高爐、球團(tuán)豎爐、石灰窯下料和強(qiáng)化冶煉理論的探討

劉樹鋼， 李玉茹， 李 雷， 趙立順

（唐山今實達(dá)科貿(mào)有限公司， 河北 唐山 063020）

1 低熱值煤氣中心燒嘴TGS石灰窯主要特點

1.1 節(jié)能

TGS石灰窯之所以節(jié)能，首先是因為采用六段式啞鈴形爐型，這是結(jié)合高爐爐型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐摸索而成。唐山今實達(dá)科貿(mào)有限公司（以下簡稱我們）通過提高爐身高度，優(yōu)化爐型和高徑比，延長了預(yù)熱和冷卻時間，此爐型特別適應(yīng)石灰導(dǎo)熱系數(shù)低和石灰焙燒的特點，降低了出料和爐頂廢氣溫度，從而達(dá)到節(jié)能的效果。其次，TGS石灰窯采用了余熱回收裝置，助燃風(fēng)可預(yù)熱到180～260℃，我們還增設(shè)了煤氣換熱器，煤氣可預(yù)熱到150～200℃，實現(xiàn)了雙預(yù)熱，有效提高了石灰窯的熱效率，達(dá)到非常好的節(jié)能效果。目前全高爐煤氣TGS600石灰窯熱耗為870～980 kcal/kg，噸灰高爐煤氣消耗量低于1 300 m3，實現(xiàn)了利用低熱值煤氣（全高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、發(fā)生爐煤氣或混合煤氣）焙燒石灰的節(jié)能目標(biāo)。

1.2 環(huán)保

窯體部分主要揚(yáng)塵點有2處：一處是小車倒料點，另一處是排料點。小車倒料點我們采取的是全密封和抽風(fēng)除塵，保證了粉塵不外揚(yáng)；窯底排料點采用雙道液壓密封閥，此裝置借鑒了高爐爐頂料罐上下密封閥的原理，減少窯底粉塵污染，改善勞動環(huán)境。除了窯體的這兩個揚(yáng)塵點之外，窯體廢氣量也影響著環(huán)保效果和投資。由于TGS石灰窯熱效率高、節(jié)能，助燃風(fēng)與煤氣使用量小，所以廢氣量也少，環(huán)保投資低、環(huán)保設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用低、易達(dá)標(biāo)。

成品石灰處理系統(tǒng)，完全采用料倉，避免了石灰落地和鏟車處理，并加強(qiáng)了密封，減少了揚(yáng)塵量，特別是用低振幅密封分級篩，可以在完全密封的狀態(tài)下把石灰篩分出3個品種（煉鋼灰，LF爐灰和破碎成燒結(jié)灰），此處很少抽風(fēng)量甚至不用抽風(fēng)除塵也不產(chǎn)生揚(yáng)塵[1]。

并且配備了脈沖引射反吹布袋除塵器，既可把排放降到10 mg/m3以下，又提高了布袋壽命，節(jié)省了壓縮風(fēng)，且維護(hù)保養(yǎng)方便，進(jìn)一步節(jié)省了環(huán)保運(yùn)行成本。

1.3 降低噸鋼灰耗和煉鋼成本

TGS石灰窯為了提高生產(chǎn)指標(biāo)，主要做了如下幾方面的工作：

1）爐頂布料采用空轉(zhuǎn)螺旋布料器，借鑒了現(xiàn)代大型高爐上旋轉(zhuǎn)布料器的布料思想，在提高布料均勻性的同時調(diào)節(jié)整體氣流分布。保證了大型TGS石灰窯的產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定。

2）窯底排料設(shè)備采用的液壓往復(fù)出料機(jī)與雙道液壓密封閥配合出灰。既可全爐均勻排料，又可單點調(diào)節(jié)排料量，出灰量和時間間隔由操作專家軟件控制，實現(xiàn)了噸灰恒熱量焙燒，爐內(nèi)實現(xiàn)爐墻邊沿爐料與中心爐料全斷面均勻下料[2]，防止出現(xiàn)抽心現(xiàn)象，經(jīng)過我們生產(chǎn)中排料試驗檢測下料的不均勻程度在1.5%以內(nèi)，保證大型TGS石灰窯高產(chǎn)和順行，也減少了生過燒。

3）TGS石灰窯采用大型風(fēng)冷中心復(fù)合燒嘴，煤氣和助燃風(fēng)分別通過爐外調(diào)節(jié)，進(jìn)行合理配比，中心燒嘴頂部環(huán)形布置的燒嘴自內(nèi)向外燒。爐墻布置的國井式側(cè)燒嘴自外向內(nèi)燒，內(nèi)外燒嘴實現(xiàn)了對燒，燃燒穩(wěn)定可靠，壽命長且不易回火，火焰穿透能力是傳統(tǒng)石灰窯燒嘴的1.4倍以上。每排燒嘴分別設(shè)置了一套溫度自動控制系統(tǒng)，通過自動調(diào)節(jié)功能使燃燒溫度穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。

