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1、前言 对于石灰行业，2018年度各种挑战与机遇并存，是蓬勃展开转型升级的一年，各类气烧石灰窑得到了较大的发展，其中高热值煤气气烧窑的各种优点已为大家所熟知，本文主要针对各种气烧窑技术和近期所呈现的向应用低热值煤气扩展的新趋势以及由于煤气热值降低所涉及的问题进行探讨。 1.1政策导向 随着政府节能减排政策的日益严格，在河北省特别是唐山等地区大中型钢铁企业，率先采用了超低排放标准，对石灰生产线进行进一步的技术改造。 1.2钢铁企业需求导向 随着钢铁企业节能减排、降低生产成本和开发高品种钢等工作的深入，降低吨钢灰耗已成为各钢铁企业降低生产成本的首要途径之一。近10年内，大多数钢铁企业已取得了降低吨钢灰耗3～35kg/t钢的好成绩，对于普通的钢种，目前很多企业已把吨钢灰耗降至30kg/t钢以下，最好的企业为年平均25.6kg/t钢，还有较多的企业在45kg/t钢左右，甚至50kg/t钢以上。 各钢铁企业的条件不同，结论也有所差异，普遍观点认为：可降低吨钢综合成本0.96～1.52元/t钢。如果采用均衡优质的石灰和已成熟的钢铁生产环节降低吨钢灰耗的其它相关技术，将吨钢灰耗降低15kg/t钢，1吨石灰就可炼出27吨钢以上，则每吨石灰为钢铁生产所额外创造的技术附加值为： 27×15×1.24＝502.2元/t灰 可见降低吨钢灰耗对于钢铁企业的吸引力之大，要比煤气发电的效益大很多，这是我们以前没有重视的重大问题。也就是说，只要能实现将吨钢灰耗降低15kg/t钢的目标，钢铁企业将石灰目前的价格再提高200～400元/t灰，在经济效益上也是合算的！
由此，钢铁企业对于冶金石灰质量的重视程度日益提高，对石灰各质量指标的认识更加清晰，石灰硫含量、硅含量、石灰质量稳定性、活性度≥280mL、石灰粒度（强度）的价值进一步被钢铁技术人员所重视，部分企业已打破只考核钙（镁）含量和活性度越高越好的惯例，开始更全面、更均衡地组织石灰生产和考核石灰质量。 煤烧石灰窑和各种喷煤石灰窑工艺，所用煤（焦）中的硫和灰分对石灰质量的污染问题（只有喷煤回转窑工艺对块灰的污染相对较少），已经越来越突出地影响了降低吨钢灰耗的工作，而环保政策和禁煤区政策，又雪上加霜，很多钢铁企业对此问题的警觉程度已经越来越高，调煤气发电的积极性有所下降，使用各种气烧窑的积极性与日俱增。 1.3燃料供应导向 随着禁煤区政策的日益落实和粉尘、硫、氮氧化物排放在线监测的强制推行，很多企业的煤烧石灰窑和上述各种喷煤石灰生产工艺不得不继续增加除尘能力的同时，增设脱硫、脱硝设施，并且由于喷煤双膛窑、喷煤套筒窑、喷煤回转窑以及喷煤梁式窑的废气含氧量较高，排放物按含氧量折算后，稍有不慎，就会导致很多企业投资改造后仍不达标，无处伸冤。由此所增加的投资和日常运行费用，再加上前述喷煤石灰质量对炼钢成本的影响，已经远远大于煤气发电的经济效益和社会效益。而数量很大的混烧煤石灰窑的VOC(强致癌物质）问题，更是悬在头上无法移除的一把利剑。 随着环保要求的日益严格和尽量多回收转炉煤气的需求，多数钢铁企业的转炉煤气热值持续下滑，很多已低于1200×4.1868kJ/m3，再加上很多钢铁企业缺少焦炉煤气，这就严重阻碍了各种需要高热值煤气的气烧石灰工艺的发展，而低热值的高炉煤气、转炉煤气和环保发生炉煤气，却比较容易取得，且成本低廉。 为此，研究和推广适用低热值煤气的环保节能活性石灰窑已成为石灰行业的当务之急，由此高炉煤气TGS600石灰窑得到了钢铁企业的青睐。 2、2018年度气烧石灰窑的发展概况 过去，我们一致的观点是只有高热值煤气才能低成本地生产出高质量活性石灰，这一观点是来源于国外基于高热值煤气供应充足的条件下，所发展的优秀窑型和工艺而言的，并不完全代表石灰焙烧工艺本质的必然要求，我国目前的现实条件，迫使我们必须对这一观点进行深入的反思。 