“第四代煤电一体化石灰窑”工艺通过行业鉴定

                           “第四代煤电一体化石灰窑”工艺通过行业鉴定

      一、导语：

      在2021年01月18日召开的“中国石灰产业学会”年会上，唐山金泉公司报备的“第四代煤电一体化石灰竖窑技术”工艺装置通过了学会行业专家组的鉴证，获得了“新技术应用推广证书”。

      鉴定会上，专家组充分论证了各项工艺配置的可行性和推广应用价值，调取和咨询了唐山金泉公司2019年和2020年度在国内所设计建造的多家“省级示范工程”实际实施工程案例，对各项指标进行了鉴证和质询，最终达成了一直的鉴定意见。

      二、“第四代煤电一体化石灰竖窑”定型推广装置介绍

      通过报备鉴定资料显示，该项技术在2021年度开始正式推广，目前已经确定的“示范工程”标准配置和最新专利技术应用主要有：

      1、   原料及混配系统：

      原料与混配系统实现“集约化”组合设计工艺，原料的筛分、清洗、称量、混配更加简约、实用，减少了占地面积。

      2、   上料系统：

      采用斜桥桁架双轨双车循环上料、变频调速，与单车上料方式相比可节电30%以上。

      3、   炉顶布料系统：

       选用“新一代多级复合筛分倾动旋转布料器”成套装置，能够实现炉内物料筛分、旋转、倾动、布料等“四项合一”是该装置的主要创新点，可以把不同粒度的石料通过多级复合旋转筛分体和倾动布料装置在炉内进行复合分级筛分及定点布料，可以把石料按照不同粒径根据炉体圆周半径进行差别化布料。在布料的过程中实现把小粒度石料通过可倾动布料装置在窑壁周边进行定点布料。

      布料方法创新采用了“三环布料法”，实现石料块度大小从里向外有序布置；在竖窑料面截面中心形成圆形放射状的大块石料聚集区，在环窑壁周边区域形成环形放射状的小粒度石料聚集区，有效解决了石灰竖窑煅烧过程中热工制度对布料要求的关键问题，通过控制炉内物料的粒度和形状分布、均衡炉内通风阻力、均匀热量分配以达到消除“窑壁效应”的目的。能够通过平衡炉内的燃烧以及控制气流在整个窑内料面截面的分布，达到窑内通风及上火一致、改变窑中心透气性差问题。

       实现“差热法”燃料布料是该项技术的“关键点”。由于窑壁阻风造成窑壁周边通风快原因和炉墙吸热能耗高等原因造成竖窑的“窑壁效应”是传统竖窑的最大弊病且一直无法解决。新型布料器创新采用了复合筛分功能，根据窑内断面边部及中部通风程度差别和能耗的差别，分别加入不同的煤量，有效的均衡了窑内断面的热量分布。

 专家鉴定点评：

       燃料采用“差热法”布料是解决“窑壁效应”的有效措施，但是，该项方法一般都是在传统的“层烧”竖窑上采用人工布煤的方法才可以实现，混料式燃煤竖窑采用布料器的方式能够实现“差热法”布料是一个创举。

       过去，传统的布料器一直致力于把“石料在炉内混匀”，但是都没有取得效果，有的还“适得其反”。新型布料器通过“三环布料法”，把不同粒径的石料之间形成不同体积的空隙，也就形成不同流量的高温气流流动，高温空气的不同热量分配可以形成大粒度石灰石区域高温煅烧，小粒度石灰石区域低温煅烧，这个方法也是关键。

       4、供风布风系统：

       石灰的煅烧是一种激烈的氧化反应，是燃料中的可燃成分与空气的氧气进行氧化反应，合理供风、加大供氧是节能石灰窑重要措施，是节能达产的重要环节，而且有利于降低石灰生过烧率、提高石灰的石灰活性度。