中心燒嘴與國井式側(cè)燒嘴配合對燒，提供了充足的中心火焰，解決了石灰窯中心氣流不足、溫度分布不均、中心生燒和邊緣過燒的問題，使石灰窯的氣流、溫度分布更均勻，并可及時調(diào)節(jié)，提高了產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

4）自動化系統(tǒng)配備專家系統(tǒng)軟件，當(dāng)專家軟件設(shè)定好參數(shù)后，TGS石灰窯即可實現(xiàn)自動排料、自動上料和恒熱量自動燃燒。整個操作控制系統(tǒng)簡單易掌握，并能檢測窯內(nèi)下料是否偏行，氣流分布是否均勻，還可對工長每次操作的效果是否到位、有無負(fù)作用，加以提醒和警告。

TGS石灰窯氣流分布均勻、溫度分布均勻、布料均勻、排料均勻、自動化控制強(qiáng)，以TGS石灰窯生產(chǎn)燒結(jié)灰和煉鋼灰后，保證了石灰的產(chǎn)量和質(zhì)量，為生產(chǎn)低硅低硫生鐵、降低噸鋼灰耗和煉鋼成本打下了堅實的基礎(chǔ)。

1.4 生產(chǎn)成本低

TGS480石灰窯生產(chǎn)成本低，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）熱利用率高。用全高爐煤氣時（含30～45℃飽和水，高爐煤氣熱值680～750 kcal/m3），熱耗為870～980 kcal/kg，節(jié)省燃?xì)狻?/p>

2）TGS石灰窯產(chǎn)量大、密封性好，在粉塵排放下低于10 mg/m3的高標(biāo)準(zhǔn)下，噸灰環(huán)保設(shè)備功率低，節(jié)省用電量。

3）中心燒嘴和側(cè)燒嘴等爐體非標(biāo)設(shè)備使用壽命長，維修費(fèi)用低，噸灰維修費(fèi)僅為2.5～4.5元/t。

4）整體石灰窯工程投資低，折舊費(fèi)用低。

5）機(jī)械化自動化程度高，節(jié)省了人力費(fèi)用。

1.5 安全

TGS石灰窯的主要安全措施如下：

1）完善的自動燃燒控制和煤氣安全聯(lián)鎖控制。這主要體現(xiàn)在煤氣壓力超出控制、突然停電、風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備突然停機(jī)等等一些狀況，完全不靠人員操作，我們的自動化系統(tǒng)可以保證即時自動切斷煤氣供應(yīng)，自動完成安全停爐作業(yè)，同時實現(xiàn)自動充氮吹掃。充分保證現(xiàn)場人員及設(shè)備的安全。

2）在供料系統(tǒng)、排料系統(tǒng)和成品處理系統(tǒng)的各個設(shè)備中均設(shè)有完善的事故連鎖停機(jī)控制功能。

3）在各個有可能煤氣泄漏的區(qū)域，均設(shè)置煤氣監(jiān)測及報警系統(tǒng)，每班配備袖珍式煤氣監(jiān)測儀。

1.6 適應(yīng)能力強(qiáng)

TGS石灰窯適應(yīng)能力強(qiáng)，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1）適用多種燃料。高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、混合煤氣、焦?fàn)t煤氣。

2）TGS石灰窯還可以配備氣煤混燒設(shè)施，在長期煤氣不足情況下，仍可以滿負(fù)荷生產(chǎn)，甚至全煤燒生產(chǎn)。

3）當(dāng)石灰石質(zhì)量較差時，TGS石灰窯的能耗、產(chǎn)量、質(zhì)量相對其他窯型變化較小。

4）生產(chǎn)彈性大。TGS石灰窯可根據(jù)用戶的需求降低或增加產(chǎn)能。設(shè)計能力在一定范圍內(nèi)調(diào)整，石灰的質(zhì)量不受影響，石灰窯生產(chǎn)穩(wěn)定可靠。

