1200t/d 活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線設(shè)計中的幾點體會

王 平 劉顯龍（鞍山華杰石灰工業(yè)設(shè)計研究有限公司，遼寧 鞍山114051）

越南聯(lián)合鋼鐵有限公司（以下簡稱“業(yè)主”）建設(shè)的1200t/d 活性石灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)項目，是世界上單機產(chǎn)能規(guī)模最大的生產(chǎn)線之一。由鞍山華杰石灰工業(yè)設(shè)計研究有限公司（以下簡稱“華杰公司”）自主設(shè)計、提供設(shè)備、達產(chǎn)達標(biāo)調(diào)試一條龍服務(wù)（EP 工程的）工程。針對建設(shè)地點在越南，單機規(guī)模大且無參考數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計中大膽采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和列管預(yù)熱器、多點冷卻器等專利產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備，并實現(xiàn)了全部主機設(shè)備國產(chǎn)化，為海外建設(shè)此類項目提供了可靠的借鑒經(jīng)驗。

生產(chǎn)線于2009 年12 月16 日正式投料生產(chǎn)，經(jīng)三年多的生產(chǎn)運行表明，該生產(chǎn)線各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求，系統(tǒng)設(shè)備運行正常，工藝狀況良好?，F(xiàn)將項目建設(shè)中的幾點工作體會做一簡單介紹，和同行們商榷。

1 設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

1.1 設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

在技術(shù)和商務(wù)談判時，由于國內(nèi)外沒有石灰工廠的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)主要求工程設(shè)計采用美國或日本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。華杰公司據(jù)理力爭，堅持參考GB50295-2008《水泥工廠設(shè)計規(guī)范》，強調(diào)設(shè)計者對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范熟悉的程度對設(shè)計過程和結(jié)果的影響，并帶領(lǐng)業(yè)主參觀華杰公司在國內(nèi)的業(yè)績，也介紹了華杰公司在俄羅斯、哈薩克斯坦的實際工程案例，最后業(yè)主“同意按中國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范做工程設(shè)計和采購設(shè)備”[1]。

1.2 工藝參數(shù)的確定

華杰公司在獲得了當(dāng)?shù)氐氖沂瘶颖竞?，對石灰石、燃料的理化指?biāo)進行分析，在石灰石焙燒試驗、石灰石抗熱爆裂性試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合了當(dāng)?shù)氐臍庀蟮茸匀粭l件和業(yè)主對產(chǎn)品質(zhì)量的要求，精確地計算了石灰石焙燒系統(tǒng)三大平衡（物料平衡、熱平衡、氣體平衡），合理的確定相關(guān)工藝過程參數(shù)并據(jù)此選擇了相關(guān)工藝設(shè)備。在工藝參數(shù)切合石灰生產(chǎn)實際運行情況的同時，最大可能的使相關(guān)設(shè)備在最佳工作效率區(qū)內(nèi)工作。

如在排煙機的選型中，利用如下氣體平衡公式進行了主引風(fēng)機設(shè)計風(fēng)量的計算。

1）列管預(yù)熱器排出廢氣量的計算

V=V0+V1+V2+V3+V4〔1〕

式中：V–列管預(yù)熱器排出廢氣量

V0–燃料燃燒理論煙氣量

V1–燃料燃燒過?？諝饬?/p>

V2–石灰石分解生成廢氣量

V3–入窯石灰石物理水份蒸發(fā)量

V4–漏風(fēng)量

2）主引風(fēng)機選型風(fēng)量的計算

V1=KxVx（273+t）/273x760/P

式中：V1–主引風(fēng)機選型風(fēng)量

K–風(fēng)機的儲備系數(shù)

V–列管預(yù)熱器排出廢氣量

t–入主引風(fēng)機氣體溫度

P–當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?/p>

根據(jù)計算得出的主引風(fēng)機選型風(fēng)量和系統(tǒng)阻力，我們選擇了鞍山風(fēng)機集團生產(chǎn)的300,000m3/h循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機，并采用高壓變頻調(diào)速的方式。該風(fēng)機具有效率高、高效區(qū)寬、性能曲線平坦、沒有哮喘點、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點。

采用此種方式選擇的設(shè)備可有效的降低設(shè)備投資和運行費用。

1.3 熱工制度的確定

合理的熱工制度（主要指的是焙燒系統(tǒng)溫度制度、壓力制度、推頭間隔時間、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速等）是生產(chǎn)高品質(zhì)活性石灰的關(guān)鍵。

