工业石灰窑生产技术评述

邬建国，张 洋，杨红亮，杨 乐

(中盐内蒙古化工股份有限公司 制钠厂，内蒙古 阿拉善 750336)

在我国传统大工业化生产中，钢铁工业，电石工业，氧化铝工业，耐火材料等工业都是石灰消耗大户，近些年这几个行业都是高速发展的行业，并且每年的产量基本都是以20%以上的速度在增长。可石灰窑需要的主要材料(辅助材料)石灰却没有相应增长，造成石灰紧张，从而刺激了各类土石灰窑项目大量上马，土烧窑又造成了对环境的严重污染，在这种情况下，国家和地方政府相继出台了一系列整治土烧窑的政策和法规，但很难实现预期效果，原因是有需求的刺激。因此要想彻底治理土烧窑的污染，必须推行现代新技术石灰窑来解决需求的问题。所谓现代新技术石灰窑就是具有环保、节能功能和机械化 、自动化程度较高的现代化石灰窑。因采用了现代技术，所以它能充分利用廉价能源，特别能利用原来对环境有污染的气体做主要能源，变废为宝。这样不但对环境能起到保护作用，而且它生产的石灰，质量好且成本低。利用这一新技术的企业，经济效益会有明显增加。这就是近年来行业推广新技术石灰窑的现实意义所在。

1 传统石灰窑的基本原理和热工工艺

石灰窑按燃料分有混烧窑，即烧固体燃料，焦炭、焦粉、煤等；气烧窑，气烧窑包括烧高炉煤气、焦炉煤气、电石尾气、发生炉煤气、天然气等。按窑形分，有竖窑、回转窑、套筒窑、西德维马斯特窑、麦尔兹窑(瑞士)、弗卡斯窑(意大利)等。同时又有正压操作窑和负压操作窑之分。林州现代科技中心研制设计了300 m3以下的混烧窑和140 m3以下的气烧窑，特别是高炉煤气和焦炉煤气燃烧的XD型节能环保石灰窑。该类石灰窑彻底攻克了焦炉煤气热值高、火焰短的燃烧难题，可以使剩余焦炉煤气得到充分利用。由原来的焦炉煤气“点天灯”，污染环境变为了为企业创造效益的宝贵能源。对中小钢铁企业、焦化企业、电石企业、和耐火材料工业都是节能、环保、增效的有效途径。

1.1 石灰窑的基本原理

石灰石主要成分是碳酸钙，而石灰主要成分是氧化钙。烧制石灰的基本原理是借助高温，把石灰石中碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳的生石灰。它的反应式为：

它的工艺过程为，石灰石和燃料装入石灰窑(若气体燃料经管道和燃烧器送入)预热后到850 ℃开始分解，到1 200 ℃完成煅烧，再经冷却后，卸出窑外，即完成生石灰产品的生产。

不同的窑形有不同的预热、煅烧、冷却和卸灰方式。但有几点工艺原则是相同的，即：原料质量高，石灰质量好；燃料热值高，数量消耗少；石灰石粒度和煅烧时间成正比；生石灰活性度和煅烧时间，煅烧温度成反比。

1.2 石灰窑的质量和数量消耗

工业用石灰对石灰石的质量要求主要有两个方面:一是要求碳酸钙成分含量高，一般要求要在97%以上；二是它的结构晶粒小，因为晶粒小的石灰石晶间不严实，且在含有有机物的情况下，有机物燃烧形成的多孔状，二氧化碳容易分离，便于煅烧；三是杂质少，特别有害成分少如二氧化硅，氧化镁、氧化铝、氧化铁、硫和磷等。这些成分在石灰石中若有1%，到煅烧成的生石灰中，就是18%。烧1 t石灰按理论计算需1.78 t石灰石，但煅烧时“生”“过”烧的高低和石灰石质量好坏也有一定区别。

