有效控制石灰窯取灰溫度的探討

劉 洋

（江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇 淮安 223200）

1 石灰窯的生產(chǎn)分析

江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠（以下稱“淮安堿廠”或“我廠”）自2010年投產(chǎn)以來，3臺石灰窯運行已進(jìn)入第5個年頭，業(yè)已進(jìn)入大修期。新增4＃石灰窯受建設(shè)周期的影響，預(yù)計2016年1月份能夠建成投用，為維持目前裝置產(chǎn)能持續(xù)、高效釋放，須按計劃輪修1＃～3＃窯，每臺窯檢修完成并正常投入生產(chǎn)用時按照8個月計算，要到2018年初才能全部檢修結(jié)束。為此，我們要在保護(hù)、并盡可能延長1?！?＃窯使用周期和安全生產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高效之間做好平衡，而石灰窯取灰溫度的高低直接決定著設(shè)備的使用壽命和操作人員的人身安全。

我們知道石灰窯的熱效率一般為75%～80%，主要熱損失包括窯氣、石灰?guī)С鰺崃?，燃料不完全燃燒損失熱量以及窯體的散熱損失等。其中，石灰窯耐火磚和保溫層隨著石灰窯建成投產(chǎn)后長期穩(wěn)定存在，降低窯壁熱損失雖潛力巨大，但屬剛性熱損失，幾無挖掘的空間；物料的水分、焦炭品質(zhì)、塊度一定程度受困于市場和采供影響，從操作上提高其燃燒質(zhì)量，減少機(jī)械和化學(xué)不完全燃燒潛力也有限，因此在生產(chǎn)中提高石灰窯熱效率、節(jié)約燃料消耗主要是從降低石灰窯出氣溫度和取灰溫度，減少物料帶出的熱損失著手做工作。

2 取灰溫度影響因素和優(yōu)化措施

石灰窯取灰操作是指在一個循環(huán)上料周期中，相對應(yīng)須要卸出生石灰的過程，以φ5 300石灰窯為例，每小時上36t石灰石后，為保證窯內(nèi)物料平衡，相應(yīng)需要取出相當(dāng)數(shù)量的生石灰，從而實現(xiàn)物料平衡。

有效控制取灰溫度，保持石灰窯工況的持久穩(wěn)定，是企業(yè)落實精益生產(chǎn)，提高精細(xì)化操作水平的體現(xiàn)；也是降低純堿產(chǎn)品綜合能耗，增加企業(yè)市場競爭力的需要；更是有效保障窯下附屬設(shè)備安全、長久運行，營造出安康、舒適操作環(huán)境的要求。為此，找出灰溫的影響癥結(jié)，適時合理地加以調(diào)整糾偏，具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1 石灰石理化指標(biāo)

2.1.1 塊度

我們知道，石灰石煅燒的速度取決于石灰石的塊度與其表面所接觸的溫度。但在一定溫度下，分解界面移動速度是一定的，煅燒速度則取決于石灰石的塊度大小。一方面，粒度過大，物料比表面積減小，吸熱能力變差，煅燒速度較慢，不容易燒透，這樣燃料燃燒釋放的熱量在較短時間內(nèi)無法被充分吸收用于CaCO3的分解，而隨著物料進(jìn)入冷卻區(qū)后，多余熱量只能傳導(dǎo)到生燒的石灰上，直接體現(xiàn)為取灰溫度的驟升；特別是較大塊物料進(jìn)入窯內(nèi)，料層中可能會產(chǎn)生局部空腔，對氣流的均勻分布極為不利，甚至?xí)斐赡承┚植繗饬鬟^多產(chǎn)生“齜火”現(xiàn)象，一定程度上也加劇了灰溫的異常波動。另一方面，物料塊度過小、篩分不充分、泥沙含量超標(biāo)、大量細(xì)碎返石的集中回收利用等，一定程度上都會造成窯況異常、通風(fēng)分布不良、灰溫升高。

因此，為避免石灰石塊度給取灰溫度帶來不利影響，要求在一定煅燒工況下，應(yīng)該盡量將大、小塊石灰石遴選分類后分別進(jìn)窯煅燒，如條件不具備，也應(yīng)盡可能降低大小石塊粒徑的差別。實踐表明，我廠使用φ5 300的窯，石灰石塊度一般控制在60～120mm為宜，原則上大于150mm、小于30mm粒徑的石料不利于灰溫的有效控制。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

石灰石抗壓強(qiáng)度，是指在沒有側(cè)束狀態(tài)下所能承受的最大壓力值，換言之，它指把石灰石加壓至破裂所需要的應(yīng)力。石灰石巖層主要是由方解石礦物組成的碳酸鹽巖，其抗壓強(qiáng)度可分兩個層理測試得到，垂直層理方向一般可達(dá)60～140MPa，平行層理方向一般達(dá)70～120MPa。

