回轉窯節能環保改造實踐

宋雙彥，陶衛東，杜宏杰

（中冶賽迪上海公司，上海 200940）

石灰回轉窯在我國冶金、化工、建材、造紙等領域內應用廣泛[1]。行業普遍存在的問題主要有能耗偏高、漏風系數高、窯殼溫度高、窯尾氣溫度偏高、出料溫度高、產量低、熱效率不高等。能源成本占到生產成本的40%以上，因此，能耗問題是回轉窯系統研究的主要課題。20世紀80年代初，我國寶鋼率先引進了3條產量達600 t/d的日本立波爾式回轉窯，90年代國內鋼鐵廠陸續引進的是產量為600～1 000 t/d的美國KVS式回轉窯，如寶鋼、鞍鋼、太鋼、八鋼、沙鋼、攀鋼、通鋼等。寶鋼最初引自日本的回轉窯在操作、能耗、維修等方面落后于美國技術。為了滿足產能需求，降低能耗和維修成本，減少揚塵、冒灰、漏風等現象，對其中2條逐一改造。改造后產能大大提高，便將不再需要的第3條窯就地拆除。基本從老式窯系統改造成為新的KVS式回轉窯，全面改善了工藝和配套設施，取得了預期的節能環保效果。行業內在石灰窯節能方面改造通常只是針對窯的內襯材質、系統密封性及變頻調速風機等局部開展小型技改，這樣大規模改造尚數首例。本文對此作以介紹。

1 回轉窯改造前的情況

改造前的寶鋼回轉窯主要由鏈篦式預熱機系統、回轉窯系統、水平推動式冷卻機系統及公輔系統等組成。

1.1 改造前主要生產工藝

原料經水洗篩分，合格粒度的物料經帶式輸送機送到窯前倉，進一步瀝去水分，再經上料皮帶首先將物料平鋪在鏈篦式預熱機內進行預熱，然后隨著鏈篦機的板鏈移動，將料送入回轉窯中煅燒。隨著窯的轉動，物料一邊翻滾一邊向前移動，待到回轉窯頭部，剛好煅燒完畢。合格粒度的物料落入水平推動式冷卻機中進一步冷卻，成品通過板鏈、帶式輸送機等送到成品庫。

混合煤氣通過窯頭燒嘴在一次助燃風的作用下在窯內燃燒；從冷卻器鼓入的冷風冷卻成品物料的同時被加熱，進入窯內作為二次助燃風。燃燒廢氣與物料換熱后被窯尾除塵系統抽到窯尾，與鏈篦式預熱機內的物料進一步換熱并降低尾氣溫度，再經過豎管冷卻器，最后進入窯尾除塵系統，凈化后排入大氣。

1.2 改造前工藝流程

改造前石灰回轉窯工藝流程示意圖見圖1。該窯產能約600 t/d，窯尾廢氣溫度約350℃，成品出料溫度高，約130℃以上。

圖1 改造前石灰回轉窯工藝流程示意圖Fig.1 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln before Improvement

1.3 改造前回轉窯能耗分析

回轉窯煅燒系統能耗高，約為5 016 kJ/kg產品，并且系統老化，漏風、冒灰嚴重，環保不達標，每年的檢修量非常大。特別是鏈篦式預熱機結構復雜，維修困難，每年耗材很高，生產成本與日俱增。

對回轉窯的熱平衡分析中，燃料帶入化學熱為熱輸入項，其余為熱輸出項。回轉窯熱平衡示意圖見圖2。

圖2 回轉窯熱平衡示意圖Fig.2 Diagram for Thermal Balance in Rotary Kiln

如圖2所示，回轉窯的能耗主要分為幾大部分：① 燃燒廢氣帶走熱量；② 預熱設備散熱量；③煅燒物料吸熱；④冷卻設備散熱；⑤窯體吸熱；⑥窯體散熱；⑦成品物料帶走的熱量。針對這幾個熱量消耗因素，經過多次論證和試驗，從工藝、設備、控制等方面優化。

2 具體改造措施

2.1 窯預熱系統

為了提高回轉窯的熱效率和生產效率，增加單位時間推入窯內的物料量，拆除原有鏈篦式預熱機、豎管冷卻器、廢氣除塵系統和水平推動式冷卻機等設施，更換為帶12個液壓推桿的豎式預熱器，相應配套布袋除塵系統。物料在預熱器中得到充分換熱，換熱的物料量比鏈篦式預熱機大大提高，單位時間推入窯內的物料量增加，大大提高了產量。保證產品質量的前提下，單位時間產出比增加，同時又減少了燃料消耗，從而顯著降低了生產成本。