1.3 生石灰的质量标准

石灰质量的一般标准是:氧化钙含量，生、过烧率、活性度、有害成分含量等。但更重要的是不同的行业，不同的用途又有不同的标准。如电石行业特别强调活性度即软烧灰，炼铁行业强调强度，所以要硬烧灰，炼钢则又要软烧灰。因此它的指标也是不一样的。一般标准生石灰，氧化钙含量要达到 97%以上，“生”“过”烧率小于10%，活性钙要300 mL以上。

1.4 燃料与燃烧状况

烧石灰的燃料很广泛，固体燃料、气体燃料、液体燃料都可以，但新技术石灰窑的燃烧原则是，哪种燃料最经济、哪种燃料更有利于环保、哪些燃料更能节约能源是新技术石灰窑的关键。现在使用普遍的主要是焦炭和煤气。对新技术来说最理想的还是煤气，包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、电石尾气(煤气)发生炉煤气等是石灰窑的最好燃料。因为这些气体燃料都属于废物利用，循环经济性质。特别像焦炉煤气现在大部分放散，资源十分丰富，其次是高炉煤气，再就是电石尾气,这些煤气若利用起来，一来可大量节约能源，二来环境可得到保护，更重要的是企业可以有很好的经济效益。这些气烧石灰窑，若大量发展起来，土烧窑污染环境的问题自然就解决了。好的项目之所以发展缓慢，主要是气烧石灰窑技术在我国发展起来时间还比较短，任何事物都有一个发展认识的过程。特别是焦炉煤气，由于热值高、火焰短，石灰窑使用容易过烧和生烧，导致有的企业不敢大胆使用。其实这不是太难解决的问题，林州现代科技中心，现在已经研究制造出外混式长火焰烧嘴，和石灰窑自循环稀释高热值煤气的工艺技术，完全可以解决焦炉煤气的烧石灰问题。烧石灰用燃料的多少和它炉型与燃料的热值有关。

2 石灰窑主要设备及配套设施

2.1 石灰窑的基本结构和设备

石灰窑主要由窑体、上料装置、布料装置、燃烧装置、卸灰装置、电器、仪表控制装置、除尘装置等组成。不同形式的石灰窑，它的结构形式和煅烧形式有所区别，工艺流程基本相同，但设备价值有很大区别，使用效果肯定也是有差别的。

2.2 主要设备

石灰窑主要附属设备有上料机构,布料器，供风装置、燃烧装置,卸灰装置等，相对而言,混烧石灰窑布料很关键，因为燃料和石灰石同时入窑时，必须通过布料实现炉料在窑内的合理分布，消除炉壁效应，均衡炉内阻力，力求整个炉截面“上火”均匀一致。布料器形式和使用效果对石灰窑的生产效率有很大影响。现在有各种各样布料器，包括旋转布料器、海螺形布料器、固定布料等，其中，林州现代科技中心研制的三段钟式布料器利用“漏斗喉管效应”和“倒W堆集角效应”原理和可调式档料板相结合的方式,结构简单,对解决原燃料的均匀混合和大小粒度的合理分布问题效果很好。而且具有耐高温、耐磨损和方便检修等多种优点，特别适用于中小型石灰窑配置。而气烧窑它的主要附属设备是燃烧器，因为它的气体燃料是通过燃烧器把可燃气体和所需氧气(空气)按一定比例在燃烧器内混合后送入炉内燃烧，而且不同的燃气所需的空气量也不同，不同的炉型，不同的加热方式，它需要的火焰类型也不相同。如预混式、半混式、外混式及氧化焰、中性焰、还原焰等。气烧窑的燃烧器一定程度上决定着石灰窑的煅烧效果。当然其它附属设备也很重要，如风帽，看似很简单，但要保证它所供窑内风量在整个窑断面上的分布才有好的效果。

2.3 石灰窑附属设备供风和风机选择

无论混烧窑还是气烧窑都需要一定合理供风，任何燃料燃烧都必须具备三个条件，即燃料、空气(氧气)、明火，缺少任何一项条件都不会燃烧。风的用量是根据燃料的可燃成分的需氧量来计算,若供风不足燃料就不会充分燃烧,供风过量过剩空气则变成烟气带失大量热量,从面造成燃料的增加和浪费。风量一般按公式计算，压力要根据不同窑型，不同原料粒度形成的不同阻力来计算，原燃料粒度不同也有差异。因此选用风机既要以理论计算的基础又要以具体炉型和实际经验为依据来选定风机，才有好的使用效果。

