摘要：本文从保证石灰工业可持续发展出发，通过对烧成系统主机设备、燃烧装置和烟气处理系统特点的分析和对石灰石矿山、低热值煤气、粉尘及二氧化碳等资源的分析，对活性石灰回转窑系统的节能降耗和资源综合利用的途径及方法系统地进行了探讨，提出了建议和设想。
关键词：石灰工业 回转窑 节能降耗 综合利用 可持续发展
石灰作为工业生产的重要辅料，广泛应用于冶金、化工、环保、建材等诸多行业，高品质的活性石灰主要应用于钢铁企业的炼钢生产。实践证明，采用活性石灰炼钢与采用普通石灰炼钢相比，具有缩短吹氧时间、减少石灰消耗、提高废钢用量、提高钢水收得率、提高转炉炉衬寿命、减少萤石消耗、提高脱硫、脱磷 、提高炼钢温度命中率等一系列优点，且活性石灰成份稳定，有利于 炼钢过程自动控制。近年来，活性石灰的优点正逐渐被钢铁行业以外的其它行业所认识，目前国内已有数家氧化铝生产企业采用活性石灰做为脱硅辅料进行拜耳法氧化铝生产，取得很好的经济效益，活性石灰已经开始在金属镁行业(白云石)、电厂脱硫、电石生产等行业应用，应用范围正逐步扩大。
我国钢铁企业的发展带动了石灰工业生产的发展，特别是活性石灰成套工艺和关键装备的技术水平迅速提高，其中活性石灰回转窑 代表性。回转窑生产活性石灰可 大规模连续生产，产品质量稳定，活性度高，国内宝钢、鞍钢、武钢、太钢等大型钢铁企业都采用回转窑生产活性石灰，许多中小型钢铁企业和民营钢铁企业也采用回转窑系统生产活性石灰，成套系统和装备日趋大型化。目前国内单条生产线规模 为日产1000t，已投产的 生产规模为太钢3条日产1000t生产线。2000年以前，国内活性石灰回转窑系统主要集中在上述几大钢厂，单系统 生产规模只有日产600t。矿山机械工程设计研究院等单位自上世纪80年代初开始活性石灰回转窑系统工艺和设备的设计开发，从引进消化吸收到自主研发，技术水平得到极大提高，成套系统及装备能够 完全国产化，尤其是矿山机械工程设计研究院研制的大型高产节能活性石灰成套技术及关键装备通过 鉴定，获得河南省科技成果，其综合性能已达到国际先进水平，主要技术指标达到国际 水平。近年来，钢铁企业的产能不断扩大，活性石灰的需求也大幅增加，尤其是活性石灰回转窑系统越来越得到钢铁企业的重视，新建生产线以满足炼钢生产需求，规模也不断扩大。随着活性石灰工业的快速发展和技术水平的不断提高，活性石灰的应用范围也在扩大。能源消耗和原料需求越来越大，如何保证石灰工业的可持续发展是我们今后研究的重要课题，节能降耗和资源综合利用是其中的关键技术，本文将从这两方面进行探讨，提出一些观点和设想供参考。
活性石灰回转窑系统通常由原料输送系统、烧成系统、燃烧系统、成品输送系统、烟气处理系统和自动控制系统等组成，其中对能耗影响较大的是烧成系统、燃烧系统和烟气处理系统，下面就从这些系统及关键设备节能降耗的方法和设想进行探讨。
1.1烧成系统主机设备的节能降耗
如今烧成系统主机设备是指竖式预热器、回转窑和竖式冷却器。在实际运行操作过程中，主要对燃烧温度、窑尾温度、预热器出口烟气温度、二次风温度和成品出料温度进行监控，这些参数能够反映出系统的能耗状况，窑尾温度稳定控制在1000～1050℃，竖式预热器出口烟气温度和竖式冷却器成品出料温度的高低则反映出系统热能损失的状况，如果能够降低烟气出口温度和成品出料温度就能达到进一步节能降耗的目的。