安徽某地較低強(qiáng)度石灰石因其強(qiáng)度不夠，在煅燒過程中，石灰石受熱爆裂破碎，生石灰產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重粉化、碎化現(xiàn)象，而石灰窯的送風(fēng)阻力在很大程度上決定于窯內(nèi)粉末化、細(xì)碎化物料的多少。圖1對比兩地不同強(qiáng)度石灰石煅燒后生成生石灰的固態(tài)存在形式，其中因安徽某地低抗壓強(qiáng)度的石灰石的大量使用增加了粉狀物料的絕對數(shù)量，破壞了氣體所經(jīng)過的通道而使通風(fēng)異常彎曲勉強(qiáng)、風(fēng)走偏流，降低了氣體通過和分布的效果，導(dǎo)致灰溫驟升到近140℃，并持續(xù)惡化，嚴(yán)重影響設(shè)備、人身安全和正常生產(chǎn)的有效組織。

為扭轉(zhuǎn)此種不利局面，生產(chǎn)上應(yīng)立即更換強(qiáng)度適宜的石灰石，及時調(diào)整焦炭配比，同時降低窯的生產(chǎn)負(fù)荷，在條件允許的情況下盡量加大送風(fēng)量，約30h時后灰溫即可逐步恢復(fù)到正常水平。

2.2 焦炭的理化指標(biāo)

2.2.1 塊度

不難理解，倘若焦炭的塊度過大，則其來不及在煅燒區(qū)內(nèi)完全燃燒就直接轉(zhuǎn)移到冷卻區(qū)，造成“煅燒區(qū)下移”，物料來不及冷卻即被取出，嚴(yán)重時取灰?guī)Щ?、出“紅灰”，未完全燃燒的焦炭隨生石灰一起出窯，不但大大增加了出料溫度，也造成了焦炭等物料的浪費。表1列舉了我廠2014年8月份使用不同塊度規(guī)格焦炭，取灰溫度平均值的對比。

圖1 生石灰固態(tài)物料存在形式對比

表1 不同焦炭塊度取灰溫度平均值比較

焦炭的塊度應(yīng)使其燃燒時間與石灰石的煅燒時間相匹配，而在生產(chǎn)負(fù)荷不變的情況下，石灰石的煅燒時間主要取決于石灰石的塊度，因此石灰石的塊度較小，焦炭的塊度也應(yīng)較小，反之，石灰石的塊度較大，焦炭的塊度也應(yīng)隨之調(diào)大。分析上述數(shù)據(jù)，為使石灰窯能夠長周期穩(wěn)定生產(chǎn)，焦炭的塊度一般控制在20～60mm為佳。

2.2.2 固定碳

首先，為保證石灰石和焦炭充分混合均勻進(jìn)窯，要求石灰石和焦炭塊數(shù)之比應(yīng)控制在理想水平（1∶1），若使用較高固定碳焦炭（大于85%），因焦炭配比的減少，勢必影響物料混合的均勻性；倘遇布料不好，熱量局部集中釋放，極易造成石灰窯結(jié)瘤、灰溫異常等現(xiàn)象。

其次，我們知道進(jìn)窯石灰石正常分解溫度控制在1 050～1 300℃，若使用焦炭固定碳偏高，必然會加快耐火磚的損壞速度，特別是老窯，更不利于灰溫的控制。

為此，純堿廠石灰窯生產(chǎn)一般普遍使用固定碳為80%左右的三級焦或白煤，幾無使用一、二級焦。

2.2.3 揮發(fā)分

焦炭中的有機(jī)物質(zhì)受熱分解出一部分的液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物占焦樣質(zhì)量的比例簡稱為揮發(fā)分。因揮發(fā)分逸出后焦炭的孔隙增多，焦炭與氧氣接觸面積大大增加，焦炭燃燒的速度、強(qiáng)度均隨之提高。因此，焦炭的揮發(fā)分是決定其燃燒速度和燃燒難易程度的重要指標(biāo)。

揮發(fā)分較高時，焦炭燃燒強(qiáng)度大、燃燒時間短、熱量釋放集中，生產(chǎn)中極可能造成在預(yù)熱區(qū)即大部分燃燒，進(jìn)入煅燒區(qū)已經(jīng)燃燒殆盡，造成窯頂溫高、石灰石生燒，直接影響灰溫的控制；反之，揮發(fā)分較低時，其燃燒緩慢、燃燒時間長、熱量釋放遲緩，可能隨著物料下移進(jìn)入冷卻區(qū)，燃燒過程仍未結(jié)束，同樣造成取灰溫度的異常升高。

