淺談回轉(zhuǎn)窯節(jié)能降耗

回轉(zhuǎn)窯是對散狀或漿狀物料進(jìn)行加熱處理的熱工設(shè)備，廣泛用于有色冶金、黑色冶金、耐火材料、水泥、化工和造紙等工業(yè)部門，尤其是在一些有色金屬生產(chǎn)中占有重要的地位，用來對礦石、精礦、中間產(chǎn)物進(jìn)行燒結(jié)、焙燒等加熱處理。在回轉(zhuǎn)窯問世的100多年間，回轉(zhuǎn)窯作為燃燒裝置為物料煅燒提供必要的熱量，物料在生產(chǎn)過程中在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生高溫物理化學(xué)反應(yīng)，物料溫度可達(dá)1400～1450℃，煙氣最高溫度可達(dá)1700℃左右，由于窯內(nèi)熾熱氣流與物料之間的換熱效率低，從而產(chǎn)生了大量的余熱。對回轉(zhuǎn)窯采取措施進(jìn)行節(jié)能降耗，是提高相關(guān)工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的根本有效途徑，可以從以下四個方面考慮：

（1）燃料的燃燒效率。主要是降低燃料的機(jī)械不完全燃燒損失、化學(xué)不完全燃燒損失等；

（2）窯體熱輻射散熱，即加強(qiáng)窯體的隔熱能力，減小表面輻射換熱系數(shù)；

（3）余熱、廢熱的回收利用?；剞D(zhuǎn)窯的熱損失主要包括熟料冷卻熱損失、蒸發(fā)水分熱損失、窯灰熱損失、煙氣的熱損失等：

（4）輔助設(shè)備能耗。以下針對各個方面，對相應(yīng)的節(jié)能降耗技術(shù)進(jìn)行探討。

1、燃料的燃燒損失回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)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?fàn)t煤氣，天然氣由于成本太高，在國內(nèi)使用較少，而焦?fàn)t煤氣為鋼鐵企業(yè)普遍使用的燃料，也是適合回轉(zhuǎn)窯煅燒石灰的燃料；固體燃料是指煤粉，由于有些生產(chǎn)企業(yè)不具備氣源或燃?xì)夤?yīng)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(zhuǎn)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(nèi)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)使用的燃料大致可分為煤粉和煤氣兩大類，其燃燒裝置也不相同，下面就氣體和煤粉燃燒裝置的節(jié)能降耗分別進(jìn)行探討。

1.1煤粉燃燒據(jù)熱工測定統(tǒng)計顯示，我國回轉(zhuǎn)窯的不完全燃燒熱損失平均為每千克熟料250KJ，占熱耗的4%。其中化學(xué)不完全燃燒損失為34%～37%，熟料機(jī)械不完全燃燒損失平均為54～71KJ/kg。據(jù)資料介紹，廢氣中增加0.19%的CO，相當(dāng)于損失燃料0.6%，應(yīng)處理好以下的問題:

（1）選擇合理的煤粉控制指標(biāo)。煤粉越細(xì)，比表面積越大，燃燒速度快，不完全燃燒損失小。煤的灰分高低，對發(fā)熱量和燃燒速度有較大影響。我國煤種多樣，質(zhì)量波動也較大。對于灰分較高的煤，應(yīng)以較少的一次風(fēng)量并適當(dāng)降低煤粉細(xì)度來加速其燃燒，減少不完全燃燒，同時可以提高燒成帶的熱力強(qiáng)度，提高產(chǎn)量，增加效益。

（2）合理的過剩空氣系數(shù)。回轉(zhuǎn)窯選擇合理的排風(fēng)和一定的過?？諝饬渴峭耆紵氖滓獥l件。一般過?？諝庀禂?shù)控制在1.05～1.15之間較宜。