2.4 石灰窑的除尘与环保

石灰在煅烧时排放的烟尘中含有大量的有害气体和10 μm以下的粉尘，粉尘中又包含SO2、F2O3、AlO3等。这些有害气体和粉尘对人体的危害很大，如果人们长期吸入会引起支气管和肺部等呼吸性疾病，幼儿更为严重，而且飘浮在空中的粉尘中还含有致癌物质，若24 h呼吸平均浓度超过150 mg/m3的有害粉尘对人体会造成致命危害。新技术石灰窑，它的主要优点是除能耗低、产量高、质量好外，最大的好处是便于除尘。整个煅烧过程是相当于在一个密封容器中进行，它的烟气可从窑顶烟气管道排出，通过除尘净化，然后达到无害、无污染的达标排放。

2.5 石灰窑的自动化控制

自动化控制是新技术石灰窑的重要特点，它的上料、配料、供风、供气、卸灰都是通过电脑自动化控制完成，但也要考虑国情、厂情和价值成本,以最终效果为原则。

3 气烧石灰窑技术的发展

石灰生产在我国已有几千年的历史，气烧石灰是近几年才在我国发展起来的石灰生产技术,众所周知石灰是由石灰石烧制而成的，石灰石主要成分为碳酸钙(CaCO3),烧成后的石灰为氧化钙(CaO)。

理论上把1 g石灰石(碳酸钙)煅烧分解成石灰需要177.94 kJ热量,而实践中除分解碳酸钙消耗热量以外，还要有煅烧窑本身的热损耗和烟气跑冒带走的热量，所以实际上煅烧分解1 t石灰石成石灰需要2.31×106kJ(1 000 kg石灰石可煅烧成560 kg石灰)。由此可知1 t石灰需要石灰石1.78 t,煅烧1 t石灰则需要4.12×106kJ热量。在生产实践中工艺、设备不同则有一定区别。无论传统的土窑还是现代的机械化窑都是这个原理只是窑型不同，燃料不同而已。现在的气烧窑同样是在这个原理下发展起来的。传统的石灰窑主要是以固体燃料(煤炭)为主，现在因能源的紧张和环境保护意识的加强气烧窑越来越受到青睐。气烧窑的工艺和结构比煤烧窑简单，而且气烧窑烧成的石灰无杂质无炉渣，特别是现在烧石灰窑用的燃料气大部分都是过去作为废气排放的有害气体。现在用来烧石灰窑完全是变废为宝成本较低。事实上是既节能又环保，因此发展很快，燃气体种类也越来越多。

焦炉煤气石灰窑、电石尾气石灰窑、兰炭尾气石灰窑、瓦斯气石灰窑、甲荃尾气石灰窑、黄磷尾气石灰窑等多种尾气石灰窑，这些尾气都有很好的热值，如高炉煤气3.56×103kJ、焦炉煤气1.67×104kJ、电石尾1.13×104kJ、瓦斯气2.09×104kJ、兰炭尾气6.70×103kJ、甲醛尾气7.95×103kJ。这些气体石灰窑工艺和普通石灰窑结构也大致相同，只是不同的气体设计了不同的窑型窑径，同时根据不同气体成分及火焰燃烧特性设计了不同的燃烧装置，尽可能使石灰石在窑内煅烧时既不生烧也不过烧并且有高产量。

所谓窑型结构主要要根据不同的燃气火焰长短和产量需要来设计窑容窑径，实践证明气烧窑的窑径宜小不宜大。尽管气烧窑为石灰石单一原料不像煤烧窑石灰石和煤必须要有好的均匀混合分布但也有粒度的合理分布，保证窑内有好的透气性。这就要有一定的布料装置，但总的来说气烧窑的布料装置要比混(煤)烧窑的布料装置简单的多。燃烧装置主要是燃气和空气的合理配比，配比合理才有好的燃烧效果。

