回轉(zhuǎn)窯節(jié)能環(huán)保改造實(shí)踐

宋雙彥，陶衛(wèi)東，杜宏杰

（中冶賽迪上海公司，上海 200940）

石灰回轉(zhuǎn)窯在我國冶金、化工、建材、造紙等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛[1]。行業(yè)普遍存在的問題主要有能耗偏高、漏風(fēng)系數(shù)高、窯殼溫度高、窯尾氣溫度偏高、出料溫度高、產(chǎn)量低、熱效率不高等。能源成本占到生產(chǎn)成本的40%以上，因此，能耗問題是回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)研究的主要課題。20世紀(jì)80年代初，我國寶鋼率先引進(jìn)了3條產(chǎn)量達(dá)600 t/d的日本立波爾式回轉(zhuǎn)窯，90年代國內(nèi)鋼鐵廠陸續(xù)引進(jìn)的是產(chǎn)量為600～1 000 t/d的美國KVS式回轉(zhuǎn)窯，如寶鋼、鞍鋼、太鋼、八鋼、沙鋼、攀鋼、通鋼等。寶鋼最初引自日本的回轉(zhuǎn)窯在操作、能耗、維修等方面落后于美國技術(shù)。為了滿足產(chǎn)能需求，降低能耗和維修成本，減少揚(yáng)塵、冒灰、漏風(fēng)等現(xiàn)象，對(duì)其中2條逐一改造。改造后產(chǎn)能大大提高，便將不再需要的第3條窯就地拆除。基本從老式窯系統(tǒng)改造成為新的KVS式回轉(zhuǎn)窯，全面改善了工藝和配套設(shè)施，取得了預(yù)期的節(jié)能環(huán)保效果。行業(yè)內(nèi)在石灰窯節(jié)能方面改造通常只是針對(duì)窯的內(nèi)襯材質(zhì)、系統(tǒng)密封性及變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)等局部開展小型技改，這樣大規(guī)模改造尚數(shù)首例。本文對(duì)此作以介紹。

1 回轉(zhuǎn)窯改造前的情況

改造前的寶鋼回轉(zhuǎn)窯主要由鏈篦式預(yù)熱機(jī)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、水平推動(dòng)式冷卻機(jī)系統(tǒng)及公輔系統(tǒng)等組成。

1.1 改造前主要生產(chǎn)工藝

原料經(jīng)水洗篩分，合格粒度的物料經(jīng)帶式輸送機(jī)送到窯前倉，進(jìn)一步瀝去水分，再經(jīng)上料皮帶首先將物料平鋪在鏈篦式預(yù)熱機(jī)內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，然后隨著鏈篦機(jī)的板鏈移動(dòng)，將料送入回轉(zhuǎn)窯中煅燒。隨著窯的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料一邊翻滾一邊向前移動(dòng)，待到回轉(zhuǎn)窯頭部，剛好煅燒完畢。合格粒度的物料落入水平推動(dòng)式冷卻機(jī)中進(jìn)一步冷卻，成品通過板鏈、帶式輸送機(jī)等送到成品庫。

混合煤氣通過窯頭燒嘴在一次助燃風(fēng)的作用下在窯內(nèi)燃燒；從冷卻器鼓入的冷風(fēng)冷卻成品物料的同時(shí)被加熱，進(jìn)入窯內(nèi)作為二次助燃風(fēng)。燃燒廢氣與物料換熱后被窯尾除塵系統(tǒng)抽到窯尾，與鏈篦式預(yù)熱機(jī)內(nèi)的物料進(jìn)一步換熱并降低尾氣溫度，再經(jīng)過豎管冷卻器，最后進(jìn)入窯尾除塵系統(tǒng)，凈化后排入大氣。

1.2 改造前工藝流程

改造前石灰回轉(zhuǎn)窯工藝流程示意圖見圖1。該窯產(chǎn)能約600 t/d，窯尾廢氣溫度約350℃，成品出料溫度高，約130℃以上。

圖1 改造前石灰回轉(zhuǎn)窯工藝流程示意圖Fig.1 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln before Improvement

1.3 改造前回轉(zhuǎn)窯能耗分析

回轉(zhuǎn)窯煅燒系統(tǒng)能耗高，約為5 016 kJ/kg產(chǎn)品，并且系統(tǒng)老化，漏風(fēng)、冒灰嚴(yán)重，環(huán)保不達(dá)標(biāo)，每年的檢修量非常大。特別是鏈篦式預(yù)熱機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，每年耗材很高，生產(chǎn)成本與日俱增。

對(duì)回轉(zhuǎn)窯的熱平衡分析中，燃料帶入化學(xué)熱為熱輸入項(xiàng)，其余為熱輸出項(xiàng)?；剞D(zhuǎn)窯熱平衡示意圖見圖2。

