求也日益突出。根据2013年的统计数据，全国冶金石灰产能中，具有国际先进水平的或国内先进水平的占总产能的58.8%，国内一般水平的占总产能的14.8%，落后产能占26.4%。而普通石灰生产大多数仍然采用简易窑或土窑落后装备生产，以煤为燃料，无质量保证措施和环保措施，能耗高。开发推广先进的节能技术是冶金石灰行业实现健康可持续发展的重要方向。

2.主要冶金石灰窑炉

几十年来，在各相关科研和生产单位的共同努力下，我国的冶金石灰行业获得了长足的发展。国外各种先进的石灰生产装备基本上都已经引进到国内，比如德国克劳斯˙玛菲公司、日本三菱公司、美国美卓公司的回转窑，瑞士麦尔兹公司的双膛竖窑，德国贝肯巴赫公司的套筒窑，意大利弗卡斯公司的双梁窑和“梁式桥”套筒窑，意大利西姆公司的双D窑、德国波力休斯公司的悬浮窑、意大利佛利达公司的梁式窑、日本住友公司的焦炭窑等。在引进消化的基础上，国内自主开发的回转窑、双膛竖窑、套筒窑、梁式窑、新型气烧竖窑、新型焦炭竖窑、节能型普立窑、马氏窑得到广泛推广

2.1回转窑

回转窑是国内技术最成熟、推广范围最广的先进石灰窑。目前，我国自主研发的带竖式预热器和竖式冷却器的石灰回转窑系列产品已经在国内广泛推广，并已向国外输出，设计生产能力涵盖250t/d～1200t/d，以满足不同企业的需求。石灰回转窑技术日益成熟、工程造价大幅下降，能耗水平进一步降低。以一条比较完善的600t/d石灰回转窑生产线为例：投资在4000~4500万元，热耗低至1150x4.18kj/kg以下，电耗在45kwh/t以下。回转窑可使用国内普遍采用的煤粉、电石炉煤气、焦炉煤气、天然气、混合煤气，以及多种煤气混烧、或多种煤气与煤粉混烧，基本可以满足生产企业利用当地廉价能源的要求。回转窑操作简单直观，窑内状态一目了然，且可以充分借用水泥回转窑操作人员和生产管理经验，容易被生产企业掌握。

2.2双膛竖窑

双膛竖窑作为世界上最为先进的石灰窑炉之一，其最大特点在于并流蓄热焙烧原理，它具有石灰生产行业所公认的最小热消耗。国内早期建设的双膛竖窑绝大多数为引进国外技术及关键设备，引进费用高，建设周期长。为满足市场需求，具有我国独立自主知识产权的双膛竖窑全系列产品已经问世，并成功应用于多个工程实例，设计能力覆盖120t/d～600t/d。同时，自主研发的产量为800t/d的双膛竖窑也已经完成了技术攻关，具备了投放市场的能力。双膛竖窑适用的燃料有煤粉、转炉煤气、混合煤气、电石炉煤气、天然气，以及煤粉和煤气混烧。

双膛竖窑在国内有近30年的使用经验，生产技术已相当成熟，产品质量稳定，活性度可达380～420ml，气体燃料热耗低至850x4.18kj/kg，电耗40kwh/t，且采用煤粉和煤气均可靠，窑衬寿命可达3~6年。已经形成了稳定的生产培训基地，有一批成熟的技术人员和操作工人。

2.3套筒窑

套筒石灰竖窑(简称套筒窑)于上世纪80年代最早引入我国。多年来，国内石灰生产企业、设备制造企业在吸收国外技术的基础上，对套筒窑进行了很多创新和改进，促进了套筒窑的推广和应用。在国内已经储备了多年的生产操作经验，技术基本成熟。目前市场上典型的套筒窑窑型规格有150t/d、300t/d、500t/d、600t/d等。套筒窑操作较为简单，产品质量稳定，活性度在360ml以上，气体燃料热耗在900x4.18kj/kg，电耗40kwh/t，窑衬寿命可达3~6年。但套筒窑结构复杂，异型砖多，砌筑复杂，维修困难，基建投资高，不宜烧煤粉是制约其发展的主要问题。

