石灰回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化燃燒的分析與對(duì)策

歐陽(yáng)宇 關(guān)宏志 于 浩 張志強(qiáng) 甄新剛

(日鋼營(yíng)口中板有限公司遼寧省中厚板專(zhuān)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心)

某公司共有兩座石灰回轉(zhuǎn)窯，每座窯年產(chǎn)活性白石灰20萬(wàn)t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為600 t/d，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為Ф 4 m×60 m，采用轉(zhuǎn)爐煤氣摻混煤粉的混合燃燒方式。根據(jù)國(guó)家“十四五”節(jié)能減排要求，結(jié)合轉(zhuǎn)爐煤氣富余的現(xiàn)狀，該公司對(duì)回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化改造，降低了燃料成本，提高了能源利用率、生產(chǎn)效率和石灰質(zhì)量，取得了環(huán)保達(dá)標(biāo)等效果。

1 石灰回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)及生產(chǎn)流程

石灰回轉(zhuǎn)窯工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 石灰回轉(zhuǎn)窯(單窯)工況參數(shù)

回轉(zhuǎn)窯活性石灰生產(chǎn)工藝如圖1所示。石灰石從原料場(chǎng)由裝料車(chē)運(yùn)送至原料受料槽，之后由原料提升機(jī)斗提運(yùn)至原料振動(dòng)篩，原料提升機(jī)+皮帶輸送機(jī)將15～40 mm合格的石灰石運(yùn)至預(yù)熱器料倉(cāng)。在預(yù)熱器內(nèi)，石灰石與1 200 ℃的煙氣進(jìn)行熱交換，溫度升高至800 ℃部分分解。預(yù)熱后的石灰石進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒，同時(shí)煙氣溫度降至320 ℃，經(jīng)過(guò)余熱鍋爐再利用后除塵，引至煙囪排放。

圖1 回轉(zhuǎn)窯活性石灰生產(chǎn)工藝

800 ℃的石灰石進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，依次通過(guò)窯內(nèi)預(yù)熱帶、煅燒帶，最后進(jìn)入豎式冷卻器進(jìn)行冷卻。物料在窯內(nèi)同時(shí)進(jìn)行徑向、軸向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射完成煅燒。燃燒方式采用轉(zhuǎn)爐煤氣和煤粉混合燃燒，煅燒后的900 ℃的成品石灰進(jìn)入冷卻器，冷卻后的60 ℃的石灰經(jīng)過(guò)振動(dòng)給料機(jī)輸送至皮帶，之后經(jīng)斗提運(yùn)送到料倉(cāng)振動(dòng)篩，篩分后將石灰運(yùn)至各成品倉(cāng)。同時(shí)從冷卻器底部吹入的冷卻風(fēng)與煅燒后的成品石灰進(jìn)行換熱后進(jìn)入窯內(nèi)作為二次助燃風(fēng)使用。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 燃料配比不合理

目前該公司轉(zhuǎn)爐煤氣回收不充分，日均放散量20 000 m3。石灰回轉(zhuǎn)窯燃燒器前端的轉(zhuǎn)爐煤氣管徑為500 mm，單窯轉(zhuǎn)爐煤氣最大使用量?jī)H為13 000 m3/h。另外，回轉(zhuǎn)窯燃燒方式為轉(zhuǎn)爐煤氣摻混煤粉燃燒，受轉(zhuǎn)爐煤氣使用上限制約，單窯煤粉消耗量維持在2.2 t/h左右，為保證滿(mǎn)足煅燒溫度，煤粉消耗量無(wú)下調(diào)空間，在煤炭?jī)r(jià)格日益上漲的情況下，燃料成本增加。