（3）合理的燃燒器結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)窯普遍采用的是煤粉燃燒器，其技術(shù)也非常成熟。隨著回轉(zhuǎn)窯燃煤技術(shù)的發(fā)展，煤粉燃燒器由單風(fēng)道發(fā)展到二風(fēng)道、三風(fēng)道、四風(fēng)道甚至五風(fēng)道，目前四風(fēng)道燃燒器應(yīng)用最多。單風(fēng)道的作用只是起到輸送煤粉的作用，對火焰基本沒有調(diào)節(jié)作用；二風(fēng)道多了一些調(diào)節(jié)功能，但仍然不理想；三風(fēng)道燃燒器主要由煤粉風(fēng)道、軸向風(fēng)風(fēng)道和徑向風(fēng)風(fēng)道組成，可以通過改變軸向風(fēng)和徑向風(fēng)的比例來調(diào)節(jié)火焰的形狀和長度；四風(fēng)道燃燒器增加了渦旋風(fēng)或中心風(fēng)道，對于煤粉的混合燃燒、二次風(fēng)的抽吸、火焰長短和形狀的調(diào)節(jié)等都能起到非常好的效果。目前，四風(fēng)道燃燒器是最先進(jìn)的燃燒器，它可以獲得在燒成帶需要的火焰形狀，提高燃燒效果，減少一次風(fēng)用量，增加高溫二次風(fēng)量參與燃燒，起到降低熱耗的作用。此外，四風(fēng)道燃燒器對煤的品種適應(yīng)范圍也較寬。根據(jù)水泥行業(yè)的統(tǒng)計，采用四風(fēng)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(yīng)盡量采用四風(fēng)道結(jié)構(gòu)。可見煤粉燃燒器的合理選用也是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

1.2低熱值煤氣的應(yīng)用焦?fàn)t煤氣的熱值為3600kCal/Nm3，轉(zhuǎn)爐煤氣的熱值為1600kCal/Nm3，高爐煤氣的熱值只有800kCal/Nm3，回轉(zhuǎn)窯使用煤氣煅燒活性石灰要求的熱值一般要大于2600kCal/Nm3，焦?fàn)t煤氣是最合適的燃料。但焦?fàn)t煤氣成本相對較高，供應(yīng)往往不能滿足活性石灰生產(chǎn)需要，而轉(zhuǎn)爐和高爐煤氣卻往往因為過剩被迫大量放散，如何利用低熱值煤氣是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的重要研究課題,特別是使用發(fā)生爐煤氣。低熱值煤氣在活性石灰回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)上已經(jīng)成功得到應(yīng)用。主要方法是采用混合煤氣、煤粉和煤氣混燒、高效換熱器進(jìn)行預(yù)熱等?；旌厦簹馐前匆欢ū壤龑⒔?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐或高爐煤氣進(jìn)行混合，混合后熱值有所降低，但可以滿足活性石灰生產(chǎn)要求；煤粉和煤氣混燒可以根據(jù)煅燒所需的熱值和燃燒溫度調(diào)節(jié)，將煤粉和煤氣進(jìn)行混合燃燒；高效換熱器可以利用廢煙氣將煤氣和一次風(fēng)預(yù)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時可以減少因大量放散帶來的環(huán)境污染。目前，通過煤氣化產(chǎn)生發(fā)生爐煤氣，并在由沸騰爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵腥紵M(jìn)而產(chǎn)生超高溫?zé)煔獾募夹g(shù)成為擴(kuò)大煤種適應(yīng)性以及回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)能力的主要突破口，與以上方法一樣，關(guān)鍵是解決好低熱值煤氣燃燒不易組織的問題，因此合理的煤氣燃燒器結(jié)構(gòu)以及空氣動力場、燃燒室性能成為研究的重點。以前國內(nèi)使用的煤氣燃燒器多為比較簡單的兩通道結(jié)構(gòu)，煤氣由中心通道通過，助燃一次風(fēng)由環(huán)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實現(xiàn)，火焰的形狀和長度只能根據(jù)一次風(fēng)的壓力和流量來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)能力很差，有時操作無法達(dá)到理想的燃燒效果。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?xì)馔ǖ馈⒅行娘L(fēng)通道、旋流風(fēng)通道、徑向風(fēng)通道等組成，旋流風(fēng)使煤氣與空氣混合均勻，中心風(fēng)可以調(diào)節(jié)火焰的長度，徑向風(fēng)用來調(diào)節(jié)火焰的形狀。因此在實際生產(chǎn)過程中，多通道燃燒器可以根據(jù)工況對火焰進(jìn)行全方位的調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳燃燒效果，其結(jié)果可以使煅燒的成品質(zhì)量更加穩(wěn)定均勻，還能適當(dāng)提高物料的停留時間，其節(jié)能效果也非常明顯。目前國內(nèi)已經(jīng)研制出適合各種氣體燃料的多通道燃燒器，可以實現(xiàn)全部國產(chǎn)化，使用效果也很好，價格僅為進(jìn)口的10％，建議在國內(nèi)使用氣體燃料的單位盡量采用多通道燃燒，提高燃燒效果以及節(jié)能降耗。使用多通道燃燒器一般要求氣體供應(yīng)壓力達(dá)到10～20kPa，需要建燃?xì)饧訅赫?，會增加部分投資，但從長期運(yùn)行節(jié)能降耗上來看還是非常經(jīng)濟(jì)的。

