石灰回轉窯優化燃燒的分析與對策

歐陽宇 關宏志 于 浩 張志強 甄新剛

(日鋼營口中板有限公司遼寧省中厚板專業技術創新中心)

某公司共有兩座石灰回轉窯，每座窯年產活性白石灰20萬t，設計產能為600 t/d，回轉窯規格為Ф 4 m×60 m，采用轉爐煤氣摻混煤粉的混合燃燒方式。根據國家“十四五”節能減排要求，結合轉爐煤氣富余的現狀，該公司對回轉窯燃燒系統實施優化改造，降低了燃料成本，提高了能源利用率、生產效率和石灰質量，取得了環保達標等效果。

1 石灰回轉窯工藝參數及生產流程

石灰回轉窯工況參數見表1。

表1 石灰回轉窯(單窯)工況參數

回轉窯活性石灰生產工藝如圖1所示。石灰石從原料場由裝料車運送至原料受料槽，之后由原料提升機斗提運至原料振動篩，原料提升機+皮帶輸送機將15～40 mm合格的石灰石運至預熱器料倉。在預熱器內，石灰石與1 200 ℃的煙氣進行熱交換，溫度升高至800 ℃部分分解。預熱后的石灰石進入回轉窯內煅燒，同時煙氣溫度降至320 ℃，經過余熱鍋爐再利用后除塵，引至煙囪排放。

圖1 回轉窯活性石灰生產工藝

800 ℃的石灰石進入回轉窯，依次通過窯內預熱帶、煅燒帶，最后進入豎式冷卻器進行冷卻。物料在窯內同時進行徑向、軸向運動，通過導熱、對流和輻射完成煅燒。燃燒方式采用轉爐煤氣和煤粉混合燃燒，煅燒后的900 ℃的成品石灰進入冷卻器，冷卻后的60 ℃的石灰經過振動給料機輸送至皮帶，之后經斗提運送到料倉振動篩，篩分后將石灰運至各成品倉。同時從冷卻器底部吹入的冷卻風與煅燒后的成品石灰進行換熱后進入窯內作為二次助燃風使用。

2 現狀分析

2.1 燃料配比不合理

目前該公司轉爐煤氣回收不充分，日均放散量20 000 m3。石灰回轉窯燃燒器前端的轉爐煤氣管徑為500 mm，單窯轉爐煤氣最大使用量僅為13 000 m3/h。另外，回轉窯燃燒方式為轉爐煤氣摻混煤粉燃燒，受轉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，為保證滿足煅燒溫度，煤粉消耗量無下調空間，在煤炭價格日益上漲的情況下，燃料成本增加。

2.2 窯內結圈和耐材脫落

窯內結圈和耐材脫落最嚴重的部位在窯內煅燒帶距窯頭約15 m處，為燃燒器的火焰前端，是窯內最高溫度區域。行業內多家企業已經總結分析了結圈的主要原因[1]：回轉窯采用煤粉作為燃料，煤粉灰分中的SiO2、Al2O3、MgO和轉爐煤氣中的Fe2O3與石灰石分解的CaO與反應生成低熔點化合物，粘附于耐火材料內襯上，低熔點化合物與石灰發生反應形成硅酸鈣，并粘附于方鈣石上，使窯內結圈越來越厚。由于熱工參數或火焰形狀調節不當，溫度超過1 500 ℃時促進低熔點化合物的形成，加劇了結圈的形成。

結圈問題需要在停爐降溫后處理，依靠操作者使用風鎬以機械振動方式清理，但這種頻繁處理方式會造成耐材損壞、松動、脫落，縮短耐火內襯的使用壽命。

2.3 煙氣中NOx含量超標

對窯尾排放的煙氣進行檢測，NOx含量波動最大值為207 mg/m3，已超行業標準，控制NOx排放刻不容緩。由于該公司回轉窯煅燒帶無溫度檢測裝置，而是參考窯尾轉運溜槽安裝的熱電偶進行調節，無法實現煅燒帶溫度精準調節，時常會發生超溫情況。對窯尾產生的煙氣進行檢測，當窯尾溫度1 050～1 100 ℃時，窯尾煙氣中NOx含量約210 mg/m3；當窯尾溫度950～1 050 ℃時，窯尾煙氣中NOx含量約195 mg/m3，說明NOx生成量與燃燒溫度呈正向相關。

