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一、并流蓄热式竖窑
目前国外用于煅烧细粒石灰的竖窑主要窑型为瑞士麦尔兹窑炉公司设计建造的并流蓄热式双膛竖窑,该窑用于煅烧20～40 mm小粒度石灰石,可以充分利用目前我国石灰石矿许多丢弃的细粒石灰石,为我国石灰石矿的资源综合利用开辟了新途径。
1 并流蓄热式双膛竖窑的主要特点
(1)石灰煅烧均匀,活性度好。在供给合格石灰石和燃料的前提下,活性石灰的活性度达到350mL,残余CO2 气体含量低,一般不超过2.5% ,且不产生过烧石灰。
(2)热效率高。用于石灰石分解耗热量占总耗热量的百分比在各类窑形中为最高,一般可达83%以上,单位产品耗热量低,一般在3 555～3 764 kJ /kg之间波动。
(3)相比回转窑,占地面积小,基建投资低。
(4)排出的烟气温度低,一般为70～130℃,易于净化除尘处理,有利于解决环境污染问题。
(5)能够煅烧20～40mm小粒度石灰石,可充分利用我国现有废弃的石灰石资源。
2 并流蓄热式双膛竖窑的工艺过程
并流蓄热式双膛竖窑有两个窑身,窑身的上部有换向系统,用于交替轮换使用两个窑身,在窑身煅烧带的下部设有彼此连通的通道。煤粉喷枪安装在预热带,并埋设在石灰石中。
生产操作时,每隔12 min变换1次窑身功能,即每个窑身每隔1个周期加热1次。采用单斗提升机向竖窑加料,每变换1次窑身,单斗提升机向两个窑身分别加入1斗石灰石。单斗提升机前设有带电子秤的称量料斗,以便精确称量每斗石灰石。采用罗茨鼓风机交替从两个窑身上部送入煤粉,通过喷枪将煤粉均匀地分布在整个窑的断面上。采用罗茨鼓风机将燃烧用的空气从竖窑顶部送入窑内,经预热带进入煅烧带与煤粉混合,使煤粉在煅烧带内燃烧,火焰与物料并流使物料得以煅烧。在煅烧带将石灰石煅烧后产生的废气,通过两个窑身的连接通道进入另一个窑身,与装入的石灰石料流相反向上流动,预热了另一个窑身内的石灰石。
煅烧完的石灰由窑身下部的卸料装置卸出,进入下部的卸料料斗。由于竖窑窑内压力很高,这些料斗均采用液压操作的闸板密封。在每个换向周期中,密封闸板定期打开,石灰便会落入下部受料斗中,然后经过振动给料机给入耐热皮带运输机上,再运往成品石灰筛进行筛分贮存。
竖窑上的大部分设备均采用液压操作,这些设备包括:回转加料器、窑顶关闭闸板、旋转料钟、废气换向闸板、称量料斗闸板、出料装置、出料料斗密封闸板、煤粉管道和空气管道的液压阀门、石灰石料位指示器等。
并流蓄热式双膛竖窑内石灰石料位的测量采用机械料位指示器。
竖窑设有12台罗茨鼓风机,其中3台用于提供助燃空气, 3台用于向窑内输送冷却空气, 1台另外备用提供燃烧空气或冷却空气, 3台用于冷却喷枪,2台用于将煤粉从称量料斗送至喷枪。上述12台罗茨鼓风机中,有3台为变频调速交流电动机传动。
并流蓄热式双膛竖窑上安装有自动操作所需要的PLC控制装置,通过中央控制室的计算机显示设备的流程、各种闸板及闸阀的位置,并对操作中的错误之处发出报警信号、显示报警信息。计算机可以显示各种技术数据及技术参数设定范围,如显示向窑内供给的燃料量和空气量、窑膛通道之间的温度、煤粉温度、废气和出窑石灰的温度、膛中系统压力、燃烧及冷却空气压力。
竖窑的PLC系统控制程序,能够自动开启和变换石灰石加热和装料的各个阶段的顺序和操作,并能保证煅烧好的石灰均匀出料。