2 下料過程分析

2.1 TGS石灰窯的下料理論

由于石灰石剛分解為石灰時，其石灰石晶格結(jié)構(gòu)遭到巨大破壞，晶體內(nèi)部存在大量微孔和空位，比表面積巨大，此時遇水就會爆炸，其活性度是很高的，這就說明剛產(chǎn)生的石灰發(fā)生再結(jié)晶和黏結(jié)是必然的，問題是要把石灰的再結(jié)晶發(fā)育程度和黏結(jié)控制在允許的范圍內(nèi)，從而保證石灰的活性度和防止黏結(jié)。而影響石灰再結(jié)晶發(fā)育程度的關(guān)鍵因素是溫度和在此溫度下的持續(xù)時間，且兩者是相互關(guān)聯(lián)的，對于每一種石灰石的成分和原始結(jié)晶狀態(tài)，石灰再結(jié)晶發(fā)育程度呈現(xiàn)復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對于黏結(jié)或結(jié)瘤的發(fā)育程度也有類似的規(guī)律，更重要的是黏結(jié)只發(fā)生在兩個石灰塊的持續(xù)接觸面上，因此黏結(jié)的發(fā)育過程比再結(jié)晶還要來得緩慢一點。對于黏結(jié)問題需要從豎爐下料過程做進(jìn)一步的分析，以便加以解決。

2.2 TGS石灰窯下料過程（通俗稱為拱橋現(xiàn)象）

包括高爐、石灰窯、球團(tuán)豎爐等，對于幾乎所有的塊狀物料高溫豎式窯爐，爐內(nèi)（塊狀帶）塊狀物料到底是如何下料的，在豎爐生產(chǎn)特別關(guān)鍵的中下部和高溫區(qū)塊狀帶內(nèi)，由于物料下方的機(jī)械或物理化學(xué)作用，形成了多個尺寸不同、位置不同的局部小空間（或形象稱為亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴），每個小空間的頂部塊狀物料，在上部和周圍塊狀物料的擠壓、摩擦、粘結(jié)作用下，形成了拱橋結(jié)構(gòu)，這種亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴（有點類似不規(guī)則橢球結(jié)構(gòu)，與液體中氣泡的有些狀態(tài)類似），對豎爐的氣流分布（孔隙率分布）和下料都產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響[3]。這些小空間的尺寸與爐況具有對應(yīng)的統(tǒng)計規(guī)律關(guān)系，從約0.1個料塊到幾個料塊尺寸，甚至幾十個料塊尺寸都有，極限懸料時為接近爐子內(nèi)徑尺寸；一般正常爐況時，幾率比較大的小空間尺寸約為0.1～6個料塊尺寸，爐子中下部和高溫區(qū)以0.1～4個料塊尺寸，爐子上部以約0.1～2個料塊尺寸較多，越向爐身高處，小空間的尺寸越小且多，分布也越均勻；爐況越順行，小空間的尺寸越小且多，分布也越均勻。

通俗地說，豎爐內(nèi)塊狀物料的下料過程：大部分時間內(nèi)，上述的小空間的拱橋是亞穩(wěn)定的，整個爐料料柱的有效重量始終是向下且大于零的，此時附近（其上和周圍）的爐料處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，在料塊之間的微小接觸面上黏結(jié)這一物理化學(xué)過程開始發(fā)育；突然，某種機(jī)械或物理化學(xué)作用導(dǎo)致了該拱橋的橋墩或橋拱崩塌，則其上和周圍的物料在瞬間塌落，并占據(jù)了該小空間，而在其上方的某個高度，該小空間可能又穩(wěn)定住了（也有時分裂為2個或多個或與別的小空間合并成1個大一點的小空間），就像一個小氣泡連續(xù)上升或又停止一樣，正是這些小空間（或形象稱為亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴）不穩(wěn)定的、間斷的、隨機(jī)的，又有一定物理化學(xué)、力學(xué)原理和統(tǒng)計規(guī)律的塌落運(yùn)動，表達(dá)了豎爐內(nèi)高溫區(qū)塊狀物料下料規(guī)律的主要特征。在這個瞬間塌落過程中，產(chǎn)生了一定的沖擊力、扭轉(zhuǎn)力和摩擦力，如果在此之前的黏結(jié)過程發(fā)育得不是太嚴(yán)重（與溫度和持續(xù)接觸時間關(guān)聯(lián)），其黏結(jié)強(qiáng)度就不是太高，此時就可以被掰開，而后新的黏結(jié)過程又重新開始了，進(jìn)入良性循環(huán)，這就是我們通常所說的“沒有黏結(jié)”的正常下料過程。