此外，窯排除廢氣溫度下降了約170℃，廢氣帶走的熱量減少，熱效率提高，廢氣含塵濃度由改造前50 mg/m3降至20 mg/m3，減輕了對環境的污染，減小了系統阻力，大大減少設備維修量，節省生產操作空間。窯尾由正壓系統改為全負壓系統，使得整個窯系統為負壓操作，減輕了窯尾除塵系統的負荷，系統操作更加靈活順暢，改善了周邊操作環境，大大降低無效含塵廢氣的排放量，預熱系統節能約8%。

2.2 窯本體系統

回轉窯窯頭、窯尾通常是直筒型，沒有很好的密封。窯尾漏料會影響窯尾密封裝置的使用壽命[2]，出現漏風、漏料現象。為了改善窯體的密封性，將窯尾部由直筒形改為錐體形，同時加上金屬密封結構，使得窯內物料量增加，減少漏風量和漏風散熱，提高換熱效率，從而提產降耗。

為便于窯尾轉運溜槽前后自由移動，減少窯內檢修時間，窯尾轉運溜槽與之配套設計。小車上裝有冷卻風機，管線、閥門與小車一體設計，便于冷卻窯尾部高溫段，避免窯殼溫度過高。窯檢修時就不需拆卸管線設施，檢修操作方便靈活。

由于窯驅動系統的大齒圈、輪帶運行年限較長，磨損嚴重，造成窯運行不穩，所以更換大齒圈組件，使其運行平穩可靠，減小窯運行波動，保護傳動系統不受損壞。

為減少窯內負荷，改善耐材隔熱密封性及使用壽命，在窯預熱段，窯內襯耐材更換成帶有隔熱材料預制塊，且預制塊可更換維修，在窯的運行過程中不易脫落，砌筑方便，保溫效果好，減輕了冷卻帶耐材重量。

為延長窯燒成帶耐材使用壽命，降低窯殼溫度，在窯燒成帶到窯頭采用復合磚和隔熱材料的結構，在保證窯殼溫度和耐材抗高溫性的基礎上，進一步改善砌筑的整體性和密封性，同時也進一步減輕了該段的耐材荷載。

為改善窯尾、窯頭隔熱密封性和整體性，在預熱器、冷卻器、窯頭罩等部位主要采用耐磨澆注料形式，施工、維修方便，密封性好，隔熱性能強，輕巧耐用。通過上述改造，整個系統耐材負荷減輕了約10%，簡化了砌筑結構，增強了保溫和密封性能，窯尾窯殼溫度從最高約550℃降到350℃左右，減少了散熱量，同時避免了耐材脫落，延長了耐材的使用壽命。

深入研究窯各個部位的耐材后，窯襯采用了新耐材砌筑結構，提高窯的內襯整體密封性，延長使用壽命，避免了隔熱磚長期使用后滑動粉化問題，減少維修更換量，顯著降低窯殼溫度，不再產生窯皮紅斑現象，從而減少熱損失，降低生產成本。

2.3 窯冷卻系統

為了提高冷卻系統的密封性及換熱效率，拆除原有水平推動式冷卻機系統和成品輸送系統，更換成豎式冷卻機系統，更換窯頭冷卻風系統和成品冷卻除塵系統，由原來的電除塵改為布袋除塵。拆除板鏈式輸送機，更換為耐熱帶式輸送機，系統減輕了負荷。冷卻器下部分布有分區的冷卻風帽裝置，增加了冷卻面積，改善了內部通風和冷卻效果，提高了換熱效率，減小了窯頭漏風系數，使窯頭壓力在微負壓下操作，基本解決冒灰現象，成品溫度控制在80℃以下，大大減少了系統熱量損失，成品系統節能約2%。

回轉窯散熱是能源消耗的一個主要因素，通過改造窯內襯結構和窯頭窯尾密封結構形式，減少了漏風量，降低了窯殼溫度，提高了產能，改善了生產操作環境，減少了熱損失，從而節約能源，達到節能降耗的目的。

2.4 “三電”等的改造

“三電”指的是電氣、儀表和通訊。為了使窯內加料、出料更準確，減少燃料消耗，提高系統熱效率,改善系統熱工控制參數，窯的電氣、控制、儀表及通訊等設施隨著主工藝系統的改造同時更新。在上料系統和成品系統增加了皮帶秤，精確控制煅燒量。增加了窯頭、尾、傳動等重要部位的監測，增加了窯尾廢氣的氧含量分析系統和料倉料位檢測等。在冷卻器上設有高溫料位計，控制料位高度，使成品處于最佳冷卻狀態。使窯燃燒系統在合理的空燃比范圍內，調整火焰長度，有利系統運行平穩，減少了廢氣帶走的有效熱，提高了系統的熱效率和運行效率，使系統操作更直觀更便捷，整個系統自動化程度高，實現靈活而穩定的集中生產操作，保證了產品質量和產量，節省人力，相應降低了生產成本。

