有效控制石灰窑取灰温度的探讨

刘 洋

（江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂，江苏 淮安 223200）

1 石灰窑的生产分析

江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂（以下称“淮安碱厂”或“我厂”）自2010年投产以来，3台石灰窑运行已进入第5个年头，业已进入大修期。新增4＃石灰窑受建设周期的影响，预计2016年1月份能够建成投用，为维持目前装置产能持续、高效释放，须按计划轮修1＃～3＃窑，每台窑检修完成并正常投入生产用时按照8个月计算，要到2018年初才能全部检修结束。为此，我们要在保护、并尽可能延长1＃～3＃窑使用周期和安全生产、优质高效之间做好平衡，而石灰窑取灰温度的高低直接决定着设备的使用寿命和操作人员的人身安全。

我们知道石灰窑的热效率一般为75%～80%，主要热损失包括窑气、石灰带出热量，燃料不完全燃烧损失热量以及窑体的散热损失等。其中，石灰窑耐火砖和保温层随着石灰窑建成投产后长期稳定存在，降低窑壁热损失虽潜力巨大，但属刚性热损失，几无挖掘的空间；物料的水分、焦炭品质、块度一定程度受困于市场和采供影响，从操作上提高其燃烧质量，减少机械和化学不完全燃烧潜力也有限，因此在生产中提高石灰窑热效率、节约燃料消耗主要是从降低石灰窑出气温度和取灰温度，减少物料带出的热损失着手做工作。

2 取灰温度影响因素和优化措施

石灰窑取灰操作是指在一个循环上料周期中，相对应须要卸出生石灰的过程，以φ5 300石灰窑为例，每小时上36t石灰石后，为保证窑内物料平衡，相应需要取出相当数量的生石灰，从而实现物料平衡。

有效控制取灰温度，保持石灰窑工况的持久稳定，是企业落实精益生产，提高精细化操作水平的体现；也是降低纯碱产品综合能耗，增加企业市场竞争力的需要；更是有效保障窑下附属设备安全、长久运行，营造出安康、舒适操作环境的要求。为此，找出灰温的影响症结，适时合理地加以调整纠偏，具有重要的现实意义。

2.1 石灰石理化指标

2.1.1 块度

我们知道，石灰石煅烧的速度取决于石灰石的块度与其表面所接触的温度。但在一定温度下，分解界面移动速度是一定的，煅烧速度则取决于石灰石的块度大小。一方面，粒度过大，物料比表面积减小，吸热能力变差，煅烧速度较慢，不容易烧透，这样燃料燃烧释放的热量在较短时间内无法被充分吸收用于CaCO3的分解，而随着物料进入冷却区后，多余热量只能传导到生烧的石灰上，直接体现为取灰温度的骤升；特别是较大块物料进入窑内，料层中可能会产生局部空腔，对气流的均匀分布极为不利，甚至会造成某些局部气流过多产生“龇火”现象，一定程度上也加剧了灰温的异常波动。另一方面，物料块度过小、筛分不充分、泥沙含量超标、大量细碎返石的集中回收利用等，一定程度上都会造成窑况异常、通风分布不良、灰温升高。

因此，为避免石灰石块度给取灰温度带来不利影响，要求在一定煅烧工况下，应该尽量将大、小块石灰石遴选分类后分别进窑煅烧，如条件不具备，也应尽可能降低大小石块粒径的差别。实践表明，我厂使用φ5 300的窑，石灰石块度一般控制在60～120mm为宜，原则上大于150mm、小于30mm粒径的石料不利于灰温的有效控制。

2.1.2 抗压强度

石灰石抗压强度，是指在没有侧束状态下所能承受的最大压力值，换言之，它指把石灰石加压至破裂所需要的应力。石灰石岩层主要是由方解石矿物组成的碳酸盐岩，其抗压强度可分两个层理测试得到，垂直层理方向一般可达60～140MPa，平行层理方向一般达70～120MPa。

安徽某地较低强度石灰石因其强度不够，在煅烧过程中，石灰石受热爆裂破碎，生石灰产品出现严重粉化、碎化现象，而石灰窑的送风阻力在很大程度上决定于窑内粉末化、细碎化物料的多少。图1对比两地不同强度石灰石煅烧后生成生石灰的固态存在形式，其中因安徽某地低抗压强度的石灰石的大量使用增加了粉状物料的绝对数量，破坏了气体所经过的通道而使通风异常弯曲勉强、风走偏流，降低了气体通过和分布的效果，导致灰温骤升到近140℃，并持续恶化，严重影响设备、人身安全和正常生产的有效组织。

为扭转此种不利局面，生产上应立即更换强度适宜的石灰石，及时调整焦炭配比，同时降低窑的生产负荷，在条件允许的情况下尽量加大送风量，约30h时后灰温即可逐步恢复到正常水平。

