新型回转窑石灰烧成系统

新型回转窑石灰烧成系统

（带竖式预热器和冷却机的节能型回转窑石灰烧成系统）

1.技术背景

迄今为止，工业化生产块状石灰的方法有竖窑烧成和回转窑烧成两种方式。竖窑又分为普通竖窑和新型竖窑，普通竖窑已被环保政策淘汰下架，新型竖窑包括梁式窑、双膛窑和套筒窑，而梁式窑又因为技术不成熟，很少被人选用，现存的竖窑主要是双膛窑和套筒窑。回转窑烧成石灰技术分为中空窑、立波尔窑、带竖式预热器和竖式冷却机的石灰回转窑，中空窑和立波尔窑由于技术落后已被淘汰，占主导地位的是带竖式预热器和竖式冷却机的回转窑石灰烧成技术。

除了环保和产业政策因素外，通常竖窑的热耗相对较低，其大的问题是产品质量要比回转窑低一个等级，这意味着同样用石灰石烧制石灰，竖窑可能只能烧出灰，而回转窑则能烧成灰，按照冶金协会“淘汰灰”的产业规划，竖窑很可能就不能胜任作为冶金行业的供给侧；此外，受先天因素影响，竖窑的单窑产能相对较低，一般单窑日产只有600吨，受单窑产能制约，反映在终产品成本上，其热耗相对较低的优势很可能被其他因素对冲。

回转窑法烧制石灰是公认的合理的工艺，即使回转窑设备供货商也不否认这一点，它的优势是产品质量好，同等原料条件下，其石灰比竖窑高一个质量级；单线产能大，一条回转窑石灰生产线的产能相当于两条竖窑；通常认为回转窑石灰生产线占地多、投资大，其实这是一种误会，按单位产品测算，占地与竖窑相当，投资比竖窑低得多，据测算，带竖式预热器和竖式冷却机的回转窑石灰烧成系统的单位产品投资一般在180—190元，而双膛窑为350—400元，套筒窑为300元左右；一般认为回转窑的热耗相对较高，但是有产能大、质量好、投资低的优势，终反映在产品成本上是低的，从优化升级回转窑技术出发，如何大幅度降低热耗充分发挥该技术的性，仍有十分重要的意义。

2.新型回转窑石灰烧成系统

新型回转窑石灰烧成系统是带窑尾竖式预热器和竖式石灰冷却机的回转窑石灰烧成系统的升级版。

2.1工艺原理

动力学研究表明，对于既定粒径的同种矿物结构的石灰石，用于烧制石灰，存在着与其相对应的加热升温动力学曲线；其 CaCO₃分解反应呈如下特点：

（1）分解反应的吸热量随温度提高降低；

（2）反应速度是CaCO₃微粒在高温下瞬时分解的表面反应；

（3）石灰的性质与其微观结构有关，如微观表面积，孔隙率和孔径分布等。而石灰颗粒的空隙率则取决于加热条件。

热能工程研究表明，对于既定的石灰烧成系统，存在着与其相对应的升温、施热热力学曲线。优良的石灰烧成系统技术，应当力求石灰烧成系统的升温施热曲线与动力学曲线相重合，或者尽可能相靠近。

新型回转窑石灰烧成系统技术，是利用反求工程方法，对带窑尾预热器和石灰冷却机的回转窑石灰烧成系统研究后，推出的全新的石灰烧成系统技术与装备。其工艺原理的基本设计原则是力求上述动力学曲线与热力学曲线相吻合。

2.2系统设计

（1）采用分级烧成法稳定系统需热基础。按照石灰烧成动力学理论，不同粒径的石灰石烧制石灰，需要的烧成条件不同，分级的目的，是控制同一时间段进入生产线的原料石灰石粒径范围，使石灰石具有稳定的热工制度需求。