2.4梁式窑

梁式窑是以燃烧梁为热工工具焙烧石灰的石灰生产设备，经过国内技术人员通过多年的努力，破解了梁式窑的部分技术难题，解决了低热值燃料的应用问题，并且成功实现了多种燃料混烧的技术进步，为梁式窑的大面积推广创造了条件。自2000年国产化以来，国内已建100t/d~500t/d的梁式石灰窑200多座，并且已经输出到了国外。

梁式窑适用多种燃料，如天然气、焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气(热值≥800x4.18kj/m3)、混合煤气、煤粉、焦粉、重油或固液、固气混合燃料。生产操作正常时，石灰活性度可达350ml以上，能耗可达900x4.18kj/kg，电耗可达30kwh/t。

2.5混料窑

混料窑在国内当前流行的主要由三种：机械化竖窑、节能窑、马氏窑。

机械化竖窑是在解放初苏联援建我国的机械化竖窑基础上，吸收日本住友焦炭窑技术，结合国内几十年生产实践经验改进的新型机械化竖窑。窑型有50~500m3，利用系数在0.65~0.8，燃料采用焦炭、无烟块煤、无烟煤球。吨灰热耗为140公斤标准煤，生过烧在10%左右。

节能窑是建材行业在土窑基础上，合理优化窑形结构，增加配料设施，供风排气装置后开发的节能型石灰窑。窑型有50~300m3，利用系数在0.5左右，燃料采用无烟碎煤。吨灰热耗为140公斤标准煤，生过烧在10%左右。

马氏窑的窑形为花瓶型，产能为150t/d，利用系数在0.2左右，燃料为无烟块煤。采用石灰石CaO含量53.5%，SiO21.25%，筛分后粒度40-80mm，燃料无烟粒煤20-40mm，低发热值≥6500kcal/kg。石灰质量可达到CaO>90%，活性度>300ml。

3.主要节能技术及发展方向

冶金石灰窑炉的能源消耗主要集中体现在热能消耗与电能消耗两方面。因此，目前各科研及生产单位以这两方面为切入点开发石灰窑炉的节能技术与措施。具体方向可以归纳为新型煅烧技术开发、窑衬涂层技术和新型窑衬结构开发、窑炉余热利用技术开发、自动化与节电技术开发等。

3.1新型煅烧技术开发

富氧燃烧技术的应用。富氧燃烧技术是工业窑炉最为看好的节能环保燃烧方式之一，已经在玻璃熔窑、有色冶金和黑色冶金等许多行业和领域得到了成功的应用，具有广阔的应用前景。富氧燃烧一方面可以减少空气需要量，降低烟气生成量，使烟气带走的热损失降低，热量利用率提高;另一方面，可以提高理论发热温度和理论燃烧温度，有利于燃料的完全燃烧。富氧燃烧技术还能提高理论燃烧速度，提高辐射给热系数，拓宽着火极限，降低空气过剩系数。总之，将富氧燃烧技术应用于工业窑炉具有很大的技术优势，对工业炉窑的节能降耗有着非常重要的总用。对于存在富余氧气的大型冶金企业来说，富氧燃烧技术应用于冶金石灰窑炉可以有效节约能源，降低成本。但是对于没有富余氧气的企业来说，富氧燃烧的经济性需要经过详细论证[3]。

强化燃烧技术开发利用。在石灰煅烧过程中，石灰石分解不仅需要吸收足够的分解热，还要保证合适的煅烧温度，这样石灰石才能够实现快速分解。当石灰窑使用高热值燃料时，其发热量大，燃烧温度高，能够满足石灰快速分解的条件。而当石灰窑使用低热值燃料时，就需要采取措施强化燃烧，提高煅烧温度，保证石灰石的快速分解。例如，以低热值煤气为燃料的双膛竖窑利用通道高温烟气余热助燃空气，以达到强化煅烧的目的。

