節能環保TGS石灰窯使用高爆裂性原料的生產實踐

劉樹鋼， 李玉茹， 李 斌， 趙立順， 李 雷， 門長占， 周 宏， 張德國

（1.唐山今實達科貿有限公司， 河北 唐山 063020；2.唐山助綱爐料有限公司， 河北 唐山 063600；3.唐山精研實業有限責任公司， 河北 唐山 063600；4.北京首鋼國際工程技術有限公司， 北京 100043）

老一代石灰窯技術產量低，煤氣耗量大，難以大型化，TGS氣燒活性石灰窯技術，突破了低熱值煤氣石灰窯的環保、節能和大型化的難題，單爐日產量超過了600 t。

1 TGS氣燒活性石灰窯爐型及工藝特點

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

TGS石灰窯采用了大型中心風冷復合式燒嘴、煤氣助燃風雙預熱、日本國井式側向燒嘴、特種耐火材料、啞鈴形六段爐型、分級入爐、旋轉螺旋配合多管的布料系統設備，采用液壓往復出料機、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設備等多項已成熟的實用新技術，采用計算機自動化調節燃燒模式和計算機自動提示排料模式的專家軟件，提高了TGS石灰窯的機械化程度，提高了石灰的質量，使TGS石灰窯達到低耗高效的生產狀態。TGS石灰窯結構簡單可靠，投資低、能耗低、維修和運行費用低、電耗低，能量利用率高，因而生產成本低，經濟效益高[1]。

2 TGS500石灰窯使用高爆裂性原料的問題及攻關

2.1 寬粒度原料生產階段

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，所用原料篩設計篩孔40 mm，投產第四天后產量即達320～360 t/d，生過燒低于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備還沒有建成，使用臨時安裝的一臺破碎機和溜篩處理礦石），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，石灰石供應非常緊張，雜石很多，投產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，石灰窯生產進入了罕見的困難狀態之中。

原料粒度在0~50 mm范圍，且粒度波動很大，其中0~15 mm比例在8%至14%范圍內波動，陰雨天高達15%~21%；15~40 mm比例在29%至43%范圍內波動，陰雨天高達33%~46%；80~150 mm比例在10%至18%范圍內波動；合格的40~80 mm石灰石原料比例在25%~51%范圍內波動，陰雨天進一步降至16%~40%。

而出爐的石灰產品中，0~40 mm的比例高達56%至65%，陰雨天更高達63%至86%；大于80 mm的比例在0~2%范圍內波動；40~80 mm的石灰比例低至23%~44%，陰雨天更是降至13%~35%。詳細觀察發現，爐頂料面附近有明顯的、密集的、沉悶的爆裂聲音，證明爐內石灰石發生了嚴重的爆裂問題。

40～80 mm的石灰石塊在馬弗爐內的爆裂實驗證明，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%（一次實驗用5個樣品，其中有4個樣品，在馬弗爐內450～500℃已經爆裂至3半至5半，唯一一個未爆裂的樣品也有4道大裂縫，小裂縫6道，一次500 mm高自由落體即摔成4半，這證明即使是沒有完全爆裂開的石灰石，當燒成石灰后，也會在下料過程中被擠壓、磨損而開裂）。

初期，所有風機全部控制在28～32 kPa，絕大部分時間都超過了風機銘牌額定壓力29.4 kPa，經常接近風機電機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，產量卻降至310～330 t/d，生過燒卻升至25%至45%，且生過燒并存，稍一降生燒，過燒就急速升高，甚至出現結塊，另外盡管每噸石灰的總冷卻風量一直維持在560～730 m3/t灰，排料溫度也升至180～240℃，嚴重威脅成品處理系統的設備安全，兩次燙壞燒結石灰粉運輸罐車的輸灰膠管，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，其他操作參數嚴重偏離正常范圍，石灰質量嚴重波動，這種被動局面一直持續了近兩個月[2]。