為設(shè)計出滿足產(chǎn)量、質(zhì)量要求的熱工制度，華杰公司對業(yè)主提供的設(shè)計條件（如原料特性、燃料特性等）進行了分析和相關(guān)試驗，量身定做，設(shè)計出符合本項目石灰石焙燒系統(tǒng)的熱工制度。在生產(chǎn)調(diào)試過程中，緊密結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用的原料特性、燃料特性等實際情況，對熱工制度進行修正，反復(fù)調(diào)試，最終確定最符合現(xiàn)場實際情況的優(yōu)化后的熱工制度。然而在實際生產(chǎn)中，隨原料、燃料的波動、變化，影響了熱工制度的穩(wěn)定性。在生產(chǎn)調(diào)試和技術(shù)培訓(xùn)中，華杰公司根據(jù)各種影響因素波動、變化對熱工制度穩(wěn)定性的影響程度進行了針對性的分析和采取恰當(dāng)、可行的方法予以解決，以實現(xiàn)利用最小的代價保持熱工制度的穩(wěn)定。

如燃料熱值的波動、變化對熱工制度的影響很大，為穩(wěn)定溫度制度，采用的處理措施如下：

1)當(dāng)燃料的熱值小幅度、短時間波動時，可通過調(diào)整相應(yīng)的助燃空氣量等手段，在維持系統(tǒng)各項參數(shù)（產(chǎn)量、燃料量）等不變的情況下穩(wěn)定溫度制度；

2)當(dāng)燃料的熱值波動幅度較大時，通過產(chǎn)量或燃料量、相應(yīng)的助燃空氣量的調(diào)整量以維持正常的溫度制度。

1.4 細顆粒石灰石的合理利用

一般的預(yù)熱器（包括進口的預(yù)熱器）適用于20~50mm 的顆粒石灰石，主要是保證料床的透氣性。而列管預(yù)熱器在預(yù)熱20~50mm 石灰石的同時，可向回轉(zhuǎn)窯喂入0~20mm 的細顆粒石灰石，這是列管預(yù)熱器的優(yōu)點之一。這樣，0~50mm 顆粒的石灰石均可入窯，資源得到最大程度的利用，石灰石的利用率擴大20%以上。

1.5 耐火材料砌筑

1）列管預(yù)熱器的砌筑

列管預(yù)熱器內(nèi)部工作環(huán)境的不同，導(dǎo)致列管預(yù)熱器不同點處外殼溫差較大。其中列管預(yù)熱器中心吊頂處的耐火材料由于與回轉(zhuǎn)窯窯尾傳入的高溫?zé)煔庵苯咏佑|，使該處溫度為列管預(yù)熱器殼體中的溫度最高點，其平均值約為120℃左右，嚴重影響了列管預(yù)熱器的熱效率。為此，華杰公司在耐火材料傳統(tǒng)砌筑形式的基礎(chǔ)上，在該處引進新型具有低導(dǎo)熱系數(shù)、高耐磨性的新型陶瓷纖維耐火材料。使用該種耐火材料砌筑列管預(yù)熱器中心吊頂后，吊頂處殼體溫度平均值降低至70℃以下。在減少了列管預(yù)熱器殼體散熱損失的同時，也降低了該處耐火材料施工難度。

2） 回轉(zhuǎn)窯耐火材料的砌筑

隨著回轉(zhuǎn)窯直徑的擴大，回轉(zhuǎn)窯襯磚內(nèi)部的熱應(yīng)力、機械應(yīng)力對耐火材料的破壞性也相應(yīng)加大，再加上回轉(zhuǎn)窯長期處于高溫震動狀態(tài)，極易導(dǎo)致襯磚破碎、襯磚與筒體不能緊密接觸而使應(yīng)力過分集中，造成回轉(zhuǎn)窯的襯磚在使用一段時間后傾斜、龜裂和脫落。為此，華杰公司結(jié)合已有生產(chǎn)線耐火材料的使用經(jīng)驗，在該項目中采用了在筒體內(nèi)表面鋪設(shè)25mm 厚隔熱層的基礎(chǔ)上，利用不定型耐火材料和定型耐火材料進行混合澆筑和砌筑的方式，即在傳統(tǒng)兩層襯磚砌筑的基礎(chǔ)上，在襯磚與筒體之間增加了陶瓷纖維隔熱層，并在窯軸向上襯磚與襯磚的間隔處采用不定型耐火材料對襯磚進行填充固定。該方法在利用隔熱層的隔熱效果有效的降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度和散熱損失的同時，降低了由于襯磚空鼓、滑移等原因而引起的襯磚使用壽命下降的問題。