2、窯體熱輻射散熱回轉(zhuǎn)窯工作過程中，通過筒體散失到空氣中的熱損失，占總熱量的20%以上?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)熱氣流的熱量是以熱傳導(dǎo)的方式通過窯襯和筒體散失到周圍空氣中的，窯襯的導(dǎo)熱系數(shù)越小，即熱阻越大，散熱損失就越小，所以提高窯襯的熱阻是回轉(zhuǎn)窯節(jié)能降耗的重要措施。散熱是必不可免的，在筒體外部安置換熱器，是降低能耗的另一種措施。

2.1采用不同隔熱窯襯采用增厚窯襯減少散熱，會存在使窯襯過厚而影響運(yùn)行安全與效率的問題。針對不同的段帶采用不同的隔熱能力的窯襯，是解決這一問題的主要方式，做到既節(jié)能又可提高經(jīng)濟(jì)效益。在干燥帶、預(yù)熱帶窯襯內(nèi)表面溫度小于1000℃，窯內(nèi)氣流溫度小于1200℃的部位，采用頁巖陶粒隔熱磚。頁巖陶粒隔熱磚的隔熱性能好，窯體外表面溫度與用粘土磚相比降低70～80℃，粘土磚筒體外表面溫度為220℃左右，陶粒磚為150℃左右。另外陶粒磚代替粘土磚砌入窯內(nèi)，由于容重小，相同厚度的窯襯重量減輕1/2，同時其耐堿性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于粘土磚。分解帶采用耐堿不燒復(fù)合磚，其熱震穩(wěn)定性良好，耐堿侵蝕，荷重軟化溫度適中，工作層和隔熱層有機(jī)融為一體，隔熱效果好，經(jīng)測試節(jié)能效果顯著。過渡帶、冷卻帶采用高活性相結(jié)合復(fù)合磚，其導(dǎo)熱系數(shù)低，能有效降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度，減少熱量散失，性能明顯優(yōu)于目前使用較多的鎂鋁尖晶石磚和直接結(jié)合鎂鉻磚。

2.2利用輔助絕熱材料在回轉(zhuǎn)窯的窯襯中放置導(dǎo)熱系數(shù)更小的輔助絕熱材料，提高窯襯的熱阻，從而減少經(jīng)過筒體的熱損失。采取的措施主要通過改變耐火磚的形狀，形成異形耐火磚，在窯襯與筒體之間形成網(wǎng)格狀的空隙，作為輔助絕熱材料的填充空間。異形耐火磚被切去部分的體積越大，形成的網(wǎng)格狀空隙也就越大，安放的輔助絕熱材料就越多，隔熱效果也就越好，但異形耐火磚被切去部分過大會導(dǎo)致耐火磚徑向強(qiáng)度減小。另外輔助耐火材料的安放位置也很重要。出于成本考慮，沒有必要在整個回轉(zhuǎn)窯的窯襯中都安放輔助絕熱材料。燒成帶筒體表面溫度最高，在該區(qū)段經(jīng)筒體的散熱損失最大，可達(dá)筒體總熱損失的35%以上。模擬研究表明，在高溫區(qū)段即燒成帶安放輔助絕熱材料效果最好。此外，還可在窯體表面涂耐火涂料，以減小輻射散熱。

