節(jié)能環(huán)保TGS石灰窯使用高爆裂性原料的生產(chǎn)實(shí)踐

劉樹(shù)鋼， 李玉茹， 李 斌， 趙立順， 李 雷， 門(mén)長(zhǎng)占， 周 宏， 張德國(guó)

（1.唐山今實(shí)達(dá)科貿(mào)有限公司， 河北 唐山 063020；2.唐山助綱爐料有限公司， 河北 唐山 063600；3.唐山精研實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063600；4.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司， 北京 100043）

老一代石灰窯技術(shù)產(chǎn)量低，煤氣耗量大，難以大型化，TGS氣燒活性石灰窯技術(shù)，突破了低熱值煤氣石灰窯的環(huán)保、節(jié)能和大型化的難題，單爐日產(chǎn)量超過(guò)了600 t。

1 TGS氣燒活性石灰窯爐型及工藝特點(diǎn)

1.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 TGS石灰窯特點(diǎn)

TGS石灰窯采用了大型中心風(fēng)冷復(fù)合式燒嘴、煤氣助燃風(fēng)雙預(yù)熱、日本國(guó)井式側(cè)向燒嘴、特種耐火材料、啞鈴形六段爐型、分級(jí)入爐、旋轉(zhuǎn)螺旋配合多管的布料系統(tǒng)設(shè)備，采用液壓往復(fù)出料機(jī)、排料上道液壓密封閥、排料下道液壓密封閥和彈性密封排料稱量斗配合的密封排料系統(tǒng)設(shè)備等多項(xiàng)已成熟的實(shí)用新技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化調(diào)節(jié)燃燒模式和計(jì)算機(jī)自動(dòng)提示排料模式的專家軟件，提高了TGS石灰窯的機(jī)械化程度，提高了石灰的質(zhì)量，使TGS石灰窯達(dá)到低耗高效的生產(chǎn)狀態(tài)。TGS石灰窯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，投資低、能耗低、維修和運(yùn)行費(fèi)用低、電耗低，能量利用率高，因而生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益高[1]。

2 TGS500石灰窯使用高爆裂性原料的問(wèn)題及攻關(guān)

2.1 寬粒度原料生產(chǎn)階段

山西晉城福盛鋼鐵有限公司純高爐煤氣TGS500石灰窯工程自2017年5月27日投產(chǎn)，所用原料篩設(shè)計(jì)篩孔40 mm，投產(chǎn)第四天后產(chǎn)量即達(dá)320～360 t/d，生過(guò)燒低于15%，但由于所用原料為山西晉城福盛鋼鐵有限公司自有正在新建的石灰石礦山（石灰石礦的破碎篩分設(shè)備還沒(méi)有建成，使用臨時(shí)安裝的一臺(tái)破碎機(jī)和溜篩處理礦石），且屬于一種高爆裂性的石灰石，又恰逢政府控制炸藥和多雨天氣，石灰石供應(yīng)非常緊張，雜石很多，投產(chǎn)9 d后，窯前40 mm原料篩被迫焊6 mm圓鋼，而壓縮至17 mm篩孔，石灰窯生產(chǎn)進(jìn)入了罕見(jiàn)的困難狀態(tài)之中。

原料粒度在0~50 mm范圍，且粒度波動(dòng)很大，其中0~15 mm比例在8%至14%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天高達(dá)15%~21%；15~40 mm比例在29%至43%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天高達(dá)33%~46%；80~150 mm比例在10%至18%范圍內(nèi)波動(dòng)；合格的40~80 mm石灰石原料比例在25%~51%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天進(jìn)一步降至16%~40%。

而出爐的石灰產(chǎn)品中，0~40 mm的比例高達(dá)56%至65%，陰雨天更高達(dá)63%至86%；大于80 mm的比例在0~2%范圍內(nèi)波動(dòng)；40~80 mm的石灰比例低至23%~44%，陰雨天更是降至13%~35%。詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，爐頂料面附近有明顯的、密集的、沉悶的爆裂聲音，證明爐內(nèi)石灰石發(fā)生了嚴(yán)重的爆裂問(wèn)題。