石灰石在窑内煅烧都要经过三个阶段即预热段(带)、煅烧段(带)、冷却段(带)。三段要有三段的温度控制，这就需要通过仪表和操作经验相结合来掌控。煅烧段最关键，因为它的煅烧过程既与温度有关系又与时间有关系，所以只靠一种手段是不行的，仪表和经验都很重要，两者必须结合。卸灰是石灰窑煅烧石灰的最后一道工序，但它仍是煅烧的重要环节，窑下卸灰和窑上加料都是调节窑内热工状况的重要手段。气烧石灰窑的环保治理要比煤烧窑相对容易，它的浓度较小由其现在为提高石灰质量和产量所入窑的石灰石都要经过二次筛分，有的还增加了水洗工序，通过旋风除尘和布袋除尘两级除尘很容易就可达到排放标准。气烧石灰窑有很多优点但有一点不可忽视即安全生产，因为所有可燃气体都含有有毒成分如一氧化碳，如有泄漏就容易发生一氧化碳中毒，同时又有易燃易爆的特点，特别含氢成分大的尾气若接触到明火更容易爆炸。设计气烧石灰窑必须要配置好安全设施，同时要有严格的操作规程和管理制度以保证安全生产。

4 石灰窑类型及技术经济参数

我国在冶金石灰生产中窑炉种类基本一致，主要有回转窑、引进类竖窑(双膛竖窑、套筒竖窑、梁式竖窑)、国产气烧竖窑、焦炭竖窑等。

4.1 回转窑

在全世界广泛采用，回转窑具有以下优点：焙烧的石灰质量在所有窑型中最好；能烧5 mm以上的碎石原料，有利于矿山资源的利用；机械化程度高，控制系统简单，生产操作容易；单窑产能最高，其缺点是热耗比竖窑高、设备重量大、占地多、投资高。

4.2 引进类竖窑(双膛竖窑、套筒竖窑、弗卡斯竖窑)

在全世界广泛采用，这种类型竖窑具有以下优点：焙烧的石灰质量好；废热能较充分利用，热效率较高；与回转窑相比，占地面积小；排出的废气温度和粉尘含量较低，易于采取废气净化处理措施，有利于减少环境污染。

双膛窑缺点是机械设备复杂，要求操作工人素质较高。窑体正压操作，检修困难。用煤粉作燃料时，对煤质要求苛刻。套筒窑缺点是窑体结构复杂。对窑衬耐材质量和砌筑要求高，日常维护量大。梁式竖窑不足之处是国内建设的窑型少。石灰产品档次与其它引进窑相比稍有差距。

4.3 国产气烧竖窑

该窑型是国内开发的传统窑型。石灰质量适中，在活性石灰窑型中建设投资最低。由于采用煤气为燃料，石灰质量在原燃料条件满足要是时，可达到活性石灰标准的下线。不足之处是窑顶废气温度高，热效率低，单窑产量低。近几年针对气烧窑存在的问题，国内开发研制了改进型气烧窑。原窑型不足之处有所改善，但投资高。

4.4 其它窑型

传统机械化焦炭竖窑是国内焙烧冶金石灰的主要热工设备，投资少、结构简单、操作方便。但因布料不均、无有效的调控手段，造成产品质量不稳定，指标波动大，生过烧严重。节能立窑是在简易窑的基础上对其窑型结构，环保和供风系统改进而成。改进后，质量明显提高且稳定，投资低，环保条件有了很大改善。各种窑型技术经济指标见表1。

表1 各种窑型技术经济指标Tab.1 Technical and economic indexes of various kinds of kiln

5 纯碱生产中石灰窑选型设计

在纯碱生产中，石灰工序的任务是制备石灰乳和提供清洁的石灰窑气。其工艺流程国内各碱厂均大致相同。但在石灰窑的操作控制方面，实现了PLC自动控制。按照逻辑关系和时间差，从自动配料、自动上料、窑顶上下钟帽的开合、分石器的布料等均为自动操作。在石灰窑的选型上，一般选用φ7 200/φ5 300立式焦碳混烧窑，具有较好的经济性和操作性。