大型900 t/d 石灰雙膛豎窯技術方案及新結構

周浩宇，劉 前，萬忠炎，潘紹兵，李 峰

（1.中冶長天國際工程有限責任公司，湖南長沙410205；2.云南玉溪仙福鋼鐵（集團）有限公司，云南玉溪653401）

石灰是一種功能多樣的材料，廣泛用于鋼鐵生產、建筑工程、石油化工、輕工業和農業等多個行業[1]。據統計[2]，全世界的石灰年產量達到了3.5 億t，其中約50%的石灰用于鋼鐵冶金行業，生石灰作為煉鋼過程中的添加劑和造渣材料，可以有效剔除鐵水中的P 和S，發揮著不可替代的作用。此外也多用于農藥、醫藥、干燥劑、制革及醇的脫水等。

在石灰工業生產過程中，天然石灰石被壓碎成幾厘米大小的顆粒，置于石灰窯中進行加熱、煅燒，碳酸鈣在高溫下轉化為氧化鈣（即石灰）和二氧化碳[3]。石灰窯作為生產石灰的主要設備，其結構隨著國家能源結構和石灰石品質的變化而改進[4]。當前，我國運行的石灰窯中以并流蓄熱式雙膛石灰窯技術最為先進[5]，其結構如圖1 所示。窯身的上部有換向系統，用于交替輪換使用兩個窯身；在窯身煅燒帶的下部設有彼此連通的通道；煤氣或煤粉噴槍安裝于預熱帶，并埋設于石灰石中。在操作時，每隔10～15 min 變換一次窯身功能，即每個窯身每隔一個周期加熱一次。

圖1 并流蓄熱式雙膛石灰窯結構示意圖

隨著國內石灰產業的飛速發展，企業不再選擇以往“小而多”的石灰窯建設模式，而是改為選擇“大而少”模式，以實現減少操作人員、降低占地面積和提升噸礦經濟效益的目的。目前，我國雙膛石灰窯單臺產量普遍較低，最大僅為600 t/d，一年產量不到20 萬t，難以滿足企業需求。故此，開發900 t/d 以上的大型化石灰雙膛窯技術，已經成為當下市場的迫切趨勢。

1 900 t/d 石灰雙膛豎窯大型化技術方案研究

1.1 兩種大型化方案的提出

單窯產能的提升目前主要有兩種技術方案：一種是增加窯膛直徑，在相同的物料下行速度下，窯膛截面增大，從而增加單窯產量；另一種是增加窯膛高度同時增加物料下行速度，在相同截面下，單位時間內通過截面的物料量增大，從而增加單窯產量。為擇選最優方案，項目組分別考察了兩種大型化方案下的窯膛結構和工藝參數變化，對兩種方案的技術與經濟可行性進行了分析。

在分解速率一定的情況下，單窯產量從600 t/d提升到900 t/d，石灰窯有效容積需要相應增加1.5倍。表1 給出了在現有煅燒速率條件下，增加窯膛高度和加大窯膛內徑兩種方案下，單窯產量從600 t/d提升到900 t/d 時，雙膛窯內徑尺寸和窯膛高度的變化情況。由表可知：采用增加窯膛內徑的方法，石灰窯內徑需由4.31 m 增加至5.28 m。而采用加高窯膛高度的方法，石灰窯總高需由21.46 m 增加至32.19 m。

表1 大型化方案對比

1.2 物料壓力比較

兩組方案中，物料堆密度統一取1.8 t/m3，內摩擦角取37.6°，壁面摩擦角取31.2°；方案一中窯膛內徑取4.31 m，方案二中窯膛內徑取5.28 m。圖2 顯示了兩種方案下，窯膛內三種應力隨深度變化的曲線?？梢钥吹?，在相同深度位置，方案二（內徑更大）的三種應力值均比方案一大，即在物料高度不變的情況下，增加窯膛內徑會使物料壓力增大。

圖2 兩種方案下窯膛內切應力隨深度變化曲線圖

綜合考慮窯膛高度變化，比較了雙膛窯環形通道尾端位置（即煅燒帶終點）的物料壓力，見表2。方案一中預熱段9 m、煅燒帶13.07 m，通道尾端深度為22.07 m；方案二中預熱段6 m，煅燒帶8.71 m，通道尾端深度14.71 m?？梢钥闯?，與原方案相比，加高方案（方案一）和加粗方案（方案二）兩種方案的物料壓力都有所增加。加粗方案在通道尾端位置的物料應力最大，豎直方向主應力較原方案增加10.7%，徑向方向主應力較原方案增加11.1%，切應力較原方案增加12.5%。加高與加粗兩方案之間，在通道尾端位置的應力差別不大。

