弗卡斯套筒窯的設(shè)計(jì)優(yōu)化

羅 聰

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011）

0 引言

目前，我國(guó)生產(chǎn)冶金石灰的窯型主要有氣燒豎窯、麥爾茲窯、回轉(zhuǎn)窯及弗卡斯套筒窯。弗卡斯套筒窯（以下簡(jiǎn)稱“套筒窯”）是目前公認(rèn)的、最先進(jìn)的石灰豎窯窯型，其核心技術(shù)為意大利弗卡斯公司所有。

1 套筒窯簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

套筒窯是圓形橫截面，窯面為環(huán)狀，裝料由頂部料鐘（布料器）加入。

（1）在套筒窯的中心裝有一個(gè)立式吊式的圓筒，煅燒帶便成為環(huán)形截面。燃燒室以徑向安裝在窯的外筒上，在燃燒室朝向窯內(nèi)開口的地方有耐火材料砌筑的“拱橋”將內(nèi)外筒體連接起來?！肮皹颉毕率菍⑽锪蠌较蚯辛希@使得燃燒氣體均勻地進(jìn)入物料并釋放其熱量。上、下燃燒室交錯(cuò)排列，使氣體均勻分布。

（2）兩排燒嘴將窯成分3 個(gè)煅燒帶，其中上面與中間的呈逆流煅燒、下面為并流煅燒。入窯的石灰石在預(yù)熱帶先以對(duì)流方式得到預(yù)熱，然后進(jìn)入上部煅燒帶。在上部煅燒帶，上燃燒室內(nèi)未完成燃燒的熱氣體完成燃燒、石灰石進(jìn)行分解。在中間煅燒帶，物料和從下燃燒室分流出來的熱氣體并流燃燒而完全分解成石灰，石灰進(jìn)入冷卻帶。

（3）套筒窯在負(fù)壓下工作，依靠一臺(tái)高溫廢氣引風(fēng)機(jī)形成窯內(nèi)負(fù)壓環(huán)境。內(nèi)筒冷卻氣由離心風(fēng)機(jī)供給，用于下燒嘴的一次助燃空氣及噴射器工作用氣由兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供給。

（4）套筒窯設(shè)有換熱器，利用部分燃燒廢氣對(duì)一次助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)經(jīng)過熱交換的燃燒廢氣溫度降低到除塵系統(tǒng)的允許范圍內(nèi)，對(duì)下內(nèi)筒進(jìn)行強(qiáng)制冷卻而被加熱了的冷卻空氣作為二次助燃空氣供上、下燒嘴使用。下內(nèi)筒與窯體所砌耐火材料共同形成再循環(huán)通道，在噴射器的引射作用將通過冷卻帶冷卻石灰而被加熱的空氣和一部分燃燒室的燃燒廢氣沿此通道再次送入下燃燒室，使得下燃燒室充分燃燒，上燃燒室產(chǎn)生的熱氣和下燃燒室產(chǎn)生的部分熱氣逆流而上、形成上部逆流煅燒，下燃燒室產(chǎn)生的多數(shù)熱氣順流而下、形成并流煅燒。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 主要部件

（1）窯殼及內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。窯殼由型鋼及鋼板焊接而成，并帶耐火襯托圈，內(nèi)砌耐火材料。在窯附屬結(jié)構(gòu)及熱交換器平臺(tái)位置設(shè)有施工門，施工時(shí)可將耐火材料放入窯內(nèi)。內(nèi)套筒分為上內(nèi)套筒和下內(nèi)套筒，上內(nèi)套筒懸掛在窯的頂部，下內(nèi)套筒位于整個(gè)豎窯的中下部位。內(nèi)套筒由兩層鋼板制成，兩層之間形成環(huán)隙，環(huán)隙內(nèi)通過空氣強(qiáng)制冷卻，內(nèi)套筒的內(nèi)、外側(cè)均砌有耐火材料。

（2）燃燒和噴射器系統(tǒng)。燃燒室為圓筒設(shè)計(jì)，自撐式結(jié)構(gòu)，直接焊在窯殼上。在下燃燒室末端有排塵螺旋管，裝有卸灰閥用于燃燒室排塵。上、下燒嘴分別固定在燃燒室上。噴射器連接循環(huán)氣體通道，噴射器頂端為噴射管，用金屬軟管與換熱器出來的驅(qū)動(dòng)風(fēng)環(huán)管相連。噴射管噴出的高壓氣體形成負(fù)壓，將循環(huán)氣體導(dǎo)入下燃燒室，達(dá)到窯內(nèi)氣體循環(huán)的目的。

