摘要：本文從保證石灰工業可持續發展出發，通過對燒成系統主機設備、燃燒裝置和煙氣處理系統特點的分析和對石灰石礦山、低熱值煤氣、粉塵及二氧化碳等資源的分析，對活性石灰回轉窯系統的節能降耗和資源綜合利用的途徑及方法系統地進行了探討，提出了建議和設想。
關鍵詞：石灰工業 回轉窯 節能降耗 綜合利用 可持續發展
石灰作為工業生產的重要輔料，廣泛應用于冶金、化工、環保、建材等諸多行業，高品質的活性石灰主要應用于鋼鐵企業的煉鋼生產。實踐證明，采用活性石灰煉鋼與采用普通石灰煉鋼相比，具有縮短吹氧時間、減少石灰消耗、提高廢鋼用量、提高鋼水收得率、提高轉爐爐襯壽命、減少螢石消耗、提高脫硫、脫磷 、提高煉鋼溫度命中率等一系列優點，且活性石灰成份穩定，有利于 煉鋼過程自動控制。近年來，活性石灰的優點正逐漸被鋼鐵行業以外的其它行業所認識，目前國內已有數家氧化鋁生產企業采用活性石灰做為脫硅輔料進行拜耳法氧化鋁生產，取得很好的經濟效益，活性石灰已經開始在金屬鎂行業(白云石)、電廠脫硫、電石生產等行業應用，應用范圍正逐步擴大。
我國鋼鐵企業的發展帶動了石灰工業生產的發展，特別是活性石灰成套工藝和關鍵裝備的技術水平迅速提高，其中活性石灰回轉窯 代表性。回轉窯生產活性石灰可 大規模連續生產，產品質量穩定，活性度高，國內寶鋼、鞍鋼、武鋼、太鋼等大型鋼鐵企業都采用回轉窯生產活性石灰，許多中小型鋼鐵企業和民營鋼鐵企業也采用回轉窯系統生產活性石灰，成套系統和裝備日趨大型化。目前國內單條生產線規模 為日產1000t，已投產的 生產規模為太鋼3條日產1000t生產線。2000年以前，國內活性石灰回轉窯系統主要集中在上述幾大鋼廠，單系統 生產規模只有日產600t。礦山機械工程設計研究院等單位自上世紀80年代初開始活性石灰回轉窯系統工藝和設備的設計開發，從引進消化吸收到自主研發，技術水平得到極大提高，成套系統及裝備能夠 完全國產化，尤其是礦山機械工程設計研究院研制的大型高產節能活性石灰成套技術及關鍵裝備通過 鑒定，獲得河南省科技成果，其綜合性能已達到國際先進水平，主要技術指標達到國際 水平。近年來，鋼鐵企業的產能不斷擴大，活性石灰的需求也大幅增加，尤其是活性石灰回轉窯系統越來越得到鋼鐵企業的重視，新建生產線以滿足煉鋼生產需求，規模也不斷擴大。隨著活性石灰工業的快速發展和技術水平的不斷提高，活性石灰的應用范圍也在擴大。能源消耗和原料需求越來越大，如何保證石灰工業的可持續發展是我們今后研究的重要課題，節能降耗和資源綜合利用是其中的關鍵技術，本文將從這兩方面進行探討，提出一些觀點和設想供參考。
活性石灰回轉窯系統通常由原料輸送系統、燒成系統、燃燒系統、成品輸送系統、煙氣處理系統和自動控制系統等組成，其中對能耗影響較大的是燒成系統、燃燒系統和煙氣處理系統，下面就從這些系統及關鍵設備節能降耗的方法和設想進行探討。
1.1燒成系統主機設備的節能降耗
如今燒成系統主機設備是指豎式預熱器、回轉窯和豎式冷卻器。在實際運行操作過程中，主要對燃燒溫度、窯尾溫度、預熱器出口煙氣溫度、二次風溫度和成品出料溫度進行監控，這些參數能夠反映出系統的能耗狀況，窯尾溫度穩定控制在1000～1050℃，豎式預熱器出口煙氣溫度和豎式冷卻器成品出料溫度的高低則反映出系統熱能損失的狀況，如果能夠降低煙氣出口溫度和成品出料溫度就能達到進一步節能降耗的目的。
