大型900 t/d 石灰雙膛豎窯技術(shù)方案及新結(jié)構(gòu)

周浩宇，劉 前，萬忠炎，潘紹兵，李 峰

（1.中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南長沙410205；2.云南玉溪仙福鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，云南玉溪653401）

石灰是一種功能多樣的材料，廣泛用于鋼鐵生產(chǎn)、建筑工程、石油化工、輕工業(yè)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)行業(yè)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，全世界的石灰年產(chǎn)量達(dá)到了3.5 億t，其中約50%的石灰用于鋼鐵冶金行業(yè)，生石灰作為煉鋼過程中的添加劑和造渣材料，可以有效剔除鐵水中的P 和S，發(fā)揮著不可替代的作用。此外也多用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、干燥劑、制革及醇的脫水等。

在石灰工業(yè)生產(chǎn)過程中，天然石灰石被壓碎成幾厘米大小的顆粒，置于石灰窯中進(jìn)行加熱、煅燒，碳酸鈣在高溫下轉(zhuǎn)化為氧化鈣（即石灰）和二氧化碳[3]。石灰窯作為生產(chǎn)石灰的主要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)隨著國家能源結(jié)構(gòu)和石灰石品質(zhì)的變化而改進(jìn)[4]。當(dāng)前，我國運(yùn)行的石灰窯中以并流蓄熱式雙膛石灰窯技術(shù)最為先進(jìn)[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。窯身的上部有換向系統(tǒng)，用于交替輪換使用兩個(gè)窯身；在窯身煅燒帶的下部設(shè)有彼此連通的通道；煤氣或煤粉噴槍安裝于預(yù)熱帶，并埋設(shè)于石灰石中。在操作時(shí)，每隔10～15 min 變換一次窯身功能，即每個(gè)窯身每隔一個(gè)周期加熱一次。

圖1 并流蓄熱式雙膛石灰窯結(jié)構(gòu)示意圖

隨著國內(nèi)石灰產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)不再選擇以往“小而多”的石灰窯建設(shè)模式，而是改為選擇“大而少”模式，以實(shí)現(xiàn)減少操作人員、降低占地面積和提升噸礦經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，我國雙膛石灰窯單臺產(chǎn)量普遍較低，最大僅為600 t/d，一年產(chǎn)量不到20 萬t，難以滿足企業(yè)需求。故此，開發(fā)900 t/d 以上的大型化石灰雙膛窯技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)下市場的迫切趨勢。

1 900 t/d 石灰雙膛豎窯大型化技術(shù)方案研究

1.1 兩種大型化方案的提出

單窯產(chǎn)能的提升目前主要有兩種技術(shù)方案：一種是增加窯膛直徑，在相同的物料下行速度下，窯膛截面增大，從而增加單窯產(chǎn)量；另一種是增加窯膛高度同時(shí)增加物料下行速度，在相同截面下，單位時(shí)間內(nèi)通過截面的物料量增大，從而增加單窯產(chǎn)量。為擇選最優(yōu)方案，項(xiàng)目組分別考察了兩種大型化方案下的窯膛結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)變化，對兩種方案的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了分析。

在分解速率一定的情況下，單窯產(chǎn)量從600 t/d提升到900 t/d，石灰窯有效容積需要相應(yīng)增加1.5倍。表1 給出了在現(xiàn)有煅燒速率條件下，增加窯膛高度和加大窯膛內(nèi)徑兩種方案下，單窯產(chǎn)量從600 t/d提升到900 t/d 時(shí)，雙膛窯內(nèi)徑尺寸和窯膛高度的變化情況。由表可知：采用增加窯膛內(nèi)徑的方法，石灰窯內(nèi)徑需由4.31 m 增加至5.28 m。而采用加高窯膛高度的方法，石灰窯總高需由21.46 m 增加至32.19 m。