由于这种并流蓄热式双膛竖窑具有先进的加料系统,可以避免物料偏析,并在竖窑的断面上能达到理想的石灰石分布状态。该窑的特殊燃料分布系统能够保证整个窑断面上热量的均匀供给,同时改进竖窑冷却带的形状以适合小颗粒石灰石的特殊流动状态,这些措施保证并流蓄热式细粒石灰竖窑能够煅烧20～40 mm的小粒度石灰石,并且已经在意大利的部分石灰石矿得到了实际应用,取得了令人满意的效果。
二、套筒式竖窑
1 前言
套筒式竖窑又名环形窑,起源于德国肯巴赫·威尔曼司特勒公司(BECKENBACHWARMESTELLE GMBH) ,世界上已有300 余座套筒式竖窑投入使用。欧洲和日本用这种窑型较为普遍。近几年来,我国也逐渐引入这种窑型,先后有5 座套筒式竖窑在梅钢、马钢、本钢等大型钢铁企业应用。实践表明,套筒式竖窑设备简单,操作和维修方便,工作环境较好,产品质量优良,是一种很有发展前景的新型窑型。
2 套筒式竖窑的基本结构
套筒式竖窑主要由窑体、上料装置、出料装置、燃烧室、换热器、喷射器以及风机系统等构成 。
2.1 窑体
窑体由内、外筒组成。外筒由普通钢板围成并衬以耐火材料。内筒分上、下两个独立部分,上部为上内筒,下部为下内筒。上下内筒由双层结构形成圆柱形钢板箱,钢板箱内可直接通入空气并能够对内筒进行连续冷却防止其高温变形。箱体内外两侧砌有耐火砖。内筒与外筒同心布置,形成一个环形空间,石灰石就在该环形区域内煅烧。
2.2 燃烧室
套筒式竖窑可使用多种燃料,如天然气、焦炉煤气、混合煤气、煤粉、重油等。无论采用哪种燃料,其燃烧过程都是通过烧嘴在燃烧室内进行的。燃烧室一般设置在窑体中部并分上、下两层,每层燃烧室的数目视竖窑大小而异(一般为3～7个);同一层均匀布置,上、下两层错开布置。每个燃烧室与内筒之间均由耐火砖砌筑而成的拱桥相连,燃烧产生的高温烟气通过拱桥下的空间进入石灰石料层。
2.3 上料、出料系统
套筒窑的上料装置由称量料斗、闸门、单斗提升机、密封闸板、旋转布料器、料钟及料位检测装置等组成。
石灰石经预热、煅烧和冷却后,在冷却带底部由抽屉式出料机直接卸入窑下部灰仓,然后经仓下振动给料机排出。
2.4 风机系统
套筒窑风机系统主要由排烟机、引射风机、内筒冷却风机组成。排烟机用以抽出窑内废气,使窑保持负压;引射风机向燃烧器供给喷射空气,使窑内形成循环气体;内筒冷却风机向内筒供给冷却空气。同时,冷却空气冷却内筒后得到预热并作为燃烧器的二次空气。
3 套筒窑的煅烧原理及工艺特点
3.1 逆流煅烧和并流煅烧有机结合
石灰石在套筒窑内煅烧过程中的一个显著特点是逆流煅烧和并流煅烧同时进行。套筒窑外壳上分布的两层燃烧室将窑体分成两个逆流操作的煅烧带和一个并流操作的煅烧带。
3.1.1 逆流煅烧
上燃烧室为不完全燃烧,助燃空气供给不足,只有50%左右。在废气引风机的作用下,不完全燃烧烟气进入上部料层与来自下方含过剩空气的气流相遇,使不完全燃烧产物得到完全燃烧。这个区域(从上燃烧室到上部内套筒下口平面) 即为上部煅烧带。在此区域内其气流方向与物料流动方向相反,煅烧过程称为逆流煅烧。
逆流煅烧时,石灰石处于分解初期需要吸收大量热量,所以一般不会产生过烧现象。随着料流向下运动,石灰石逐渐通过上部煅烧带。在上部煅烧带内完全燃烧后的烟气继续上行至窑顶,在窑顶又分成两部分: 一部分(约占废气总量的70% ,气量通过调节阀控制) 经环形石灰石层(预热带) 对石灰石进行预热, 同时自身温度降到180℃左右;另一部分(约占废气总量的30%左右) 经上内筒进入空气换热器,温度降低到180～250℃,再进入废气管道。两部分烟气均由同一台引风机抽出,然后经布袋除尘后排入大气。
在上、下燃烧室之间的区域为中部煅烧带,中部煅烧带亦为逆流煅烧。