2.3利用預(yù)熱器、夾套等針對回轉(zhuǎn)窯筒體散熱情況，不同企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)實際，對其進(jìn)行了回收利用。

（1）預(yù)熱一次空氣。將預(yù)熱器安裝在筒體最高溫度帶，使空氣在預(yù)熱器內(nèi)緊貼著筒體表面和散熱片表面進(jìn)行湍流運(yùn)動，通過延長空氣在預(yù)熱器內(nèi)的時間，強(qiáng)化換熱效果。

（2）設(shè)置水夾套。在回轉(zhuǎn)窯高溫帶筒體外安裝兩個半圓形水夾套，將筒體夾住。利用窯筒體的散熱將夾套中的水加熱成蒸汽或熱水，用于車間、辦公室的取暖或工廠的浴池。

（3）焊接夾套層，用于烘干。利用回轉(zhuǎn)窯的傾斜角度和筒體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并在夾套中焊上導(dǎo)向葉片，使物料沿著筒壁不斷運(yùn)行并被窯體的散熱烘干。

3、余熱、廢熱的回收利用

3.1降低窯灰?guī)ё叩哪芎母G灰?guī)ё叩臒釗p失約占熱耗的1%～4%，比重雖不大，但窯灰本身是一種原料，不可忽視。避免電收塵器時開時關(guān)，提高收塵器效率，選擇合適的窯內(nèi)風(fēng)速、生料顆粒重度和熱交換設(shè)備的型式，都可減少窯灰的逸出量，從而減少窯灰?guī)ё叩臒崃俊?/span>

3.2降低水分帶走的能耗降低水分帶走的能耗料漿水分越高，料漿水分蒸發(fā)熱耗也就越大。降低料漿水分蒸發(fā)熱量，必須降低磨料漿水分，減少泵的外加水。采用料漿稀釋劑，提高料漿流動度，是降低料漿水分蒸發(fā)熱量的關(guān)鍵，是實現(xiàn)濕法窯節(jié)能增產(chǎn)的一項既經(jīng)濟(jì)又簡單的途徑。從理論上講，料漿水分每降低1%，可降低熟料熱耗1%～2%，增產(chǎn)熟料1.5%～2.5%。

3.3熟料冷卻熱損失物料冷卻是影響系統(tǒng)能耗的重要環(huán)節(jié)，燒成的熟料進(jìn)入冷卻器時的溫度在1000℃左右，帶有大量熱能。據(jù)統(tǒng)計，我國回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熟料帶走熱損失占熟料熱耗的8%，達(dá)293～520KJ/kg，國外一般為184～470KJ/kg。在回轉(zhuǎn)窯節(jié)能降耗中，提高冷卻器的冷卻效率，對保證入窯二次風(fēng)溫非常關(guān)鍵。單筒冷卻器采用揚(yáng)料板靠自然吸風(fēng)對物料進(jìn)行冷卻，冷卻效果差，冷卻風(fēng)量無法調(diào)節(jié)，二次風(fēng)溫度低，系統(tǒng)能耗高；篦冷機(jī)冷卻效果雖然好，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動件和特殊材料多，維護(hù)不便；方形多風(fēng)塔式豎式冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，除出料振動給料機(jī)之外無其它運(yùn)動部件，冷卻效果好，可以迅速將物料從1000℃冷卻至100℃左右，冷卻風(fēng)經(jīng)熱交換后作為二次風(fēng)入窯參與燃燒，從而加快入窯煤粉起火，使之燃燒完全，進(jìn)而減少了煤粉的機(jī)械和化學(xué)不完全燃燒造成的熱損失，同時大量熱能得到回收，節(jié)能效果非常明顯。另外在冷卻器的內(nèi)部，可以考慮放置換熱器，充分利用物料的散熱，加熱水或空氣等，以作其它用處。