目前正在运行的各类气烧石灰窑，近几年几乎普遍遇到了煤气热值下降的问题，从而导致石灰窑的生产稳定性下降、产量下降、质量下降、能耗升高、设备耗损加剧、环保压力加大、生产成本升高等问题，部分气烧窑高热值时日产600多吨的生产线甚至降至400t/d左右，能耗比高热值时升高20%～40%，各企业为降低损失，普遍进行了技改攻关和严格操作等应对工作，取得了一定的效果；各设计和研发单位也普遍投入力量，开展了这方面的研究改进工作。 但缺乏对应的煤气热值和石灰石成分的全面生产参数和指标，已有的数据如下： （1）双膛窑：中冶焦耐、麦尔兹公司等研究了采用低热值煤气的双膛窑，中冶焦耐400t/d级的已投入生产多年，所用煤气热值≥1100×4.1868kJ/m3时可以达产，600t/d级的也投入了市场；麦尔兹公司也推出了适用于煤气热值≥1250×4.1868kJ/m3的技术。 （2）套筒窑：天钢联合特钢实现了套筒窑（600t/d）改为全高炉煤气生产的创举，高炉煤气热值750×4.1868kJ/m3，产量达到400t/d，活性度大于300ml，生过烧率控制在10%以内。 （3）梁式窑：石家庄奋进科技有限公司推出的三代和四代梁式窑，重点目标是解决燃烧梁的吸热损失导致的前两代梁式窑热耗过高的问题，将对梁式窑的发展和低热值煤气的应用做出较大的贡献。 （4）正压LK竖窑：海迈科公司代理的基于梁式窑开发的正压LK石灰竖窑，采用了燃烧梁与侧向烧嘴的组合布局，有望适用于900×4.1868kJ/m3以下的低热值煤气。 （5）圆形140 m3或180m3高炉煤气石灰窑：这类气烧石灰窑是世界上第一种适合低热值煤气，并大规模应用的气烧石灰窑，经过30多年，在我国钢铁工业的快速发展过程中，曾经起到了历史性的举足轻重的作用，直至今日尚有部分钢铁企业仍然在使用，尽管目前看来已相当落后，但我们不会忘记涟钢、平钢、新钢、湘钢、济源钢铁及河北、唐山等地区等同行和先辈们对此做出的巨大贡献。在这30多年中，多个单位和个人对这类气烧窑进行了持续不断的改进工作，目前比较领先的改进已扩容至200～230m3，石灰质量、自动化、环保和能耗等也有了较大的改善。其中承德兆丰钢铁有限公司的180m3高炉煤气气烧窑改造后，具备了既可30～70%气煤混烧，又可全煤混烧，还可全高炉煤气气烧的三种生产状态的功能，彻底解决了根据高炉煤气供应量，进行大比例调配的问题，稳定了生产状态，产量从70～80t/d提升至150～160t/d，石灰CaO从68%～76%提升至78%～83%，能耗从（1275～1425）×4.1868kJ/kg降至（1080～1200）×4.1868kJ/kg。 （6）矩形高炉煤气石灰窑：中冶焦耐在涉县天铁建设的矩形气烧石灰窑，也是一种适合低热值煤气的窑型，并且性能优于圆形140m3或180m3高炉煤气石灰窑和同规模的梁式窑，只设计了两个型号150t/d和300t/d。 （7）对烧式套筒窑：基于TCS球团竖炉发展而来，也是一种适合低热值煤气的窑型，并且性能优于圆形140m3或180m3高炉煤气石灰窑、同规模的梁式窑和矩形窑，可用20～40mm石灰石，已有的型号为150t/d和300t/d两种。 （8）TGS中心烧嘴石灰窑（简称TGS中心烧嘴窑或TGS石灰窑）：这类石灰窑目前国内有两个接近的专利，第一个是刘树钢2003年申请的实用新型专利《节能环保活性白灰焙烧竖窑》和刘树钢2015年申请的发明专利《节能环保活性石灰焙烧竖窑》，目前该专利刘树钢已转让给唐山助纲炉料有限公司，市场定名为TGS中心烧嘴石灰窑或TGS中心烧嘴窑或TGS石灰窑。第二个专利为中冶焦耐工程技术有限公司（发明设计人赵宝海等）2007年申请的发明专利《带中心烧嘴的大型石灰竖窑》，该专利目前应用于四川天原云南天力煤化公司的200t/d石灰窑。 TGS中心烧嘴石灰窑是基于圆形140m3或180m3高炉煤气石灰窑、矩形高炉煤气石灰窑、TCS圆环形球团竖炉和炼铁高炉，并利用刘树钢独创的竖炉下料“架桥理论”，结合石灰焙烧过程机理和低热值煤气燃烧特性，优化炉型，发展而来。自1997年开始研发至今，已有22年研发和应用历史了，该技术目前已发展到第六代，在国内外已投入生产的有200t/d、300t/d、400t/d、500t/d、600t/d五种型号，共126座该类型的石灰窑。