2.2 窯內(nèi)結(jié)圈和耐材脫落

窯內(nèi)結(jié)圈和耐材脫落最嚴(yán)重的部位在窯內(nèi)煅燒帶距窯頭約15 m處，為燃燒器的火焰前端，是窯內(nèi)最高溫度區(qū)域。行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)總結(jié)分析了結(jié)圈的主要原因[1]：回轉(zhuǎn)窯采用煤粉作為燃料，煤粉灰分中的SiO2、Al2O3、MgO和轉(zhuǎn)爐煤氣中的Fe2O3與石灰石分解的CaO與反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，粘附于耐火材料內(nèi)襯上，低熔點(diǎn)化合物與石灰發(fā)生反應(yīng)形成硅酸鈣，并粘附于方鈣石上，使窯內(nèi)結(jié)圈越來(lái)越厚。由于熱工參數(shù)或火焰形狀調(diào)節(jié)不當(dāng)，溫度超過(guò)1 500 ℃時(shí)促進(jìn)低熔點(diǎn)化合物的形成，加劇了結(jié)圈的形成。

結(jié)圈問(wèn)題需要在停爐降溫后處理，依靠操作者使用風(fēng)鎬以機(jī)械振動(dòng)方式清理，但這種頻繁處理方式會(huì)造成耐材損壞、松動(dòng)、脫落，縮短耐火內(nèi)襯的使用壽命。

2.3 煙氣中NOx含量超標(biāo)

對(duì)窯尾排放的煙氣進(jìn)行檢測(cè)，NOx含量波動(dòng)最大值為207 mg/m3，已超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，控制NOx排放刻不容緩。由于該公司回轉(zhuǎn)窯煅燒帶無(wú)溫度檢測(cè)裝置，而是參考窯尾轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽安裝的熱電偶進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)煅燒帶溫度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，時(shí)常會(huì)發(fā)生超溫情況。對(duì)窯尾產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)窯尾溫度1 050～1 100 ℃時(shí)，窯尾煙氣中NOx含量約210 mg/m3；當(dāng)窯尾溫度950～1 050 ℃時(shí)，窯尾煙氣中NOx含量約195 mg/m3，說(shuō)明NOx生成量與燃燒溫度呈正向相關(guān)。

2.4 煅燒石灰質(zhì)量差

由于轉(zhuǎn)爐煤氣、煤粉與助燃空氣混合不均勻，現(xiàn)有窯頭燃燒器性能差，其火焰較長(zhǎng)且不集中，導(dǎo)致煅燒帶后移、石灰石預(yù)熱時(shí)間不足及煅燒時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足活性石灰生產(chǎn)工藝要求，影響石灰煅燒質(zhì)量。煅燒后的石灰質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)要求詳見(jiàn)表2，其中CaO、活性度和灼減量?jī)H達(dá)到的三級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)[2]，影響了煉鋼的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

表2 石灰指標(biāo)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)要求

3 改進(jìn)措施

3.1 燃燒器改造

將煤粉、轉(zhuǎn)爐煤氣混合燃燒器改造為煤粉、天然氣、轉(zhuǎn)爐煤氣五通道混合燃燒器，從內(nèi)到外依次為中心風(fēng)通道、天然氣(煤粉)通道、轉(zhuǎn)爐煤氣通道、旋流風(fēng)通道和軸流風(fēng)通道，并在原燃燒器基礎(chǔ)上增大煤氣通道截面積、減小天然氣(煤粉)通道截面積。燃燒器改造后，天然氣與煤粉共用一個(gè)通道，利用天然氣(煤粉)通道前端的轉(zhuǎn)換接頭實(shí)現(xiàn)煤粉和天然氣之間的切換。

改造后可實(shí)現(xiàn)三種燃燒模式：即純轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒、天然氣摻混轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒、煤粉摻混轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒。燃燒器配置獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)和流量計(jì)，根據(jù)窯內(nèi)溫度調(diào)節(jié)各介質(zhì)流量的大小，通過(guò)調(diào)整各風(fēng)道閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)整火焰的長(zhǎng)度、直徑。燃燒器改造后燃燒方式多樣化，可根據(jù)煤炭、天然氣價(jià)格及公司轉(zhuǎn)爐煤氣量，選擇經(jīng)濟(jì)、合理的燃燒方式。