在活性石灰回轉窯系統的生產中，石灰石的預熱設備經歷了鏈篦預熱機、德國克勞斯—馬菲圓形豎式預熱器、kvs型多邊形豎式預熱器和當今的獨立分倉多邊形豎式預熱器的不斷發展，預熱 不斷提高，煙氣排出溫度逐漸下降。鏈篦預熱機耐熱鋼用量大、投資高，且設備結構復雜，已經被淘汰；克勞斯—馬菲圓形豎式預熱器預熱 較鏈篦預熱機有了很大提高，石灰石預分解率達到20%以上，煙氣出口溫度為280～300℃；kvs型多邊形豎式預熱器石灰石預分解率能夠達到25%，煙氣出口溫度降低到250℃左右，預熱 得到提高，能耗降低約5%；由礦山機械工程設計研究院研究開發的新一代獨立分倉多邊形預熱器在結構上較kvs型做了重要改進，使石灰石預熱更加均勻，預分解率達到25%以上，煙氣出口溫度降低到220℃左右，使得能耗指標又降低約5%。目前，洛礦院正在進行豎式預熱器結構的進一步深入研究，確定 的料層厚度和原料粒度分布，對耐火材料和砌筑結構進行優化，避免物料的粘結，進一步提高換熱效率，使石灰石預分解率達到30%，煙氣出口溫度也進一步降低到200℃以下。
經過預熱的石灰石在回轉窯內完成煅燒成石灰的過程。窯內強化煅燒能夠提高石灰的活性度、縮短物料在窯內停留時間，也能起到節能的作用；在窯頭結構上設計合理的縮口，使料層能在煅燒帶堆積厚一些，煅燒 更好；在回轉窯預熱帶設計特殊結構，增加物料和煙氣的接觸面積，使熱交換更加充分，這些都能起到強化煅燒的作用。在回轉窯的設計上選用合理的長徑比、采用兩擋支承等來減輕設備重量，從而可以減輕運轉負荷，節省電耗。
物料冷卻是影響系統能耗的重要環節，燒成的活性石灰進入豎式冷卻器時的溫度在1000℃左右，帶有大量熱能。冷卻設備的效率和二次風的溫度對能耗影響 。單筒冷卻機采用揚料板靠自然吸風對物料進行冷卻，冷卻 差，冷卻風量無法調節，二次風溫度低，系統能耗高；篦冷機冷卻 雖然好，但是設備結構復雜，運動件和特殊材料多，維護不便，各風室冷卻需要數臺風機，因此電耗增加很多，粉料增加也較多；方形多風塔式豎式冷卻器結構簡單，除出料振動給料機之外無其它運動部件，冷卻 好，可以迅速將物料從1000℃冷卻至100℃左右，冷卻風經熱交換后作為二次風入窯參與燃燒，二次風溫可達到700℃以上，大量熱能得到回收，節能 非常明顯。目前洛礦院正在著手研制新型通風豎式冷卻器，將會進一步提高換熱效率，降低排料溫度。
1.2燃燒裝置的節能降耗
活性石灰回轉窯系統使用的燃料種類可分為氣體燃料、固體燃料、液體燃料和混合燃料等幾種。氣體燃料一般為天然氣和焦爐煤氣，天然氣由于成本太高，在國內使用較少，而焦爐煤氣為鋼鐵企業普遍使用的燃料，也是非常適合回轉窯煅燒石灰的燃料；固體燃料是指煤粉，由于有些活性石灰生產企業不具備氣源或燃氣供應緊張，一般采用煤粉為燃料；液體燃料是指重油、柴油等燃料，因其成本非常高，目前幾乎沒有采用；混合燃料有高焦混合煤氣、高轉混合煤氣、煤粉煤氣混合燃料、油氣混合燃料等多種，其中使用較多的是前3種混合燃料。目前在國內活性石灰回轉窯系統使用的燃料大致可分為氣體和煤粉兩大類，其燃燒裝置也不相同，下面就氣體和煤粉燃燒裝置的節能降耗分別進行探討。
1.2.1煤氣燃燒器
以前國內使用的煤氣燃燒器多為比較簡單的兩通道結構，煤氣由中心通道通過，助燃一次風由環形通道通過，煤氣壓力也較低，一般只有幾千帕，煤氣和空氣的混合依靠固定在燃燒器前端的旋流片和縮口來 ，火焰的形狀和長度只能根據一次風的壓力和流量來調節，調節能力很差，有時操作無法達到理想的燃燒 。近年來多通道煤氣燃燒器的使用越來越普遍，多通道燃燒器一般在四通道以上，通常由燃氣通道、中心風通道、旋流風通道、徑向風通道等組成，旋流風使煤氣與空氣混合均勻，中心風可以調節火焰的長度，徑向風用來調節火焰的形狀。因此在實際生產過程中，多通道燃燒器可以根據工況對火焰進行全方位的調節以達到 燃燒 ，其結果可以使煅燒的成品質量更加穩定均勻，還能適當提高物料的停留時間，其節能 也非常明顯。多通道煤氣燃燒器以前只能依靠進口，某鋁廠就引進原裝法國皮拉德多通道燃燒器，燃料為焦爐煤氣，使用 非常好，但是價格非常昂貴，目前國內已經研制出適合各種氣體燃料的多通道燃燒器，可以 全部國產化，使用 也很好，價格僅為進口的10%，建議在國內使用氣體燃料的單位盡量采用多通道燃燒，提高燃燒 以及節能降耗。使用多通道燃燒器一般要求氣體供應壓力達到10～20kpa，需要建燃氣加壓站，會增加部分投資，但從長期運行節能降耗上來看還是非常經濟的。