3.1.2 并流煅烧
下部燃烧室为完全燃烧,空气过剩系数为2.0左右。下燃烧室燃烧产生的高温烟气(温度<1350℃) 分成两股:一股经中部煅烧带、上部煅烧带流向窑顶与来自上燃烧室的不完全燃烧气体相遇;另一股气流在下燃烧室喷射器的作用下往下走,形成并流煅烧带(下燃烧室平面到下内筒循环气体入口平面之间的区域)。
并流煅烧是套筒窑整个煅烧工艺的关键。石灰最终在这个区域内烧成,高温烟气经料层煅烧石灰,然后从下内筒底部均布的4个循环气体入口处进入下内筒;石灰冷却空气从底部吸入窑内,被高温石灰预热后与高温烟气一起从下内筒入口处进入下内筒内。两股气流混合后称为循环气体(其中含有过剩空气可以作为燃烧二次空气) ,温度一般为800～900 ℃。循环气体经下内筒入口→下内筒顶部→喷射器→下燃烧室料层→下内筒入口,如此循环往复。
在并流煅烧区,随着物料向下流动,石灰石表面逐渐形成了CaO 外壳,其吸热性也变差,但恰好此时较贫化的燃料和空气发生接触燃烧,热量供给较温和,因此不会使CaO 外壳过烧,又能使生芯继续分解。
3.2 气流分布均匀
针对传统竖窑气流分布不均衡问题,套筒式竖窑对窑体内部结构进行了如下几方面的特殊处理。
(1) 设置上、下两个中心内筒,使窑的装料空腔呈环形,减少料层厚度,以利于火焰或高温气体穿透整个料层。
(2) 设置上、下两层错开均布的多个燃烧室,且每个燃烧室与内筒之间由耐火砖砌筑而成的拱桥相连,以便燃烧产生的高温烟气均匀地分布在窑的整个断面上。
(3) 在下内筒的上、下部,沿圆周开有若干个孔(均布) 作为循环气体的进出口。开孔数目与燃烧室相对应,使窑内下部煅烧带气体被均匀地引入下内筒。
通过以上特殊设计,窑内压力、气流及温度在环形截面及整个石灰石料层中得到了均衡分布,保证了石灰石焙烧的均匀性,消除了热沟造成的质量不稳定以及耐火衬易损环现象。
3.3 回收余热,降低能耗
套筒回收余热主要有以下三个途径:
(1) 下内筒作为循环气体的通道。下燃烧室产生一部分高温富氧气体向下流动将石灰石冷却空气加热到800～900℃,通过下内筒引出窑外,在喷射介质作用下重新回到下燃烧室作为助燃空气利用。
(2) 上内筒将窑顶30%的废气引出窑外通过空气换热器将热量传递给引射用空气,从而回收余热,提高引射空气温度。
(3) 冷却下内筒的空气自身预热到200℃左右后,也被收集到环管内,然后分配到各燃烧室作为助燃空气再次利用。
通过以上三个途径,使窑内气体多余热量得到合理利用,从而达到节能的目的。有关资料表明,套筒式竖窑能耗仅次于迈尔滋窑,为3762～3971 kJ/kg。
3.4 全程负压操作
套筒窑的特殊结构大大降低了窑内气流阻力损失,易实现全程负压操作,有利于窑内工况调节,同时减轻窑体密封件的负荷,改善劳动环境,使操作更安全。
3.5 原料适应性更强
传统石灰竖窑由于自身结构和煅烧工艺的局限性,入窑原料粒度限制在70～150mm 范围内,超过标准(小于70mm 或大于150mm) 则会影响窑内透气性和石灰煅烧质量。而套筒窑由于采用环形空间煅烧石灰石,极大地改善了窑内物料透气性,为石灰石提供了优良的煅烧条件,从而扩宽了原料粒度范围和粒径比。套筒窑的原料范围为15～180mm ,粒径比能达到1∶3 的水平。
3.6 燃料选择要求范围较宽
筒窑的适应性强,可以采用烟煤、褐煤、重油、天然气、焦炉煤气、转炉煤气及混合煤气等燃料。采用混合煤气要求发热值大于7500 kJ/Nm。且对煤气压力要求不高,大于15kPa 为常规压力。
3.7 操作简单,容易调节