2.2 原料粒度由0～150 mm壓縮至30～120 mm范圍生產階段

石灰石礦山的破碎篩分設備建成后，由于政府控制炸藥和多雨天氣，石灰石供應仍然比較緊張，雜石也較多，且礦石本身較易破碎，仍無法實現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，同時加強現場操作，初步改善了爐內氣流和溫度分布的均勻性[3]。

產量隨之升至410～460 t/d，生過燒仍然經常并存，只是壓低一些生燒時，過燒升高速度沒有初期那么明顯了，基本上消除了結塊現象，石灰質量波動也有所減少，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℃，料溫對成品處理系統設備安全的威脅得以緩解，沒再出現燙壞燒結石灰粉運輸罐車的輸灰膠管的問題，爐頂溫度在210～300℃，每公斤石灰石熱耗450×4.187~490×4.187 kJ/kg，其它操作參數也有所改善，而風機和煤氣壓力仍然維持在上述接近極限的狀態，本階段持續了一個多月。

2.3 提產階段

為了減少外購石灰數量，隨之展開了以提高產量為主要目的的工作。

2.3.1 進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設計尺寸40 mm，原料粒度由30～120 mm進一步改善至40～100 mm范圍。

2.3.2 適當減少冷卻風量

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

2.3.3 充分利用漏斗效應提高爐內料柱的整體透氣性

TGS石灰窯的專家軟件中把爐中心至爐墻分成20個環帶，爐子正中心為第一環帶，緊靠爐墻為第20環帶，專家軟件可以對每個環帶單位高度的微元體內的氣體力學、物理化學等運行參數進行模擬計算，以便得到最優化的生產控制參數。

TGS石灰窯的旋轉螺旋配合多管的布料系統設備是根據漏斗效應設計的，對于本工地所遇到的原料粒度差異大且爆裂嚴重的不透氣物料，利用漏斗效應，減少一點溜槽角度，把小顆粒物料主要布于爐內半徑的第16至第18環，這樣，第19至20環的物料粒度是逐漸增加的，第15環至爐中心的第1環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，會達到最大的堆積密度和最小的空隙率），而對于每一環內的物料的粒度差異就減少了，大幅度提高了每一環的物料粒度均勻性，從而提高了料柱空隙率和料柱透氣性，由此大大提高了TGS石灰窯對原料粒度差異大或爆裂嚴重的不透氣物料的抵抗能力[4]。

2.3.4 充分利用國井式燒嘴穿透能力強的特點

根據專家軟件的模擬提示和爐內取樣結果分析，進一步強化氣流和溫度分布的均勻性。

2.3.5 自動調節燃燒模式

采用計算機自動化調節燃燒模式，保持恒定的燃燒溫度。由專家軟件執行燃燒的自動控制，比人工調節燃燒的精度提高了很多。

2.3.6 精確調節密封排料系統設備

通過精確調節密封排料系統設備，既減少了爐底漏風量，改善了爐底環保，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，爐內料柱運動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

采用計算機自動提示排料模式，保持每噸石灰石恒定的燃燒熱量。

2.3.8 適當減少排料量

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

根據豎爐內料柱的下料過程為隨機的、不連續的、局部的，尺寸具有一定幾率分布規律（越靠近料面尺寸越?。┑膩喎€態懸拱空穴（形象稱為架橋，與液體中氣泡的有些狀態類似）的隨機塌落過程（形象稱為橋墩或橋拱的隨機塌落過程），對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，發生下料運動（包括垂直落下和小量的橫移），其余大部分時間處于相對靜止狀態，這種下料過程的規律，對于豎爐塊狀帶的空隙率、氣流分布、溫度分布、物理化學反應（包括傳質傳熱過程、各種反應和黏結塊發育程度等）都發生著本質性的影響作用，這是TGS石灰窯和其專家軟件設計、生產操作所依據的最重要理論之一，本下料理論對于其它種類豎爐強化生產也具有重大意義。