1.2.2煤粉燃燒器
現在許多鋼鐵企業新建活性石灰項目廠址都選擇在礦山附近或鋼廠以外的區域，這些地方都沒有燃氣來源，隨著活性石灰應用領域的不斷擴大，氧化鋁、電石、電廠脫硫等行業也開始使用回轉窯煅燒活性石灰，而這些企業往往沒有燃氣來源，因此煤粉就成為這些新建項目的 燃料。煤粉燃燒器應用范圍最廣，水泥回轉窯普遍采用的是煤粉燃燒器，其技術也非常成熟。隨著回轉窯燃煤技術的發展，煤粉燃燒器由單風道發展到二通道、三通道和四通道。單風道的作用只是起到輸送煤粉的作用，對火焰基本沒有調節作用；二風道多了一些調節功能，但仍然不理想；三風道燃燒器主要由煤粉風道、軸向風風道和徑向風風道組成，可以通過改變軸向風和徑向風的比例來調節火焰的形狀和長度；四風道燃燒器增加了渦旋風或中心風道，對于煤粉的混合燃燒、二次風的抽吸、火焰長短和形狀的調節等都能起到非常好的 。目前，四風道燃燒器是 進的燃燒器，它可以獲得在燒成帶需要的火焰形狀，提高燃燒 ，減少一次風用量，增加高溫二次風參與燃燒，起到降低熱耗的作用。此外，四風道燃燒器對煤的品種適應范圍也較寬。根據水泥行業的統計，采用四風道煤粉燃燒器和其它燃燒器相比可降低熱耗3%～5%，因此在燃燒器的選用上應盡量采用四風道結構。可見煤粉燃燒器的合理選用也是節能降耗的關鍵。國際上有皮拉德、洪堡(khd)、史密斯等公司設計制造四風道燃燒器，國內也有許多設計院所和企業設計制造該種裝置。國外 和國產 價格差異較大，每套進口燃燒器價格約在40～50 美元，國產同類產品的價格僅為10%。
1.3煙氣處理系統的節能降耗
煙氣處理系統主要由收塵器、高溫風機和煙氣管道等組成。克勞斯—馬菲圓形豎式預熱器煙氣出口溫度為280～300℃，kvs型豎式預熱器煙氣出口溫度為250℃左右，新型獨立分倉豎式預熱器的煙氣出口溫度為220℃左右，排出的煙氣仍然含有大量熱能，如果不加處理就只能通過除塵器和高溫風機排到空氣中。因此預熱器出口煙氣熱能的回收和利用對節能降耗有著非常重要的作用，尤其對在高原地區和使用低熱值煤氣的生產企業來說意義更大。
針對豎式預熱器出口煙氣熱能的回收利用，礦山機械工程設計研究院首先將高產換熱器引入到活性石灰回轉窯生產中。高產換熱器的作用是將排出的高溫煙氣通過熱交換將一次空氣和燃料預熱到150～200℃，不僅可以提高燃燒溫度，還起到了節能降耗的功效。高產換熱器在活性石灰生產中的應用，使得在高原地區和采用低熱值煤氣生產活性石灰成為可能，這在國際上也是一個重大突破，打破了低熱值煤氣不能用在回轉窯煅燒石灰的理論。其另一個重要的作用就是使隨煙氣排出的大量熱能得到回收利用。目前高產換熱器在部分鋼鐵企業或高原地區得到應用，但應用還不十分廣泛，因此建議在新建或改造活性石灰回轉窯項目中考慮增設高產換熱器，提高和改善燃燒 ，達到節能降耗的目的。除了采用高產換熱器外，還可以采取其它熱交換方式把余熱用于工廠或生活設施的采暖、洗浴等方面，也能起到節能降耗的作用。
回轉窯生產活性石灰所需要的資源是指原料石灰石、燃料煤氣、原煤等，在生產過程中產生的粉塵和二氧化碳氣體也可以成為一種資源。資源的綜合利用對于石灰工業的可持續發展和環境保護都有非常重要的意義。
2.1石灰石礦山資源的綜合利用