       活性石灰竖窑在煅烧过程中，供风的大小和布风均匀程度，对石灰的活性度和烧结的生熟均匀度至关重要，到达竖窑煅烧带风的量和流速决定了窑的生产能力，唐山金泉公司通过自主研发的“工业窑炉模拟三维仿真热工系统计算软件”有效的分析、模拟了石灰竖窑实际生产中所需的各项数据，根据热工计算原燃料的性能和粒度组成计算窑内料柱的通风阻力和流量，再根据阻力和流量确定窑的实际容积和选定竖窑高径比。

       最新第四代“等圆圆锥体概率风帽”装置供风方针是：“高富氧、稳风压、均风量、低功率、大效果”，使窑体统一截面上气流分布趋于一致，有效解决了窑壁效应及料柱抽芯问题，实现了定量送风，可以使炉内料面断面供风均匀，气流分布更加均匀，有效减少气流在炉内渗流区的偏析，打通一维渗流区、二维渗流区、三维渗流区的气流分布，实现富氧燃烧效果。

       该装置解决了第一代及第二代传统石灰窑鼓风系统圆柱形或一级、三级简易塔形风帽结构造成的气流在窑内的分布趋向于四周炉壁，中间单位面积流量小，加剧窑壁效应，易发生粘瘤现象，同时也有效的解决了布风风压及风量不均，使石灰生过烧率居高不下的问题。

       5、出灰系统：

       选用“多通道旋转出灰机”成套装置，可实现多通道多点平稳下料，可单点或多点调控炉内料面的下降速度和下料量，实现分级多点卸料，快速有效解决下料不均及偏料现象，可定点、多点排料快速解决窑内的偏烧、偏料现象，而且出料时料柱阻力均匀、排料顺畅。该装置实现了多通道同步旋转出灰，炉内周边分布的多个可调式卸料装置下料点汇集到一个旋转机构，与旋转体同步旋转下料，而且每个卸灰装置的出灰量是可调的，通过调整操控旋转体的旋转速度、下料速度来改变成品石灰下落前的堆积次序，使炉内断面各处下料均匀，出灰准确，出灰效率高、成品灰不破碎、炉内料位下降平整。

       专家鉴定点评：

       混料式石灰竖窑的出灰设备是保证竖炉横截面均匀出料、调节焙烧带形状、稳定窑内气流走向、破碎黏结物料、决定生产能力(产量)、影响产品质量的关键设备。

       长期以来国内石灰竖炉传统的出灰系统在生产中具有一定的局限性，比如：行星出灰机、托扳出料机、插板出灰机、齿辊出灰机、齿盘出灰机、振动出灰机等都无法控制排料量，造成炉内料面不能控制极易产生偏料问题，这些装置已经逐步淘汰。在50年代从苏联引进的“螺锥出灰机”及在90年代开始普及的“圆盘式出灰机”在使用过程不断发现的问题和一些无法解决的缺陷也急需解决。如：圆盘出灰机的中心下料快周边下料慢容易形成炉内料面中心漏斗现象，螺锥出灰机不能更换设备及拆装、维护繁琐的弊端、不能调整料面等缺陷。

       在生产中正确认识石灰窑出灰设备以及探讨其科学改进，对于提高石灰产量和质量、降低生产成本具有重要意义。以“多通道旋转出灰机”构成的新型出灰系统性能优良，主机为多通道的旋转出灰装备，能够避免出灰机下料不均匀，而且能够实现精准多点周边下料与中心下料同步旋转出灰。形成料面在360度范围内料流可调是其技术关键点，具有出灰机动灵活，出灰准确，出灰效率高、成品灰不破碎、炉内料位下降平整的特点。是目前国内唯一的实现了真正意义上的多通道多点同步出灰功能的新一代石灰竖炉专用出灰设备。

       6、卸灰系统：

       设计选用新型两段出灰阀装置，出灰装置是影响炉子利用系数和操作的关键部位，唐山金泉公司新开发的二段出灰机能够做到在不停风的情况下正常出灰，有效的避免了炉气的外泄。由此实现竖炉稳压恒量地供风和炉内气流的合理分布，保证了煅烧质量，改善了工作环境。