低热值煤气的综合利用。钢厂的煤气资源主要有焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气等，焦炉煤气的热值约为3600kCal/Nm3，转炉煤气的热值约为1600kCal/Nm3，高炉煤气的热值只有大约800kCal/Nm3，回转窑使用煤气煅烧活性石灰要求的热值一般要大于2600kCal/Nm3，焦炉煤气是最合适的燃料。但是从多数钢铁企业的燃料平衡来看，焦炉煤气成本相对较高，而且供应往往不能满足活性石灰生产需要，而转炉和高炉煤气却往往因为过剩被迫大量放散。如何利用低热值煤气是现今冶金石灰生产的重要研究课题。低热值煤气在活性石灰回转窑系统上已经成功得到应用。主要方法是采用混合煤气、煤粉和煤气混烧、高效换热器进行预热等。混合煤气是按一定比例将焦炉煤气和转炉或高炉煤气进行混合，混合后热值有所降低，但可以满足活性石灰生产要求;煤粉和煤气混烧可以根据煅烧所需的热值和燃烧温度调节，将煤粉和煤气进行混合燃烧;高效换热器可以利用废烟气将煤气和一次风预热到150～200℃，采用这种方式可以提高低热值煤气带入的物理热，可以增加低热值煤气使用的量。因此，低热值煤气的综合利用，可以产生巨大的经济效益，同时可以减少因大量放散带来的环境污染[4]。

3.2窑衬涂层技术和新型窑衬结构开发

窑炉隔热保温技术是降低炉体散热损失的主要途径，该技术的关键点是降低窑内高温物料与气体通过窑衬向外传热的综合传热系数，该系数主要由窑内的对流辐射传热、窑衬的导热以及窑外壁的对流辐射传热所决定。由此产生的隔热保温技术有：

(1)窑衬涂层技术。通过在窑衬表面喷涂涂层，降低窑内衬表面的黑度，减小窑内高温物料及气体向窑衬辐射传热的吸收比，以减小传热量。在窑外壁喷涂涂层可以减小窑外壁向环境辐射传热的发射率，同样可以减小窑衬向外界的散热量。

(2)新型窑衬结构。采用新型窑衬结构是一项非常重要的节能措施，达到既减少燃料消耗，又改善操作环境的目的。例如，采用空心隔热耐火砖可以有效提高窑衬的隔热性能;双膛竖窑的窑衬采用重质耐火砖、轻质隔热耐火砖、耐火纤维毡和硅酸钙隔热板的复合保温结构，连接通道顶部采用重质耐火浇注料、轻质隔热浇注料和矿渣棉的复合保温结构，在实际使用过程中显现了优越的耐火保温性能。复合预制砖加浇注料的新型窑衬结构，已经有多条回转窑生产线的成功实践。这种窑衬结构将复合预制砖由锚固件固定在窑体上，这样就完全可以实现在贴近窑体内表面上再添加一层导热系数较低的高铝纤维保温层而不会出现掉砖;两行砖之间再用轻质高铝纤维毯及轻质高强浇注料和耐磨浇注料填充，更保证了砌体的整体性、牢固性及保温性，满足砌体长期处于受震状态的使用条件，使得窑皮温度显著降低，节能效果显著。

3.3窑炉余热利用技术

提高窑炉热效率不仅要从减少窑炉热损失入手，还要合理利用窑炉生产过程中产生的余热。石灰窑炉生产过程中产生的余热主要为出窑废气余热、窑炉炉体散热以及出窑石灰所带物理热，这些余热的总和甚至占到窑炉热耗的40%～50%以上。因此，合理利用余热对于节能降耗，提高窑炉热效率至关重要。

3.3.1出窑废气余热利用技术

石灰窑出窑废气温度高，烟气量大，直接排放会造成大量能源浪费。在实际生产中为了保护下游除尘器和除尘风机，往往需要大量掺入冷风降温，进一步增大风机负荷，浪费了大量电能。因此充分利用出窑废气余热是节能降耗的重要途径，目前出窑废气余热利用主要有以下几种途径：

(1)利用出窑废气预热助燃空气、燃料和生料。通过高效换热器的作用将石灰窑排出的高温烟气通过热交换预热助燃空气和燃料，不仅能够降低排烟温度，还可以增大入窑气体的物理显热，提高燃烧温度，减少燃料消耗，起到了节能降耗的功效。此方法已经在回转窑和各类竖窑中得到了较为广泛的应用。此外，通过制订合理的加出料制度，可以最大程度的利用出窑废气的物理显热预热生料。例如，针对双膛竖窑的运行特点，合理设定每个煅烧周期的加料次数，可以保证所加物料能够将该煅烧周期内的废气显热均匀吸收，而不会出现废气温度超高的现象。