2.4 煅燒石灰質量差

由于轉爐煤氣、煤粉與助燃空氣混合不均勻，現有窯頭燃燒器性能差，其火焰較長且不集中，導致煅燒帶后移、石灰石預熱時間不足及煅燒時間延長，無法滿足活性石灰生產工藝要求，影響石灰煅燒質量。煅燒后的石灰質量及標準要求詳見表2，其中CaO、活性度和灼減量僅達到的三級品標準[2]，影響了煉鋼的經濟技術指標。

表2 石灰指標對比標準要求

3 改進措施

3.1 燃燒器改造

將煤粉、轉爐煤氣混合燃燒器改造為煤粉、天然氣、轉爐煤氣五通道混合燃燒器，從內到外依次為中心風通道、天然氣(煤粉)通道、轉爐煤氣通道、旋流風通道和軸流風通道，并在原燃燒器基礎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通道，利用天然氣(煤粉)通道前端的轉換接頭實現煤粉和天然氣之間的切換。

改造后可實現三種燃燒模式：即純轉爐煤氣燃燒、天然氣摻混轉爐煤氣燃燒、煤粉摻混轉爐煤氣燃燒。燃燒器配置獨立點火系統和流量計，根據窯內溫度調節各介質流量的大小，通過調整各風道閥門的開度調整火焰的長度、直徑。燃燒器改造后燃燒方式多樣化，可根據煤炭、天然氣價格及公司轉爐煤氣量，選擇經濟、合理的燃燒方式。

3.2 管路及燃料優化

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到28 000 m3/h。由于轉爐煤氣供氣能力的提高，煤粉摻混轉爐煤氣燃燒方式可將煤粉配比量降至1.6 t/h，極大節省了燃料成本。此外，回收轉爐煤氣時，須經常調整回收轉爐煤氣時的CO濃度，使得轉爐煤氣熱值頻繁波動?？紤]煤氣熱值低時，無法實現純轉爐煤氣燃燒，鋪設一根DN200天然氣管道經減壓后引至燃燒器，與燃燒器天然氣(煤粉)通道相連，通過補充少量天然氣以保證火焰燃燒穩定性及改善煅燒工況。

3.3 煤氣預熱

在回轉窯煤氣管道下方新建一座煙氣發生爐和一座熱管式煤氣換熱器。煙氣發生爐產生的350～400 ℃的煙氣和DN1 100煤氣支管道的轉爐煤氣，利用熱管式煤氣換熱器，實現煙氣間接加熱冷煤氣。換熱后的150～200 ℃煙氣經引風機返回煙氣發生爐以實現煙氣余熱的循環利用。預熱后的120 ℃以上煤氣經過煤氣管道輸送至燃燒器，為防止煤氣輸送時產生熱量損失，溫度降低，在該段煤氣管道采取保溫隔熱措施。

3.4 自動化程度提升

對一次風、二次風管道增設自動調節閥，在窯頭罩位置安裝一臺比色高溫計用于監測煅燒帶溫度，同時在窯頭下料槽位置安裝一套紅外測溫儀對下料溫度進行監測。上述信號均接入PLC系統，通過高溫計檢測的窯內溫度來自動調節各燃料流量和送風量的配比，以實現窯溫的精確控制。

3.5 改造效果

通過優化管路、燃料種類，改變燃燒模式，轉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；對燃燒器改造和增設煤氣預熱措施，提高了燃燒器火焰的穩定性，火焰外擴掃窯皮很少發生，延長窯襯的使用壽命，石灰石質量達到了二級品水平，燃料成本降低了40元/t；引入自動燒爐工藝和測溫裝置，實現了各燃料介質的流量和一次風、二次風的精確配比，使燃料充分燃燒，提高了窯內溫度控制精度，緩解了結圈的問題，產能提高了150 t/d；實現回轉窯的清潔燃燒，煙氣中NOx降低了190 mg/m3。改造前后參數對比見表3。

表3 改造前后參數對比

4 結語

為了解決污染物排放、設備狀態、生產成本和石灰質量問題，該公司進行了管路和燃燒器改造、增設測溫、自動調節流量和預熱設備等改造，有效解決了回轉窯高燃耗、頻繁結圈和產品質量問題，并對污染物排放實施了有效控制，達到了國家和地方的排放標準。