2.2 焦炭的理化指标

2.2.1 块度

不难理解，倘若焦炭的块度过大，则其来不及在煅烧区内完全燃烧就直接转移到冷却区，造成“煅烧区下移”，物料来不及冷却即被取出，严重时取灰带火、出“红灰”，未完全燃烧的焦炭随生石灰一起出窑，不但大大增加了出料温度，也造成了焦炭等物料的浪费。表1列举了我厂2014年8月份使用不同块度规格焦炭，取灰温度平均值的对比。

图1 生石灰固态物料存在形式对比

表1 不同焦炭块度取灰温度平均值比较

焦炭的块度应使其燃烧时间与石灰石的煅烧时间相匹配，而在生产负荷不变的情况下，石灰石的煅烧时间主要取决于石灰石的块度，因此石灰石的块度较小，焦炭的块度也应较小，反之，石灰石的块度较大，焦炭的块度也应随之调大。分析上述数据，为使石灰窑能够长周期稳定生产，焦炭的块度一般控制在20～60mm为佳。

2.2.2 固定碳

首先，为保证石灰石和焦炭充分混合均匀进窑，要求石灰石和焦炭块数之比应控制在理想水平（1∶1），若使用较高固定碳焦炭（大于85%），因焦炭配比的减少，势必影响物料混合的均匀性；倘遇布料不好，热量局部集中释放，极易造成石灰窑结瘤、灰温异常等现象。

其次，我们知道进窑石灰石正常分解温度控制在1 050～1 300℃，若使用焦炭固定碳偏高，必然会加快耐火砖的损坏速度，特别是老窑，更不利于灰温的控制。

为此，纯碱厂石灰窑生产一般普遍使用固定碳为80%左右的三级焦或白煤，几无使用一、二级焦。

2.2.3 挥发分

焦炭中的有机物质受热分解出一部分的液态和气态产物占焦样质量的比例简称为挥发分。因挥发分逸出后焦炭的孔隙增多，焦炭与氧气接触面积大大增加，焦炭燃烧的速度、强度均随之提高。因此，焦炭的挥发分是决定其燃烧速度和燃烧难易程度的重要指标。

挥发分较高时，焦炭燃烧强度大、燃烧时间短、热量释放集中，生产中极可能造成在预热区即大部分燃烧，进入煅烧区已经燃烧殆尽，造成窑顶温高、石灰石生烧，直接影响灰温的控制；反之，挥发分较低时，其燃烧缓慢、燃烧时间长、热量释放迟缓，可能随着物料下移进入冷却区，燃烧过程仍未结束，同样造成取灰温度的异常升高。

因此，根据石灰窑生产特点和要求，一般要求焦炭挥发分控制2%左右。

2.3 石灰窑的料层高度

石灰窑的料层高度是指自分石器下沿到石灰石料层的距离。我们知道石灰窑内气流分布与料层的截面是否相称、高度是否同等有关。为保证撒入窑内物料混合的充分均匀、料面控制理想、布料器避免直接接触物料造成机械损伤，生产实际料层高度一般控制在4.0±0.2m，如图2所示。

当料层高度较小时（h1≈3m），石灰石在窑内堆积的安息角α较大，石灰石在窑内一般呈“抛物线状”布料，则窑中心位置料层偏厚、窑壁料层偏薄，“窑壁效应”被放大，直接导致窑内通风不适，焦炭燃烧强度不统一，窑中心的物料因通风不良，大量焦炭不能完全燃烧即随生石灰一起卸出窑外，出现取灰温度持续升高、结瘤子等恶化生产工况。

及时调整石灰窑料层高度（h2≈4m）后，石灰石在窑内堆积的安息角β逐渐变小直至负角度，则窑内原来“抛物线状”料面布置也逐渐反转，直至呈现较为理想的“浅锅底状”料面。此时，整个窑面物料下移均匀，窑气上升均匀有力，窑况趋好，取灰温度恢复正常。

图2 石灰窑料层示意图

2.4 石灰窑窑衬

我厂石灰窑已运行5年，窑内衬均已出现了不同程度的损坏，特别是煅烧区因耐火砖损坏、脱落形成了局部的一个个凹坑，如图3中A处所示。这样，石灰石和焦炭的混合物料进入煅烧区后，因凹坑的存在，加之经年累月积存悬挂于石灰窑内壁的瘤子（图3中的B）的阻碍，部分物料可能被截留暂存于凹坑内，因通风不适，此处物料中焦炭暂时处于“半熄灭”状态。

图3 石灰窑煅烧区窑衬损坏示意图

当窑况出现波动时，凹坑内物料随着瘤子的脱落再次进入煅烧区参与生产循环，其中焦炭则被重新“点燃”，随着物料的下移，被重新“点燃”的焦炭来不及完全燃烧就进入冷却区，随即与生石灰一起被卸出，石灰窑出现取灰带火、灰温骤升，并伴随下瘤子等恶化工况，给设备和人身安全带来危害

