工業(yè)石灰窯生產(chǎn)技術(shù)評述

鄔建國，張 洋，楊紅亮，楊 樂

(中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司 制鈉廠，內(nèi)蒙古 阿拉善 750336)

在我國傳統(tǒng)大工業(yè)化生產(chǎn)中，鋼鐵工業(yè)，電石工業(yè)，氧化鋁工業(yè)，耐火材料等工業(yè)都是石灰消耗大戶，近些年這幾個行業(yè)都是高速發(fā)展的行業(yè)，并且每年的產(chǎn)量基本都是以20%以上的速度在增長?？墒腋G需要的主要材料(輔助材料)石灰卻沒有相應(yīng)增長，造成石灰緊張，從而刺激了各類土石灰窯項目大量上馬，土燒窯又造成了對環(huán)境的嚴重污染，在這種情況下，國家和地方政府相繼出臺了一系列整治土燒窯的政策和法規(guī)，但很難實現(xiàn)預(yù)期效果，原因是有需求的刺激。因此要想徹底治理土燒窯的污染，必須推行現(xiàn)代新技術(shù)石灰窯來解決需求的問題。所謂現(xiàn)代新技術(shù)石灰窯就是具有環(huán)保、節(jié)能功能和機械化 、自動化程度較高的現(xiàn)代化石灰窯。因采用了現(xiàn)代技術(shù)，所以它能充分利用廉價能源，特別能利用原來對環(huán)境有污染的氣體做主要能源，變廢為寶。這樣不但對環(huán)境能起到保護作用，而且它生產(chǎn)的石灰，質(zhì)量好且成本低。利用這一新技術(shù)的企業(yè)，經(jīng)濟效益會有明顯增加。這就是近年來行業(yè)推廣新技術(shù)石灰窯的現(xiàn)實意義所在。

1 傳統(tǒng)石灰窯的基本原理和熱工工藝

石灰窯按燃料分有混燒窯，即燒固體燃料，焦炭、焦粉、煤等；氣燒窯，氣燒窯包括燒高爐煤氣、焦爐煤氣、電石尾氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣等。按窯形分，有豎窯、回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、西德維馬斯特窯、麥爾茲窯(瑞士)、弗卡斯窯(意大利)等。同時又有正壓操作窯和負壓操作窯之分。林州現(xiàn)代科技中心研制設(shè)計了300 m3以下的混燒窯和140 m3以下的氣燒窯，特別是高爐煤氣和焦爐煤氣燃燒的XD型節(jié)能環(huán)保石灰窯。該類石灰窯徹底攻克了焦爐煤氣熱值高、火焰短的燃燒難題，可以使剩余焦爐煤氣得到充分利用。由原來的焦爐煤氣“點天燈”，污染環(huán)境變?yōu)榱藶槠髽I(yè)創(chuàng)造效益的寶貴能源。對中小鋼鐵企業(yè)、焦化企業(yè)、電石企業(yè)、和耐火材料工業(yè)都是節(jié)能、環(huán)保、增效的有效途徑。

1.1 石灰窯的基本原理

石灰石主要成分是碳酸鈣，而石灰主要成分是氧化鈣。燒制石灰的基本原理是借助高溫，把石灰石中碳酸鈣分解成氧化鈣和二氧化碳的生石灰。它的反應(yīng)式為：

它的工藝過程為，石灰石和燃料裝入石灰窯(若氣體燃料經(jīng)管道和燃燒器送入)預(yù)熱后到850 ℃開始分解，到1 200 ℃完成煅燒，再經(jīng)冷卻后，卸出窯外，即完成生石灰產(chǎn)品的生產(chǎn)。

不同的窯形有不同的預(yù)熱、煅燒、冷卻和卸灰方式。但有幾點工藝原則是相同的，即：原料質(zhì)量高，石灰質(zhì)量好；燃料熱值高，數(shù)量消耗少；石灰石粒度和煅燒時間成正比；生石灰活性度和煅燒時間，煅燒溫度成反比。