       7、炉体操控系统：

     “智能化操控和炉体三段操控装置”是唐山公司作为“第四代技术”升级中典型的创新技术之一，“炉体三段操控装置”通过“三级供风”措施可以有效的把炉体预热带、煅烧带、冷却带控制在合理的范围，可快速调节煅烧带的上移和下降。同时，还具有煅烧带料面调偏的功能，可实现炉体局部供风助氧升温和厌氧降温冷却的目的。

     “智能化操控”是最新应用的技术，该技术主要是应用自动化智能监控和数据采集技术，在生产中采集炉顶烟气进行智能测定，可以通过烟气中的CO含量来确定炉底助燃风机的供风量，通过烟气中CO2和O2含量来确定燃料配比。同时，通过采集炉顶温度、炉底温度和出灰温度等数据确定炉体“三带”温控数据。

       通过生产实践我们得知：当炉顶烟气中CO含量每增加1%时，在生产中燃料能耗就可以增加5-7%，当烟气中CO2含量每减少1%时就需要增加燃料消耗3-5%，当O2含量高于设定值时通过过剩空气带走的热量会增大热损失。可见，实现“智能化操作”对生产操控和节能是非常重要的。

        专家鉴定点评：

       通过生产实践证明，高效稳定的操作工艺技术是发挥生产工艺装备优势的关键，无论多么先进的装备如果没有相应的检测和调控手段是无法实现其功能的。如果想实现“高效、稳定、均衡”的生产必须在选用先进的装备同时还要应用和选择先进的操控装置和高效的操作技术方法。混烧石灰竖窑在生产过程中最难解决的问题就是炉况不稳定，也是能耗过高和石灰产品质量不容易把控的重要因素。石灰窑能否调控，调控手段是否有效便捷，调控功能是否强大等都是混料式竖窑生产中涌现出来的重大问题。

       而完善炉体“三段”操控装置，稳定“三带”位置及煅烧过程是达产、达标的重要措施，也是降低能耗，实现低成本生产的关键所在。

       8、 汽化活性调节装置：

       以全新的生产工艺与理念，竖窑结构利用新的组合生产工艺，以水为主要介质采用物理水蒸气法生产活性石灰。通过添加添加剂及采用气化法和活化法提高石灰活性度和石灰的纯度。通过汽浴和加热介质能够均衡窑内温度，减少生烧和过烧，加快CaCO3的分解速度，减少煅烧时间，从而提高了产能降低了能源消耗。生产过程实现了清洁生产，石灰S含量低，得到的氧化钙纯度高。

       该项开发技术简单、运行成本低，石灰活性度可达440ml以上，是竖窑生产活性石灰的新一代技术。

       9、炉内集气温控装置形成负压操作：

       负压操作是“第四代窑”的典型特征，在炉内预热带设置“炉内负压循环集气装置”，用于回收废气及余热用于炉体“三带操控装置”使用及回收二氧化碳使用，同时炉内了形成稳定的负压操作。

通过负压自循环煅烧方式，实现助氧燃烧，在内热源带形成二次燃烧带，加快煅烧反应速度，实现三级助氧供风。

       10、新型“仿形模拟炉型”选用：

       窑型内腔（窑膛）是由窑衬围成的用于焙烧石灰的空间，窑膛内部的截面形状对于物料在窑内的活动和气流在窑内的分布具有关键性作用。使窑内物料均匀下沉和顺行，并使气流能均匀地沿截面分布，是确定竖窑截面外形和尺寸的前提条件。混料式机械化石灰竖窑由于自身结构的原因，窑内物料分布孔隙率不均，通风存在“窑壁效应”。