40～80 mm的石灰石塊在馬弗爐內(nèi)的爆裂實(shí)驗(yàn)證明，升溫速度即使降低到15℃/min，升至1000℃保溫恒溫30 min，該石灰石爆裂比例仍然大于60%；升溫速度20℃/min，升至1000℃保溫恒溫30 min，該石灰石爆裂比例大于80%（一次實(shí)驗(yàn)用5個(gè)樣品，其中有4個(gè)樣品，在馬弗爐內(nèi)450～500℃已經(jīng)爆裂至3半至5半，唯一一個(gè)未爆裂的樣品也有4道大裂縫，小裂縫6道，一次500 mm高自由落體即摔成4半，這證明即使是沒(méi)有完全爆裂開(kāi)的石灰石，當(dāng)燒成石灰后，也會(huì)在下料過(guò)程中被擠壓、磨損而開(kāi)裂）。

初期，所有風(fēng)機(jī)全部控制在28～32 kPa，絕大部分時(shí)間都超過(guò)了風(fēng)機(jī)銘牌額定壓力29.4 kPa，經(jīng)常接近風(fēng)機(jī)電機(jī)的額定電流或軸承所允許的極限溫度，煤氣壓力也控制在30～33 kPa，即使如此高的氣體壓力，產(chǎn)量卻降至310～330 t/d，生過(guò)燒卻升至25%至45%，且生過(guò)燒并存，稍一降生燒，過(guò)燒就急速升高，甚至出現(xiàn)結(jié)塊，另外盡管每噸石灰的總冷卻風(fēng)量一直維持在560～730 m3/t灰，排料溫度也升至180～240℃，嚴(yán)重威脅成品處理系統(tǒng)的設(shè)備安全，兩次燙壞燒結(jié)石灰粉運(yùn)輸罐車(chē)的輸灰膠管，除爐頂溫度210～310℃和每公斤石灰石熱耗440×4.187至490×4.187 kJ/kg較正常以外，其他操作參數(shù)嚴(yán)重偏離正常范圍，石灰質(zhì)量嚴(yán)重波動(dòng)，這種被動(dòng)局面一直持續(xù)了近兩個(gè)月[2]。

2.2 原料粒度由0～150 mm壓縮至30～120 mm范圍生產(chǎn)階段

石灰石礦山的破碎篩分設(shè)備建成后，由于政府控制炸藥和多雨天氣，石灰石供應(yīng)仍然比較緊張，雜石也較多，且礦石本身較易破碎，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)40 mm至80 mm的粒度要求，只把原料粒度由0至150 mm壓縮至30 mm至120 mm范圍，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作，初步改善了爐內(nèi)氣流和溫度分布的均勻性[3]。

產(chǎn)量隨之升至410～460 t/d，生過(guò)燒仍然經(jīng)常并存，只是壓低一些生燒時(shí)，過(guò)燒升高速度沒(méi)有初期那么明顯了，基本上消除了結(jié)塊現(xiàn)象，石灰質(zhì)量波動(dòng)也有所減少，w（CaO）65%～74%，w（MgO）4%～12%，w（SiO2)4%～9%，另外每噸石灰的總冷卻風(fēng)量與前期相同一直維持在560～730 m3/t灰，排料溫度卻降至160～190℃，料溫對(duì)成品處理系統(tǒng)設(shè)備安全的威脅得以緩解，沒(méi)再出現(xiàn)燙壞燒結(jié)石灰粉運(yùn)輸罐車(chē)的輸灰膠管的問(wèn)題，爐頂溫度在210～300℃，每公斤石灰石熱耗450×4.187~490×4.187 kJ/kg，其它操作參數(shù)也有所改善，而風(fēng)機(jī)和煤氣壓力仍然維持在上述接近極限的狀態(tài)，本階段持續(xù)了一個(gè)多月。