套筒窑主要通过控制循环气体温度来调节煅烧状况,调节方式主要有以下两种:
(1) 出料调节方式
循环气体温度对排料速度变化比较敏感。改变排料速度,会影响石灰石在窑内的停留时间。如果循环气体温度高,表明石灰煅烧程度高,石灰中残余CO2 含量很少,这时排料速度应加快,使上部未烧透的矿石进入并流区煅烧;反之亦然。
(2) 供热调节方式
改变热量传输,即通过改变下燃烧室的燃料量可以获得所要求的循环气体温度,进而控制石灰的煅烧程度。
4 套筒窑相关工艺配置
在活性石灰煅烧工艺中,为保证活性石灰产品质量,除窑型选择至关重要外,还必须有相匹配的外围技术条件。例如,原料、燃料选择、工艺参数的确定,以及有效检测和监控手段等,这些都对活性石灰质量产生重要的影响。
4.1 原料
4.1.1 石灰石净化
石灰石中的杂质会不同程度地影响石灰质量。在北方,由于气候干燥,石灰石表面较干净,含泥量很少,一般不采用水洗工艺,仅对石灰石进行筛分以剔除小粒及表面杂质。而在南方,石灰石含泥量较大,单靠筛分处理很难除去石灰石表面污泥,因此,应考虑水洗工艺。
4.1.2 石灰石品质
若石灰石中SiO2 、Fe2O3 、Al2O3 等杂质含量过多,会使石灰中游离的CaO 含量大大降低,进而降低石灰的活性。这些杂质在高温下与CaO 反应生成玻璃质体,使石灰表面“瓷化”,导致石灰消化困难。因此,选择品质优良的石灰石是生产优质活性石灰前提条件之一。采用套筒窑生产符合YB/ TO42 - 93 中特级冶金石灰理化指标的原料,应满足ZBD3002 - 90 标准中一级普通石灰石品质要求。
4.1.3 石灰石块度
在同一煅烧条件下,如果石灰石块度差别太大,会产生欠烧或过烧现象,使石灰活性度降低。所以,一般要求石灰石块度波动范围愈小愈好。套筒窑生产优质活性石灰时,原料粒径比(最小块度与最大块度之比) 选择在1∶2 较合适(最大不超过1∶3) 。为严格控制大于上限块度和小于下限块度石灰石的含量不超过5% ,在水洗之后设置一台振动筛对石灰石进行筛分处理。此外,石灰石在倒运过程中有再破碎现象,不可避免产生一些小颗粒石灰石,因此,石灰石入窑前应考虑二次筛分处理。
4.2 燃料
套筒窑燃料适应性较强,选择面较宽。在我国北方一般考虑采用煤粉为燃料,在南方则考虑采用煤气为燃料。无论采用何燃料应限制硫含量,一般要求w (S) < 0. 5 %。另外,烧煤粉时要求灰分< 15 % ,挥发分不大于25 % ,灰份软化点>1200 ℃; 煤气为燃料时要求粉尘浓度<10 mg/m3 。为避免粉尘对石灰的污染,应增设管道过滤装置以净化煤气。此外,煤气系统应有自动稳压、流量显示、快速切断、报警等控制功能;为保证窑内煅烧稳定,采用煤气热值测量调节装置(WOBO 热值仪) ,以检测煤气热值变化并调节煤气流量。
4.3 热工制度
4.3.1 配比
当供给100 %煤气时:上、下燃烧室的煤气分配比率m=1. 55～2. 20 ;上烧嘴助燃空气配比λ上=0. 3～0. 55 ,下烧嘴助燃空气配比λ下=0.2～0.45 。以上参数与原料、燃料条件有关,确定时应根据实际情况进行调整。
4.3.2 温度
温度参数能直接反映窑况以及石灰的煅烧程度,是套筒窑重要的热工参数,操作时应严格控制。
4.3.3 风压和风量
风压的控制是以能足够克服料柱阻力,实现窑内通风均匀顺畅为基础。一次风量、二次风量是由燃烧所需空气量确定。排烟量是根据燃烧产生的烟气量、石灰石分解产生的烟气量、石灰石分解产生的CO2 气体量,以及石灰冷却空气量等确定。选择合适的风机压力及供风量,对套筒窑的操作和调节起到十分重要的作用。表3 列出了500 t/ d 套筒窑(以发热值为2 000kJ/Nm3 煤气) 拟配风机的有关技术性能参数。