在活性石灰回转窑系统的生产中，石灰石的预热设备经历了链篦预热机、德国克劳斯—马菲圆形竖式预热器、KVS型多边形竖式预热器和当今的独立分仓多边形竖式预热器的不断发展，预热 不断提高，烟气排出温度逐渐下降。链篦预热机耐热钢用量大、投资高，且设备结构复杂，已经被淘汰；克劳斯—马菲圆形竖式预热器预热 较链篦预热机有了很大提高，石灰石预分解率达到20%以上，烟气出口温度为280～300℃；KVS型多边形竖式预热器石灰石预分解率能够达到25%，烟气出口温度降低到250℃左右，预热 得到提高，能耗降低约5%；由矿山机械工程设计研究院研究开发的新一代独立分仓多边形预热器在结构上较KVS型做了重要改进，使石灰石预热更加均匀，预分解率达到25%以上，烟气出口温度降低到220℃左右，使得能耗指标又降低约5%。目前，洛矿院正在进行竖式预热器结构的进一步深入研究，确定 的料层厚度和原料粒度分布，对耐火材料和砌筑结构进行优化，避免物料的粘结，进一步提高换热效率，使石灰石预分解率达到30%，烟气出口温度也进一步降低到200℃以下。
经过预热的石灰石在回转窑内完成煅烧成石灰的过程。窑内强化煅烧能够提高石灰的活性度、缩短物料在窑内停留时间，也能起到节能的作用；在窑头结构上设计合理的缩口，使料层能在煅烧带堆积厚一些，煅烧 更好；在回转窑预热带设计特殊结构，增加物料和烟气的接触面积，使热交换更加充分，这些都能起到强化煅烧的作用。在回转窑的设计上选用合理的长径比、采用两挡支承等来减轻设备重量，从而可以减轻运转负荷，节省电耗。
物料冷却是影响系统能耗的重要环节，烧成的活性石灰进入竖式冷却器时的温度在1000℃左右，带有大量热能。冷却设备的效率和二次风的温度对能耗影响 。单筒冷却机采用扬料板靠自然吸风对物料进行冷却，冷却 差，冷却风量无法调节，二次风温度低，系统能耗高；篦冷机冷却 虽然好，但是设备结构复杂，运动件和特殊材料多，维护不便，各风室冷却需要数台风机，因此电耗增加很多，粉料增加也较多；方形多风塔式竖式冷却器结构简单，除出料振动给料机之外无其它运动部件，冷却 好，可以迅速将物料从1000℃冷却至100℃左右，冷却风经热交换后作为二次风入窑参与燃烧，二次风温可达到700℃以上，大量热能得到回收，节能 非常明显。目前洛矿院正在着手研制新型通风竖式冷却器，将会进一步提高换热效率，降低排料温度。
1.2燃烧装置的节能降耗
活性石灰回转窑系统使用的燃料种类可分为气体燃料、固体燃料、液体燃料和混合燃料等几种。气体燃料一般为天然气和焦炉煤气，天然气由于成本太高，在国内使用较少，而焦炉煤气为钢铁企业普遍使用的燃料，也是非常适合回转窑煅烧石灰的燃料；固体燃料是指煤粉，由于有些活性石灰生产企业不具备气源或燃气供应紧张，一般采用煤粉为燃料；液体燃料是指重油、柴油等燃料，因其成本非常高，目前几乎没有采用；混合燃料有高焦混合煤气、高转混合煤气、煤粉煤气混合燃料、油气混合燃料等多种，其中使用较多的是前3种混合燃料。目前在国内活性石灰回转窑系统使用的燃料大致可分为气体和煤粉两大类，其燃烧装置也不相同，下面就气体和煤粉燃烧装置的节能降耗分别进行探讨。
1.2.1煤气燃烧器
以前国内使用的煤气燃烧器多为比较简单的两通道结构，煤气由中心通道通过，助燃一次风由环形通道通过，煤气压力也较低，一般只有几千帕，煤气和空气的混合依靠固定在燃烧器前端的旋流片和缩口来 ，火焰的形状和长度只能根据一次风的压力和流量来调节，调节能力很差，有时操作无法达到理想的燃烧 。近年来多通道煤气燃烧器的使用越来越普遍，多通道燃烧器一般在四通道以上，通常由燃气通道、中心风通道、旋流风通道、径向风通道等组成，旋流风使煤气与空气混合均匀，中心风可以调节火焰的长度，径向风用来调节火焰的形状。因此在实际生产过程中，多通道燃烧器可以根据工况对火焰进行全方位的调节以达到 燃烧 ，其结果可以使煅烧的成品质量更加稳定均匀，还能适当提高物料的停留时间，其节能 也非常明显。多通道煤气燃烧器以前只能依靠进口，某铝厂就引进原装法国皮拉德多通道燃烧器，燃料为焦炉煤气，使用 非常好，但是价格非常昂贵，目前国内已经研制出适合各种气体燃料的多通道燃烧器，可以 全部国产化，使用 也很好，价格仅为进口的10%，建议在国内使用气体燃料的单位尽量采用多通道燃烧，提高燃烧 以及节能降耗。使用多通道燃烧器一般要求气体供应压力达到10～20kPa，需要建燃气加压站，会增加部分投资，但从长期运行节能降耗上来看还是非常经济的。