2.3 提產(chǎn)階段

為了減少外購(gòu)石灰數(shù)量，隨之展開(kāi)了以提高產(chǎn)量為主要目的的工作。

2.3.1 進(jìn)一步改善原料粒度均勻性

提高了石灰石礦山的管理，窯前原料篩孔完全恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸40 mm，原料粒度由30～120 mm進(jìn)一步改善至40～100 mm范圍。

2.3.2 適當(dāng)減少冷卻風(fēng)量

由于排料溫度一直比較高，為了緩解料溫對(duì)成品處理系統(tǒng)設(shè)備安全的威脅，每噸石灰的總冷卻風(fēng)量一直維持在560～680 m3/t灰，甚至短期到過(guò)730 m3/t灰，卻沒(méi)有完全達(dá)到降低排料溫度的目的，還對(duì)降低生燒和提高產(chǎn)量增加了困難，因此逐步將總冷卻風(fēng)量降低至520～550 m3/t灰。

2.3.3 充分利用漏斗效應(yīng)提高爐內(nèi)料柱的整體透氣性

TGS石灰窯的專家軟件中把爐中心至爐墻分成20個(gè)環(huán)帶，爐子正中心為第一環(huán)帶，緊靠爐墻為第20環(huán)帶，專家軟件可以對(duì)每個(gè)環(huán)帶單位高度的微元體內(nèi)的氣體力學(xué)、物理化學(xué)等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，以便得到最優(yōu)化的生產(chǎn)控制參數(shù)。

TGS石灰窯的旋轉(zhuǎn)螺旋配合多管的布料系統(tǒng)設(shè)備是根據(jù)漏斗效應(yīng)設(shè)計(jì)的，對(duì)于本工地所遇到的原料粒度差異大且爆裂嚴(yán)重的不透氣物料，利用漏斗效應(yīng)，減少一點(diǎn)溜槽角度，把小顆粒物料主要布于爐內(nèi)半徑的第16至第18環(huán)，這樣，第19至20環(huán)的物料粒度是逐漸增加的，第15環(huán)至爐中心的第1環(huán)物料粒度也是逐漸增加的，因此，盡管總體物料粒度差異很大（如果整體均勻混合后，會(huì)達(dá)到最大的堆積密度和最小的空隙率），而對(duì)于每一環(huán)內(nèi)的物料的粒度差異就減少了，大幅度提高了每一環(huán)的物料粒度均勻性，從而提高了料柱空隙率和料柱透氣性，由此大大提高了TGS石灰窯對(duì)原料粒度差異大或爆裂嚴(yán)重的不透氣物料的抵抗能力[4]。

2.3.4 充分利用國(guó)井式燒嘴穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)

根據(jù)專家軟件的模擬提示和爐內(nèi)取樣結(jié)果分析，進(jìn)一步強(qiáng)化氣流和溫度分布的均勻性。

2.3.5 自動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒模式

采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化調(diào)節(jié)燃燒模式，保持恒定的燃燒溫度。由專家軟件執(zhí)行燃燒的自動(dòng)控制，比人工調(diào)節(jié)燃燒的精度提高了很多。

2.3.6 精確調(diào)節(jié)密封排料系統(tǒng)設(shè)備

通過(guò)精確調(diào)節(jié)密封排料系統(tǒng)設(shè)備，既減少了爐底漏風(fēng)量，改善了爐底環(huán)保，又大大提高了排料均勻性，確保20 m高料柱的排料誤差小于±1.5%，且誤差部位不固定，爐內(nèi)料柱運(yùn)動(dòng)的均勻性為提高氣流分布和溫度分布均勻性提供了可靠的保障。

2.3.7 確定排料模式

采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)提示排料模式，保持每噸石灰石恒定的燃燒熱量。

2.3.8 適當(dāng)減少排料量

適當(dāng)減少每次排料的排料量，將相鄰兩次排料的時(shí)間間隔（包括排料過(guò)程時(shí)間+至下一次開(kāi)始排料之間的不排料時(shí)間）由14～18 min縮短至10～12 min。

