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)生高溫物理化學反應(yīng)，物料溫度可達1400～1450℃，煙氣最高溫度可達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)窯采取措施進行節(jié)能降耗，是提高相關(guān)工業(yè)經(jīng)濟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械不完全燃燒損失、化學不完全燃燒損失等；

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

（3）余熱、廢熱的回收利用。回轉(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爐煤氣，天然氣由于成本太高，在國內(nèi)使用較少，而焦爐煤氣為鋼鐵企業(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)不具備氣源或燃氣供應(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%。其中化學不完全燃燒損失為34%～37%，熟料機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。煤粉越細，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)以較少的一次風量并適當降低煤粉細度來加速其燃燒，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)窯選擇合理的排風和一定的過剩空氣量是完全燃燒的首要條件。一般過剩空氣系數(shù)控制在1.05～1.15之間較宜。

（3）合理的燃燒器結(jié)構(gòu)。回轉(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，煤粉燃燒器由單風道發(fā)展到二風道、三風道、四風道甚至五風道，目前四風道燃燒器應(yīng)用最多。單風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；二風道多了一些調(diào)節(jié)功能，但仍然不理想；三風道燃燒器主要由煤粉風道、軸向風風道和徑向風風道組成，可以通過改變軸向風和徑向風的比例來調(diào)節(jié)火焰的形狀和長度；四風道燃燒器增加了渦旋風或中心風道，對于煤粉的混合燃燒、二次風的抽吸、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，四風道燃燒器是最先進的燃燒器，它可以獲得在燒成帶需要的火焰形狀，提高燃燒效果，減少一次風用量，增加高溫二次風量參與燃燒，起到降低熱耗的作用。此外，四風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)用焦爐煤氣的熱值為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，焦爐煤氣是最合適的燃料。但焦爐煤氣成本相對較高，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、高效換熱器進行預熱等。混合煤氣是按一定比例將焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐或高爐煤氣進行混合，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)，將煤粉和煤氣進行混合燃燒；高效換熱器可以利用廢煙氣將煤氣和一次風預熱到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)生的高溫煙氣中燃燒，進而產(chǎn)生超高溫煙氣的技術(shù)成為擴大煤種適應(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，通常由燃氣通道、中心風通道、旋流風通道、徑向風通道等組成，旋流風使煤氣與空氣混合均勻，中心風可以調(diào)節(jié)火焰的長度，徑向風用來調(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)工況對火焰進行全方位的調(diào)節(jié)以達到最佳燃燒效果，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)壓力達到10～20kPa，需要建燃氣加壓站，會增加部分投資，但從長期運行節(jié)能降耗上來看還是非常經(jīng)濟的。

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。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱氣流的熱量是以熱傳導的方式通過窯襯和筒體散失到周圍空氣中的，窯襯的導熱系數(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)濟效益。在干燥帶、預熱帶窯襯內(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)合復合磚，其導熱系數(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致耐火磚徑向強度減小。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，對其進行了回收利用。

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

（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)運動，并在夾套中焊上導向葉片，使物料沿著筒壁不斷運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，對保證入窯二次風溫非常關(guān)鍵。單筒冷卻器采用揚料板靠自然吸風對物料進行冷卻，冷卻效果差，冷卻風量無法調(diào)節(jié)，二次風溫度低，系統(tǒng)能耗高；篦冷機冷卻效果雖然好，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，運動件和特殊材料多，維護不便；方形多風塔式豎式冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，除出料振動給料機之外無其它運動部件，冷卻效果好，可以迅速將物料從1000℃冷卻至100℃左右，冷卻風經(jīng)熱交換后作為二次風入窯參與燃燒，從而加快入窯煤粉起火，使之燃燒完全，進而減少了煤粉的機械和化學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，加強熱交換效果，加強密封，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12KJ/kg；濕法窯達5.6KJ/kg。每千克熟料少用0.002kg標準煤，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)電機組，利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機發(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，運行參數(shù)提高到215MPa左右，單臺裝機容量達到3000kW，國產(chǎn)的1500kW、3000kW汽輪發(fā)電機組，基本滿足了水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)的需要。隨著技術(shù)的不斷進步，700t/d和500t/d余熱發(fā)電窯的余熱發(fā)電系統(tǒng)運行參數(shù)提高到315～3182MPa，單臺裝機容量達到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)所需的電力負荷，電力自給率在80～100%，對減少電費支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益起到了重要作用。

3.4.2預熱物料在窯尾設(shè)置窯外預熱裝置，用煙氣預物料，是合理利用尾氣熱能的一種有效方法。在預熱技術(shù)中，應(yīng)用最廣的就是懸浮預熱技術(shù)。懸浮預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)下進行熱交換，使物料得到迅速加熱升溫的技術(shù)，集生料預熱、氣固分離、生料水分蒸發(fā)、部分碳酸鹽分解等物理化學過程為一體。懸浮預熱技術(shù)，從根本上改變了物料預熱過程的傳熱狀態(tài)，將窯內(nèi)物料堆積態(tài)的預熱和分解過程，分別移到懸浮預熱器和分解爐內(nèi)在懸浮狀態(tài)下進行。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、維護工作量少，單位產(chǎn)品的投資少的優(yōu)點。懸浮預熱器可分為立筒預熱器和旋風預熱器兩類。隨著旋風預熱器窯和窯外分解窯的發(fā)展和成熟，立筒預熱器窯的發(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)合理選擇風機、泵類的設(shè)備能力及其拖動電機的額定功率。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經(jīng)常處于非額定工作狀態(tài)，使電機效率降低，功率因數(shù)下降，增加電力消耗，必要時可以采取加裝電機的調(diào)速裝置的措施，提高設(shè)備的效率。