1.2 石灰窯的質(zhì)量和數(shù)量消耗

工業(yè)用石灰對石灰石的質(zhì)量要求主要有兩個方面:一是要求碳酸鈣成分含量高，一般要求要在97%以上；二是它的結(jié)構(gòu)晶粒小，因為晶粒小的石灰石晶間不嚴實，且在含有有機物的情況下，有機物燃燒形成的多孔狀，二氧化碳容易分離，便于煅燒；三是雜質(zhì)少，特別有害成分少如二氧化硅，氧化鎂、氧化鋁、氧化鐵、硫和磷等。這些成分在石灰石中若有1%，到煅燒成的生石灰中，就是18%。燒1 t石灰按理論計算需1.78 t石灰石，但煅燒時“生”“過”燒的高低和石灰石質(zhì)量好壞也有一定區(qū)別。

1.3 生石灰的質(zhì)量標準

石灰質(zhì)量的一般標準是:氧化鈣含量，生、過燒率、活性度、有害成分含量等。但更重要的是不同的行業(yè)，不同的用途又有不同的標準。如電石行業(yè)特別強調(diào)活性度即軟燒灰，煉鐵行業(yè)強調(diào)強度，所以要硬燒灰，煉鋼則又要軟燒灰。因此它的指標也是不一樣的。一般標準生石灰，氧化鈣含量要達到 97%以上，“生”“過”燒率小于10%，活性鈣要300 mL以上。

1.4 燃料與燃燒狀況

燒石灰的燃料很廣泛，固體燃料、氣體燃料、液體燃料都可以，但新技術(shù)石灰窯的燃燒原則是，哪種燃料最經(jīng)濟、哪種燃料更有利于環(huán)保、哪些燃料更能節(jié)約能源是新技術(shù)石灰窯的關(guān)鍵?，F(xiàn)在使用普遍的主要是焦炭和煤氣。對新技術(shù)來說最理想的還是煤氣，包括高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣、電石尾氣(煤氣)發(fā)生爐煤氣等是石灰窯的最好燃料。因為這些氣體燃料都屬于廢物利用，循環(huán)經(jīng)濟性質(zhì)。特別像焦爐煤氣現(xiàn)在大部分放散，資源十分豐富，其次是高爐煤氣，再就是電石尾氣,這些煤氣若利用起來，一來可大量節(jié)約能源，二來環(huán)境可得到保護，更重要的是企業(yè)可以有很好的經(jīng)濟效益。這些氣燒石灰窯，若大量發(fā)展起來，土燒窯污染環(huán)境的問題自然就解決了。好的項目之所以發(fā)展緩慢，主要是氣燒石灰窯技術(shù)在我國發(fā)展起來時間還比較短，任何事物都有一個發(fā)展認識的過程。特別是焦爐煤氣，由于熱值高、火焰短，石灰窯使用容易過燒和生燒，導(dǎo)致有的企業(yè)不敢大膽使用。其實這不是太難解決的問題，林州現(xiàn)代科技中心，現(xiàn)在已經(jīng)研究制造出外混式長火焰燒嘴，和石灰窯自循環(huán)稀釋高熱值煤氣的工藝技術(shù)，完全可以解決焦爐煤氣的燒石灰問題。燒石灰用燃料的多少和它爐型與燃料的熱值有關(guān)。

2 石灰窯主要設(shè)備及配套設(shè)施

2.1 石灰窯的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)備

石灰窯主要由窯體、上料裝置、布料裝置、燃燒裝置、卸灰裝置、電器、儀表控制裝置、除塵裝置等組成。不同形式的石灰窯，它的結(jié)構(gòu)形式和煅燒形式有所區(qū)別，工藝流程基本相同，但設(shè)備價值有很大區(qū)別，使用效果肯定也是有差別的。