其中600t/d的第6座TGS600中心烧嘴窑2018年7月31日投产，生产(0～3mm烧结石灰粉为主，炼钢块灰为辅)两个月后，石灰石CaO：50.85%～52.43%，MgO：1.96%～3.28%，SiO2：0.56%～1.08%，由于桥吊上料运力不足，无法处理筛下石粉，故取消了原料筛分，导致入炉石灰石粒度多数时间段内很差：0～20mm占22%～28%，20～30mm占3%～8%，30～50mm占57%～68%，50～60mm占5%～10%。炉内料柱透气性很差，煤气围管压力高达38.5kPa以上，产量降至590～620t/d，热耗升至（970～1003）×4.1868kJ/kg生过烧升至13%～18%，活性度降至260～300mL，含全部除尘灰的烧结石灰粉：CaO：78.59%～84.56%，MgO：2.79%～4.79%，SiO2：0.68%～1.24%。 经过与业主方沟通，在仍然没有原料筛分的情况下，通过采购粒度组成好一些的原料，当石灰石粒度0～30mm降至15%以下，30～50mm升至80%以上时，炉内料柱透气性明显改善，煤气流量自动升高，产量升至640～670t/d，热耗降至（890～950）×4.1868kJ/kg生过烧降至8%～12%，活性度升至300～330mL，但仍比其它TGS600甚至部分第五代的TGS500的活性度320～370mL低一些，可见原料粒度对炉况的影响程度之大。 3、高炉煤气TGS中心烧嘴窑装备原理与效果 第六代TGS中心烧嘴窑，总结了前五代TGS中心烧嘴窑研发设计和生产操作经验，通过进一步优化各功能件和生产操作，创造出了更好的生产业绩。 3.1 TGS中心烧嘴窑单炉产量大，产品质量好，为降低吨钢灰耗提供可靠保障 （1）炉顶布料均匀可调 采用旋转螺旋配合多管的布料系统设备，利用漏斗效应，提高了圆周方向各个有限元微元体的炉料粒度均匀性，从而提高了炉内料柱的整体透气性。 漏斗效应：对于一种特定性能的散料（比重、粒度及粒度分布特性、颗粒形貌、流动特性等为主），存在着对应的一个漏斗喉口临界直径，低于此值时，无论漏斗内物料的料面形状或粒度如何偏析，该物料流过该喉口后，所形成的料锥，按该锥中垂线，该物料在圆周方向上呈现均匀分布（包括物料数量和粒度分布）；漏斗锥角越陡，喉管长度越长，对于同一种物料其临界直径越增大。 漏斗效应一个最佳的应用实例，是30多年前河南冶金研究所谢进远先生所发明的中小高炉HY炉顶布料器，当时曾有上百座高炉应用过此炉顶布料设备。 第六代TGS中心烧嘴窑不仅实现了炉内物料在圆周方向上的均匀分布，同时实现了炉内料面形状的高度可控，以及小粒料和煤在半径方向上的合理分布与调节。 （2）炉底排料均匀可调 液压往复出料机与双道液压密封阀配合出灰，使整个炉体料柱均匀下降，排料20米高后的随机误差≤1.5%，杜绝了偏料和抽芯，第六代TGS中心烧嘴窑同时还利用水当量概念和竖炉下料“架桥理论”，使炉内各个有限元微元体的炉料，获得进一步相近的焙烧热量。 （3）穿透能力强、均匀可调的燃烧系统 大型中心风冷复合式烧嘴由耐热钢风冷骨架和耐火材料复合而成，抗高温、耐磨损、寿命长，燃烧功率达12～25GJ/h。为焙烧带中心提供了强大的中心火焰，解决了石灰窑中心气流不足，温度分布不均，中心生烧和边沿过烧的问题。提高了TGS中心烧嘴窑的产量和质量，有利于石灰窑的大型化，可为炼钢提供稳定的优质活性石灰。 日本国井式侧向烧嘴，以特种耐火材料代替炉内耐热钢结构，燃烧稳定可靠，寿命长且不易回火，火焰穿透能力强。 从本质上讲，本发明的燃烧系统与对烧式套筒窑是一样的，只是本发明的中心烧嘴结构强度更高，寿命更长，日本国井式侧向烧嘴的火焰穿透能力更强，且本发明的炉身高度允许达到30米以上，有利于提高能量利用率。 另外，第六代TGS中心烧嘴窑还采用了燃烧自动控制仪系统，可自动根据煤气热值和流量，自动保持恒定的燃烧温度和恒定的吨石灰石耗热量，大幅度提高了控温精度。 （4）选用适宜的原料和燃料，加强筛分或采用原料分级入炉 使入炉石灰石的粒度均匀性大大提高，可进一步提高石灰窑的料柱透气性，改善产量和质量，而第六座TGS600石灰窑由于供料桥吊供料能力的限制取消了原料筛分，对产量和质量造成了明显的影响。另外，当煤气不足或流量不稳时，采用气煤混烧可明显提高生产稳定性。 （5）降低吨钢灰耗——对石灰质量的再认识 通过我们多年降低吨钢灰耗的研究与实践经验和统计结果，发现对于降低吨钢灰耗工作（炼钢石灰质量最本质目标和结果的表达），石灰质量因素排序为：石灰硫含量、硅含量、石灰质量稳定性、活性度≥280ml、钙（+镁）含量、石灰粒度（强度），排序越靠前的因素与吨钢灰耗的关联度越大，其敏感程度在吨钢灰耗30kg/t钢以下时，甚至按炼钢通用理论会出现比较大的误差。按此规律进行攻关，可以以最小的代价，取得最大的成果。我们已服务的企业中最好的一家，用TGS中心烧嘴窑所生产的石灰2014年全年总平均吨钢灰耗25.6kg/t钢（2016年全国平均吨钢灰耗在42.7kg/t钢）。 3.2节能效果好 （1）哑铃形六段炉型 从高炉炉型发展而来，通过对炉型高径比、炉身高度、炉喉角、炉身角和炉辅角的持续优化，延长了预热和冷却时间，适应了石灰导热系数低和燃料燃烧的特点，减少了预热带和冷却带的气流阻力，有利于提高TGS中心烧嘴窑的产量，大幅度提高了低热值煤气火焰的能量利用率，TGS600本体最高处已达68米之高。 （2）煤气助燃风双预热 采用光管式预热器，有效避免了粉尘堵塞问题。可将煤气和助燃风预热至180～280oC，提高了石灰窑的热效率。 （3）控制较低的空气过剩系数 由于石灰焙烧的特点之一是900oC以下热量过剩，第六代TGS中心烧嘴窑技术对大型中心风冷复合式烧嘴和日本国井式侧向烧嘴的配合，继续进行了优化，进一步降低了空气过剩系数和吨灰废气量，废气中含氧量很低（2%～5%），进一步提高了能量利用率。 使用纯高炉煤气时石灰热耗：890～980kcal/kg灰；使用气煤混烧时石灰热耗830～950kcal/kg灰，此项技术已达到世界领先水平；使用中低热值燃料（如热值在1000～1200kcal/Nm3的转炉煤气、发生炉煤气等）时石灰热耗：870～950kcal/kg灰。 3.3环保达标排放 （1）降低了吨灰废气量和废气含氧量 如前所述的节能原因，TGS中心烧嘴窑在使用同等原燃料条件下，吨灰总废气量和废气含氧量大幅降低，还允许带少量环境空气扬尘点的除尘工作（同时起到降温作用，使布袋在较低温度下工作），彻底避免了排放物含氧量折算的困扰。 （2）各扬尘点均采用了良好的密封设备 炉底采用了类似高炉炉顶的双道密封阀，炉顶采用了密封阀和料封，并采用微负压操作。其它扬尘点也采用了良好的密封措施。 （3）采用脉冲引射反吹布袋除尘器，并优化配置 脉冲引射反吹布袋除尘器是我们一种专利新技术，具有运行费用低（同等废气量下，反吹压缩气体可节省30%～70%），布袋寿命长，方便检修，有利于降低毫克数的优点，已在承钢、首钢、燕钢、鑫达钢铁等十几个厂家获得应用。 在上述基础上，又配备了完善的抽风除尘系统。同时，可根据用户需求按照不同工艺、窑数量配置合理的除尘系统。 （4）废气中含氧量低，CO2浓度高，有利于回收CO2和轻钙生产 如前所述，TGS中心烧嘴窑吨灰废气量低，炉顶废气含氧量仅为2%～5%，使用转炉煤气和气煤混烧时，炉体废气的CO2可高达35%以上，有利于CO2的回收和轻质碳酸钙的生产。 （5）SO2排放低 TGS中心烧嘴窑使用的高炉煤气和转炉煤气等煤气含硫量都很少，石灰石中的硫一般也很低，而采用气煤混烧时需用的无烟煤或焦丁也较少，由此带入炉内的硫也较少，这不仅降低了石灰的含硫量，提高了石灰质量，还不需投资建设脱硫设备，就可达到超低排放标准，也节省了脱硫的运行费用。 如果想生产超低硫石灰时，本人主张采用已经很成熟的FeO脱硫技术进行煤气脱硫，脱硫产物为硫磺，可以方便地回收，不产生二次污染，这种脱硫技术从源头彻底解决了脱硫问题，运行成本也比废气脱硫低很多。 （6）NOX排放低 TGS中心烧嘴窑实际可能的极限炉温≤1250oC，且高温区的尺寸很小，氧气浓度也很低，这就消除了产生热力型硝（NOX）的热力学条件，且所用煤气中本就很少有燃料型硝，而采用气煤混烧时所用的无烟煤或焦丁也很少，由此带入炉内的燃料型硝也较少，因此不需投资建设脱硝设备，就可达到超低排放标准，也节省了脱硝的运行费用。 （7）配置智能粉尘回收混匀系统 如果再投资配备智能粉尘回收混匀系统，可达到前所未有的高环保水平。 综上所述，TGS中心烧嘴窑的吨灰总废气量低，既有利于搞好环保，又降低了环保设备的投资和日常运行费用。可确保粉尘排放浓度低于30mg/m3，基本可做到低于20mg/m3，在唐山或敏感地区已做到低于10mg/m3，多数在3～7mg/m3，且不需建设脱硫脱硝设备，就可达到超低排放标准。 3.4自动化机械化程度高，安全程度高，可大幅度节省人力 （1）窑体热工专家系统 配置计算机和PLC控制系统，整个操作控制系统简单易掌握。并具有检测窑内下料是否偏行、气流分布是否均匀的功能，还具有提示每次操作的效果是否到位的初步专家系统功能。 （2）安全程度高 上料系统、排料系统、燃烧系统等均采用了多参数双向连锁自动控制，在任何情况下任何一台关键设备出现偷停或停电故障等均不需要人来操作，计算机自动操作系统即可做到安全停炉，可保证迅速切断煤气供应，自动停炉，同时实现自动充氮吹扫，充分保证现场人员及设备的安全。 （3）24小时远程在线技术支持 安装互联网数据传输系统后，在唐山总部就可通过互联网为生产提供7×24h及时远程技术服务，为生产保驾护航。 3.5 TGS中心烧嘴窑生产成本低 （1）燃料费低 首先是前述的节能，其次是适用多种燃料，可使用高炉煤气、转炉煤气、高转混合煤气、发生炉煤气、焦炉煤气、电石气、黄磷尾气等；也可使用块状无烟煤、型煤、焦丁等固体燃料。可以根据煤气平衡和固体燃料市场价格及时调整燃料配比，以降低生产成本实现最佳效益。 （2）吨灰电耗低 TGS中心烧嘴窑产量大、节能，导致了吨灰总废气量低，环保成本低，因而节省了电力消耗，石灰窑燃烧系统及窑顶废气除尘系统生产吨灰电耗在28～44kW·h之间。 （3）维修成本低 TGS中心烧嘴窑的炉体非标设备寿命长，且耐火材料无异型砖；大修周期大于10年，中心烧嘴寿命大于5年，其他设备岗位工和维修工可自行完成日常维护维修，降低了备件费、日常维修费和大修费，含大修、中修和备件的全部维修费为7～8.5元/t石灰（内含的大修全部费用仅为2.5元/t石灰左右，可承包）。 （4）人工费低 如前所述，自动化机械化程度高，操作简单可靠，且有专家软件提示，两座TGS中心烧嘴窑的岗位工每班配置仅7人，20名初中刚毕业的新工人，经过手把手培训，投产两个月后，就可选拔出完善的技术队伍，不需高价聘请技术副厂长，因此人工费用低，安全成本低。 （5）投资折旧费低 TGS中心烧嘴窑产量大（最大可保680t/d以上），作业率高，同等规模下TGS中心烧嘴窑的数量就少一至两座，结构简单可靠，占地面积小，投资低，投资回收期短，施工周期短，降低了财务费用和折旧费。 （6）环保运行费用低 如前所述TGS中心烧嘴窑吨灰总废气量低，专利布袋运行费用低，且不需建设脱硫脱硝设备，也节省了这部分环保运行费用。 综上所述，在同等生产条件下，TGS中心烧嘴窑的吨灰生产成本可比其他窑型节约20～70元/吨灰。 4、高炉煤气TGS600中心烧嘴窑应对原料粒度差的理论与生产实践 如前所述，第6座600t/d级的高炉煤气TGS600中心烧嘴窑投产后，立即遇到了被迫取消原料筛分的问题，导致入炉石灰石粒度多数时间段内差异很大，严重影响了炉内料柱透气性和气流分布，造成生过烧并存，且难以降低，通过如下技术措施，才使生产保持了较好的稳定状态。 4.1勤排料 适当减少每次排料的排料量，将相邻两次排料的时间间隔（包括排料过程时间＋至下一次开始排料之间的不排料时间）由11～13分钟缩短至9～10分钟。 