(2)利用出窑废气干燥物料。以煤粉为燃料的石灰窑一般都配有专门的煤粉制备系统，煤粉制备系统需要大量热量来烘干煤粉。石灰窑的出窑废气一方面烟气量大，温度较高，热量足以满足煤粉制备的需求，另一方面氧含量较低，可以保证煤粉制备系统的安全性。因此利用石灰窑尾气作为煤粉烘干介质获得了广泛应用。另外，在部分厂矿，将出窑废气用于高炉水渣烘干制粉、用于兰炭烘干等方面，均取得了节能环保的综合效益。

(3)利用出窑废气经高效烟气-水换热器供厂区采暖、洗浴。某工程采用热管式烟气--软水换热器回收石灰回转窑尾气余热。即在回转窑预热器和除尘器之间的尾气管线上设置热管式烟气--软水换热器，以软水作为热介质，与回转窑尾气通过热管式烟气--软水换热进行一次换热，换热后的热软水大部分直接用于厂区采暖，小部分用于软水--洗浴水二次换热，软水由换热站供给，循环使用。尾气冷却后送入除尘器净化，然后由排烟机排入大气。此方案的优点是对烟气温度要求低，换热效率高，回收的热量大，系统配置简单，运行稳定可靠[5]。

(4)利用出窑废气经余热锅炉生产蒸汽。某企业在石灰回转窑预热器出口和除尘器之间增设一台热管余热锅炉，余热锅炉产生0.6MPa的饱和蒸汽供厂区使用。另一企业，通过将回转窑高温烟气在卧式余热锅炉中进行换热，通过热管将实现烟气与水之间的热量交换，将水加热成1.2MPa，>200℃的过热蒸汽，并入蒸汽系统主管网。余热利用系统安装后，原有烟气管道作为备用保留，在原有烟道和余热利用系统之间可以根据需要进行切换，确保整个系统的正常运行[6,7]。

(5)利用出窑废气发展余热发电技术。研究人员借鉴水泥窑余热发电的成功经验，正在探索适合石灰窑的余热发电技术。水泥窑废气温度较高，采用双压蒸汽系统可获得较高的热效率，但石灰窑废气温度较低，属于纯低温余热，因此石灰窑余热发电仍然需要大量的理论论证和试验研究工作。对于废气大于10万Nm3/h的大、中型石灰回转窑进行废气余热发电研制，已经进入示范工程阶段。利用废气余热产生低参数蒸汽，以汽轮机拖动窑尾排烟机，也已确定技术方案。目前活性石灰窑低温余热发电的难点在于缺乏有效的余热发电成套工艺技术[8]。

3.3.2石灰窑窑体散热的回收利用

石灰窑窑体散热主要以辐射热的形式直接散失到大气中，不仅浪费能源，也对周围环境造成影响。但是由于石灰窑体散热面分布范围较大，窑体周围附属设备较多，给窑体辐射热的回收利用造成了一定困难。目前，利用窑体辐射热置换成热水用于取暖、洗浴，技术方案的经济性和合理性仍然处在研究和论证阶段[9]。

3.3.3出窑石灰余热的利用

出窑石灰所带物理热由石灰窑的石灰冷却系统决定，其冷却效果好，则出窑石灰温度低，更多的热量被冷却空气再次带人窑内，参与燃烧。因此，石灰窑炉冷却带或冷却装置的结构型式对出窑石灰余热利用起着很大的作用。通过对回转窑的竖式冷却器系统进行优化改进，改善冷却风的配风系统，可以显著提升冷却器的冷却效果，降低出料温度。在竖窑系统中，以双膛竖窑为例，其石灰冷却装置采用中心及周边环形冷却，且中心冷却风帽采用塔形结构，保证通风均匀、顺畅，使得冷却空气能与更好的吸收石灰的物理显热。

