大型石灰豎窯設計經驗與探討

宋雙彥

（中冶賽迪上海公司，上海 200940）

隨著我國工業化的迅猛發展，各式石灰豎窯在各行各業中普遍應用。在生產管理和運行中，窯爐系統的順行性、達產達效性、機械化和自動化程度、節能環保指標等存在諸多待解課題。尤其是在國家控制環境污染、節能降耗的大背景下，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、能耗低等優點，而且石灰窯燒結用灰占比很大，所以機械化立窯是用戶的首選，應用市場非常廣闊［1］。鞍鋼集團耐火材料公司開發建設了2座大型機械化焦炭石灰豎窯，是國內首創大型石灰煅燒設備。該窯融合了俄羅斯、日本、歐洲類似豎窯的先進技術，在同類焦炭豎窯中，其有效容積、機械化和自動化程度、產品產量及質量、節能環保、投資成本等方面均為領先水平。本文結合該窯的設計和生產經驗，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、窯本體煅燒系統、成品出料系統、供風系統及公輔系統等，豎窯系統工藝流程見圖1。簡要工藝流程如下：

圖1 豎窯系統工藝流程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料斗，由窯旋轉頂布料器均勻分布到窯內。

豎窯內一般從上到下分三個區：預熱帶、煅燒帶、冷卻帶。石灰石物料在窯內預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品。成品石灰繼續向冷卻帶移動，進入冷卻帶后，與鼓入窯內的冷卻風進行熱交換。冷卻后的合格產品由出料裝置輸出，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。燃燒后的煙氣繼續向窯頂流動，預熱預熱帶的石灰石料柱，同時煙氣被冷卻，經窯頂排氣管、除塵凈化裝置凈化后，經煙囪排入大氣。

2 豎窯生產中的主要問題

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，石灰的導熱系數小于石灰石，熱量難以進入石塊內部，因此產生生芯現象，造成欠燒。

如果石灰石粒度過小，易與燃料灰分結合，生成低熔點固溶體液相而結坨，降低窯內透氣性，形成偏窯或懸料等現象，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 窯上料系統不穩定

豎窯上料系統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，易造成窯內氣流阻力不均，產生偏窯、生燒、過燒、結坨、懸料等現象。

2.3 燃料配比不合理

燃料比例和熱值不穩定，雜質多，同樣造成石灰石煅燒不均勻，有生燒、過燒現象出現，產品活性度低，影響產品質量。

2.4 供風系統不合理

由于供風系統不能將助燃空氣均勻分布在窯內，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、結坨；有的地方欠燒產生生芯，同樣影響產品活性度等質量指標。

3 本設計豎窯系統

3.1 上料系統

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

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

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

為保證上料系統的安全、穩定性，采用變頻調速斗式提升機，并設有保護開關、事故開關及斷繩保護裝置等。本設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，卷揚位置設在離窯更近、更高的位置，改善繩索受力情況，其上面設有防雨設施，保護設備的同時便于觀察和檢修。

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

3.2 窯頂旋轉布料器

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布料器。為防止顆粒偏析，在布料器溜槽端部設有角度可調的擋料裝置，使分布在窯內的物料落點可調，保證了布料的均勻性。

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

3.3 窯頂料位計

普通豎窯容積小，斷面內徑小，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，內徑達4.8 m，一個料位計顯然不能真實反映窯內布料的偏差。圖3為本設計豎窯和普通豎窯的料位檢測的對比，本設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，便于生產操作和調整窯內料柱各區域標高。

圖3 本設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 窯頂部密封結構

一般豎窯頂部溫度比較高，窯頂操作環境惡劣，有的高達500℃，對設備和鋼結構等要求較高，且影響使用壽命。針對這種情況，本設計在窯頂部設置雙重密封裝置的同時，增加預熱帶高度，增加料層與窯尾氣交換面積。圖4為本設計豎窯和普通豎窯窯頂蓋結構的對比，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，同時也減少粉塵排放，達到節能減排的目的。

圖4 本設計豎窯和普通豎窯窯頂蓋結構的對比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和重質相結合的密封結構，最終窯頂蓋溫度控制在80℃以下，避免了窯頂設備受高溫影響，取得了良好的保溫節能效果。能源成本是生產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，本設計在充分利用鋼板寬度的基礎上，在窯殼上設有加固圈，圖5為本設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，節省材料，同時保證了窯殼設計尺寸、橢圓度和密封性。