1.2.2煤粉燃烧器
现在许多钢铁企业新建活性石灰项目厂址都选择在矿山附近或钢厂以外的区域，这些地方都没有燃气来源，随着活性石灰应用领域的不断扩大，氧化铝、电石、电厂脱硫等行业也开始使用回转窑煅烧活性石灰，而这些企业往往没有燃气来源，因此煤粉就成为这些新建项目的 燃料。煤粉燃烧器应用范围最广，水泥回转窑普遍采用的是煤粉燃烧器，其技术也非常成熟。随着回转窑燃煤技术的发展，煤粉燃烧器由单风道发展到二通道、三通道和四通道。单风道的作用只是起到输送煤粉的作用，对火焰基本没有调节作用；二风道多了一些调节功能，但仍然不理想；三风道燃烧器主要由煤粉风道、轴向风风道和径向风风道组成，可以通过改变轴向风和径向风的比例来调节火焰的形状和长度；四风道燃烧器增加了涡旋风或中心风道，对于煤粉的混合燃烧、二次风的抽吸、火焰长短和形状的调节等都能起到非常好的 。目前，四风道燃烧器是 进的燃烧器，它可以获得在烧成带需要的火焰形状，提高燃烧 ，减少一次风用量，增加高温二次风参与燃烧，起到降低热耗的作用。此外，四风道燃烧器对煤的品种适应范围也较宽。根据水泥行业的统计，采用四风道煤粉燃烧器和其它燃烧器相比可降低热耗3%～5%，因此在燃烧器的选用上应尽量采用四风道结构。可见煤粉燃烧器的合理选用也是节能降耗的关键。国际上有皮拉德、洪堡(KHD)、史密斯等公司设计制造四风道燃烧器，国内也有许多设计院所和企业设计制造该种装置。国外 和国产 价格差异较大，每套进口燃烧器价格约在40～50 美元，国产同类产品的价格仅为10%。
1.3烟气处理系统的节能降耗
烟气处理系统主要由收尘器、高温风机和烟气管道等组成。克劳斯—马菲圆形竖式预热器烟气出口温度为280～300℃，KVS型竖式预热器烟气出口温度为250℃左右，新型独立分仓竖式预热器的烟气出口温度为220℃左右，排出的烟气仍然含有大量热能，如果不加处理就只能通过除尘器和高温风机排到空气中。因此预热器出口烟气热能的回收和利用对节能降耗有着非常重要的作用，尤其对在高原地区和使用低热值煤气的生产企业来说意义更大。
针对竖式预热器出口烟气热能的回收利用，矿山机械工程设计研究院首先将高产换热器引入到活性石灰回转窑生产中。高产换热器的作用是将排出的高温烟气通过热交换将一次空气和燃料预热到150～200℃，不仅可以提高燃烧温度，还起到了节能降耗的功效。高产换热器在活性石灰生产中的应用，使得在高原地区和采用低热值煤气生产活性石灰成为可能，这在国际上也是一个重大突破，打破了低热值煤气不能用在回转窑煅烧石灰的理论。其另一个重要的作用就是使随烟气排出的大量热能得到回收利用。目前高产换热器在部分钢铁企业或高原地区得到应用，但应用还不十分广泛，因此建议在新建或改造活性石灰回转窑项目中考虑增设高产换热器，提高和改善燃烧 ，达到节能降耗的目的。除了采用高产换热器外，还可以采取其它热交换方式把余热用于工厂或生活设施的采暖、洗浴等方面，也能起到节能降耗的作用。
回转窑生产活性石灰所需要的资源是指原料石灰石、燃料煤气、原煤等，在生产过程中产生的粉尘和二氧化碳气体也可以成为一种资源。资源的综合利用对于石灰工业的可持续发展和环境保护都有非常重要的意义。
2.1石灰石矿山资源的综合利用