（3）耐火材料。環(huán)形套筒窯的耐火材料主要有鎂鋁尖晶石磚、低氣孔率黏土磚、高鋁隔熱磚、黏土磚、輕質(zhì)黏土磚、澆注料、耐火纖維以及其他散料等，磚型約36 種。根據(jù)工作環(huán)境的不同，窯內(nèi)各位置使用的耐火材料也不同：在燃燒室噴射器處主要耐材為鎂鋁尖晶石磚及鎂質(zhì)搗打料；“拱橋”處主要耐火材料為高純莫來石磚，滿足耐磨要求；其他工作層主要是低氣孔率黏土磚和高鋁高強(qiáng)澆注料。

（4）出灰系統(tǒng)。套筒窯出灰系統(tǒng)有7 個(gè)底部帶出料口的漏斗式出料器和出料臺(tái)。為了定量出灰，每個(gè)出料臺(tái)裝置一個(gè)推桿，每個(gè)推桿定量出料、每次推出50 kg 石灰，在預(yù)調(diào)定的間隔時(shí)間將石灰推入下面的貯料斗（料斗內(nèi)存在微負(fù)壓，以便吸入一定量的空氣在窯底冷卻石灰）。出料臺(tái)同步工作，每次出灰量350 kg，通過推料次數(shù)控制出灰量。

2 套筒窯的先進(jìn)性

在國(guó)內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的石灰豎窯中，套筒窯技術(shù)屬領(lǐng)先水平，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面。

（1）優(yōu)質(zhì)。產(chǎn)品活性度高達(dá)360～410 mL（采用德國(guó)Wuelfrath 法，5 min 消耗4 當(dāng)量濃度的鹽酸），CO2殘余量不大于2%（24 h 平均值），生（過）燒率可控制在5%以下?；钚远仁莾?yōu)質(zhì)冶金石灰最重要的質(zhì)量指標(biāo)，活性度越高，石灰在煉鋼時(shí)的還原能力就越強(qiáng)，越有利于提高煉鋼生產(chǎn)能力，減少造渣材料消耗，提高脫硫脫磷效果，減少煉鋼的熱量消耗。

（2）節(jié)能。與其他窯型相比，套筒窯的熱耗和電耗均較低。

（3）環(huán)保：套筒窯本體為負(fù)壓運(yùn)行，無“跑冒漏”現(xiàn)象（這也是套筒窯有別于其他窯型最顯著的特點(diǎn)之一）；煙氣經(jīng)過布袋除塵器后，粉塵排放濃度優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（4）其他：自動(dòng)化水平高；故障率低，設(shè)備利用率高（每年可持續(xù)操作48 周）；生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本低（表2）。

表2 各種窯型主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

3 套筒窯工藝布置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)某公司引進(jìn)此設(shè)備，長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)院”）針對(duì)套筒窯項(xiàng)目做配套設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有4 個(gè)。

（1）總圖布置的設(shè)計(jì)。項(xiàng)目占地面積小，對(duì)多個(gè)布置方案反復(fù)篩選，選擇了最合理的總圖布置，既能保障工藝流程的順暢，又滿足合理的操作和檢修空間要求，解決了兩座600 t/d 石灰窯建設(shè)的用地問題。

（2）環(huán)保除塵的設(shè)計(jì)。石灰窯旁邊就是該公司的中央變電站（220 kV），因此環(huán)保除塵是本項(xiàng)目重點(diǎn)考慮的問題之一。除塵降噪工作主要分為4 個(gè)部分：①原料堆場(chǎng)除塵，考慮自動(dòng)噴霧灑水措施，或晴天、刮風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵；②崗位除塵，在原料至成品的生產(chǎn)線上所有崗位有可能產(chǎn)生灰塵的地方全部設(shè)置除塵器；③煙氣除塵，設(shè)計(jì)院在轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)首次將套筒窯的煙氣匯合管改為重力除塵器，使每座窯的重力除塵器除塵量達(dá)到6 t/d，煙氣系統(tǒng)除塵效率＞99.5%，優(yōu)于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)；④風(fēng)機(jī)房降噪，設(shè)計(jì)中對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)采用隔聲罩封閉，風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)墻鋪設(shè)隔音材料，風(fēng)機(jī)房窗戶采用雙層真空玻璃等多種措施對(duì)風(fēng)機(jī)房降噪。在煙氣除塵方面，弗卡斯公司的煙氣流程為：窯頂兩路煙氣+換熱器出來煙氣→煙氣匯合管→高溫風(fēng)機(jī)→三通閥→布袋除塵器→煙囪。設(shè)計(jì)院在轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)，充分結(jié)合廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有條件和充分運(yùn)用已掌握的技術(shù)，首次將套筒窯的煙氣匯合管改為重力除塵器。實(shí)踐證明，這一重大改進(jìn)使每座窯的重力除塵器除塵量達(dá)到6 t/d，大大緩解了除塵器的作業(yè)強(qiáng)度，延長(zhǎng)了高溫風(fēng)機(jī)及除塵器的使用壽命，提高了套筒窯作業(yè)率。經(jīng)過該布袋除塵器過濾收塵后的氣體含塵濃度在20 mg/m3以下，優(yōu)于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)