      “唐山金泉公司”为了更好的提升传统石灰竖窑的实质性功能，进一步加强了对石灰窑竖窑窑型结构进行科学深入的研究和探索，对目前应用的窑型不断的进行改进和研究，运用气体动力学和热力学原理对石灰竖窑的煅烧原理进行了全新的研究，全面的、系统的揭示了“块状料层对气流的阻力问题”和“块状物料在窑内的气体速度场问题”等关键性问题，使助燃风可以科学的分层分布到所需要的窑内炉料断面上，使窑内气流均匀、火焰燃烧强度一致，窑内热气流由中向边、由边向中流动，气流、气压分布科学合理，使窑体统一截面上气流分布趋于一致，有效解决了窑壁效应及料柱抽芯问题。

        专家鉴定点评：

       目前我国石灰行业广泛应用的固体燃料石灰竖窑窑型结构主要有锥形式竖窑、花瓶式竖窑、直筒式竖窑等，其中前两者属于二十世纪六十年代至八十年代广泛应用的窑型，由于二者存在单位煤耗高、石灰质量品质差、窑壁效应严重等原因已经逐步退出市场。而直筒式竖窑是在九十年代从日本引进的技术并综合了国外其它窑型结构特点后推出的，是目前应用最为普遍的一种窑型，但是直筒窑型也没有彻底的解决石灰产品生过烧率高、活性度差的问题。如何通过选择石灰竖炉新型炉型结构来提升产品的品质和增加效益以及达到国家认证标准是目前亟待解决问题。

     “仿形模拟炉型”的选用是该项技术的主要特征，该炉型综合了“锥形竖窑”、“花瓶型竖窑”、“直筒型竖窑”等窑型中的一些优点，窑型内腔采用了“AHA仿形”结构，采用多椎体圆台与直线型结构组合应用，改变了窑体上下椎体收口的模式，通过新型风帽与窑体冷却带炉璧的形状组合，改变了冷却带的气流直线走向，气流向煅烧带中心区域辐射，使流向煅烧带中心的气流流量增加了30%以上，同时减少了煅烧带窑壁周边同等流量的风量。煅烧带流向预热带的气流也变为折线流向，使高温热气流逐渐向预热带中心增加流量，使预热带的中心通风效果更加强化。该项技术实现了石灰竖窑“三段富氧动态煅烧”方式。

       11、“超低排放”的环境治理技术创新应用：

       11.1、炉顶排放除尘脱硫系统（专有技术）

       主要由四个单独的烟气管道排放除尘脱硫装置组成，用于在炉况非正常情况下炉顶烟气放散排放时的烟气净化，也可用于地面除尘器检修或停机时的临时生产的必备装置。

       11.2、粉尘排放治理：

      选用新型布袋除尘器，增加旋降式一级除尘和空冷装置，实现烟气温度“可控、可调”，可达到粉尘净化排放指标：15-35mg/m³范围。

       11.3、烟气“双脱”治理系统：

      该项系统可实现炉顶烟气联合同时脱硫和脱白，能够在一个过程内实现烟气中 SO2 和“脱白”的同时脱除，终实现“双脱”一体化模式。可达到脱硫净化排放指标：50-100mg/m³范围。

       11.4、“嵌入式梯级炉内还原脱硝技术（TLH）”应用：

       该技术原理来自于SNCR脱硝技术原理，SNCR 是选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction）是一种成熟的低成本脱硝技术。该项技术的关键点就是不需要催化剂，只需要还原剂与高温烟气中的 NOx 发生反应，生成氮气和水，而烟气中的氧气却极少与还原剂反应，从而达到对 NOx 选择性还原的效果。

       该项技术已经过长期的试验研究、数值计算和工程实践，该技术系统具有下列显著优点：

       （1）、无需增加脱硝塔、反应器等大型炉外投资设备，实现石灰窑炉内直接脱硝，在石灰窑窑体上适宜的温度区不同部位“嵌入式安装脱硝设备”，不影响石灰窑的正常生产操作，而且可以任意调节或停止脱硝设备的运行。由于在炉内不同温度区域进行脱硝，充分利用了石灰窑生产中的余热，不需要外部增温增加的能耗费用。