豎爐塊狀物料的下料過程就是尺寸不等、分布也有一定統(tǒng)計規(guī)律的亞穩(wěn)定小空間拱橋隨機(jī)的、不穩(wěn)定的：拱—塌—拱—塌—拱—塌的過程，而每一次小空間（形象稱為亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴）拱橋穩(wěn)定存在的時間，就是其上和附近物料料塊之間的持續(xù)接觸時間，正是這個持續(xù)接觸時間與溫度、爐料成分、粉塵成分和含量等決定了黏結(jié)塊是否能夠保留下來，同時粘結(jié)本身也增加了拱橋的橋墩或橋拱的穩(wěn)定性（對于下料是不利因素），并且方向向下的有效重始終存在，正是這個有效重力扮演了一個雙重角色：由此導(dǎo)致的料塊之間的擠壓力、摩擦力，穩(wěn)定了拱橋，并加劇了黏結(jié)，對下料是不利的；而拱橋崩塌瞬間，也是這個有效重力使料塊下落；多數(shù)情況或正常爐況下，加大有效重對于下料是不利的，同一高爐在輕負(fù)荷、或高冶煉強(qiáng)度、或噴煤后（壓差升高）的情況下，高爐下料反而改善，正說明了這個問題。這是本文的下料過程分析與高爐有效重下料理論的本質(zhì)區(qū)別，也是高爐近些年進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉的依據(jù)。對應(yīng)在爐內(nèi)高溫區(qū)的黏結(jié)過程：黏—掰—黏—掰—黏—掰。一旦溫度過高或小空間拱橋的穩(wěn)定時間過長，就會導(dǎo)致料塊與料塊之間的持續(xù)接觸時間過長，黏結(jié)過程就發(fā)育得太厲害了，其黏結(jié)強(qiáng)度就太高了，在上述的塌落過程中也掰不開了，黏結(jié)塊就被保留了下來，而黏結(jié)塊一旦被保留下來，它會進(jìn)一步影響氣流分布和溫度分布，也會使它參入的新的拱橋更穩(wěn)定，尺寸也更大，這樣自動提高了局部的溫度，也進(jìn)一步延長了拱橋穩(wěn)定存在的時間，即進(jìn)一步延長了料塊與料塊之間的持續(xù)接觸時間，由此導(dǎo)致新的黏結(jié)塊的大量形成和已有黏結(jié)塊的快速長大，進(jìn)入惡性循環(huán)，這就是我們通常所說的黏結(jié)或結(jié)瘤（也必然伴隨著下料不勻）。

爐況越順行，小空間（形象稱為亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴）的尺寸越小且多，分布也越均勻，使?fàn)t況更容易保持在良性循環(huán)中（產(chǎn)量更高、能耗更低、質(zhì)量更好，對突發(fā)問題抵抗能力增大）；爐溫過高、下料時間間隔過長、每次下料過少，產(chǎn)量過小、有黏結(jié)塊或結(jié)瘤等情況下，這些小空間（形象稱為亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴）的尺寸明顯變大，且分布更加不均，這就是下料惡化的主要原因。另外排料不勻、布料不勻、氣流不勻、溫度不勻等也是通過上述機(jī)理造成了爐內(nèi)料柱下料不勻的，而這些小空間分布規(guī)律的惡化，又會反過來加劇氣流不勻、溫度不勻和粘結(jié)或結(jié)瘤，從而形成惡性循環(huán)。

3 TGS石灰窯的設(shè)計與生產(chǎn)操作

1）采用六段式啞鈴形高爐身爐型，并配備相應(yīng)的壓力，以此提高有效容積利用系數(shù)和節(jié)能，這就加快了豎爐單位有效截面積的物料流量和氣體流速，加快了料流速度，提高了料柱的空隙率（即料柱的透氣性），縮短了拱橋穩(wěn)定存在的時間，也就是縮短了料塊與料塊之間的持續(xù)接觸時間，由此保證每次拱橋塌落可以掰開黏結(jié)塊，同時也保證了石灰活性度在330 mL以上。

2）排料時間間隔縮短到15 min以內(nèi)。開爐或調(diào)整爐況時，可人為增加一點生燒，也不降低排料速度。

3）煤氣不足時，多臺爐的工廠可停產(chǎn)1座爐子，留出充足煤氣保證其他爐子的滿負(fù)荷生產(chǎn)。因為爐子低負(fù)荷生產(chǎn)的總CaO少，還容易結(jié)塊或結(jié)瘤。

4）剛停爐時，石灰窯2 h內(nèi)必須繼續(xù)排料活動料柱，逐步減少排料量，而球團(tuán)豎爐的活動料柱時間要延長至5 h以上，而更長時間的停爐，每班也須活動料柱2次以上[4]。

4 結(jié)語

豎式窯爐、高爐、球團(tuán)豎爐、耐火材料熟料焙燒爐、石灰窯等行業(yè)的節(jié)能、減排，提高質(zhì)量，降低成本，低熱值煤氣中心燒嘴TGS石灰窯的生產(chǎn)實踐和用拱橋現(xiàn)象進(jìn)行下料分析為行業(yè)的發(fā)展提供了一些新的思路，這些對豎式窯爐的設(shè)計改進(jìn)與生產(chǎn)操作的提升有很大幫助。