表1 大型化方案對比

1.2 物料壓力比較

兩組方案中，物料堆密度統(tǒng)一取1.8 t/m3，內(nèi)摩擦角取37.6°，壁面摩擦角取31.2°；方案一中窯膛內(nèi)徑取4.31 m，方案二中窯膛內(nèi)徑取5.28 m。圖2 顯示了兩種方案下，窯膛內(nèi)三種應(yīng)力隨深度變化的曲線。可以看到，在相同深度位置，方案二（內(nèi)徑更大）的三種應(yīng)力值均比方案一大，即在物料高度不變的情況下，增加窯膛內(nèi)徑會使物料壓力增大。

圖2 兩種方案下窯膛內(nèi)切應(yīng)力隨深度變化曲線圖

綜合考慮窯膛高度變化，比較了雙膛窯環(huán)形通道尾端位置（即煅燒帶終點(diǎn)）的物料壓力，見表2。方案一中預(yù)熱段9 m、煅燒帶13.07 m，通道尾端深度為22.07 m；方案二中預(yù)熱段6 m，煅燒帶8.71 m，通道尾端深度14.71 m。可以看出，與原方案相比，加高方案（方案一）和加粗方案（方案二）兩種方案的物料壓力都有所增加。加粗方案在通道尾端位置的物料應(yīng)力最大，豎直方向主應(yīng)力較原方案增加10.7%，徑向方向主應(yīng)力較原方案增加11.1%，切應(yīng)力較原方案增加12.5%。加高與加粗兩方案之間，在通道尾端位置的應(yīng)力差別不大。

表2 不同方案下通道尾端位置的三種應(yīng)力結(jié)果

1.3 物料氣阻比較

分別計(jì)算了增加窯膛高度（方案一）和增大窯膛內(nèi)徑（方案二）下，石灰窯窯膛內(nèi)氣流單位壓降和總壓降情況，見表3。窯膛加粗方案（方案二）與原方案氣阻分布結(jié)果一致，而窯膛加高方案（方案一）與原方案相比，窯膛氣阻增加為原來的約3.3 倍。這是由于在方案一中，產(chǎn)量提升1.5 倍，助燃風(fēng)和冷卻風(fēng)量相應(yīng)也要增加1.5 倍，而在水平方向截面尺寸一定的情況下，流速也相應(yīng)增加1.5 倍。前面的計(jì)算已經(jīng)表明，石灰窯窯膛內(nèi)氣阻主要為與速度成二次方關(guān)系的慣性阻力項(xiàng)，因此，速度增加1.5 倍，單位壓降相應(yīng)增加約2.25 倍。同時(shí)，由于窯膛高度增加1.5倍，兩個(gè)因素的共同作用，使得總壓降增加為原來的約3.3 倍。

表3 不同方案下石灰窯窯膛內(nèi)氣流單位壓降和總壓降

1.4 方案的確定

通過以上對兩種大型化方案下，物料載荷分布和氣流阻力變化等核心問題的研究可知，窯膛加粗是雙膛窯大型化較為可行的技術(shù)方案。原因如下：

①采用窯膛加高方案時(shí)，爐膛壓力太大。在產(chǎn)量提升1.5 倍，助燃風(fēng)和冷卻風(fēng)量增加1.5 倍，截面尺寸不變的情況下，流速增加1.5 倍，料厚增加1.5 倍，爐膛阻力增加為原來的約3.3 倍。窯膛氣壓的增加，一方面會顯著增加向窯膛內(nèi)輸送氣體和燃料的管道系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)設(shè)備的負(fù)荷，另一方面也會增加窯膛本體的承載負(fù)荷。

②加高方案中，煅燒帶過長，火焰穿透深度有限。在加高方案中，煅燒帶由原來的8.71 m 增加至13.07 m，煤粉穿透深度增加1.5 倍，煤粉輸送壓力需要進(jìn)一步增加；煅燒帶過長，沿煅燒帶的溫度分布難以滿足工藝要求。