4.4 系统控制
系统控制采用以PLC 为核心的计算机控制系统。系统构成为工程师站、操作站、PLC 系统三个部分。网络采用工业以太网和设备网,通过网络进行数据通讯;通过人机操作界面(HMI) 完成工艺流程动态画面显示、传动系统运行状态显示、工艺参数设定、操作方式的选择、生产报表统计、打印,以及故障显示等功能。
三、弗卡斯窑
1 弗卡斯窑结构、工艺流程和对原料的要求
1.1 弗卡斯窑结构
弗卡斯窑大体上可分为四部分: ①贮料带, ②预热带, ③煅烧带, ④冷却带。
贮料带:处于窑顶部,贮量约够2～3h 的石灰正常生产。这样,在例行检修石料倒运及上料装置需要暂短停机时,并不影响石灰窑的连续生产。
预热带:石料在这里吸收向上升腾的热煤气中的热量。这种有效的热交换过程,使石料充分预热,并进入煅烧带。
煅烧带:石料的煅烧,是在这里完成的,煅烧带有上下两层燃烧梁,各燃烧梁上的喷嘴将燃料均匀地喷在石料层上,充分燃烧,为矿石的分解提供热量。燃烧梁下面有观察孔,可使操作者观察煅烧窑整个横断面中石料流动的情况。
冷却带:位于煅烧窑的底部,热石灰通过和冷空气进行热交换,石灰被冷却,空气被预热,然后升入煅烧带。
弗卡斯窑各部分温度( ℃) 范围:贮料带:100～200 ;预热带:200～800 ;燃烧带:700～1100 ;冷却带:100～700 。
1.2 工艺流程
块度合格的石料,由卷扬机输送到窑顶,经由密封进料门卸入料斗。该进料门自动开启,以接收石料。
当预调定数量的石料进入料斗后,上料停止,顶门关闭。然后,第二道进料由气动装置自动开启,通过一个称作“裤腿”的布料器,石料落入煅烧窑的贮料带。石料落入贮料带的位置,是自动选择的。通过使料流的体积与隔离门相匹配,布料器可井然有序地均匀布料。每次由卷扬机提升的石料,都经由几个“裤腿”中的一个进料。下一次进料,使用另一个“裤腿”。
两个交替操作的料斗门,可避免装料时空气泄入窑内而影响煅烧窑的正常运行,特别是不影响通过安装在石料贮存带的抽风管从石灰窑上部正常抽吸窑气。
进料系统由定时器和料位计自动控制。这个特点可免去对石料进料状况的连续检验。
当矿石入窑后,即缓慢而有序地通过预热带、煅烧带和冷却带,此时即烧制成了熟料。
燃料经由燃烧梁均匀地喷射到窑内石料层。燃烧梁横跨过石灰窑断面,每根燃烧梁都是由一个巨大的、延长了的由导热油冷却的矩形钢箱装置而成。
燃烧梁内的导管将燃料导至均匀分布在梁上的一系列喷射孔,将燃料喷到石料层,与一次助燃空气(由上层燃烧梁端部吸入并经导热油冷却系统预热)和二次助燃空气(由石灰窑底部吸入) 混合。此时严格控制的燃料-空气混合物开始燃烧,为高效而均匀的煅烧提供热量。二次助燃空气从煅烧窑底部进入窑内,在出料斜坡部位冷却熟料成品,同时,上升时生料被预热,而后进入煅烧带。
导热油冷却系统避免燃烧梁过热,装置有相应的控制设备,以达到最高的安全工作保险系数。
一经导热油温度升高,报警讯号立即出现。柴油马达可确保停电时导热油正常循环。
由一台离心风机抽吸供燃烧的热煤气,该风机附属于排气系统,装有油压动力耦合器,以调整转速。通过安装在窑顶的排风管抽吸热气,并将热气延展到燃烧窑每个断面空间,使热煤气均匀地向上通过石料层,从而确保煅烧的热量均匀地分布到煅烧窑内各个部位。这样就避免了热量的“槽式”流向,造成煅烧不均匀和可能的耐火衬的损坏。