（3）煤氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。煤氣中水分含量較高是影響套筒窯熱工控制的重要因素。設(shè)計(jì)院在設(shè)收集篩選大量相關(guān)工程資料的基礎(chǔ)上，提出并采用在套筒窯的轉(zhuǎn)爐煤氣總管上增設(shè)煤氣脫水器的方案，成功脫掉了煤氣中的部分游離液態(tài)水及部分焦油和粉塵，增加了煤氣系統(tǒng)控制精度，提高了煅燒質(zhì)量。

4 套筒窯技術(shù)的優(yōu)化

（1）換熱器清灰。由于煙氣管內(nèi)的煙氣含塵較大，煙氣管極易堵塞，造成停爐休風(fēng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和對(duì)弗卡斯公司設(shè)計(jì)理念優(yōu)化，在換熱器頂蓋處增加了4 個(gè)空氣炮自動(dòng)吹掃裝置，從不同部位對(duì)換熱器進(jìn)行吹掃，周期為10 h，單個(gè)空氣炮吹掃時(shí)間20 s。該方法較好地解決了換熱器清堵的問題，減少了石灰窯休風(fēng)時(shí)間。

（2）內(nèi)筒冷卻風(fēng)系統(tǒng)。套筒窯在風(fēng)機(jī)出口選用的是常閉型式氣動(dòng)蝶閥，在停電和儀表氣源壓力低的工況條件下該閥將自動(dòng)關(guān)閉，但是其在工藝條件是不允許關(guān)閉的。為此，在氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用備用氣瓶對(duì)該閥供氣，氣瓶出口裝電磁閥，氣源管上靠近外部管網(wǎng)氣源端增加逆止閥，電磁閥與外網(wǎng)氣源壓力聯(lián)鎖，外網(wǎng)氣源壓力低時(shí)，打開氣瓶出口電磁閥，對(duì)氣動(dòng)蝶閥氣缸供氣，逆止閥阻止備用氣源外流。該方法較好地解決了該閥在停氣時(shí)自動(dòng)關(guān)閉的問題，保障內(nèi)筒冷卻風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，滿足了其工藝要求。

（3）套耐火材料。窯內(nèi)耐材砌筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)以往的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定優(yōu)化：原設(shè)計(jì)中、上、下內(nèi)筒底部掛磚容易脫落，在設(shè)計(jì)時(shí)用“高鋁高強(qiáng)澆注料+2%的鋼纖維”替代原設(shè)計(jì)的掛磚，使用效果很好，未出現(xiàn)掉磚現(xiàn)象；原設(shè)計(jì)中部分磚型圖不合理，會(huì)嚴(yán)重影響砌筑質(zhì)量和砌體的穩(wěn)定性，對(duì)所有不合理的磚型尺寸進(jìn)行修改和代換，保障砌體質(zhì)量。

（4）上內(nèi)套筒熱電偶的設(shè)置與安裝。原有設(shè)計(jì)中將熱電偶沿?zé)犸L(fēng)放散管至窯殼處安裝，這樣給熱電偶的安裝和更換帶來了不便。在轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)將熱電偶套管延長(zhǎng)至旋轉(zhuǎn)布料器平臺(tái)處，縮短了熱電偶的長(zhǎng)度，既節(jié)約投資又便于操作和更換。

（5）液壓出灰機(jī)的位置。原有設(shè)計(jì)中將液壓出灰機(jī)的油缸安裝在套筒窯內(nèi)，設(shè)備的檢修、更換極不方便。為此，在轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)通過延長(zhǎng)推桿將液壓出灰機(jī)的油缸外置，使其整體固定在出灰平臺(tái)上，既不影響平臺(tái)通過又便于檢修、更換。

5 小結(jié)

通過對(duì)弗卡斯套筒窯的設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備更換，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，從而保證企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)、可持續(xù)發(fā)展。