同時(shí)，從上面的研究和分析可以看到，加粗方案雖然較加高方案更可行，但同樣也存在瓶頸難點(diǎn)：環(huán)形通道處的受力進(jìn)一步惡化：現(xiàn)有牛腿支撐式環(huán)形通道結(jié)構(gòu)在600 t/d 產(chǎn)量下，已經(jīng)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，局部出現(xiàn)退磚、開裂，最終發(fā)展成砌筑結(jié)構(gòu)整體失效的問題。窯膛內(nèi)徑由4.3 m 提升至5.28 m 后，物料壓降增加為原來的1.1 倍，使得環(huán)形通道處的應(yīng)力進(jìn)一步增加，受力強(qiáng)度問題更加嚴(yán)重。

綜上，通過增加窯膛內(nèi)徑來實(shí)現(xiàn)雙膛窯大型化是較為可行的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)該方案的關(guān)鍵是通過新裝備開發(fā)，進(jìn)一步提高環(huán)形通道等處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 Z 字卡扣磚腔復(fù)合式通道結(jié)構(gòu)研究

2.1 現(xiàn)有環(huán)形通道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

現(xiàn)有雙膛窯連接通道下部懸空設(shè)置，相當(dāng)于頂端固定懸臂梁受力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致連接通道處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。筆者采用有限元分析方法，對窯膛內(nèi)徑增加前后（4.3 m 和5.28 m）的環(huán)形通道處應(yīng)力分布情況進(jìn)行了模擬，如圖3 所示。

圖3 不同內(nèi)徑尺寸下環(huán)形通道應(yīng)力分布圖

結(jié)果表明，窯膛內(nèi)徑由4.3 m 增加至5.28 m，產(chǎn)量由600 t/d 提升至900 t/d 時(shí)，環(huán)形通道處的最大拉應(yīng)力由0.4 MPa 增加至0.46 MPa，這樣應(yīng)力值已經(jīng)超出了多數(shù)砌筑火泥的粘結(jié)強(qiáng)度。因此，大型化雙膛窯必須設(shè)計(jì)新的、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的環(huán)形通道形式。

2.2 新通道結(jié)構(gòu)的提出

從改善環(huán)形通道受力形式和提高結(jié)構(gòu)整體性出發(fā)，項(xiàng)目組研發(fā)了新一代Z 字卡扣磚腔復(fù)合式環(huán)形通道（見圖4）。主要由鋼質(zhì)拉桿、鋼質(zhì)環(huán)狀橫梁、耐火預(yù)制塊和耐火現(xiàn)澆縫等部分組成。

圖4 Z 字卡扣型磚腔復(fù)合式強(qiáng)固型環(huán)形通道結(jié)構(gòu)圖

圖5 是圖4 中的A-A 截面圖，環(huán)形通道主墻體由若干沿圓心陣列布置的耐火預(yù)制塊拼接而成，預(yù)制塊與預(yù)制塊之間設(shè)有Z 字形現(xiàn)澆縫，保證預(yù)制塊之間的連接強(qiáng)度?，F(xiàn)澆縫內(nèi)設(shè)置有中空的鋼制拉桿（見圖6），鋼質(zhì)拉桿由錨固釘、管壁和中間隔板等部分組成。拉桿外側(cè)澆筑有現(xiàn)澆料，隔絕外部高溫，拉桿外側(cè)焊接有錨固釘，用以增加拉桿與現(xiàn)澆料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。拉桿內(nèi)設(shè)置有中間隔板，將拉桿內(nèi)部空間分割成兩個(gè)獨(dú)立的空腔，分別作為冷卻風(fēng)的進(jìn)口和出口。拉桿底部與鋼制環(huán)狀橫梁焊接，底部與窯膛外壁鋼殼焊接，拉桿作為承力部件將橫梁承受的向下的壓力傳導(dǎo)至窯膛外殼。鋼制環(huán)狀橫梁為中空結(jié)構(gòu)，在橫梁上表面上，沿周向均勻地焊接有若干鋼制拉桿，作為橫梁承力件。如圖7 所示，橫梁內(nèi)與鋼制拉桿相對應(yīng)的地方，設(shè)置有中間隔板，將橫梁內(nèi)腔體分割成若干相互獨(dú)立的腔體。橫梁內(nèi)腔與拉桿內(nèi)墻相互連通，使得冷卻風(fēng)可以由一側(cè)拉桿進(jìn)入，穿過橫梁后，從另一側(cè)拉桿流出，實(shí)現(xiàn)拉桿和橫梁的冷卻。橫梁上表面輪廓設(shè)置成階梯型，橫梁外表面焊接有錨固釘，外表面澆筑有澆注料，以隔絕高溫?zé)煔夂臀锪?。澆筑料在橫梁上表面形成階梯型平面，耐火預(yù)制塊一端直接安裝在橫梁梯形平面上，另一端卡在石灰窯外殼上。預(yù)制塊的上下部分別與上部的窯殼壁面和下部的橫梁相互咬合。預(yù)制塊的重量均勻的傳導(dǎo)至環(huán)形橫梁上，通過拉桿傳遞至石灰窯外部鋼殼上。預(yù)制塊下部由環(huán)狀橫梁收口，保證預(yù)制塊在受到徑向壓力時(shí)的整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖5 A-A 截面圖