1.6 窯尾煙氣處理

回轉(zhuǎn)窯尾部排出煙氣特點如下

1）含塵量高：5-15g/m3；

2） 煙 氣 量 大：128000Nm3/h （t=200 ～250℃）；

3）易吸潮；

4）比電阻：4.04×1012~8.6×1012Ωcm；

5）粒度分布中：≥50um 和≤1um 比例較大；

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯尾部煙氣特點以及生產(chǎn)工藝特點，本生產(chǎn)線采用帶有折翅板低壓長袋脈沖布袋收塵器做為回轉(zhuǎn)窯尾部排出煙氣主要的凈化設(shè)備，并采用旋風(fēng)收塵器做為初步收塵和點火烘窯或布袋除塵系統(tǒng)故障時的備用除塵設(shè)施。

在布袋收塵器中引入折翅板：其目的一方面是利用折翅板改變氣流的運動方向；使大顆粒粉塵由于慣性較大，不能隨同氣體一起改變方向,從而失去繼續(xù)飛揚的動能，沉降到下面的集灰斗中[2]；另一方面是利用折翅板延長粉塵通過布袋收塵器的行程及時間，使其在重力的作用下逐漸沉降下來。故粒徑>40um 的粉塵通過折翅板時就被捕集沉降下來的幾率大于90%。再加上布袋的凈化作用。各級粒徑的粉塵都可在布袋收塵器中均獲得較高的除塵效率。本生產(chǎn)線監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，該點處的粉塵排放濃度平均值為28mg/Nm3左右,完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對粉塵排放濃度的要求。

1.7 生產(chǎn)線自動控制

近十年來，國內(nèi)新建大型石灰回轉(zhuǎn)窯均采用DCS 集散控制系統(tǒng)，從根本上保證工藝數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確運算和產(chǎn)品質(zhì)量的最佳控制，使整個生產(chǎn)過程具有自動運行、自動診斷和調(diào)節(jié)功能。通過多個控制環(huán)路的以及各控制點畫面顯示、必要聯(lián)鎖監(jiān)控的設(shè)計，使生產(chǎn)過程各參數(shù)和設(shè)備等在中控室實現(xiàn)集中自動控制，并可對生產(chǎn)過程中的必要參數(shù)進行自動記錄和隨時打印。生產(chǎn)過程中實現(xiàn)的主要工藝控制環(huán)路簡單介紹如下：

1）上料系統(tǒng)控制環(huán)路

列管預(yù)熱器料倉頂部設(shè)有雷達料位計。通過設(shè)定的高低料位，自動控制石灰石的上料過程。

2）出料系統(tǒng)的自動控制

根據(jù)產(chǎn)量調(diào)節(jié)多點冷卻器振動出料機的振動頻率，并將該控制環(huán)路與出灰溫度相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了出料系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和控制。

3）窯尾負壓的自動控制

利用調(diào)節(jié)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)窯尾負壓至設(shè)定值。

4）燃料、一次助燃空氣、二次冷卻空氣比例的自動控制

在生產(chǎn)過程中，設(shè)置在線熱值檢測儀，實時自動測試燃料的低位熱值。當(dāng)熱值波動時，控制系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)量自動利用數(shù)學(xué)公式計算燃料、一次助燃空氣和二次冷卻空氣的供給量。

5）列管預(yù)熱器推料時間間隔的自動控制

根據(jù)產(chǎn)量自動利用數(shù)學(xué)公式計算列管預(yù)熱器推料時間間隔。

2 主要設(shè)備規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)

越南聯(lián)合鋼鐵有限公司1200t/d 活性石灰生產(chǎn)線主要設(shè)備規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)如下：

表1 主要設(shè)備規(guī)格

3 焙燒系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)業(yè)主對生產(chǎn)高品質(zhì)活性石灰的要求，該生產(chǎn)線采用帶列管預(yù)熱器、多點冷卻器的新型活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝。即利用列管預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、多點冷卻器實現(xiàn)低-高-低的熱量分配，使石灰石在對應(yīng)的熱量分配區(qū)內(nèi)先后完成預(yù)熱、焙燒、冷卻這一完整的焙燒過程，完全符合生產(chǎn)高品質(zhì)活性石灰典型焙燒曲線的要求。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)(現(xiàn)場實際測定值)