因此，根據(jù)石灰窯生產(chǎn)特點和要求，一般要求焦炭揮發(fā)分控制2%左右。

2.3 石灰窯的料層高度

石灰窯的料層高度是指自分石器下沿到石灰石料層的距離。我們知道石灰窯內(nèi)氣流分布與料層的截面是否相稱、高度是否同等有關(guān)。為保證撒入窯內(nèi)物料混合的充分均勻、料面控制理想、布料器避免直接接觸物料造成機(jī)械損傷，生產(chǎn)實際料層高度一般控制在4.0±0.2m，如圖2所示。

當(dāng)料層高度較小時（h1≈3m），石灰石在窯內(nèi)堆積的安息角α較大，石灰石在窯內(nèi)一般呈“拋物線狀”布料，則窯中心位置料層偏厚、窯壁料層偏薄，“窯壁效應(yīng)”被放大，直接導(dǎo)致窯內(nèi)通風(fēng)不適，焦炭燃燒強(qiáng)度不統(tǒng)一，窯中心的物料因通風(fēng)不良，大量焦炭不能完全燃燒即隨生石灰一起卸出窯外，出現(xiàn)取灰溫度持續(xù)升高、結(jié)瘤子等惡化生產(chǎn)工況。

及時調(diào)整石灰窯料層高度（h2≈4m）后，石灰石在窯內(nèi)堆積的安息角β逐漸變小直至負(fù)角度，則窯內(nèi)原來“拋物線狀”料面布置也逐漸反轉(zhuǎn)，直至呈現(xiàn)較為理想的“淺鍋底狀”料面。此時，整個窯面物料下移均勻，窯氣上升均勻有力，窯況趨好，取灰溫度恢復(fù)正常。

圖2 石灰窯料層示意圖

2.4 石灰窯窯襯

我廠石灰窯已運行5年，窯內(nèi)襯均已出現(xiàn)了不同程度的損壞，特別是煅燒區(qū)因耐火磚損壞、脫落形成了局部的一個個凹坑，如圖3中A處所示。這樣，石灰石和焦炭的混合物料進(jìn)入煅燒區(qū)后，因凹坑的存在，加之經(jīng)年累月積存懸掛于石灰窯內(nèi)壁的瘤子（圖3中的B）的阻礙，部分物料可能被截留暫存于凹坑內(nèi)，因通風(fēng)不適，此處物料中焦炭暫時處于“半熄滅”狀態(tài)。

圖3 石灰窯煅燒區(qū)窯襯損壞示意圖

當(dāng)窯況出現(xiàn)波動時，凹坑內(nèi)物料隨著瘤子的脫落再次進(jìn)入煅燒區(qū)參與生產(chǎn)循環(huán)，其中焦炭則被重新“點燃”，隨著物料的下移，被重新“點燃”的焦炭來不及完全燃燒就進(jìn)入冷卻區(qū)，隨即與生石灰一起被卸出，石灰窯出現(xiàn)取灰?guī)Щ?、灰溫驟升，并伴隨下瘤子等惡化工況，給設(shè)備和人身安全帶來危害

為消除此種不利因素對生產(chǎn)的影響，一方面，嚴(yán)格控制石灰窯的生產(chǎn)負(fù)荷，避免滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行，因為生產(chǎn)負(fù)荷的加大、石灰窯通風(fēng)劇烈，煅燒區(qū)燃燒勢必得到強(qiáng)化，適宜的煅燒溫度很難保證；另一方面，控制上應(yīng)盡可能避免窯況的波動，保證指標(biāo)合格前提下，煅燒溫度須盡可能控制在低限，避免石灰窯結(jié)瘤子，延緩窯襯損壞速度。

2.5 取灰速度

取灰速度即為煅燒后到達(dá)出灰螺錐的生石灰經(jīng)星形出灰機(jī)卸出的快慢。生產(chǎn)上，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動頻率實現(xiàn)取灰速度的改變。2014年8月份，我們在浙大中控的先控平臺的支持下，對2＃石灰窯進(jìn)行了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤頻率出灰的生產(chǎn)實驗，分別選取75%和100%兩種頻率操作，并統(tǒng)計過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表2。

表2 不同轉(zhuǎn)盤頻率的出灰溫度統(tǒng)計

如表2分析，使用滿頻（100%）快速取灰，灰溫不管是最大值、最小值還是平均值，都較使用相對低頻（75%）慢速取灰來得低；同時，快速取灰灰溫的波動梯度，即標(biāo)準(zhǔn)方差值僅為1.5，也較低速取灰偏小。如此看來，窯頂出氣溫度控制在較經(jīng)濟(jì)情況下，盡可能提高取灰速度（高頻）有利于灰溫的控制。