（2）优化施热过程设计，使其与烧成动力学曲线相吻合。具体是将该旧系统的石灰烧成三带（预热、烧成和冷却）升级为预热带、深化预热带、烧成带、准绝热脱碳带和冷却带五部分（如图1）。

预热带 以回收出窑高温废气带走的热量为热源，对石灰石进行预热，强化热传递效率，新系统设计与旧系统不同的是注重预热的充分程度，不片面追求石灰石的预分解率。

深化预热带 设置在回转窑的后半部，任务是将来自预热器的物料继续预热，使颗粒内外都接近临界分解状态；考虑石灰的导热能力远小于石灰石，为防止在颗粒表面过早形成包裹层影响传热，这阶段的加热强度是以促进热量由颗粒外部向其内核的传递为限，又应尽量减少石灰包裹层形成。

烧成带 位于回转窑前部，此时的热力强度应力求促进颗粒内外分解反应的进程，加快石灰烧成。考虑分解反应速度是CaCO₃微粒在高温下的瞬时分解反应，和防止包裹层形成，此时沿物料运动方向的空间温度不应是梯度升温的方式，反应在火焰形状上，应是长火焰，以便使带内全部物料同时集中加热并烧成。

准绝热脱碳带 位于回转窑的前段和冷却机进料端，其作用是使高温烧成的石灰，在相对稳定的环境中，深化颗粒内部的脱碳过程，完善新生石灰颗粒表面的结晶。

冷却带  位于冷却机下部，其作用是冷却高温石灰，回收高温石灰带走的热量。即冷却风在冷却高温石灰的同时自身被加热，然后入窑参与燃烧，减小热能消耗。

图1  新型回转窑石灰烧成系统工艺原理示意图

（3）气流组织合理，减少了系统处理风量。已有带窑尾预热器和石灰冷却机的回转窑石灰烧成系统存在着“Y”字形气流轨迹。

一路是烧成系统主风。它由起始于回转窑出料端的高温烟气。该烟气流动中，在回转筒体中，吸入石灰分解的CO₂及物料高温下生成的其它废气；在窑尾吸入窑尾装置与筒体尾部结合部的冷风；在预热器吸入推料装置（包括各种阀门）漏入的冷风；在预热器出口吸入了观察门等机构的漏风，然后去汇风管。

另一路是料路漏风。随原料石灰石加入预热室带进，分别在加料仓进料口、预热室进料管阀门漏入，随物料入预热室上部净空，然后进入汇风管并在汇风管与主风汇合，然后依次通过机冷机（或离心除尘器）、袋式除尘器，后去高温风机，同时吸入了除尘器的漏风。

新系统加大了系统漏风的处理，开发了随动摩擦密封装置、在料路系统研发了锁风装置，去掉了机冷机（或离心除尘器），移植了水泥行业成熟的双风机布置系统，从而使系统处理风量降低了20%以上，系统阻力降低2500Pa以上。

2.3系统结构

系统结构由分级与加料、预热、回转窑、冷却和废气处理五部分组成（见图2和图3）。

分级与加料部分：原料石灰石分级是实现系统性的重要环节。是按石灰石的粒度大小分成若干组，每一组为，然后将同级物料送至烧成系统，以便针对不同粒径的石灰石，提供相应稳定的热工制度。

加料是将原料石灰石送入设在预热器顶部的加料仓。由胶带输送机＋提升机＋计量输送机组成，计量输送机设在加料顶部的操作平台上，与提升机相连接。

预热部分：由加料仓、预热器和窑尾装置组成。加料仓将物料平均分配到预热器的各个预热室，同时隔断大气与预热室的联系；预热器是回转窑尾部排出的高温废气与原料石灰气固两相热交换的换热装置，原料石灰石的预热主体装置，经预热的原料石灰石由预热器底部卸出，进入窑尾装置。所配预热器为同步开发的新一代预热器，其气固两相换热几率提高50%，回收热量充分，热，排出废气温度低（≤180℃）。