3.2 管路及燃料優(yōu)化

煤氣主管道由DN800 mm增至DN1 200 mm，煤氣前支管由DN500 mm增至DN800 mm，改造后燃燒器前煤氣支管供氣能力可達(dá)到28 000 m3/h。由于轉(zhuǎn)爐煤氣供氣能力的提高，煤粉摻混轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒方式可將煤粉配比量降至1.6 t/h，極大節(jié)省了燃料成本。此外，回收轉(zhuǎn)爐煤氣時(shí)，須經(jīng)常調(diào)整回收轉(zhuǎn)爐煤氣時(shí)的CO濃度，使得轉(zhuǎn)爐煤氣熱值頻繁波動(dòng)。考慮煤氣熱值低時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)純轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒，鋪設(shè)一根DN200天然氣管道經(jīng)減壓后引至燃燒器，與燃燒器天然氣(煤粉)通道相連，通過(guò)補(bǔ)充少量天然氣以保證火焰燃燒穩(wěn)定性及改善煅燒工況。

3.3 煤氣預(yù)熱

在回轉(zhuǎn)窯煤氣管道下方新建一座煙氣發(fā)生爐和一座熱管式煤氣換熱器。煙氣發(fā)生爐產(chǎn)生的350～400 ℃的煙氣和DN1 100煤氣支管道的轉(zhuǎn)爐煤氣，利用熱管式煤氣換熱器，實(shí)現(xiàn)煙氣間接加熱冷煤氣。換熱后的150～200 ℃煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)返回?zé)煔獍l(fā)生爐以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的循環(huán)利用。預(yù)熱后的120 ℃以上煤氣經(jīng)過(guò)煤氣管道輸送至燃燒器，為防止煤氣輸送時(shí)產(chǎn)生熱量損失，溫度降低，在該段煤氣管道采取保溫隔熱措施。

3.4 自動(dòng)化程度提升

對(duì)一次風(fēng)、二次風(fēng)管道增設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，在窯頭罩位置安裝一臺(tái)比色高溫計(jì)用于監(jiān)測(cè)煅燒帶溫度，同時(shí)在窯頭下料槽位置安裝一套紅外測(cè)溫儀對(duì)下料溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上述信號(hào)均接入PLC系統(tǒng)，通過(guò)高溫計(jì)檢測(cè)的窯內(nèi)溫度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)各燃料流量和送風(fēng)量的配比，以實(shí)現(xiàn)窯溫的精確控制。

3.5 改造效果

通過(guò)優(yōu)化管路、燃料種類(lèi)，改變?nèi)紵Ｊ?，轉(zhuǎn)爐煤氣使用量提高了8 000～10 000 m3/h，煤粉使用量降低了0.6 t/h；對(duì)燃燒器改造和增設(shè)煤氣預(yù)熱措施，提高了燃燒器火焰的穩(wěn)定性，火焰外擴(kuò)掃窯皮很少發(fā)生，延長(zhǎng)窯襯的使用壽命，石灰石質(zhì)量達(dá)到了二級(jí)品水平，燃料成本降低了40元/t；引入自動(dòng)燒爐工藝和測(cè)溫裝置，實(shí)現(xiàn)了各燃料介質(zhì)的流量和一次風(fēng)、二次風(fēng)的精確配比，使燃料充分燃燒，提高了窯內(nèi)溫度控制精度，緩解了結(jié)圈的問(wèn)題，產(chǎn)能提高了150 t/d；實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的清潔燃燒，煙氣中NOx降低了190 mg/m3。改造前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 改造前后參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決污染物排放、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)成本和石灰質(zhì)量問(wèn)題，該公司進(jìn)行了管路和燃燒器改造、增設(shè)測(cè)溫、自動(dòng)調(diào)節(jié)流量和預(yù)熱設(shè)備等改造，有效解決了回轉(zhuǎn)窯高燃耗、頻繁結(jié)圈和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)污染物排放實(shí)施了有效控制，達(dá)到了國(guó)家和地方的排放標(biāo)準(zhǔn)。