液壓往復出料機每運行一個周期用時32 s，沿用過去TGS石灰窯的運行經驗，生產初期定為每次排料液壓往復出料機運行11個周期，每次排料約4.83 t石灰，總共用時5.87 min，石灰產量在410～460 t/天時，相鄰兩次排料的時間間隔在14～18 min，把每次排料液壓往復出料機運行周期減到9個，每次排料約3.95 t石灰，再通過增加煤氣流量（正比于產量）將相鄰兩次排料的時間間隔壓縮到10～12 min，這樣每次排料用時4.8 min，不排料的時間就壓縮至5.2～7.2 min，爐況表現為在這不排料的5.2～7.2 min時間內，爐內仍然存在爐料的局部下料運動，特別是前2～4 min內爐料的局部下料運動更為明顯，也就是說爐內保留了更多的亞穩態懸拱空穴，這些亞穩態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，有利于增加產量，同時又改善了傳質傳熱，均勻了爐溫分布，也防止了結塊。但如果每次排料量過少或過慢，容易出現下料不勻的問題。

2.3.9 保持適當的生燒比例

在這種原料粒度差異大，爆裂又非常嚴重的生產條件下，過分追求低生燒率，會給生產帶來更大的困難，保持適當的生燒比例，可以降低爐頂溫度，增加產量，縮短排料時間間隔，增加料柱透氣性。并且多數鋼鐵廠燒結，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，怕過燒，不太怕生燒，特別是喜歡低硅、低硫且生過燒穩定的石灰產品。

2.3.10 本階段主要生產參數和結果

原料粒度在40～100 mm范圍，且粒度波動仍較大，只是有較大的改善，其中0～15mm比例在3%～7%范圍內波動，陰雨天高達5%～11%；15～40 mm比例在8%～16%范圍內波動，陰雨天高達13%～21%；80～100 mm比例在8%～15%范圍內波動；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%。出爐的石灰產品中，0～40 mm的比例高達41%～49%，陰雨天更高達51%～67%；大于80 mm的比例在0～1%范圍內波動；40～80 mm的石灰比例在50%～59%范圍內波動，陰雨天更是降至32%～49%。詳細觀察，爐頂料面附近仍有明顯的、密集的、沉悶的爆裂聲音，證明爐內石灰石發生的嚴重爆裂問題還一直存在。

產量 495～510t/d，石灰質量：w（CaO）=69%～74%、w（MgO）=6%～12%、w（SiO2）=4%～7%，總冷卻風量降低至 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，而風機和煤氣加壓機仍然維持在上述接近極限的狀態，其它操作參數也有所改善，本階段平穩運行四個多月。

2.4 以提高石灰質量，特別是提高石灰質量穩定性為主要目的階段

本階段，由于鋼鐵廠壓產，石灰供應矛盾緩解，本爐操作思想隨之轉變為以提高石灰質量為主，產量隨鋼鐵生產需要而調節。本階段主要是把2.3.1至3.3.9所述工作持續深化做細。石灰石礦山也有進一步的改善，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實踐與效果

本階段主要生產參數和結果：

產量 400～440 t/d。石灰質量：w（CaO）=75%～79%、w（MgO）=5%～12%、w（SiO2）=4%～6%?？偫鋮s風量 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，而風機和高爐煤氣加壓機比上述接近極限的狀態所留出的保險系數增加了0.5%，本階段從2018年3月平穩運行至今。

4 結論

生產實踐證明，原料粒度差異大或高爆裂性原料給石灰窯生產帶來了巨大的困難，主要表現為料柱透氣性差，因而爐內氣流分布、料流分布和溫度分布非常容易惡化。TGS石灰窯獨特的裝備及操作技術，突破了這個生產難題，可以實現穩定生產。尤其是TGS石灰窯大型中心風冷復合式燒嘴與日本國井式側向燒嘴兩種燒嘴的密切配合，提高了火焰穿透能力，提高了對于這種困難生產條件的抵抗能力。減少冷卻風量，提高爐料粒度均勻性，提高爐內料柱的整體透氣性，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間間隔，保持適當的生燒比例等操作思想，對于原料粒度差異大或高爆裂性原料的石灰窯生產，具有較大的抵抗能力。本次生產經驗對于具有同類生產條件的石灰企業具有借鑒意義。