窑尾装置的功能，一是连接预热器和回转窑，使物料顺利通过；二是作为回转窑的喂料装置；三是捕捉回转窑排出废气携带的粉尘，以防进入预热器内后，给气固两相换热造成负面影响。

回转窑部分：回转窑在系统中的功能，一是对先期预热的石灰石进行深化预热，使其接近或达到临界分解温度；二是石灰烧成，三是其出料端作为烧成带与准绝热脱碳带的连接段，兼有石灰深度脱碳功效。

感性认为，物料在回转窑内的运动轨迹是随回转窑转动的抛落运动，事实并非如此，回转筒体内物料抛落运动的前提是筒体转速接近或达到临界转速(N₀)；而石灰回转窑的转速很低（＜2RPM，远小于石灰的临界转速(N₀)，不会出现抛落运动。观察认为，传统石灰回转窑内物料的运动轨迹只有“贴附”筒体壁随之向上、向下滑动的往复运动，和颗粒自身的滚动三种。回转窑内传热方式以辐射为主的，运动轨迹为往复滑动时，内部物料很难直接接收到辐射热，这不利于石灰烧成（图2）。

新型回转窑石灰烧成系统在回转窑内的适当部位设置了活化装置，物料在自身翻滚的同时，内层物料与表面物料反复交换位置，从而增强了传热效果，强化了石灰烧成效果（图2）。

冷却部分：冷却部分由准绝热脱碳装置＋L型竖式冷却机＋冷却风机＋卸料装置组成。

准绝热脱碳装置位于回转窑与冷却机之间，在足够的热交换时间内，依靠出窑石灰自身携带的热量完成由颗粒表面向内核的热传递。

石灰属于导热系数很低的物质，这决定了短时间很难将高温石灰冷却。实践证明，即使表面温度降低了，很快又会升上去，因为虽然表面被冷却风冷却了，如果冷却时间不足，石灰颗粒内部不能被冷却，还会发生返热现象。

新型回转窑石灰烧成系统的冷却部分针对石灰的特性开发的冷却装置，经冷却后的石灰温度能够在避免严重返热现象的同时，降低到环境温度+60℃以下；冷却高温石灰的冷却风将全部作为三次风引入窑内参与燃料燃烧，冷却过程无余风排放，实现了对出窑高温石灰带出热量大限度的回收，降低了燃料消耗。

废气处理部分：传统的废气处理系统组成为单风机系统，即：预热器管道＋机冷机＋除尘器＋高温风机；机冷机的设置是采用机械冷却的方式，降低出预热器废气的温度，以便保护除尘器不被高温废气烧坏；高温风机即是整个烧成系统的流体动力源，又是废气处理系统的流体动力源；这种结构的缺陷一是增大了高温风机的处理风量，也增加了高温风机的选型风压。这是因为除尘器属于漏风量很大设备，国家标准允许其设计漏风系数达15%，增加的漏风和风阻力都要叠加在高温风机的选型指标上；二是除尘器的运行波动直接干扰了烧成系统的热工制度，进而对石灰的烧成带来负面影响。

近年来，有的设计用离心除尘器取代机冷机，看起来是为了提高除尘效率，其实际意义并没有摆脱降低气流温度的内涵，因为离心除尘器属于除尘效率较低的设备，用它与袋式除尘器串联用于净化废气，不仅是流体阻力成倍翻翻，而且其实际除尘效果尚不如直接选择可达到排放标准的除尘设备。

新型回转窑石灰烧成系统由预热器管道＋高温风机＋除尘器＋尾排风机组成，其优点：一是由于预热器的热，废气温度低，无需降温，也不会对除尘器造成威胁；二是高温风机仅作为烧成部位的气流动力源，排除了除尘系统的干扰，有利于稳定烧成环节的热工制度，了系统的核心工序运行正常；三是降低了系统处理风量，同时降低了高温风机的选型风压，从而降低了系统运行费用，虽然增加了一台普通风机，但设备投资和运行费用都有降低。