2.5 輔助設施的改造

為了改善生產環境，減少二次污染物，節水節電等，取消了原料系統的水洗設施，直接采用窯前篩分系統，大大節約了占地及電、水等動力消耗，同時不水洗的原料利用率進一步提高，節約了資源。水分低的原料入窯也便于預熱、煅燒，消耗熱量相對較低，減少了窯廢氣的水分，避免除塵布袋結露等問題。篩下料直接送燒結等用戶再利用，不再產生泥餅等污染物，減少環境污染。

為減少粉塵等廢氣排放，窯尾氣除塵設有事故除塵系統，使窯尾在檢修或事故時，均可使廢氣得到除塵凈化，有組織排放，滿足環保要求。

為保護窯及其傳動系統壽命，設計事故水箱，使其在停電等事故時，窯可以維持運轉及冷卻，使窯不會變形，傳動系統得到冷卻保護，延長了系統的使用壽命。

3 改造后的回轉窯情況

3.1 改造后的石灰窯生產工藝

改造后的回轉窯工藝流程示意圖見圖3。篩分后合格粒度的物料通過帶式輸送機送入豎式預熱器頂部料倉內，再分區落入預熱器的分割區進行熱交換，再通過預熱器推桿將物料經轉運溜槽推入窯內煅燒，煅燒合格的物料通過豎式預熱器進行充分冷卻，再卸到耐熱皮帶上，送往成品庫或下游用戶。

混合煤氣和一次助燃風通過燒嘴燃燒，二次風在冷卻成品物料后，被加熱到約600℃，帶入窯內參與燃燒，燃燒產生的高溫廢氣在窯內流向窯尾的同時，與逆流翻滾移動的物料進行熱交換，再進入豎式預熱器與物料進一步換熱，被除塵系統抽出并凈化，最終排入大氣。

圖3 改造后的回轉窯工藝流程示意圖Fig.3 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln after Improvement

3.2 熱工參數及產品指標對比

改造前后回轉窯的熱工參數及產品指標對比見表1所示。由表1看出，改造后的回轉窯產能從600 t/d提高到750 t/d，提高了25%，每年增加產能約5萬t。出窯廢氣溫度降到180℃，成品出料溫度降至82℃，產品活性度提高至380 mL，殘余CO2低至2.0%。經計算，改造后的回轉窯實現年節能降耗10%以上，每年節能約2萬t標準煤,自改造以來運行效果良好，每年節省生產成本約千萬元以上。

表1 改造前后回轉窯的熱工參數及產品指標對比Table 1 Comparison of Thermal Parameters and Indexes of Products on Rotary Kiln before and after Improvement

4 改造經驗

回轉窯改造后，石灰石/白云石不再水洗，所以可以結合煉鋼、燒結用戶的需求，適當提高礦石粒度，尤其是更易碎的白云石粒度，可減少運輸過程中礦石的破碎量，減少廢品率，進一步提高礦源利用率，從而提高產能，降低生產成本。

一般普通窯漏風系數在15%左右，窯產能提高后，在不影響煅燒產品質量的前提下，增加窯密封性，可適當控制空燃比，可將一次風機設計為變頻調速型式，使窯熱工制度更加合理穩定、精準操作，達到節能減排的目的。

為避免回轉窯窯皮脫落堵塞冷卻器，在窯冷卻器上設置了隔柵，旁邊設有大塊料導出口。但此處溫度很高，散熱大，有時會導致閘板變形等問題，因此增加了保溫結構，且不影響執行機構操作，隔熱效果良好，改善了操作環境。為避免回轉窯內襯耐材抽簽脫落，建議改變耐材磚型，在控制單個重量的基礎上，增加砌筑環的磚與磚的接觸面積，使其整體性更好，強度更高，減少檢修次數，節約材料成本。

一般回轉窯豎式預熱器內沒有隔墻分區，本次改造增加了隔墻，能使窯廢氣更充分地與礦石接觸，增加推桿推料量，不僅產能得到提高，還能更好地進行熱量交換，預熱更加均勻，降低預熱器頂部溫度和廢氣溫度，起到進一步節能的效果。

5 結語

寶鋼對其立波爾式回轉窯的預熱系統、本體系統、冷卻系統的工藝、設備、熱效率、結構隔熱密封性及附屬設施進行了改造。改造后回轉窯運行效果良好，產能從600 t/d提高到750 t/d，每年增加產能5萬t。出窯廢氣溫度降到180℃，成品出料溫度降至82℃，產品活性度提高至380 mL，殘余CO2低至2.0%。工藝流程簡化后，由于設備控制環節減少，能源消耗和維修成本得到降低，每年節能約2萬t標準煤，實現年節能降耗10%以上，每年節省生產成本約千萬元以上。