表2 不同方案下通道尾端位置的三種應力結果

1.3 物料氣阻比較

分別計算了增加窯膛高度（方案一）和增大窯膛內徑（方案二）下，石灰窯窯膛內氣流單位壓降和總壓降情況，見表3。窯膛加粗方案（方案二）與原方案氣阻分布結果一致，而窯膛加高方案（方案一）與原方案相比，窯膛氣阻增加為原來的約3.3 倍。這是由于在方案一中，產量提升1.5 倍，助燃風和冷卻風量相應也要增加1.5 倍，而在水平方向截面尺寸一定的情況下，流速也相應增加1.5 倍。前面的計算已經表明，石灰窯窯膛內氣阻主要為與速度成二次方關系的慣性阻力項，因此，速度增加1.5 倍，單位壓降相應增加約2.25 倍。同時，由于窯膛高度增加1.5倍，兩個因素的共同作用，使得總壓降增加為原來的約3.3 倍。

表3 不同方案下石灰窯窯膛內氣流單位壓降和總壓降

1.4 方案的確定

通過以上對兩種大型化方案下，物料載荷分布和氣流阻力變化等核心問題的研究可知，窯膛加粗是雙膛窯大型化較為可行的技術方案。原因如下：

①采用窯膛加高方案時，爐膛壓力太大。在產量提升1.5 倍，助燃風和冷卻風量增加1.5 倍，截面尺寸不變的情況下，流速增加1.5 倍，料厚增加1.5 倍，爐膛阻力增加為原來的約3.3 倍。窯膛氣壓的增加，一方面會顯著增加向窯膛內輸送氣體和燃料的管道系統和風機設備的負荷，另一方面也會增加窯膛本體的承載負荷。

②加高方案中，煅燒帶過長，火焰穿透深度有限。在加高方案中，煅燒帶由原來的8.71 m 增加至13.07 m，煤粉穿透深度增加1.5 倍，煤粉輸送壓力需要進一步增加；煅燒帶過長，沿煅燒帶的溫度分布難以滿足工藝要求。

同時，從上面的研究和分析可以看到，加粗方案雖然較加高方案更可行，但同樣也存在瓶頸難點：環形通道處的受力進一步惡化：現有牛腿支撐式環形通道結構在600 t/d 產量下，已經表現出結構強度不足，局部出現退磚、開裂，最終發展成砌筑結構整體失效的問題。窯膛內徑由4.3 m 提升至5.28 m 后，物料壓降增加為原來的1.1 倍，使得環形通道處的應力進一步增加，受力強度問題更加嚴重。

綜上，通過增加窯膛內徑來實現雙膛窯大型化是較為可行的技術方案，實現該方案的關鍵是通過新裝備開發，進一步提高環形通道等處的結構強度。

2 Z 字卡扣磚腔復合式通道結構研究

2.1 現有環形通道結構應力分析

現有雙膛窯連接通道下部懸空設置，相當于頂端固定懸臂梁受力結構，這種結構形式導致連接通道處的結構強度較低。筆者采用有限元分析方法，對窯膛內徑增加前后（4.3 m 和5.28 m）的環形通道處應力分布情況進行了模擬，如圖3 所示。

圖3 不同內徑尺寸下環形通道應力分布圖

結果表明，窯膛內徑由4.3 m 增加至5.28 m，產量由600 t/d 提升至900 t/d 時，環形通道處的最大拉應力由0.4 MPa 增加至0.46 MPa，這樣應力值已經超出了多數砌筑火泥的粘結強度。因此，大型化雙膛窯必須設計新的、結構強度更高的環形通道形式。

2.2 新通道結構的提出

從改善環形通道受力形式和提高結構整體性出發，項目組研發了新一代Z 字卡扣磚腔復合式環形通道（見圖4）。主要由鋼質拉桿、鋼質環狀橫梁、耐火預制塊和耐火現澆縫等部分組成。