圖2 回轉(zhuǎn)窯熱平衡示意圖Fig.2 Diagram for Thermal Balance in Rotary Kiln

如圖2所示，回轉(zhuǎn)窯的能耗主要分為幾大部分：① 燃燒廢氣帶走熱量；② 預(yù)熱設(shè)備散熱量；③煅燒物料吸熱；④冷卻設(shè)備散熱；⑤窯體吸熱；⑥窯體散熱；⑦成品物料帶走的熱量。針對(duì)這幾個(gè)熱量消耗因素，經(jīng)過多次論證和試驗(yàn)，從工藝、設(shè)備、控制等方面優(yōu)化。

2 具體改造措施

2.1 窯預(yù)熱系統(tǒng)

為了提高回轉(zhuǎn)窯的熱效率和生產(chǎn)效率，增加單位時(shí)間推入窯內(nèi)的物料量，拆除原有鏈篦式預(yù)熱機(jī)、豎管冷卻器、廢氣除塵系統(tǒng)和水平推動(dòng)式冷卻機(jī)等設(shè)施，更換為帶12個(gè)液壓推桿的豎式預(yù)熱器，相應(yīng)配套布袋除塵系統(tǒng)。物料在預(yù)熱器中得到充分換熱，換熱的物料量比鏈篦式預(yù)熱機(jī)大大提高，單位時(shí)間推入窯內(nèi)的物料量增加，大大提高了產(chǎn)量。保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，單位時(shí)間產(chǎn)出比增加，同時(shí)又減少了燃料消耗，從而顯著降低了生產(chǎn)成本。

此外，窯排除廢氣溫度下降了約170℃，廢氣帶走的熱量減少，熱效率提高，廢氣含塵濃度由改造前50 mg/m3降至20 mg/m3，減輕了對(duì)環(huán)境的污染，減小了系統(tǒng)阻力，大大減少設(shè)備維修量，節(jié)省生產(chǎn)操作空間。窯尾由正壓系統(tǒng)改為全負(fù)壓系統(tǒng)，使得整個(gè)窯系統(tǒng)為負(fù)壓操作，減輕了窯尾除塵系統(tǒng)的負(fù)荷，系統(tǒng)操作更加靈活順暢，改善了周邊操作環(huán)境，大大降低無效含塵廢氣的排放量，預(yù)熱系統(tǒng)節(jié)能約8%。

2.2 窯本體系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯窯頭、窯尾通常是直筒型，沒有很好的密封。窯尾漏料會(huì)影響窯尾密封裝置的使用壽命[2]，出現(xiàn)漏風(fēng)、漏料現(xiàn)象。為了改善窯體的密封性，將窯尾部由直筒形改為錐體形，同時(shí)加上金屬密封結(jié)構(gòu)，使得窯內(nèi)物料量增加，減少漏風(fēng)量和漏風(fēng)散熱，提高換熱效率，從而提產(chǎn)降耗。

為便于窯尾轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽前后自由移動(dòng)，減少窯內(nèi)檢修時(shí)間，窯尾轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽與之配套設(shè)計(jì)。小車上裝有冷卻風(fēng)機(jī)，管線、閥門與小車一體設(shè)計(jì)，便于冷卻窯尾部高溫段，避免窯殼溫度過高。窯檢修時(shí)就不需拆卸管線設(shè)施，檢修操作方便靈活。

由于窯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大齒圈、輪帶運(yùn)行年限較長，磨損嚴(yán)重，造成窯運(yùn)行不穩(wěn)，所以更換大齒圈組件，使其運(yùn)行平穩(wěn)可靠，減小窯運(yùn)行波動(dòng)，保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)不受損壞。

為減少窯內(nèi)負(fù)荷，改善耐材隔熱密封性及使用壽命，在窯預(yù)熱段，窯內(nèi)襯耐材更換成帶有隔熱材料預(yù)制塊，且預(yù)制塊可更換維修，在窯的運(yùn)行過程中不易脫落，砌筑方便，保溫效果好，減輕了冷卻帶耐材重量。

為延長窯燒成帶耐材使用壽命，降低窯殼溫度，在窯燒成帶到窯頭采用復(fù)合磚和隔熱材料的結(jié)構(gòu)，在保證窯殼溫度和耐材抗高溫性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善砌筑的整體性和密封性，同時(shí)也進(jìn)一步減輕了該段的耐材荷載。

為改善窯尾、窯頭隔熱密封性和整體性，在預(yù)熱器、冷卻器、窯頭罩等部位主要采用耐磨澆注料形式，施工、維修方便，密封性好，隔熱性能強(qiáng)，輕巧耐用。通過上述改造，整個(gè)系統(tǒng)耐材負(fù)荷減輕了約10%，簡化了砌筑結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了保溫和密封性能，窯尾窯殼溫度從最高約550℃降到350℃左右，減少了散熱量，同時(shí)避免了耐材脫落，延長了耐材的使用壽命。