2.2 主要設(shè)備

石灰窯主要附屬設(shè)備有上料機構(gòu),布料器，供風裝置、燃燒裝置,卸灰裝置等，相對而言,混燒石灰窯布料很關(guān)鍵，因為燃料和石灰石同時入窯時，必須通過布料實現(xiàn)爐料在窯內(nèi)的合理分布，消除爐壁效應(yīng)，均衡爐內(nèi)阻力，力求整個爐截面“上火”均勻一致。布料器形式和使用效果對石灰窯的生產(chǎn)效率有很大影響?，F(xiàn)在有各種各樣布料器，包括旋轉(zhuǎn)布料器、海螺形布料器、固定布料等，其中，林州現(xiàn)代科技中心研制的三段鐘式布料器利用“漏斗喉管效應(yīng)”和“倒W堆集角效應(yīng)”原理和可調(diào)式檔料板相結(jié)合的方式,結(jié)構(gòu)簡單,對解決原燃料的均勻混合和大小粒度的合理分布問題效果很好。而且具有耐高溫、耐磨損和方便檢修等多種優(yōu)點，特別適用于中小型石灰窯配置。而氣燒窯它的主要附屬設(shè)備是燃燒器，因為它的氣體燃料是通過燃燒器把可燃氣體和所需氧氣(空氣)按一定比例在燃燒器內(nèi)混合后送入爐內(nèi)燃燒，而且不同的燃氣所需的空氣量也不同，不同的爐型，不同的加熱方式，它需要的火焰類型也不相同。如預(yù)混式、半混式、外混式及氧化焰、中性焰、還原焰等。氣燒窯的燃燒器一定程度上決定著石灰窯的煅燒效果。當然其它附屬設(shè)備也很重要，如風帽，看似很簡單，但要保證它所供窯內(nèi)風量在整個窯斷面上的分布才有好的效果。

2.3 石灰窯附屬設(shè)備供風和風機選擇

無論混燒窯還是氣燒窯都需要一定合理供風，任何燃料燃燒都必須具備三個條件，即燃料、空氣(氧氣)、明火，缺少任何一項條件都不會燃燒。風的用量是根據(jù)燃料的可燃成分的需氧量來計算,若供風不足燃料就不會充分燃燒,供風過量過?？諝鈩t變成煙氣帶失大量熱量,從面造成燃料的增加和浪費。風量一般按公式計算，壓力要根據(jù)不同窯型，不同原料粒度形成的不同阻力來計算，原燃料粒度不同也有差異。因此選用風機既要以理論計算的基礎(chǔ)又要以具體爐型和實際經(jīng)驗為依據(jù)來選定風機，才有好的使用效果。

2.4 石灰窯的除塵與環(huán)保

石灰在煅燒時排放的煙塵中含有大量的有害氣體和10 μm以下的粉塵，粉塵中又包含SO2、F2O3、AlO3等。這些有害氣體和粉塵對人體的危害很大，如果人們長期吸入會引起支氣管和肺部等呼吸性疾病，幼兒更為嚴重，而且飄浮在空中的粉塵中還含有致癌物質(zhì)，若24 h呼吸平均濃度超過150 mg/m3的有害粉塵對人體會造成致命危害。新技術(shù)石灰窯，它的主要優(yōu)點是除能耗低、產(chǎn)量高、質(zhì)量好外，最大的好處是便于除塵。整個煅燒過程是相當于在一個密封容器中進行，它的煙氣可從窯頂煙氣管道排出，通過除塵凈化，然后達到無害、無污染的達標排放。

2.5 石灰窯的自動化控制

自動化控制是新技術(shù)石灰窯的重要特點，它的上料、配料、供風、供氣、卸灰都是通過電腦自動化控制完成，但也要考慮國情、廠情和價值成本,以最終效果為原則。

3 氣燒石灰窯技術(shù)的發(fā)展

石灰生產(chǎn)在我國已有幾千年的歷史，氣燒石灰是近幾年才在我國發(fā)展起來的石灰生產(chǎn)技術(shù),眾所周知石灰是由石灰石燒制而成的，石灰石主要成分為碳酸鈣(CaCO3),燒成后的石灰為氧化鈣(CaO)。