圖5 本設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

在爐型設計上，由于大容積窯斷面達18 m2，料柱高達22 m，整個窯的側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，穩定流動于預熱帶、煅燒帶、冷卻帶及三個煅燒區域位置，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、結坨、卡料、出料溫度高等現象，出料溫度控制在80℃以內。

3.6 窯內襯耐材

為避免大型豎窯耐材量過大，荷載過高，本設計豎窯采用輕質薄壁結構，即一層重質磚作為工作層，其余為輕質磚和保溫材料，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，減少了窯體散熱，改善了操作環境。

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，每隔一定高度設有支撐環，增強了耐材砌筑結構的穩定性，延長了內襯使用壽命，一般可達8年以上。

3.7 窯下部支撐結構

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

3.8 窯出料裝置

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

圖6 本設計豎窯和普通豎窯出料系統的對比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、卡料等現象。采用變頻調速電機后，出料量可調，便于控制出料速度，并與上料系統、加料系統、鼓風系統、料位檢測等連鎖，維持窯內熱工制度穩定，各帶長度分布合理，保證產品質量。

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

圖7 本設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

目前，大斷面窯普遍采用嵌入式多點布置噴槍、梁式燒嘴、側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、結坨等現象。

本設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、加料系統考慮物料混勻之外，還在窯底鼓風系統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，保證合格產品迅速冷卻，同時也保護了出料設備。

窯鼓風系統采用高壓變頻風機，保證窯內壓力的同時，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面供給，快速冷卻物料的同時被加熱，繼續向上流動作為輔助燃料燃燒的二次風，使焦炭充分燃燒，節約能源。

3.10 煙氣凈化系統

窯頂部設有2個廢氣收集罩，使窯頂處于負壓狀態，廢氣流均勻穩定，避免產生窯壁偏流現象。在每個廢氣收集罩入口設有隔網，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，滿足環保要求。

3.11 “三電”系統

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，單窯產量低，產品質量差，能耗高。本設計豎窯全窯采用自動化PLC控制，可以實現一鍵操作，多畫面集中CRT監控，自動化程度高，真正實現機械化和自動化生產石灰。在窯頂部、窯各個溫區分布帶、窯出料端均設有溫度、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、流量等均可控制調節，隨時調整窯各個操作參數，使窯系統處于最佳熱工狀態，保證產量和產品質量。

（1）生產系統PLC過程控制功能

從原料儲存、輸送到成品輸送、儲存所有設備啟/停、邏輯控制、狀態顯示、檢測參數等可全部在計算機上操作，實現系統周期上料、出料。根據系統運行狀態、報警連鎖參數等自動順序控制，連續順行生產，使系統在完全自動化狀態下穩定生產，提高勞動生產力。

（2） 儀表系統

在原料系統設置除鐵器、料量稱量裝置，在成品系統設置料量、溫度檢測等裝置。在窯的頂部、窯側面不同煅燒段、出料端設置料位、壓力、溫度等檢測裝置。在供、排風系統設置流量、壓力、溫度等檢測，整個生產系統各個參數處于可控狀態，便于生產預判和調整。

（3） 電訊系統

在整個石灰生產系統設置了火災報警、工業電視監控、有線調度電話及無線通訊等功能，便于科學、有序、高效管理生產。

4 實際效果

在借鑒各國石灰豎窯先進技術的基礎上，新建豎窯內徑從4.0 m增大到4.8 m，有效容積提高了約40%。上料系統和出料系統實現全機械化、自動化操作，產品生燒、過燒量減少，產品活性度從180 mL提高到240 mL，殘余CO2控制在6%以內。產量從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，改善了生產環境，提高了勞動生產率，減小了環境污染，大大降低了生產成本。鞍鋼集團耐火材料公司機械化石灰豎窯系統于2000年11月投產并迅速達產，各工藝系統運行穩定，完全達到設計要求的控制水平［2］。鞍鋼本部、礦山公司等相繼建了多座同樣的豎窯，目前在鋼鐵廠燒結用戶的使用效果比較好。

5 結語

對普通豎窯的窯型結構、加料系統、出料系統、“三電”系統等進行了一系列改進設計。多年的生產實踐驗證，全窯系統機械化和自動化程度高，產能可達320 t/d，石灰活性度可達240 mL，延長了窯的的使用壽命，生產運行穩定，節能環保效果良好，滿足鋼鐵廠燒結等用戶需求，大大降低了生產成本。