圖4 Z 字卡扣型磚腔復合式強固型環形通道結構圖

圖5 是圖4 中的A-A 截面圖，環形通道主墻體由若干沿圓心陣列布置的耐火預制塊拼接而成，預制塊與預制塊之間設有Z 字形現澆縫，保證預制塊之間的連接強度?，F澆縫內設置有中空的鋼制拉桿（見圖6），鋼質拉桿由錨固釘、管壁和中間隔板等部分組成。拉桿外側澆筑有現澆料，隔絕外部高溫，拉桿外側焊接有錨固釘，用以增加拉桿與現澆料之間的粘結強度。拉桿內設置有中間隔板，將拉桿內部空間分割成兩個獨立的空腔，分別作為冷卻風的進口和出口。拉桿底部與鋼制環狀橫梁焊接，底部與窯膛外壁鋼殼焊接，拉桿作為承力部件將橫梁承受的向下的壓力傳導至窯膛外殼。鋼制環狀橫梁為中空結構，在橫梁上表面上，沿周向均勻地焊接有若干鋼制拉桿，作為橫梁承力件。如圖7 所示，橫梁內與鋼制拉桿相對應的地方，設置有中間隔板，將橫梁內腔體分割成若干相互獨立的腔體。橫梁內腔與拉桿內墻相互連通，使得冷卻風可以由一側拉桿進入，穿過橫梁后，從另一側拉桿流出，實現拉桿和橫梁的冷卻。橫梁上表面輪廓設置成階梯型，橫梁外表面焊接有錨固釘，外表面澆筑有澆注料，以隔絕高溫煙氣和物料。澆筑料在橫梁上表面形成階梯型平面，耐火預制塊一端直接安裝在橫梁梯形平面上，另一端卡在石灰窯外殼上。預制塊的上下部分別與上部的窯殼壁面和下部的橫梁相互咬合。預制塊的重量均勻的傳導至環形橫梁上，通過拉桿傳遞至石灰窯外部鋼殼上。預制塊下部由環狀橫梁收口，保證預制塊在受到徑向壓力時的整體性和結構強度。

圖5 A-A 截面圖

圖6 圖5 中Ⅰ處放大圖

圖7 B-B 截面圖

2.3 新通道結構強度性能驗證

與現有環形通道結構相比，本技術環形通道結構具有更好的整體性、耐磨性和結構強度。Z 字卡扣型磚腔復合式環形通道主體由預制塊拼接成，預制塊與預制塊之間采用Z 字型現澆料帶連接，在現澆料帶內埋設Z 字型風冷腔室，通過風冷腔室外焊錨固釘來固定現澆料帶，通過Z 字型現澆料帶類似于“卡扣”的承力行為來加強預制塊之間的連接強度與固定穩定度。該結構相比現有技術下的內外墻型磚砌筑結構連接強度有顯著提升。由于預制塊主體和現澆料的耐磨性都優于砌縫材料耐火泥，故結構整體耐磨性也有很大提升。預制塊拼接的整體性比砌磚好，不會出現局部小裂紋擴展發展成整體結構破壞的問題。同時，預制塊上端由窯膛鋼制外殼固定，下端由環形鋼制橫梁固定，受力形式由一端固定的懸臂梁結構形式，改為兩端固定的簡支梁結構形式，在相同側向載荷下，結構承載的最大應力得到了有效降低。圖8 顯示了兩種結構下環形連接通道處承載應力情況，可以看到，通過改懸臂結構為兩端支撐結構，連接通道處的承載峰值應力由0.46 MPa 降低至0.33 MPa，降幅達28%。

圖8 磚腔復合式強固型環形通道應力分析圖

3 結論

（1）石灰雙膛豎窯產量從600 t/d 提升到900 t/d時，采用擴大窯徑的方法，窯內徑需由4.31 m 增加至5.28 m。而采用加高窯膛高度的方法，石灰窯總高需由21.46 m 增加至32.19 m。

（2）受爐膛壓力、煤粉燃燒穿透深度等因素影響，雙膛窯加高窯膛高度的方法難度較大，擴大窯徑是相對較可行的方法。

（3）采用Z 字卡扣型磚腔復合式通道結構能夠有效解決擴大窯徑后環形通道受力工況進一步惡化的問題，通過改懸臂結構為兩端支撐結構，連接通道處的承載峰值應力由0.46 MPa 降低至0.33 MPa，降幅達28%。