深入研究窯各個(gè)部位的耐材后，窯襯采用了新耐材砌筑結(jié)構(gòu)，提高窯的內(nèi)襯整體密封性，延長使用壽命，避免了隔熱磚長期使用后滑動(dòng)粉化問題，減少維修更換量，顯著降低窯殼溫度，不再產(chǎn)生窯皮紅斑現(xiàn)象，從而減少熱損失，降低生產(chǎn)成本。

2.3 窯冷卻系統(tǒng)

為了提高冷卻系統(tǒng)的密封性及換熱效率，拆除原有水平推動(dòng)式冷卻機(jī)系統(tǒng)和成品輸送系統(tǒng)，更換成豎式冷卻機(jī)系統(tǒng)，更換窯頭冷卻風(fēng)系統(tǒng)和成品冷卻除塵系統(tǒng)，由原來的電除塵改為布袋除塵。拆除板鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，更換為耐熱帶式輸送機(jī)，系統(tǒng)減輕了負(fù)荷。冷卻器下部分布有分區(qū)的冷卻風(fēng)帽裝置，增加了冷卻面積，改善了內(nèi)部通風(fēng)和冷卻效果，提高了換熱效率，減小了窯頭漏風(fēng)系數(shù)，使窯頭壓力在微負(fù)壓下操作，基本解決冒灰現(xiàn)象，成品溫度控制在80℃以下，大大減少了系統(tǒng)熱量損失，成品系統(tǒng)節(jié)能約2%。

回轉(zhuǎn)窯散熱是能源消耗的一個(gè)主要因素，通過改造窯內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和窯頭窯尾密封結(jié)構(gòu)形式，減少了漏風(fēng)量，降低了窯殼溫度，提高了產(chǎn)能，改善了生產(chǎn)操作環(huán)境，減少了熱損失，從而節(jié)約能源，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.4 “三電”等的改造

“三電”指的是電氣、儀表和通訊。為了使窯內(nèi)加料、出料更準(zhǔn)確，減少燃料消耗，提高系統(tǒng)熱效率,改善系統(tǒng)熱工控制參數(shù)，窯的電氣、控制、儀表及通訊等設(shè)施隨著主工藝系統(tǒng)的改造同時(shí)更新。在上料系統(tǒng)和成品系統(tǒng)增加了皮帶秤，精確控制煅燒量。增加了窯頭、尾、傳動(dòng)等重要部位的監(jiān)測，增加了窯尾廢氣的氧含量分析系統(tǒng)和料倉料位檢測等。在冷卻器上設(shè)有高溫料位計(jì)，控制料位高度，使成品處于最佳冷卻狀態(tài)。使窯燃燒系統(tǒng)在合理的空燃比范圍內(nèi)，調(diào)整火焰長度，有利系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，減少了廢氣帶走的有效熱，提高了系統(tǒng)的熱效率和運(yùn)行效率，使系統(tǒng)操作更直觀更便捷，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)靈活而穩(wěn)定的集中生產(chǎn)操作，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)省人力，相應(yīng)降低了生產(chǎn)成本。

2.5 輔助設(shè)施的改造

為了改善生產(chǎn)環(huán)境，減少二次污染物，節(jié)水節(jié)電等，取消了原料系統(tǒng)的水洗設(shè)施，直接采用窯前篩分系統(tǒng)，大大節(jié)約了占地及電、水等動(dòng)力消耗，同時(shí)不水洗的原料利用率進(jìn)一步提高，節(jié)約了資源。水分低的原料入窯也便于預(yù)熱、煅燒，消耗熱量相對(duì)較低，減少了窯廢氣的水分，避免除塵布袋結(jié)露等問題。篩下料直接送燒結(jié)等用戶再利用，不再產(chǎn)生泥餅等污染物，減少環(huán)境污染。

為減少粉塵等廢氣排放，窯尾氣除塵設(shè)有事故除塵系統(tǒng)，使窯尾在檢修或事故時(shí)，均可使廢氣得到除塵凈化，有組織排放，滿足環(huán)保要求。

為保護(hù)窯及其傳動(dòng)系統(tǒng)壽命，設(shè)計(jì)事故水箱，使其在停電等事故時(shí)，窯可以維持運(yùn)轉(zhuǎn)及冷卻，使窯不會(huì)變形，傳動(dòng)系統(tǒng)得到冷卻保護(hù)，延長了系統(tǒng)的使用壽命。