为消除此种不利因素对生产的影响，一方面，严格控制石灰窑的生产负荷，避免满负荷甚至超负荷运行，因为生产负荷的加大、石灰窑通风剧烈，煅烧区燃烧势必得到强化，适宜的煅烧温度很难保证；另一方面，控制上应尽可能避免窑况的波动，保证指标合格前提下，煅烧温度须尽可能控制在低限，避免石灰窑结瘤子，延缓窑衬损坏速度。

2.5 取灰速度

取灰速度即为煅烧后到达出灰螺锥的生石灰经星形出灰机卸出的快慢。生产上，可以通过调节转盘的转动频率实现取灰速度的改变。2014年8月份，我们在浙大中控的先控平台的支持下，对2＃石灰窑进行了调节转盘频率出灰的生产实验，分别选取75%和100%两种频率操作，并统计过程数据进行分析如表2。

表2 不同转盘频率的出灰温度统计

如表2分析，使用满频（100%）快速取灰，灰温不管是最大值、最小值还是平均值，都较使用相对低频（75%）慢速取灰来得低；同时，快速取灰灰温的波动梯度，即标准方差值仅为1.5，也较低速取灰偏小。如此看来，窑顶出气温度控制在较经济情况下，尽可能提高取灰速度（高频）有利于灰温的控制。

2.6 分石器

我们知道石灰石和焦炭混合物料进入窑顶喇叭形布料器料盅后，在传动机构的驱动下，料盅按照既定的多点（四点或五点为一个循环）布料模式旋转一定角度后，利用杠杆原理，以卷扬机料斗的重力开启窑盖，物料即沿着螺旋状分石器撒入窑内，形成“马鞍形”料面，从而削减了中心透风阻力、增长了窑壁透风阻力，使窑内通风趋于均匀。因此布料效果的优劣，分离器起着至关重要的作用。

我厂使用的分石器是由四块尺寸依次递减的扇形溜板通过连接板相互对联而成的螺旋状设备，见示意图4。随着物料的经年冲刷侵蚀、加之分石器长期处于窑顶高温（150～200℃）苛刻环境中，四块溜管、连接板对接螺栓都有可能出现磨损、断裂、脱落等设备破坏现象。设备的破坏必然带来布料功能的缺陷，“马鞍形”料面可能被破坏，从而造成物料在窑的整个横截面无法实现合理分布、恶化气体的通过质量，导致取灰温度的异常升高。

图4 分石器俯视示意图

为此，在石灰窑生产组织中，应该严格控制窑顶出气温度在160℃以下，为分石器创造优越的运行环境，延长使用寿命。

2.7 生产负荷

石灰窑长期高负荷运行时，上石量偏多，卸灰量偏大，使窑内物料下移速度加快，久而久之导致冷却区缩短，空气未能得到充分预热就进入煅烧区，使石灰石分解率降低，石灰生烧，且窑气CO2浓度降低、灰温升高，出现“煅烧区下移”现象。生产实践证明，较高负荷生产时，大窑的灰温稳定性比小窑表现的更好。

统计对比分析了我厂3＃窑2015年3月1～19日和2014年度同期数据如下。

表3 不同出灰频率的温度统计

当石灰窑在较长时间内持续进行高负荷生产时，工艺参数上，不论是灰温的高值、低值、平均值还是标准偏差都会出现显著升高。

遇到这种情况，别无它法，应立即降低石灰窑生产负荷，适当增加送风量，同时适时改善原料偏碎的状况，适当增加大块度原料比例，减少粒级偏差，降低窑内送风阻力，约30h后基本可恢复正常工况。

2.8 操作控制

毋庸置疑，司窑操作水平的高低、操作经验的多寡、对问题分析处理的正确与否，也是石灰窑灰温稳定的重要因素。倘若，不能根据实际情况合理平衡几台石灰窑的生产负荷，不能根据原料状态、上料多少正确配风，不能及时、精准配置焦比等，都会造成取灰温度的升高。

如此看来，加强日常操作管理、不断提高员工的操作技能、丰富员工的实操经验对稳定石灰窑操作、管控灰温尤为必要。

3 总 结

笔者通过长期一线生产经验的浓缩提炼、翔实客观的一手资料的统计分析，细致入微地研究分析了石灰窑生产中常见灰温波动问题，介绍了一些影响因素的有效规避措施以飨读者。然囿于笔者经验和能力所限，仍存在很多重要影响因素未能尽述，期待同行不吝赐教。

［1］ 中国纯碱工业协会.纯碱工学［M］.北京：化学工业出版社，1990

［2］ 陈学勤.氨碱法纯碱工艺［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1990

［3］ 黄少烈，邹华生.化工原理［M］.北京：高等教育出版社，2001

［4］ 马瑛.无机物工艺（第二版）［M］.北京：化学工业出版社，2011