根据刘树钢以前提出的竖炉炉内下料的架桥理论假说（与通用的有效重下料理论存在本质的矛盾），竖炉内料柱的下料过程为随机的、不连续的、局部的，尺寸具有一定几率分布规律（越靠近料面尺寸越小）的亚稳态悬拱空穴（形象称为架桥，与液体中气泡的有些状态类似）的随机塌落过程（形象称为桥墩或桥拱的随机塌落过程），对于竖炉块状带的某一块炉料（正常粒度的料块），只在其塌落瞬间或跟随其下方料块塌落的瞬间，发生下料运动（包括垂直落下和小量的横移），其余大部分时间处于相对静止状态，这种下料过程的规律，对于竖炉块状带的空隙率、气流分布、温度分布、物理化学反应（包括传质传热过程、各种反应和粘结块发育程度等）都发生着本质性的影响，这是TGS中心烧嘴窑和其专家软件设计、生产操作所依据的最重要理论之一。 TGS600中心烧嘴窑的液压往复出料机每运行一个周期用时32秒，沿用过去TGS中心烧嘴窑的运行经验，生产初期定为每次排料液压往复出料机运行11个周期，每次排料约5.36吨石灰，总共用时5.87分钟。石灰日产量在600～670吨时，相邻两次排料的时间间隔在11～13分钟，把每次排料液压往复出料机运行的周期减到9个，每次排料约4.39吨石灰，再通过增加煤气流量（正比于产量）将相邻两次排料的时间间隔压缩到9至10分钟，这样每次排料用时4.8分钟，不排料的时间就压缩至4.2～5.2分钟，炉况表现为在这不排料的4.2～5.2分钟内，炉内仍然存在炉料的局部下料运动，特别是前2～4分钟内炉料的局部下料运动更为明显，也就是说炉内保留了更多的亚稳态悬拱空穴，这些亚稳态悬拱空穴既增加了料柱的空隙率和透气性，增加了气体流量，有利于增加产量，同时又改善了传质传热，均匀了炉温分布，也防止了结块。但如果每次排料量过少或过慢，容易出现下料不匀的问题。 4.2保持适当的生烧比例，保持生烧稳定性 在这种原料粒度差异大的生产条件下，过分追求低生烧率，会给生产带来更大的困难，保持适当的生烧比例（12%～16%），可以降低炉顶温度、增加产量、缩短排料时间间隔和增加料柱透气性，并且多数钢铁厂烧结，均使用部分石灰石粉，炼钢也使用部分石灰石块，甚至有专家宣传全石灰石炼钢，因此钢铁厂生产，怕过烧，不太怕生烧，特别是喜欢低硅、低硫且生过烧稳定的石灰产品。 5、结论 （1）随着环保压力与日俱增，钢铁企业为了降低炼钢成本，迫切需要降低吨钢灰耗至30kg/t钢以下，钢铁企业对石灰质量的要求将转变为更加均衡和全面，石灰质量因素的排序为：石灰硫含量、硅含量、石灰质量稳定性、活性度≥280ml、钙（+镁）含量、石灰粒度（强度），排序越靠前的因素与吨钢灰耗的关联度越大，其敏感程度在吨钢灰耗30kg/t钢以下时，甚至按炼钢通用理论会出现比较大的误差。只要能实现将吨钢灰耗降低15kg/t钢的目标，钢铁企业将石灰目前的价格再提高200～400元/t灰，在经济效益上也是合算的。把生产炼钢石灰所用的煤气调去发电，而喷煤中硫和灰分对石灰的污染，是进一步降低吨钢灰耗的障碍，再加上环保问题和禁煤区政策，风险较大，得不偿失。 因此气烧石灰窑将在我国得到较大发展，由于焦炉煤气的短缺和转炉煤气热值变低是不可逆转的趋势，对各类气烧石灰窑均提出了挑战。市场在唿唤：高质量、环保、节能的低热值煤气气烧窑。 （2）TGS600中心烧嘴窑生产实践证明，原料粒度差异大或高爆裂性原料给石灰窑生产带来了巨大的困难，主要表现为料柱透气性差，因而炉内气流分布、料流分布和温度分布非常容易恶化。TGS中心烧嘴窑独特的装备及操作技术，突破了这个生产难题，减少了损失，可以实现稳定生产。对于具有同类生产条件的石灰企业，本文的一些经验具有借鉴意义。 （3）大型中心风冷复合式烧嘴，抗高温、耐磨损、寿命长，并且燃烧功率高达12～25GJ/h，解决了石灰窑中心气流不足的问题，有利于石灰窑的大型化，且为石灰窑的设计和生产探索了一条低投资高性能的技术方向。日本国井式侧向烧嘴，以特种耐火材料代替耐热钢结构，燃烧稳定可靠寿命长，在剧烈的煤气压力波动条件下，仍可防止回火、爆炸。其性能明显优于普通耐热钢烧嘴，这两种烧嘴的密切配合，提升了火焰穿透能力，提高了对于该困难生产条件的抵抗能力，并为节能打下了基础。 （4）对于这种困难的生产条件，应适当减少空气过剩系数，减少吨灰废气量，减少了废气含氧量，提高了CO2浓度，节省了布袋投资和运行费用，有利于降低生烧和提高产量，既避免了排放物按含氧量折算问题，又为CO2回收和轻钙生产打下基础，再配以专利脉冲引射反吹布袋除尘器，进一步降低了(≤10mg/m3)环保运行费用。 （5）TGS中心烧嘴窑的旋转螺旋配合多管的布料系统设备，可以利用漏斗效应，提高了各个有限元微元体的炉料粒度均匀性，从而提高了炉内料柱的整体透气性。 （6）采用计算机自动化调节燃烧模式和计算机自动提示排料模式，保持每吨石灰石恒定的燃烧热量和恒定的燃烧温度，这种专家软件的应用，大幅度提高了操作精度，再加上提高机械化和其它方面自动化程度，节省了人工费用。 （7）通过精确调节密封排料系统设备，既减少了炉底漏风量，改善了炉底环保，又大大提高了排料均匀性，确保20米料柱的排料误差小于±1.5%，且误差部位不固定，炉内料柱运动的均匀性为提高气流分布和温度分布均匀性提供了可靠的保障。 （8）适当减少每次排料的排料量，可以缩短相邻两次排料的时间间隔，并在炉内保留更多的亚稳态悬拱空穴，这些亚稳态悬拱空穴既增加了料柱的孔隙率和透气性，增加了气体流量，有利于增加产量；同时又改善了传质传热，均匀了炉温分布，也防止了结块，但如果每次排料量过少或过慢，容易出现下料不匀的问题。运用竖炉炉内下料的架桥理论假说指导石灰窑生产，可以获得更好的生产效果。 （9）保持适当的生烧比例，可以降低炉顶温度，增加产量，缩短排料时间间隔，增加料柱透气性。 （10）哑铃形六段炉型适应了气烧石灰窑生产过程中的传质、传热、料流和气流的运行特性，有利于降低预热带和冷却带的高度和气流阻力，同时优化且较大的高径比，大幅度提高了低热值煤气火焰的能量利用率，降低了燃料成本。有利于原料粒度差的石灰窑生产。 （11）TGS中心烧嘴窑，不需配备脱硫脱硝设备，就可达到超低排放标准，降低了环保投资和运行费用。 （12）由于采用上述已成熟的实用新技术，TGS气烧活性石灰窑机械化自动化程度高，生产环境好，产量和质量可得到大幅度提高，适应使用低热值煤气和高热值煤气，可生产活性度330ml以上的优质石灰，有利于降低吨钢灰耗和钢铁成本。对于原料粒度差异大或高爆裂性原料的石灰窑生产，本技术具有较强的抵抗能力。本技术用于改造已有旧窑型，也可取得很好的经济效益。 （13）TGS中心烧嘴窑投资低，施工期短，维修费用和环保运行费用低，电耗低，能量利用率也较高，燃料费用低、人工费用低，财务成本和折旧费用低，因而生产成本低，经济效益高。 06 展望 （1）石灰生产本来不需高温，低热值煤气完全能满足石灰生产的需要，也完全可以不产生热力型硝。 不同条件下，石灰石的沸腾分解温度在890～920oC，特别是在焙烧中后期，生核外已有数毫米至几十毫米的石灰层，而该层石灰的热传导系数很低，其适宜的内外传热温差在100～200oC，即使温差再大，也加快不了多少消除生核的速度，反而会造成较大的过烧，也就是说焙烧过程中已生成的石灰层的传热速度是限制性环节，已决定了消除生核的速度，提高废气温度至1120oC以上几乎无效，且石灰层厚度越大，越需要降低废气温度，双膛窑过桥处所定的1050oC控制目标也是这个原因。而焙烧初期，石灰层很薄时，提高废气温度对于石灰焙烧却比较合算，但超过1250oC，特别是超过1280oC，又产生热力型硝（NOX），因此是不必要的。由此看来，低热值煤气完全能达到石灰焙烧的要求，还不易产生热力型硝，反而优于高热值煤气，所差的仅仅是900oC以下热量比高热值煤气多出了17%左右，而助燃风、煤气双预热又可回收其中的9%左右，目前真正没有有效利用的低温热仅为8%左右（即72oC废气温度的物理热），即使这些热量全浪费，也比国内目前高热值煤气与低热值煤气的价格差小，如果再加上脱硝的运行费用，其优势会更大。因此在国内用低热值煤气在经济上是很合算的。更何况这些过剩热量还可以用于其它方面（烘干其它物料，或热水洗浴等）。 