圖6 圖5 中Ⅰ處放大圖

圖7 B-B 截面圖

2.3 新通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能驗(yàn)證

與現(xiàn)有環(huán)形通道結(jié)構(gòu)相比，本技術(shù)環(huán)形通道結(jié)構(gòu)具有更好的整體性、耐磨性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。Z 字卡扣型磚腔復(fù)合式環(huán)形通道主體由預(yù)制塊拼接成，預(yù)制塊與預(yù)制塊之間采用Z 字型現(xiàn)澆料帶連接，在現(xiàn)澆料帶內(nèi)埋設(shè)Z 字型風(fēng)冷腔室，通過風(fēng)冷腔室外焊錨固釘來固定現(xiàn)澆料帶，通過Z 字型現(xiàn)澆料帶類似于“卡扣”的承力行為來加強(qiáng)預(yù)制塊之間的連接強(qiáng)度與固定穩(wěn)定度。該結(jié)構(gòu)相比現(xiàn)有技術(shù)下的內(nèi)外墻型磚砌筑結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度有顯著提升。由于預(yù)制塊主體和現(xiàn)澆料的耐磨性都優(yōu)于砌縫材料耐火泥，故結(jié)構(gòu)整體耐磨性也有很大提升。預(yù)制塊拼接的整體性比砌磚好，不會出現(xiàn)局部小裂紋擴(kuò)展發(fā)展成整體結(jié)構(gòu)破壞的問題。同時(shí)，預(yù)制塊上端由窯膛鋼制外殼固定，下端由環(huán)形鋼制橫梁固定，受力形式由一端固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)形式，改為兩端固定的簡支梁結(jié)構(gòu)形式，在相同側(cè)向載荷下，結(jié)構(gòu)承載的最大應(yīng)力得到了有效降低。圖8 顯示了兩種結(jié)構(gòu)下環(huán)形連接通道處承載應(yīng)力情況，可以看到，通過改懸臂結(jié)構(gòu)為兩端支撐結(jié)構(gòu)，連接通道處的承載峰值應(yīng)力由0.46 MPa 降低至0.33 MPa，降幅達(dá)28%。

圖8 磚腔復(fù)合式強(qiáng)固型環(huán)形通道應(yīng)力分析圖

3 結(jié)論

（1）石灰雙膛豎窯產(chǎn)量從600 t/d 提升到900 t/d時(shí)，采用擴(kuò)大窯徑的方法，窯內(nèi)徑需由4.31 m 增加至5.28 m。而采用加高窯膛高度的方法，石灰窯總高需由21.46 m 增加至32.19 m。

（2）受爐膛壓力、煤粉燃燒穿透深度等因素影響，雙膛窯加高窯膛高度的方法難度較大，擴(kuò)大窯徑是相對較可行的方法。

（3）采用Z 字卡扣型磚腔復(fù)合式通道結(jié)構(gòu)能夠有效解決擴(kuò)大窯徑后環(huán)形通道受力工況進(jìn)一步惡化的問題，通過改懸臂結(jié)構(gòu)為兩端支撐結(jié)構(gòu)，連接通道處的承載峰值應(yīng)力由0.46 MPa 降低至0.33 MPa，降幅達(dá)28%。