3.4自动化及节电技术

3.4.1提高窑炉的自动化检测和控制水平

对各种冶金石灰窑炉而言，自动化检测和控制水平的高低是保证生产稳定，提高产品质量和产量的重要措施。目前，随着自动化水平的提高，大部分石灰窑炉都采用自动化控制方式，所有用电设备均由自动化程序进行控制。而对于需要根据工况随时调整的用电设备，其控制方式及参数设定尤为重要。目前，大部分石灰窑炉自动调节采用PID调节方式，其参数设定的合理性直接影响了设备调节的速度和精准性，也决定了其在调节过程中的电能消耗。

热工工艺参数的设定对石灰窑炉的煅烧起着至关重要的作用，其不仅决定了石灰的质量，还决定了煅烧的经济性。例如，空燃比就是一个重要的热工参数，设定合理的空燃比，不仅要保证窑内燃料充分燃烧，还要减少过量空气的加入，减小系统热耗。通过自动调节技术，可以通过对燃烧烟气中的CO及O2含量进行分析，适时调整空燃比例，达到经济燃烧的目的。

3.4.2以节约电能为切入点的节能技术

电能节约技术是通过优化措施，降低窑炉用电设备载荷或优化设备运行过程，达到减少窑炉电耗的目的。目前，应用在石灰窑炉上的电能节约技术主要有以下几项：

(1)降低窑炉系统阻力

风机是石灰窑炉的主要用电设备，其运行过程中的功率消耗主要由供风量及供风压力决定，其中供风压力的大小取决于窑炉的系统阻力，包括供风管网阻力以及窑膛的流通阻力。对管网及窑炉结构进行优化，都能够有效降低供风系统的阻力。例如，双膛竖窑在保证窑内物料各带停留时间的情况下，适当扩大断面积和适当降低各带高度的方式，使窑体阻力降低20~25%，低阻力的竖窑有效地降低了电耗。

(2)变频调速技术

采用变频节能技术对旧有电气系统进行改造，提高电动机运行效率，节约电能，降低生产成本。传统风机主要依靠出口风门开度的大小来调节风量，其实质是改变管道中气体阻力改变风量。而通过改变电动机的转速来调节管道中的风量，实质上节约了气体的能量。两种方法比较可以发现，在风量相同的情况下，调节转速避免了风门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的电能损失。在风量减小时，转速控制使压头大幅降低，所以只需一个比风门控制小得多的压头就可以满足机械运行工况参数，而且节省电能，这也就是变频调速节能技术的原理。例如，高温风机作为石灰回转窑生产线中的重要设备，主要完成两个功能：一是调节窑内负压，满足生产所需要的窑内环境，二是引出煅烧后生成的废气。高温风机的控制问题严重影响到整个系统的运行稳定。应用变频调速技术能实现高温风机宽范围、高精度的无级调速，适用性强;能大幅度减小电机启动电流，使电机启动平稳，在电动机不需要长期高速运行时，工作电流大幅度下降，节电效果显著[10]。

3.5节能技术的发展方向

(1)加强先进窑炉和先进煅烧工艺的研发和推广

以回转窑、双膛竖窑、套筒窑等为代表的先进窑炉在产品质量、自动化程度和能耗水方面具有显著优势。因此，今后在新建或改扩建活性石灰项目上，应不断加大先进窑炉的推广力度。

(2)加强新型窑衬结构和窑衬材料的研发和推广

选用节能型的耐火材料和窑衬结构可以显著减少窑体的散热损失。窑衬材料未来的发展趋势是“两高一轻”，即高温、高强、轻质，同时还要不断提高耐材的使用寿命。

(3)加强石灰窑余热利用技术的研发和推广

石灰窑炉的余热回收利用是冶金石灰行业节能发展的重点方向，目前在烟气余热发电等领域仍然存在技术难题等待攻克。

4.结束语

节能降耗是现在和将来工业发展的主题。在新形势下，冶金石灰窑炉必须面对节能降耗挑战，同时也迎来了难得的发展机遇。只有依靠科技进步，讲求经济实效，坚定的走优质、高效、节能的可持续发展道路，才能引领冶金石灰行业的不断进步和健康发展。