另外，降低焙烧温度，提高了活性度，而活性度也不是越高越好（这个观点仍在争论中），因为，活性度≥350mL的石灰一般强度较差，在空气中吸水速度也快，会产生较多的粉末，这在转炉内却有较大的害处（钢中增氢，飞灰造成管道板结、水质变差等），而活性度在280～350mL的石灰这些问题却有较大的改善。问题又回到了活性度在炼钢过程中(1400～1800 oC下)的作用仅仅是提高化渣速度，260ml以下的确是有影响的，而高于280mL以上，就达到要求了，这时降低吨钢灰耗的主要矛盾却转变到了石灰质量其它方面的要求上。目前吨钢灰耗低于30kg/t钢的钢铁企业中就有很多企业的石灰活性度在260～330ml，特别是吨钢灰耗最低的钢铁企业（年平均25.6kg/t钢）用的却是目前已经有些落后的第三代TGS中心烧嘴窑，其石灰活性度仅在270～320ml。一个普通炼钢专业人员都熟知的问题是粒度10～40mm、活性度280～300ml的石灰在转炉内的熔化速度，大于同成分原料生产的50～80mm、活性度350～380mL的石灰在转炉内的熔化速度，也就是说石灰粒度对炼钢的影响堪比活性度的影响。其实回转窑石灰在转炉内熔化速度比较快的原因中，很大一部分是其石灰粒度在10～40mm所贡献的，也就是说，其它各类气烧石灰窑只要增加一次中破碎齿辊（成本很低，0～3mm的烧结灰用量远大于炼钢灰，不会影响炼钢灰的供应能力），给炼钢供应10～40mm的石灰，就可以达到回转窑石灰在转炉内的熔化速度，而不需增加生产成本把活性度提高到350mL以上。而烧结灰活性度的临界值也几乎与此相同，其机理不再多述。由此可见，低热值煤气气烧石灰的活性度较少超过360mL（保留一些生烧，对低热值石灰窑有更大的好处），对于钢铁企业也不是问题，也没有必要为此付出更高的成本。 综上所述，TGS中心烧嘴窑的生产应用结果证明：低热值煤气气烧窑在我国不仅技术理论可行，而且在市场上、经济上具有很强的竞争力。 （2）以煤制气完全可以不产生污染，以此发展的低热值煤气石灰焙烧工艺，将比天然气石灰工艺还环保。 石灰焙烧用天然气，不仅价格贵，而且天然气石灰窑的投资也较大，更麻烦的是会产生较多的热力型硝（NOX），只有投入较大的资金，才能达到环保要求，也增加了环保的运行费用，这是相当长一段时间内国内市场石灰价格所不能承受的，本人不赞同在中国大规模发展天然气石灰工艺。 不产生任何污染的煤制气工艺已有50年历史，中国空气流化床煤气发生炉也有十几年历史了，烧煤粉的TCS圆环形球团竖炉也有20多年的历史了，这些技术不同于通常所说的一段或两段式煤气发生炉，它们根本不存在焦油或酚水污染，还可有40%～70%的脱硫功能（在煤中配入部分除尘灰即可），煤气化过程的热量也没有浪费，也不产生热力型硝（NOX），燃料型硝反而大部分被CO还原消除了，而单独分离出来的含硫灰渣又是比粉煤灰更好的低标号水泥，可以直接配河沙制造高质量不烧砖，这些工艺所用燃料是0～10mm的混煤，只是对硫有一般要求（≤1.3%），热值低至3700×4.1868kJ/kg的褐煤都可以用，即使在煤价较高的唐山地区，这种煤的价格含运费和税还不到450元/吨。石灰行业本就是环保产业，我们有能力彻底解决环保问题，彻底扔掉高污染这口黑锅，与这些技术结合的低热值煤气气烧石灰窑还可以使用5～10mm的石灰石，将在环保、节能、石灰质量、成本等方面，引发石灰行业颠覆性的转变。 (3)加强联合，运用新的发展模式，将是石灰行业发展的重要出路。 经过2018年度的发展壮大，我们石灰行业已有一些起色，但小而散的状态还没有大的改善，我们绝不想走碳酸镁行业的老路，联合才能发展。一种新的合作模式——联合技术发展公司，目前已有八位企业股东参入（尚缺12位以上），其模式是原企业股权不动，相当于独联体，而联合技术发展公司将按上市公司的要求来组建和发展，在中国石灰协会的领导下，用股东们的全部先进技术，并集中人才为股东服务，在股东企业中，创造出20家以上先进的大型石灰企业。欢迎有志之士加入，联合起来，走共同发展的道路。 中国石灰协会技术专家组：刘树钢 来源：刘树钢 中国石灰协会 |
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