冶金石灰煅烧回转窑热平衡测试与分析

赵春竹 范哲铭 陈 钊 李强生

(1.中钢集团鞍山热能研究院有限公司，2.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司)

石灰煅烧设备一般包括竖窑和回转窑两类。目前，国内外冶金活性石灰煅烧设备基本均采用回转窑。回转窑生产石灰，可使用粒度较小的石灰石(粒径5 mm以上)作为原料，从而提高原料适用范围和利用率；煅烧生产的石灰质量好、纯度高、活性好，活度一般可以达350～400 mL(50 g石灰、4NHCL、10 min)；还具有机械化程度高，易于控制，劳动条件好，产量大等优点，适用于冶金工业。

文章通过对某钢厂Φ4.2 m×50 m冶金石灰生产回转窑进行热平衡测试，定量分析石灰回转窑热量利用现状，确定其热效率及其经济技术指标，为进一步提高石灰回转窑的热工操作、生产及能源利用提供依据和参考。

1 回转窑煅烧工艺

在回转窑生产过程中，首先将适当粒度的石灰石装入预热器，在预热器内被来自回转窑窑尾1 000 ℃左右的烟气预热，此时少量石灰石被分解；预热后的石灰石经溜槽从窑尾(高端)加入，燃料从窑头(低端)喷出燃烧，烟气由窑尾排出；物料加入回转窑后，随旋转倾斜窑体在窑内沿周向翻滚的同时沿轴向向窑头(低端)移动，物料在移动过程中，与燃烧高温烟气逆流换热，被加热到1 200～1 250 ℃继续分解，直到煅烧完全；煅烧生成约950 ℃的成品石灰从窑头排出进入冷却器，经冷却器底部鼓入的冷风冷却后排出。

某钢厂冶金石灰回转窑煅烧工艺及热平衡测试系统如图1所示。

图1 某钢厂冶金回转窑热工测试系统

2 热平衡测试方案及测试数据

2.1 计算基准

温度基准：0 ℃；

大气压基准：101 325 Pa。

2.2 测试方案

结合现场实际，划定热平衡测试范围如图1虚线方框所示，测点位置、主要测试项目及测试仪器见表1。

表1 主要测试项目及仪器

2.3 主要测试数据

(1)煤气成分及参数

该回转窑同时采用焦炉煤气和转炉煤气作为燃料喷入回转窑，两种煤气成分及参数见表2。

表2 煤气成分及参数 %

(2)原料及产品成分分析

石灰石及石灰产品比重分别为1 500和1 000 kg/m3，成分分析见表3。

表3 石灰石和石灰成分 %

(3)物料温度

进行了6次测温，时间分别为9：00、10：00、11：00、13：30、14：30、15：30，计算得到物料在预热器出口、回转窑出口、冷却器出口的平均温度为593.83、929.33和234.73 ℃。

(4)预热器出口排烟温度及成分

预热器出口排烟温度及成分见表4。

表4 预热器出口排烟温度及成分

(5)回转窑表面温度

采用红外热像仪对回转窑表面进行测试，除窑辊附近窑体表面温度略高于250 ℃，窑体绝大部分表面温度在280 ℃以上，平均温度为284.18 ℃。

(6)环境参数

经现场测试与计算，回转窑热平衡测试期间现场平均环境温度37.07 ℃，湿度36.67%，风速0.43 m/s，大气压力9 92.14 Pa。

3 物料平衡与能量平衡

根据测试数据，参照《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》、《炭素制品生产炉窑—回转窑热平衡测定和计算方法》、《加热炉热工测定》等热工测试标准与计算方法，得到该回转窑物料平衡表和能量平衡表见表5、表6。

表5 物料平衡表

表6 能量平衡表

4 热平衡测试分析

(1)计算误差

经测试计算，物料平衡、能量平衡计算误差分别为-4.08%、-1.21%，均小于±5%，符合计算标准要求。

(2)成料比

根据物料平衡表，该回转窑熟料与生料的成料比为1∶2.26。

(3)热效率

根据能量平衡表，回转窑热效率为67.82%，热效率较高。这主要是由于原料石灰石经烟气预热后进入回转窑，降低了系统排烟气热损失；同时二次风经冷却器吸收成品显热后作为助燃风进入回转窑，降低了出料显热损失。

(4)系统表面散热

根据能量平衡表，系统表面散热占14.1%，主要原因为回转窑表面温度较高，大部分超过280 ℃，散热损失大。可采取适当保温措施，如选取保温性能更好的轻质耐火材料作为窑体砌筑材料，经测算，若能使回转窑表面温度降低30 ℃，则系统表面散热可减少2.31%，系统热效率提高1.78%；还可加装表面散热回收装置，对回转窑表面散热进行回收利用[1]。

(5)熟料带出热

根据测试数据，冷却器熟料出料温度为234.17 ℃，熟料带出显热占4.36%，还存在较大的节能空间，若能使出料温度降低100 ℃，则系统热效率可提高1.21%。

(6)空气系数与漏风[2]

根据燃料消耗量和燃料成分计算理论空气消耗量为14 848.3 m3/h，一、二次风实际供入量为15 774.28 m3/h，空气系数为1.06，与理论空燃比基本相符。预热器出口烟气含氧量为7.1%，计算出系统空气系数为1.51，表明系统存在较为严重的漏风。分析现场情况，主要为预热器漏风，烟气热量被漏风带走，降低了预热器预热效率，同时使排烟、除尘系统承担更大的额外负荷。应进行密封改造，减少漏风，增强换热，降低排烟热损失，提高系统热效率。

5 结论

(1)系统排烟热损失最大，占14.92%。预热器漏风较为严重，导致排烟热损失增加，应增强系统密闭性以提高系统热效率；同时，降低排烟温度也是提高系统热效率的主要手段，如可采取调整回转窑操作制度以增强窑内换热，增加烟气在预热器停留时间，对低温烟气余热进行进一步回收等措施。

(2)表面散热损失位居其次，占14.1%。对于回转窑，可采用隔热性能更好的耐火材料，以及加装窑体表面散热回收装置等；对于预热器、冷却器等，可采取加装外保温等措施，减少散热损失。

(3)因熟料出料温度较高，带走的显热损失也较高，占比为4.36%。应对冷却器进行风量调整或改造，降低出料温度，提高系统热效率。

(4)因回转窑热工参数较为复杂，影响因素多，建议对回转窑操作制度进行综合性全面诊断、优化与调整，将更多的变量引入连锁控制中，提高煅烧工艺自动化水平，实现更加精准的控制。