目前活性石灰生产设备主要有回转窑、国外引进竖窑、国内新型气烧竖窑等，各种窑型使用的石灰石粒级也不相同。通常竖窑要求使用粒度在40～120mm的石灰石，40mm以下的对于竖窑来说只能是废料。钢铁企业几乎都拥有自己的矿山，每年石灰石生产粒度在40mm以下的约占30%，这部分资源都被废弃，如果不能得到充分利用将使石灰石资源严重浪费。回转窑生产活性石灰所需要的粒度范围为10～50mm，这样40mm以下的石灰石大部分能得到利用，每年可以节省大量开采费用，延长矿山的开采年限。废弃石灰石量的减少还有利于节省运输费用以及环境保护。随着钢铁工业产能和规模的不断扩大，活性石灰的需求量也越来越大，石灰石矿山资源是有限的，如果不能合理利用石灰石资源将会对活性石灰工业乃至钢铁工业的可持续发展带来不良影响。因此建议在新建钢厂活性石灰配套项目中尽量采用回转窑煅烧活性石灰的工艺方案，使石灰石资源能够得到综合利用。
2.2低热值煤气的综合利用
回转窑煅烧活性石灰已成为活性石灰工业化生产的主流，国内各大钢铁企业的炼钢生产基本采用回转窑活性石灰。钢厂的煤气资源主要有焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气等，焦炉煤气的热值为3600kCal/Nm3，转炉煤气的热值为1600kCal/Nm3，高炉煤气的热值只有800kCal/Nm3，回转窑使用煤气煅烧活性石灰要求的热值一般要大于2600kCal/Nm3，焦炉煤气是最合适的燃料。但是从多数钢铁企业的燃料平衡来看，焦炉煤气成本相对较高，而且供应往往不能满足活性石灰生产需要，而转炉和高炉煤气却往往因为过剩被迫大量放散。钢铁企业也都意识到这个问题，如何利用低热值煤气将是今后石灰冶金生产的重要研究课题。
低热值煤气在活性石灰回转窑系统上已经成功得到应用。主要方法是采用混合煤气、煤粉和煤气混烧、高产换热器进行预热等。混合煤气是按一定比例将焦炉煤气和转炉或高炉煤气进行混合，混合后热值有所降低，但可以满足活性石灰生产要求；煤粉和煤气混烧可以根据煅烧所需的热值和燃烧温度调节，将煤粉和煤气进行混合燃烧；高产换热器可以利用废烟气将煤气和一次风预热到150～200℃，采用这种方式可以提高低热值煤气带入的物理热，可以增加低热值煤气使用的量。因此，低热值煤气的综合利用，可以产生巨大的经济效益，同时可以减少因大量放散带来的环境污染。
2.3粉尘的综合利用
回转窑生产活性石灰会产生一定的粉尘，一般情况下粉尘总量约占产量的10%，其中CaO约占40%，其余为CaCO3等其它杂质。目前大多数企业要求必须满足环保排放一级标准，即50mg/Nm3以下。生产中产生的粉尘基本能够收集，按照年产20 t的产量，每年粉尘量就能回收近2 t，如果不加利用直接废弃，会造成环境的二次污染。收尘灰成分主要是CaO和CaCO3，在钢厂虽然不能用于炼钢，但是完全可以用于烧结，此外还可以用于民用、修路等。粉尘的综合利用能够一定程度上节约成本，更重要的是能够减少对环境的污染。
2.4CO2的综合利用
生产活性石灰产生的烟气中含有大量的CO2，CO2属于温室气体，大量排放会对环境和气候造成严重影响，现在全球变暖的一个主要原因就是CO2的大量排放。CO2的回收和综合利用也是现在和将来需要研究的重要课题。从目前的实际情况来看，CO2基本上都是随烟气经除尘后直接排放，没有进行回收。主要有两方面原因，一是CO2回收后主要用于制干冰、食品饮料等添加剂等，需求量有限；二是需要额外增加设备投资，如果不能产生良好的经济效益，就会增加活性石灰生产系统的成本。另外CO2回收技术也有待于发展和提高。但随着经济技术的不断发展和环境保护要求越来越高，CO2的综合利用也将会是活性石灰工业发展必须重视的课题。
节能降耗和资源综合利用是现在和将来工业发展的主题。因此，今后在新建或改扩建活性石灰项目上，必须要把节能降耗和资源综合利用作为首要目标，生产成本也会随之降低。回转窑系统生产活性石灰具有其它窑型无法达到的产能大、品质高、产品性能 优点，随着技术的不断进步，在能耗方面也逐渐降低，接近竖窑能耗水平。在资源综合利用方面回转窑系统更具有优势，可以适应多种燃料条件，可以利用小粒级石灰石，因此应当大力推广回转窑系统在活性石灰生产中的应用。