理論上把1 g石灰石(碳酸鈣)煅燒分解成石灰需要177.94 kJ熱量,而實踐中除分解碳酸鈣消耗熱量以外，還要有煅燒窯本身的熱損耗和煙氣跑冒帶走的熱量，所以實際上煅燒分解1 t石灰石成石灰需要2.31×106kJ(1 000 kg石灰石可煅燒成560 kg石灰)。由此可知1 t石灰需要石灰石1.78 t,煅燒1 t石灰則需要4.12×106kJ熱量。在生產(chǎn)實踐中工藝、設(shè)備不同則有一定區(qū)別。無論傳統(tǒng)的土窯還是現(xiàn)代的機械化窯都是這個原理只是窯型不同，燃料不同而已。現(xiàn)在的氣燒窯同樣是在這個原理下發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的石灰窯主要是以固體燃料(煤炭)為主，現(xiàn)在因能源的緊張和環(huán)境保護意識的加強氣燒窯越來越受到青睞。氣燒窯的工藝和結(jié)構(gòu)比煤燒窯簡單，而且氣燒窯燒成的石灰無雜質(zhì)無爐渣，特別是現(xiàn)在燒石灰窯用的燃料氣大部分都是過去作為廢氣排放的有害氣體。現(xiàn)在用來燒石灰窯完全是變廢為寶成本較低。事實上是既節(jié)能又環(huán)保，因此發(fā)展很快，燃氣體種類也越來越多。

焦爐煤氣石灰窯、電石尾氣石灰窯、蘭炭尾氣石灰窯、瓦斯氣石灰窯、甲荃尾氣石灰窯、黃磷尾氣石灰窯等多種尾氣石灰窯，這些尾氣都有很好的熱值，如高爐煤氣3.56×103kJ、焦爐煤氣1.67×104kJ、電石尾1.13×104kJ、瓦斯氣2.09×104kJ、蘭炭尾氣6.70×103kJ、甲醛尾氣7.95×103kJ。這些氣體石灰窯工藝和普通石灰窯結(jié)構(gòu)也大致相同，只是不同的氣體設(shè)計了不同的窯型窯徑，同時根據(jù)不同氣體成分及火焰燃燒特性設(shè)計了不同的燃燒裝置，盡可能使石灰石在窯內(nèi)煅燒時既不生燒也不過燒并且有高產(chǎn)量。

所謂窯型結(jié)構(gòu)主要要根據(jù)不同的燃氣火焰長短和產(chǎn)量需要來設(shè)計窯容窯徑，實踐證明氣燒窯的窯徑宜小不宜大。盡管氣燒窯為石灰石單一原料不像煤燒窯石灰石和煤必須要有好的均勻混合分布但也有粒度的合理分布，保證窯內(nèi)有好的透氣性。這就要有一定的布料裝置，但總的來說氣燒窯的布料裝置要比混(煤)燒窯的布料裝置簡單的多。燃燒裝置主要是燃氣和空氣的合理配比，配比合理才有好的燃燒效果。

石灰石在窯內(nèi)煅燒都要經(jīng)過三個階段即預(yù)熱段(帶)、煅燒段(帶)、冷卻段(帶)。三段要有三段的溫度控制，這就需要通過儀表和操作經(jīng)驗相結(jié)合來掌控。煅燒段最關(guān)鍵，因為它的煅燒過程既與溫度有關(guān)系又與時間有關(guān)系，所以只靠一種手段是不行的，儀表和經(jīng)驗都很重要，兩者必須結(jié)合。卸灰是石灰窯煅燒石灰的最后一道工序，但它仍是煅燒的重要環(huán)節(jié)，窯下卸灰和窯上加料都是調(diào)節(jié)窯內(nèi)熱工狀況的重要手段。氣燒石灰窯的環(huán)保治理要比煤燒窯相對容易，它的濃度較小由其現(xiàn)在為提高石灰質(zhì)量和產(chǎn)量所入窯的石灰石都要經(jīng)過二次篩分，有的還增加了水洗工序，通過旋風除塵和布袋除塵兩級除塵很容易就可達到排放標準。氣燒石灰窯有很多優(yōu)點但有一點不可忽視即安全生產(chǎn)，因為所有可燃氣體都含有有毒成分如一氧化碳，如有泄漏就容易發(fā)生一氧化碳中毒，同時又有易燃易爆的特點，特別含氫成分大的尾氣若接觸到明火更容易爆炸。設(shè)計氣燒石灰窯必須要配置好安全設(shè)施，同時要有嚴格的操作規(guī)程和管理制度以保證安全生產(chǎn)。