根據(jù)豎爐內(nèi)料柱的下料過(guò)程為隨機(jī)的、不連續(xù)的、局部的，尺寸具有一定幾率分布規(guī)律（越靠近料面尺寸越?。┑膩喎€(wěn)態(tài)懸拱空穴（形象稱為架橋，與液體中氣泡的有些狀態(tài)類似）的隨機(jī)塌落過(guò)程（形象稱為橋墩或橋拱的隨機(jī)塌落過(guò)程），對(duì)于豎爐塊狀帶的某一塊爐料（正常粒度的料塊），只在其塌落瞬間或跟隨其下方料塊塌落的瞬間，發(fā)生下料運(yùn)動(dòng)（包括垂直落下和小量的橫移），其余大部分時(shí)間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種下料過(guò)程的規(guī)律，對(duì)于豎爐塊狀帶的空隙率、氣流分布、溫度分布、物理化學(xué)反應(yīng)（包括傳質(zhì)傳熱過(guò)程、各種反應(yīng)和黏結(jié)塊發(fā)育程度等）都發(fā)生著本質(zhì)性的影響作用，這是TGS石灰窯和其專家軟件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作所依據(jù)的最重要理論之一，本下料理論對(duì)于其它種類豎爐強(qiáng)化生產(chǎn)也具有重大意義。

液壓往復(fù)出料機(jī)每運(yùn)行一個(gè)周期用時(shí)32 s，沿用過(guò)去TGS石灰窯的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)初期定為每次排料液壓往復(fù)出料機(jī)運(yùn)行11個(gè)周期，每次排料約4.83 t石灰，總共用時(shí)5.87 min，石灰產(chǎn)量在410～460 t/天時(shí)，相鄰兩次排料的時(shí)間間隔在14～18 min，把每次排料液壓往復(fù)出料機(jī)運(yùn)行周期減到9個(gè)，每次排料約3.95 t石灰，再通過(guò)增加煤氣流量（正比于產(chǎn)量）將相鄰兩次排料的時(shí)間間隔壓縮到10～12 min，這樣每次排料用時(shí)4.8 min，不排料的時(shí)間就壓縮至5.2～7.2 min，爐況表現(xiàn)為在這不排料的5.2～7.2 min時(shí)間內(nèi)，爐內(nèi)仍然存在爐料的局部下料運(yùn)動(dòng)，特別是前2～4 min內(nèi)爐料的局部下料運(yùn)動(dòng)更為明顯，也就是說(shuō)爐內(nèi)保留了更多的亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴，這些亞穩(wěn)態(tài)懸拱空穴既增加了料柱的空隙率和料柱透氣性，增加了氣體流量，有利于增加產(chǎn)量，同時(shí)又改善了傳質(zhì)傳熱，均勻了爐溫分布，也防止了結(jié)塊。但如果每次排料量過(guò)少或過(guò)慢，容易出現(xiàn)下料不勻的問(wèn)題。

2.3.9 保持適當(dāng)?shù)纳鸁壤?/p>

在這種原料粒度差異大，爆裂又非常嚴(yán)重的生產(chǎn)條件下，過(guò)分追求低生燒率，會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)更大的困難，保持適當(dāng)?shù)纳鸁壤?，可以降低爐頂溫度，增加產(chǎn)量，縮短排料時(shí)間間隔，增加料柱透氣性。并且多數(shù)鋼鐵廠燒結(jié)，均人為使用部分石灰石粉，煉鋼也人為使用部分石灰石塊，甚至有人宣傳全石灰石煉鋼，因此鋼鐵廠生產(chǎn)，怕過(guò)燒，不太怕生燒，特別是喜歡低硅、低硫且生過(guò)燒穩(wěn)定的石灰產(chǎn)品。