成品通过一组料斗、振荡出料器及新型称量器,在窑底出料。每个出料斗由一个电磁振荡式出料器伺服,出料斗将熟料送入称量器。每次熟料送入称量器的间隔时间预调定。每当预调定重量的熟料全部送入称量器后,振荡器停机,然后称量器将熟料卸入熟料贮料斗,此料斗亦安装一振荡器,以卸出熟料,周而复始地运转。每个工作周期卸料的间隔时间及每一次卸料量,根据实际产量预调定。上述调定系由计算机通过工艺控制自动完成。新一代的称量器可连续控制实际出灰重量,据此自动调整煅烧窑的工艺参数。
1.3 对原料的要求
窑气的质量在很大程度上取决于原料石灰石的质量,弗卡斯窑煅烧石灰石时,原料石灰石应符合下列要求: 粒度,8～14cm ; CaO ≥52% ,SiO2 ≤1 %;S (以SO3 计) , ≤0.25 %;烧失量≤42 %。
2 弗卡斯窑优点
2.1 可使用不同燃料
弗卡斯窑可使用多种燃料,如:重油,天然气,回收煤气、煤粉等,既可使用上述其中一种,也可使用任意两种或更多的混合燃产。
2.2 降低能耗
普通混料式立窑所用石灰石最小为50mm ,而弗卡斯窑所用石灰石可小到20mm ,提高了原料的利用率。由于在燃烧梁系统应用了闭合冷却回路能回收热量,使得热效率特别高,因而热能和电能消耗大幅下降。
2.3 出现问题调整及时
普通混料式立窑是石灰石和燃料一起加入到窑中,要经过预热带才能到达煅烧带,这需要24～48h ,出现石灰生烧和过烧问题,只能通过控制生石灰和燃料的比例来调节,既耗时又耗力。而弗卡斯窑能通过燃烧梁上的观察孔及时发现不正常情况,迅速调整燃料用量,从而避免不正常现象的发生。
2.4 能产生高品质二氧化碳气
采用双裤腿进料,避免上料时进入过多的冷空气,燃料经由燃烧梁均匀地喷到石灰石料层上,使石灰石分解更完全,燃料燃烧更充分,产生的二氧化碳气更均匀。严格控制燃料与空气的配比,可使碳气中的二氧化碳含量高达42% ,一氧化碳含量降到1 %以下,氧气降为零。
2.5 提高石灰质量
由于石灰窑内各个部位被均匀煅烧,燃料的燃烧量能随时控制,彻底消除了生烧和过烧现象,石灰质地非常均匀,活性更大,可广泛应用于冶金、造纸、电石、化工、建筑等行业。
2.6 生产更灵活
弗卡斯窑可根据碳化工序对窑气的需求,在额定产量的50 %～100 %之间任意调整,避免了普通混装石灰窑生产的不可调性。当碳化工序出现故障停车时,弗卡斯窑可非常方便地减少落灰量和窑气的排放量,提高原料的利用率。
2.7 操作简便、稳定,使用寿命长
由于采用自动操作,所需操作员为每班一人。由于弗卡斯窑没有任何过分集中热量的区域,使窑的耐火衬工3作寿命大为延长。
三种主要窑型的对比分析
目前国内能生产高质量活性石灰(活性度>360mL的煅烧设备主要有回转窑、并流蓄热式竖窑(又称麦尔兹窑) 、套筒式竖窑、弗尔斯窑。我国80年代引进窑型大多为回转窑(武钢和宝钢) 和麦尔兹窑(杭钢、太钢、马钢等) 。进入90年代以后,开始引进套筒式竖窑(梅钢、马钢等) 以及弗尔卡斯窑(石钢、本钢等) 。针对上述几种窑型特点进行了实例分析。
可以看出,回转窑电耗、燃料消耗较高,对燃料热值也要求较高,且投资及运行成本比竖窑高。三种竖窑电耗、煤气消耗均比回转窑低。其中,迈尔兹窑采用全程正压通风工艺,对窑内密封要求较高,控制及操作相对复杂;弗尔卡斯窑煅烧工艺较落后,产品质量稍差;套筒式竖窑采用全程负压,对窑内密封要求不高,维修方便,操作较简单,尤其能以低热值煤气为燃料,产品质量与回转窑相当。
——摘自《钢铁冶金 》
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