4 石灰窯類型及技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

我國在冶金石灰生產(chǎn)中窯爐種類基本一致，主要有回轉(zhuǎn)窯、引進類豎窯(雙膛豎窯、套筒豎窯、梁式豎窯)、國產(chǎn)氣燒豎窯、焦炭豎窯等。

4.1 回轉(zhuǎn)窯

在全世界廣泛采用，回轉(zhuǎn)窯具有以下優(yōu)點：焙燒的石灰質(zhì)量在所有窯型中最好；能燒5 mm以上的碎石原料，有利于礦山資源的利用；機械化程度高，控制系統(tǒng)簡單，生產(chǎn)操作容易；單窯產(chǎn)能最高，其缺點是熱耗比豎窯高、設(shè)備重量大、占地多、投資高。

4.2 引進類豎窯(雙膛豎窯、套筒豎窯、弗卡斯豎窯)

在全世界廣泛采用，這種類型豎窯具有以下優(yōu)點：焙燒的石灰質(zhì)量好；廢熱能較充分利用，熱效率較高；與回轉(zhuǎn)窯相比，占地面積??；排出的廢氣溫度和粉塵含量較低，易于采取廢氣凈化處理措施，有利于減少環(huán)境污染。

雙膛窯缺點是機械設(shè)備復(fù)雜，要求操作工人素質(zhì)較高。窯體正壓操作，檢修困難。用煤粉作燃料時，對煤質(zhì)要求苛刻。套筒窯缺點是窯體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對窯襯耐材質(zhì)量和砌筑要求高，日常維護量大。梁式豎窯不足之處是國內(nèi)建設(shè)的窯型少。石灰產(chǎn)品檔次與其它引進窯相比稍有差距。

4.3 國產(chǎn)氣燒豎窯

該窯型是國內(nèi)開發(fā)的傳統(tǒng)窯型。石灰質(zhì)量適中，在活性石灰窯型中建設(shè)投資最低。由于采用煤氣為燃料，石灰質(zhì)量在原燃料條件滿足要是時，可達到活性石灰標準的下線。不足之處是窯頂廢氣溫度高，熱效率低，單窯產(chǎn)量低。近幾年針對氣燒窯存在的問題，國內(nèi)開發(fā)研制了改進型氣燒窯。原窯型不足之處有所改善，但投資高。

4.4 其它窯型

傳統(tǒng)機械化焦炭豎窯是國內(nèi)焙燒冶金石灰的主要熱工設(shè)備，投資少、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。但因布料不均、無有效的調(diào)控手段，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，指標波動大，生過燒嚴重。節(jié)能立窯是在簡易窯的基礎(chǔ)上對其窯型結(jié)構(gòu)，環(huán)保和供風系統(tǒng)改進而成。改進后，質(zhì)量明顯提高且穩(wěn)定，投資低，環(huán)保條件有了很大改善。各種窯型技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。

表1 各種窯型技術(shù)經(jīng)濟指標Tab.1 Technical and economic indexes of various kinds of kiln

5 純堿生產(chǎn)中石灰窯選型設(shè)計

在純堿生產(chǎn)中，石灰工序的任務(wù)是制備石灰乳和提供清潔的石灰窯氣。其工藝流程國內(nèi)各堿廠均大致相同。但在石灰窯的操作控制方面，實現(xiàn)了PLC自動控制。按照邏輯關(guān)系和時間差，從自動配料、自動上料、窯頂上下鐘帽的開合、分石器的布料等均為自動操作。在石灰窯的選型上，一般選用φ7 200/φ5 300立式焦碳混燒窯，具有較好的經(jīng)濟性和操作性。