3 改造后的回轉(zhuǎn)窯情況

3.1 改造后的石灰窯生產(chǎn)工藝

改造后的回轉(zhuǎn)窯工藝流程示意圖見圖3。篩分后合格粒度的物料通過帶式輸送機(jī)送入豎式預(yù)熱器頂部料倉內(nèi)，再分區(qū)落入預(yù)熱器的分割區(qū)進(jìn)行熱交換，再通過預(yù)熱器推桿將物料經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽推入窯內(nèi)煅燒，煅燒合格的物料通過豎式預(yù)熱器進(jìn)行充分冷卻，再卸到耐熱皮帶上，送往成品庫或下游用戶。

混合煤氣和一次助燃風(fēng)通過燒嘴燃燒，二次風(fēng)在冷卻成品物料后，被加熱到約600℃，帶入窯內(nèi)參與燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣在窯內(nèi)流向窯尾的同時(shí)，與逆流翻滾移動(dòng)的物料進(jìn)行熱交換，再進(jìn)入豎式預(yù)熱器與物料進(jìn)一步換熱，被除塵系統(tǒng)抽出并凈化，最終排入大氣。

圖3 改造后的回轉(zhuǎn)窯工藝流程示意圖Fig.3 Diagram for Process Flow of Lime Rotary Kiln after Improvement

3.2 熱工參數(shù)及產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比

改造前后回轉(zhuǎn)窯的熱工參數(shù)及產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比見表1所示。由表1看出，改造后的回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能從600 t/d提高到750 t/d，提高了25%，每年增加產(chǎn)能約5萬t。出窯廢氣溫度降到180℃，成品出料溫度降至82℃，產(chǎn)品活性度提高至380 mL，殘余CO2低至2.0%。經(jīng)計(jì)算，改造后的回轉(zhuǎn)窯實(shí)現(xiàn)年節(jié)能降耗10%以上，每年節(jié)能約2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,自改造以來運(yùn)行效果良好，每年節(jié)省生產(chǎn)成本約千萬元以上。

表1 改造前后回轉(zhuǎn)窯的熱工參數(shù)及產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of Thermal Parameters and Indexes of Products on Rotary Kiln before and after Improvement

4 改造經(jīng)驗(yàn)

回轉(zhuǎn)窯改造后，石灰石/白云石不再水洗，所以可以結(jié)合煉鋼、燒結(jié)用戶的需求，適當(dāng)提高礦石粒度，尤其是更易碎的白云石粒度，可減少運(yùn)輸過程中礦石的破碎量，減少廢品率，進(jìn)一步提高礦源利用率，從而提高產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本。

一般普通窯漏風(fēng)系數(shù)在15%左右，窯產(chǎn)能提高后，在不影響煅燒產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，增加窯密封性，可適當(dāng)控制空燃比，可將一次風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為變頻調(diào)速型式，使窯熱工制度更加合理穩(wěn)定、精準(zhǔn)操作，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

為避免回轉(zhuǎn)窯窯皮脫落堵塞冷卻器，在窯冷卻器上設(shè)置了隔柵，旁邊設(shè)有大塊料導(dǎo)出口。但此處溫度很高，散熱大，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致閘板變形等問題，因此增加了保溫結(jié)構(gòu)，且不影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作，隔熱效果良好，改善了操作環(huán)境。為避免回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐材抽簽脫落，建議改變耐材磚型，在控制單個(gè)重量的基礎(chǔ)上，增加砌筑環(huán)的磚與磚的接觸面積，使其整體性更好，強(qiáng)度更高，減少檢修次數(shù)，節(jié)約材料成本。

一般回轉(zhuǎn)窯豎式預(yù)熱器內(nèi)沒有隔墻分區(qū)，本次改造增加了隔墻，能使窯廢氣更充分地與礦石接觸，增加推桿推料量，不僅產(chǎn)能得到提高，還能更好地進(jìn)行熱量交換，預(yù)熱更加均勻，降低預(yù)熱器頂部溫度和廢氣溫度，起到進(jìn)一步節(jié)能的效果。

5 結(jié)語

寶鋼對(duì)其立波爾式回轉(zhuǎn)窯的預(yù)熱系統(tǒng)、本體系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的工藝、設(shè)備、熱效率、結(jié)構(gòu)隔熱密封性及附屬設(shè)施進(jìn)行了改造。改造后回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行效果良好，產(chǎn)能從600 t/d提高到750 t/d，每年增加產(chǎn)能5萬t。出窯廢氣溫度降到180℃，成品出料溫度降至82℃，產(chǎn)品活性度提高至380 mL，殘余CO2低至2.0%。工藝流程簡化后，由于設(shè)備控制環(huán)節(jié)減少，能源消耗和維修成本得到降低，每年節(jié)能約2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，實(shí)現(xiàn)年節(jié)能降耗10%以上，每年節(jié)省生產(chǎn)成本約千萬元以上。