4 主機設(shè)備國產(chǎn)化

我國從上世紀七十年代末開始引進石灰回轉(zhuǎn)窯技術(shù)和裝備至今，多家企業(yè)通過自己不懈的努力和探索，陸續(xù)仿制和開發(fā)了多種系列的石灰回轉(zhuǎn)窯技術(shù)，然而在大型石灰回轉(zhuǎn)窯尤其是1000t/d以上的石灰回轉(zhuǎn)窯設(shè)計和建設(shè)中，石灰回轉(zhuǎn)窯技術(shù)依然被德國克勞斯－瑪菲公司KMAG 系列石灰回轉(zhuǎn)窯、美國美卓公司的KVS 系列回轉(zhuǎn)窯所壟斷。即使通過許可使用其國內(nèi)的技術(shù)代理，也需要承擔(dān)高昂的技術(shù)保護費用。如某公司在某1000t/d石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線設(shè)計和建設(shè)中采用了仿制型的豎式預(yù)熱器和豎式冷卻器，經(jīng)查實后，向上述公司支付了巨額的資金賠償。

華杰公司通過多年實踐摸索，在傳統(tǒng)預(yù)熱器高溫?zé)煔庥酂崂煤屠鋮s器高溫物料余熱利用技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列管式預(yù)熱器（發(fā)明專利號：ZL 2008 10228189.4；實用新型專利號： ZL 2008 20218578.4 ）和多點冷卻器（實用新型專利號：ZL 2008 20218579.9）。其中列管式預(yù)熱器為國家重點支持技術(shù)創(chuàng)新項目，并通過了國家級（中國建材聯(lián)合會）科技鑒定，其鑒定結(jié)果為“主要技術(shù)指標(biāo)居國際先進水平和國內(nèi)領(lǐng)先水平”[2]。上述兩項專利技術(shù)和設(shè)備可廣泛應(yīng)用于新建活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線和原有石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的技術(shù)改造和技術(shù)升級，尤其是在1000t/d 以上大型活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線中的應(yīng)用，為業(yè)主節(jié)約了巨額技術(shù)許可費用。

在本生產(chǎn)線設(shè)計過程中，選用了華杰公司設(shè)計和生產(chǎn)的列管預(yù)熱器和多點冷卻器做為焙燒系統(tǒng)中高溫?zé)煔夂透邷匚锪嫌酂崂迷O(shè)備，實現(xiàn)了主機設(shè)備全部國產(chǎn)化，降低了生產(chǎn)線投資。

5 主機設(shè)備性能指標(biāo)和技術(shù)特點

經(jīng)華杰公司、業(yè)主以及業(yè)主委托的監(jiān)理公司共同對該生產(chǎn)線焙燒系統(tǒng)進行的綜合熱工檢測和標(biāo)定,生產(chǎn)線主機設(shè)備的性能指標(biāo)如下：

表3 主機設(shè)備性能指標(biāo)表

5.1 列管預(yù)熱器

列管預(yù)熱器為石灰石的預(yù)熱設(shè)備，與常規(guī)預(yù)熱器相比，列管預(yù)熱器可將入窯石灰石分解率和預(yù)熱均勻性分別提高8%和12%以上，其技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點如下：

1）由多個相對獨立的預(yù)熱單元組成一個預(yù)熱整體

列管預(yù)熱器由若干個獨立的預(yù)熱管組成，每個獨立的預(yù)熱管均自成一個獨立的預(yù)熱單元，每一個預(yù)熱管的進、出料和進、出氣（即每個預(yù)熱管內(nèi)的熱交換過程）均可獨立控制。

2）每個預(yù)熱單元內(nèi)設(shè)置流體導(dǎo)流裝置

列管預(yù)熱器每個預(yù)熱單元內(nèi)部均設(shè)置多個氣體導(dǎo)流裝置，保證了各預(yù)熱單元內(nèi)氣體均勻分布，即實現(xiàn)了石灰石顆粒床層受熱機會均等，并活化了石灰石顆粒床層，降低了列管預(yù)熱器單位床層的通風(fēng)阻力。

3) 采用了溫度場控制技術(shù)