目前活性石灰生產設備主要有回轉窯、國外引進豎窯、國內新型氣燒豎窯等，各種窯型使用的石灰石粒級也不相同。通常豎窯要求使用粒度在40～120mm的石灰石，40mm以下的對于豎窯來說只能是廢料。鋼鐵企業幾乎都擁有自己的礦山，每年石灰石生產粒度在40mm以下的約占30%，這部分資源都被廢棄，如果不能得到充分利用將使石灰石資源嚴重浪費。回轉窯生產活性石灰所需要的粒度范圍為10～50mm，這樣40mm以下的石灰石大部分能得到利用，每年可以節省大量開采費用，延長礦山的開采年限。廢棄石灰石量的減少還有利于節省運輸費用以及環境保護。隨著鋼鐵工業產能和規模的不斷擴大，活性石灰的需求量也越來越大，石灰石礦山資源是有限的，如果不能合理利用石灰石資源將會對活性石灰工業乃至鋼鐵工業的可持續發展帶來不良影響。因此建議在新建鋼廠活性石灰配套項目中盡量采用回轉窯煅燒活性石灰的工藝方案，使石灰石資源能夠得到綜合利用。
2.2低熱值煤氣的綜合利用
回轉窯煅燒活性石灰已成為活性石灰工業化生產的主流，國內各大鋼鐵企業的煉鋼生產基本采用回轉窯活性石灰。鋼廠的煤氣資源主要有焦爐煤氣、轉爐煤氣和高爐煤氣等，焦爐煤氣的熱值為3600kcal/nm3，轉爐煤氣的熱值為1600kcal/nm3，高爐煤氣的熱值只有800kcal/nm3，回轉窯使用煤氣煅燒活性石灰要求的熱值一般要大于2600kcal/nm3，焦爐煤氣是最合適的燃料。但是從多數鋼鐵企業的燃料平衡來看，焦爐煤氣成本相對較高，而且供應往往不能滿足活性石灰生產需要，而轉爐和高爐煤氣卻往往因為過剩被迫大量放散。鋼鐵企業也都意識到這個問題，如何利用低熱值煤氣將是今后石灰冶金生產的重要研究課題。
低熱值煤氣在活性石灰回轉窯系統上已經成功得到應用。主要方法是采用混合煤氣、煤粉和煤氣混燒、高產換熱器進行預熱等。混合煤氣是按一定比例將焦爐煤氣和轉爐或高爐煤氣進行混合，混合后熱值有所降低，但可以滿足活性石灰生產要求；煤粉和煤氣混燒可以根據煅燒所需的熱值和燃燒溫度調節，將煤粉和煤氣進行混合燃燒；高產換熱器可以利用廢煙氣將煤氣和一次風預熱到150～200℃，采用這種方式可以提高低熱值煤氣帶入的物理熱，可以增加低熱值煤氣使用的量。因此，低熱值煤氣的綜合利用，可以產生巨大的經濟效益，同時可以減少因大量放散帶來的環境污染。
2.3粉塵的綜合利用
回轉窯生產活性石灰會產生一定的粉塵，一般情況下粉塵總量約占產量的10%，其中cao約占40%，其余為caco3等其它雜質。目前大多數企業要求必須滿足環保排放一級標準，即50mg/nm3以下。生產中產生的粉塵基本能夠收集，按照年產20 t的產量，每年粉塵量就能回收近2 t，如果不加利用直接廢棄，會造成環境的二次污染。收塵灰成分主要是cao和caco3，在鋼廠雖然不能用于煉鋼，但是完全可以用于燒結，此外還可以用于民用、修路等。粉塵的綜合利用能夠一定程度上節約成本，更重要的是能夠減少對環境的污染。
2.4co2的綜合利用
生產活性石灰產生的煙氣中含有大量的co2，co2屬于溫室氣體，大量排放會對環境和氣候造成嚴重影響，現在全球變暖的一個主要原因就是co2的大量排放。co2的回收和綜合利用也是現在和將來需要研究的重要課題。從目前的實際情況來看，co2基本上都是隨煙氣經除塵后直接排放，沒有進行回收。主要有兩方面原因，一是co2回收后主要用于制干冰、食品飲料等添加劑等，需求量有限；二是需要額外增加設備投資，如果不能產生良好的經濟效益，就會增加活性石灰生產系統的成本。另外co2回收技術也有待于發展和提高。但隨著經濟技術的不斷發展和環境保護要求越來越高，co2的綜合利用也將會是活性石灰工業發展必須重視的課題。
節能降耗和資源綜合利用是現在和將來工業發展的主題。因此，今后在新建或改擴建活性石灰項目上，必須要把節能降耗和資源綜合利用作為首要目標，生產成本也會隨之降低。回轉窯系統生產活性石灰具有其它窯型無法達到的產能大、品質高、產品性能 優點，隨著技術的不斷進步，在能耗方面也逐漸降低，接近豎窯能耗水平。在資源綜合利用方面回轉窯系統更具有優勢，可以適應多種燃料條件，可以利用小粒級石灰石，因此應當大力推廣回轉窯系統在活性石灰生產中的應用。