2.3.10 本階段主要生產(chǎn)參數(shù)和結(jié)果

原料粒度在40～100 mm范圍，且粒度波動(dòng)仍較大，只是有較大的改善，其中0～15mm比例在3%～7%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天高達(dá)5%～11%；15～40 mm比例在8%～16%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天高達(dá)13%～21%；80～100 mm比例在8%～15%范圍內(nèi)波動(dòng)；合格的40～80 mm石灰石原料比例增加到62%～81%，陰雨天降至53%～73%。出爐的石灰產(chǎn)品中，0～40 mm的比例高達(dá)41%～49%，陰雨天更高達(dá)51%～67%；大于80 mm的比例在0～1%范圍內(nèi)波動(dòng)；40～80 mm的石灰比例在50%～59%范圍內(nèi)波動(dòng)，陰雨天更是降至32%～49%。詳細(xì)觀察，爐頂料面附近仍有明顯的、密集的、沉悶的爆裂聲音，證明爐內(nèi)石灰石發(fā)生的嚴(yán)重爆裂問(wèn)題還一直存在。

產(chǎn)量 495～510t/d，石灰質(zhì)量：w（CaO）=69%～74%、w（MgO）=6%～12%、w（SiO2）=4%～7%，總冷卻風(fēng)量降低至 520～550 m3/t灰，出灰溫度 160～180℃，爐頂溫度在220～310℃，每公斤石灰石熱耗465×4.187 kJ/kg至490×4.187 kJ/kg，而風(fēng)機(jī)和煤氣加壓機(jī)仍然維持在上述接近極限的狀態(tài)，其它操作參數(shù)也有所改善，本階段平穩(wěn)運(yùn)行四個(gè)多月。

2.4 以提高石灰質(zhì)量，特別是提高石灰質(zhì)量穩(wěn)定性為主要目的階段

本階段，由于鋼鐵廠壓產(chǎn)，石灰供應(yīng)矛盾緩解，本爐操作思想隨之轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴岣呤屹|(zhì)量為主，產(chǎn)量隨鋼鐵生產(chǎn)需要而調(diào)節(jié)。本階段主要是把2.3.1至3.3.9所述工作持續(xù)深化做細(xì)。石灰石礦山也有進(jìn)一步的改善，其中雜石有了明顯的降低，石灰石成分也有所穩(wěn)定：w（CaO）=46%～51%、w（MgO）=3%～7%、w（SiO2）=2.5%～4.0%。

3 TGS500石灰窯使用高爆裂性原料的生產(chǎn)實(shí)踐與效果

本階段主要生產(chǎn)參數(shù)和結(jié)果：

產(chǎn)量 400～440 t/d。石灰質(zhì)量：w（CaO）=75%～79%、w（MgO）=5%～12%、w（SiO2）=4%～6%?？偫鋮s風(fēng)量 525～540 m3/t，出灰溫度 150～160 ℃，爐頂溫度在250～330℃，全用高爐煤氣，每公斤石灰石熱耗490×4.187 kJ/kg至 520×4.187 kJ/kg，而風(fēng)機(jī)和高爐煤氣加壓機(jī)比上述接近極限的狀態(tài)所留出的保險(xiǎn)系數(shù)增加了0.5%，本階段從2018年3月平穩(wěn)運(yùn)行至今。

4 結(jié)論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，原料粒度差異大或高爆裂性原料給石灰窯生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的困難，主要表現(xiàn)為料柱透氣性差，因而爐內(nèi)氣流分布、料流分布和溫度分布非常容易惡化。TGS石灰窯獨(dú)特的裝備及操作技術(shù)，突破了這個(gè)生產(chǎn)難題，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。尤其是TGS石灰窯大型中心風(fēng)冷復(fù)合式燒嘴與日本國(guó)井式側(cè)向燒嘴兩種燒嘴的密切配合，提高了火焰穿透能力，提高了對(duì)于這種困難生產(chǎn)條件的抵抗能力。減少冷卻風(fēng)量，提高爐料粒度均勻性，提高爐內(nèi)料柱的整體透氣性，提高操作精度，提高氣流分布和溫度分布均勻性，減少每次排料的排料量，縮短相鄰兩次排料的時(shí)間間隔，保持適當(dāng)?shù)纳鸁壤炔僮魉枷?，?duì)于原料粒度差異大或高爆裂性原料的石灰窯生產(chǎn)，具有較大的抵抗能力。本次生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于具有同類生產(chǎn)條件的石灰企業(yè)具有借鑒意義。