通過各預(yù)熱單元內(nèi)的溫度場控制，使各室溫度場分布基本相同，確保不同預(yù)熱單元內(nèi)石灰石的預(yù)熱均勻程度。

5.2 焙燒石灰專用的回轉(zhuǎn)窯

低長徑比的回轉(zhuǎn)窯作為石灰石的焙燒設(shè)備。其技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點如下：

1）傳動平穩(wěn)、操控方便

采用大跨距兩檔支撐、斜齒傳動、并輔以變頻調(diào)速的主傳動、滑動軸承的支撐、頭尾為錐形的回轉(zhuǎn)窯，配有液壓驅(qū)動的液壓擋輪。

2）復(fù)合魚鱗片密封

窯頭、窯尾采用柔性的內(nèi)置式復(fù)合魚鱗片密封裝置，密封效果好，可有效的降低漏風(fēng)量。

3）低長徑比

在保證列管預(yù)熱器預(yù)熱石灰石均勻、多點冷卻器冷卻石灰均勻的前提下，合理的優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的長徑比，即將回轉(zhuǎn)窯的長徑比由原來的14~15降低至12.5 以下。降低了設(shè)備投資、運行費用和減少了占地面積、筒體散熱損失。

5.3 多點冷卻器

多點冷卻器是活性石灰的冷卻設(shè)備。與常規(guī)豎式冷卻器相比，多點冷卻器可將高溫物料余熱利用率提高7%。其技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點如下:

1）5 個獨立冷卻分區(qū)

多點冷卻器內(nèi)設(shè)有5 個獨立的冷卻分區(qū)，每個冷卻區(qū)的冷卻效果均可通過調(diào)整該冷卻區(qū)內(nèi)高溫活性石灰與冷卻空氣的熱交換時間進行獨立控制。

2）每個冷卻分區(qū)內(nèi)設(shè)有多個冷卻風(fēng)通道

每個冷卻分區(qū)內(nèi)設(shè)有多個冷卻風(fēng)通道，以保證每個冷卻分區(qū)內(nèi)冷卻空氣與熱石灰熱交換均勻。

6 結(jié)語

1）出口型1200t/d 石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線設(shè)計采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范至關(guān)重要，涉及能否順利達產(chǎn)達標(biāo)和技術(shù)輸出、標(biāo)準(zhǔn)制定等原則問題。

2）技術(shù)創(chuàng)新打破了國外的技術(shù)壟斷。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型主機設(shè)備國產(chǎn)化，對于國外市場開拓和競爭具有十分重要的意義。

3）具有示范作用和推廣價值

1）類似工程的示范作用。在越南廣聯(lián)鋼鐵有限公司1200t/d 活性石灰回轉(zhuǎn)窯設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，華杰公司正在參與云南德勝鋼鐵有限公司1000t/d活性石灰生產(chǎn)線的設(shè)計和建設(shè)工作。根據(jù)云南德勝鋼鐵有限公司地處高原，僅有0.8個大氣壓等設(shè)計和建設(shè)條件，華杰公司為之專門設(shè)計和配套了1200t/d 石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線主機設(shè)備，以保證業(yè)主1000+100t/d 產(chǎn)量以及列管預(yù)熱器出口溫度≤220℃的設(shè)計和建設(shè)要求。

生產(chǎn)實踐證明：大型主機設(shè)備國產(chǎn)化技術(shù)是可行的，運行是可靠的。與進口設(shè)備相比，具有造價低、產(chǎn)量和質(zhì)量毫不遜色等優(yōu)點。同時，不受其技術(shù)壟斷和專利的影響，任意銷往世界任何國家和地區(qū)。

2）潛在的節(jié)能減排的推廣作用。過去，由于石灰單機產(chǎn)量小，窯尾熱煙氣排放量低，余熱發(fā)電從性價比的角度看劃不來。現(xiàn)在，1200t/d 石灰回轉(zhuǎn)窯煙氣量320000m3/h，發(fā)電裝機容量為4MW，基本滿足要求。

[1]越南聯(lián)合鋼鐵公司，鞍山華杰石灰工業(yè)設(shè)計研究有限公司.《關(guān)于工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的會議紀要》[Z].2008.1.

[2]鞍山華杰石灰工業(yè)設(shè)計研究有限公司.《新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定驗收證書（石灰窯用列管預(yù)熱器）》[M].中國建材聯(lián)合會，建材新鑒字[2011]001 號.8.