3.4煙氣排放熱損失煙氣排放熱損失是熱耗中最大的一項，平均為2006KJ/kg左右，約占熱耗的33%，其取決于煙氣溫度和煙氣量。增加窯內(nèi)傳熱面積，加強(qiáng)熱交換效果，加強(qiáng)密封，對降低煙氣溫度及減少煙氣量排放是首要的。據(jù)統(tǒng)計，窯尾溫度每降低4℃，干法窯可降低熱耗3.8KJ/kg；半干法窯達(dá)12KJ/kg；濕法窯達(dá)5.6KJ/kg。每千克熟料少用0.002kg標(biāo)準(zhǔn)煤，可以減少0.015m3的煙氣量，可降低4.18KJ/kg的熱耗。因此降低煙氣損失是降低熱耗的重要途徑，是提高企業(yè)效益的重要途徑。

3.4.1余熱發(fā)電我國最早在大連水泥廠和唐山啟新水泥廠采用了帶余熱發(fā)電系統(tǒng)的干法中空回轉(zhuǎn)窯。該窯爐煙氣排放溫度850～900℃，在窯尾裝上余熱鍋爐，并配帶汽輪發(fā)電機(jī)組，利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。我國80年代自行設(shè)計和開發(fā)了若干條余熱發(fā)電窯，余熱發(fā)電技術(shù)有了較大提高，運(yùn)行參數(shù)提高到215MPa左右，單臺裝機(jī)容量達(dá)到3000kW，國產(chǎn)的1500kW、3000kW汽輪發(fā)電機(jī)組，基本滿足了水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)的需要。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，700t/d和500t/d余熱發(fā)電窯的余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)提高到315～3182MPa，單臺裝機(jī)容量達(dá)到3000kW和6000kW，噸熟料發(fā)電量140～160kWh。目前最好的余熱發(fā)電系統(tǒng)噸熟料發(fā)電可達(dá)180～195kWh。在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程的同時產(chǎn)生電力，可基本解決生產(chǎn)所需的電力負(fù)荷，電力自給率在80～100%，對減少電費(fèi)支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了重要作用。

3.4.2預(yù)熱物料在窯尾設(shè)置窯外預(yù)熱裝置，用煙氣預(yù)物料，是合理利用尾氣熱能的一種有效方法。在預(yù)熱技術(shù)中，應(yīng)用最廣的就是懸浮預(yù)熱技術(shù)。懸浮預(yù)熱是指低溫粉體物料均勻分散在高溫氣流中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行熱交換，使物料得到迅速加熱升溫的技術(shù)，集生料預(yù)熱、氣固分離、生料水分蒸發(fā)、部分碳酸鹽分解等物理化學(xué)過程為一體。懸浮預(yù)熱技術(shù)，從根本上改變了物料預(yù)熱過程的傳熱狀態(tài)，將窯內(nèi)物料堆積態(tài)的預(yù)熱和分解過程，分別移到懸浮預(yù)熱器和分解爐內(nèi)在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行。由于物料懸浮在熱氣流中，與氣流的接觸面積大幅度增加，因此傳熱速度極快，傳熱效率很高。同時，生料粉與燃料在懸浮態(tài)下，均勻混合，燃料燃燒熱傳給物料，使之迅速分解。因此，預(yù)熱技術(shù)大幅度地提高了生產(chǎn)效率和熱效率，具有單位產(chǎn)品熱耗低、窯的單位容積產(chǎn)量高、維護(hù)工作量少，單位產(chǎn)品的投資少的優(yōu)點。懸浮預(yù)熱器可分為立筒預(yù)熱器和旋風(fēng)預(yù)熱器兩類。隨著旋風(fēng)預(yù)熱器窯和窯外分解窯的發(fā)展和成熟，立筒預(yù)熱器窯的發(fā)展受到較大的沖擊，已趨于淘汰。另外在尾部煙氣管道內(nèi)可以放置換熱器，起到省煤器和空氣預(yù)熱器的作用。

4、輔助設(shè)備能耗在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中應(yīng)合理選擇風(fēng)機(jī)、泵類的設(shè)備能力及其拖動電機(jī)的額定功率。要充分重視此類設(shè)備的節(jié)能潛力，避免此類裝置及其電機(jī)經(jīng)常處于非額定工作狀態(tài)，使電機(jī)效率降低，功率因數(shù)下降，增加電力消耗，必要時可以采取加裝電機(jī)的調(diào)速裝置的措施，提高設(shè)備的效率。