2.6 分石器

我們知道石灰石和焦炭混合物料進(jìn)入窯頂喇叭形布料器料盅后，在傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，料盅按照既定的多點（四點或五點為一個循環(huán)）布料模式旋轉(zhuǎn)一定角度后，利用杠桿原理，以卷揚機(jī)料斗的重力開啟窯蓋，物料即沿著螺旋狀分石器撒入窯內(nèi)，形成“馬鞍形”料面，從而削減了中心透風(fēng)阻力、增長了窯壁透風(fēng)阻力，使窯內(nèi)通風(fēng)趨于均勻。因此布料效果的優(yōu)劣，分離器起著至關(guān)重要的作用。

我廠使用的分石器是由四塊尺寸依次遞減的扇形溜板通過連接板相互對聯(lián)而成的螺旋狀設(shè)備，見示意圖4。隨著物料的經(jīng)年沖刷侵蝕、加之分石器長期處于窯頂高溫（150～200℃）苛刻環(huán)境中，四塊溜管、連接板對接螺栓都有可能出現(xiàn)磨損、斷裂、脫落等設(shè)備破壞現(xiàn)象。設(shè)備的破壞必然帶來布料功能的缺陷，“馬鞍形”料面可能被破壞，從而造成物料在窯的整個橫截面無法實現(xiàn)合理分布、惡化氣體的通過質(zhì)量，導(dǎo)致取灰溫度的異常升高。

圖4 分石器俯視示意圖

為此，在石灰窯生產(chǎn)組織中，應(yīng)該嚴(yán)格控制窯頂出氣溫度在160℃以下，為分石器創(chuàng)造優(yōu)越的運行環(huán)境，延長使用壽命。

2.7 生產(chǎn)負(fù)荷

石灰窯長期高負(fù)荷運行時，上石量偏多，卸灰量偏大，使窯內(nèi)物料下移速度加快，久而久之導(dǎo)致冷卻區(qū)縮短，空氣未能得到充分預(yù)熱就進(jìn)入煅燒區(qū)，使石灰石分解率降低，石灰生燒，且窯氣CO2濃度降低、灰溫升高，出現(xiàn)“煅燒區(qū)下移”現(xiàn)象。生產(chǎn)實踐證明，較高負(fù)荷生產(chǎn)時，大窯的灰溫穩(wěn)定性比小窯表現(xiàn)的更好。

統(tǒng)計對比分析了我廠3＃窯2015年3月1～19日和2014年度同期數(shù)據(jù)如下。

表3 不同出灰頻率的溫度統(tǒng)計

當(dāng)石灰窯在較長時間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行高負(fù)荷生產(chǎn)時，工藝參數(shù)上，不論是灰溫的高值、低值、平均值還是標(biāo)準(zhǔn)偏差都會出現(xiàn)顯著升高。

遇到這種情況，別無它法，應(yīng)立即降低石灰窯生產(chǎn)負(fù)荷，適當(dāng)增加送風(fēng)量，同時適時改善原料偏碎的狀況，適當(dāng)增加大塊度原料比例，減少粒級偏差，降低窯內(nèi)送風(fēng)阻力，約30h后基本可恢復(fù)正常工況。

2.8 操作控制

毋庸置疑，司窯操作水平的高低、操作經(jīng)驗的多寡、對問題分析處理的正確與否，也是石灰窯灰溫穩(wěn)定的重要因素。倘若，不能根據(jù)實際情況合理平衡幾臺石灰窯的生產(chǎn)負(fù)荷，不能根據(jù)原料狀態(tài)、上料多少正確配風(fēng)，不能及時、精準(zhǔn)配置焦比等，都會造成取灰溫度的升高。

如此看來，加強(qiáng)日常操作管理、不斷提高員工的操作技能、豐富員工的實操經(jīng)驗對穩(wěn)定石灰窯操作、管控灰溫尤為必要。

3 總 結(jié)

筆者通過長期一線生產(chǎn)經(jīng)驗的濃縮提煉、翔實客觀的一手資料的統(tǒng)計分析，細(xì)致入微地研究分析了石灰窯生產(chǎn)中常見灰溫波動問題，介紹了一些影響因素的有效規(guī)避措施以饗讀者。然囿于筆者經(jīng)驗和能力所限，仍存在很多重要影響因素未能盡述，期待同行不吝賜教。

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［2］ 陳學(xué)勤.氨堿法純堿工藝［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1990

［3］ 黃少烈，鄒華生.化工原理［M］.北京：高等教育出版社，2001

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