      （2）、不采用“氨水”等材料为还原剂，采用各地易购的新型高分子材料为还原剂，脱硝效果更佳、没有“水”和“气”的二次排放污染也无固体废弃物产生。

      （3）、采用气相法和液相法综合操作方法，以石灰窑生产中原动力系统输送介质至炉内，在炉内活化和汽化，瞬间与NOx发生化学反应，还原成N2和H2O。

      （4）、采用梯级治理方法，巧妙的利用了石灰煅烧过程中石料下降时与气流逆交换产生的充足的气流停留时间进行NOx 还原反应，可以在NOx产生源头上进行燃烧过程控制以降低NOx含量，而且温度选择性也较强，使操作更简单。

     （5）、炉内还原气氛均匀、压力稳定、阻力小，而且脱硝还原带设置在贫氧而富燃料的区域，有助于减少燃料中的氮形成NOx(即燃料型NOx)。

     （6）、实现自动控制，采用独立的可编程序逻辑控制器，根据采集的相关信号，控制、调节主要设备运行情况，实现高效脱硝。

     （7）、系统设备结构简单，设备占地极少，可以安装在石灰窑空闲处的平台上。

     （8）、投资极低，性价比高，与选择性催化还原 (SCR) 技术投资相比只有其10%的投资，极具投资性价比，尤其适合民营企业选择应用。

    （9）、运行成本极低，运行费用约2-4元/吨石灰，相对于选择性催化还原 (SCR) 技术运行成本低约200%至300%范围。

    （10）、脱硝效率高：75-90%

       三、结束语

       以上技术及理念的运用，或许能够给我们带来一些启发，我们决不能拿80年代初期的水平来看待国内近几年石灰生产的新技术、新装备。实践证明，该项技术实现提高石灰品质和节能降耗的方法是可行的，是先进的、是成熟的，可以达到提质、环保、节能的预期目的。目前，唐山金泉公司的“第四代煤电一体化竖窑”暨“第四代新型节能环保内置循环负压工业竖炉”技术已经达到了全新的行业指标，吨灰能耗低于117-130kg/,利用系数最高达到了1.12，石灰生过烧率低于3-5%，活性度大于330mL，由此可见，石灰竖窑通过新技术的应用是完全可以创造出先进指标和经济效益的。该技术的运用，对我国这样一个能源消耗大国来说，意义深远，是值得大力推广的。

       唐山金泉公司“第四代技术”的多项技术改进和提升，大力推动了传统石灰产业向智能化和效益化改造提升的步伐。我们应该认识到，科技上的一个理论或一个创新，真正的意义在于能否有效解决现实工作或生产一线的实际困难，在于是否能够给用户带来实实在在经济效益，而且先进的科技产品必须依赖科学技术的不断实践。

       总之，只有把上述各项先进技术与理念根据自身的实际情况酌情借鉴、综合利用才能产生理想的生产和节能效果。所以，建设石灰生产项目不能违背石灰生产煅烧原理和生产程序，绝对不能以省钱为目的而随心所欲，使所建石灰窑不伦不类。用户在选择窑型及选择设计建造单位时要认真了解技术的真实技术含量、正确选择适合自己需求的技术，不能盲目以投资高低来选择，避免造成投资失误。

       据悉，截止于2020年底，唐山金泉公司已经完成江西抚州市、湖南省永州市、青海省格尔木市等地多座“煤电一体化石灰窑省级示范工程”，全部将在2021年年初投产。2021年度已经设计完毕即将陆续开工的“省级示范工程”将在山东省（济宁市）、甘肃省（平凉市）、陕西省（汉中市）、黑龙江（鸡西市）及新疆等地展开，届时，我们将进一步跟踪调研项目进展情况和技术实施情况。

附：部分工程现场掠影：