解密燃煤石灰窯超低耗能的熱工原理及操作要點（2015）
編者按：因為國內燃料的結構所限，目前國內80%以上的石灰產量都來自于燃煤（焦炭）石灰窯，而且生產成本最低的也是燃煤（焦炭）型石灰窯。隨著國內絕大部分的土窯拆除，普及推廣新型節能石灰窯是大勢所趨也是石灰生產企業的必然選擇，但是在筆者調查中發現，雖然都是機械化石灰窯而且窯型結構也相差不大但是其節能效果及經濟效益確千差萬別，有的石灰噸灰效益可以達到百元以上有的石灰噸灰利潤僅有一二十元，是什么原因造成的？真相如何？為此筆者進行了專門的市場調研同時走訪了多位行業專家進行論證，從理論上及實踐中尋找答案，同時調取了協會原已經發表的相關文章重新編輯供大家交流探討。
一、石灰的基本認識
石灰（生石灰），主要成分是氧化鈣，化學式CaO，相對分子質量為56.08，相對密度3.25-3.38g/cm3，真密度3.34 g/cm3，體積密度：1.6-2.8 g/cm3，熔點2614C°，沸點2850 C°，溶于酸。
生產石灰的天然巖石主要成分為碳酸鈣（CaCO3），通常選用石灰石作為石灰原料時這種CaCO3應該不小于40%。
二、石灰豎窯的熱工原理
燃煤（焦炭）石灰豎窯采用逆流預熱煅燒原理，石灰在窯內的熱工過程是在窯內自上而下經過三個區域：預熱區、煅燒區、冷卻區，助燃空氣自下而上與物料逆向運動，在上述區域內做不同的熱工過程，助燃空氣在窯底進入，首先與下降到冷卻段已煅燒好的石灰進行預熱，在預熱的同時完成冷卻，經過熱交換預熱后的熱空氣進入煅燒區，在煅燒區提高煅燒溫度完成助燃作用，由煅燒區流出的含有CO2成分的高溫氣流進入預熱區，高溫氣流與進入窯內的石料和燃料再次進行熱交換，在熱交換的同時降低了自身的溫度，減少了出窯廢氣帶出的熱能，這種逆流熱交換方式的合理性及節能原理顯而易見，這是其它窯型所不能比擬的。
編者淺議：通過以上理念分析，無論土窯、機械化豎窯、梁式窯、雙膛窯等各種窯型，其煅燒方式都是“豎窯”也就是大家所說的“立窯”、“豎爐”的方式，其熱交換方式是一樣的，所以采用“豎窯”結構方式煅燒石灰是沒有疑問的，從石灰生產的發展歷史中我們發現，雖然石灰生產歷史可以追述的一千年以前，但是其生產方式及原理是相同的，無論怎樣進化、變革都不會改變其熱工原理，采用“豎窯”結構生產方式與回轉窯的“臥式”煅燒方式相比，其熱交換方式和節能效果是有一定優勢的，這就是豎窯的綜合能耗一直低于回轉窯的主要原因，所以，合理選擇熱工轉換方式和充分利用熱能是節能的最基本的選擇。因此，采用“豎窯”結構方式生產石灰在近階段乃至更長的時期內還應該是主要的發展趨勢。
三、石灰窯的煅燒原理
石灰的煅燒就是借助高溫將碳酸鈣分解成氧化鈣和二氧化碳，其反應式如下：
CaCO3→CaO﹢CO2—177.6KJ
CaCO3的分解壓力與分解溫度、速度的關系：CaCO3的分解過程是一個吸熱、多相反應，它的平衡常數表達式為： CaCO3(s)＝ CaO(s) ＋CO2(g)
其平衡常數為： Kp＝PCO2/P （1）
式中P—標準大氣壓。
因此，CaCO3的分解溫度就是其分解壓（PCO2）等于氣相中CO2分壓（PCO2）時的分解溫度。用化學反應等溫方程式表示如下：
△G=－RTlnKp+RTLnQP=RTlnQP/Kp （2）
式中QP—非平衡時的比例常數。
只有QP＜Kp，△G＜0時，分解反應才能自動進行。據此創造條件來滿足石灰石的煅燒氣氛：
（1）減少產物[WTBZ]CO2氣體的壓力，即采用風機不斷抽出窯氣混合物，從而使QP降低。
（2）提高溫度，增大Kp。
根據CaCO3的分解反應，CaCO3的分解壓PCO2與分解溫度T的關系可用熱化學方程式表示如下：
lgPCO2＝－8920/T+7.54 (3)
式中T—分解溫度，K。
此方程可知，CaCO3在一定溫度下要對應一定的分解壓，并隨著溫度的升高而升高，而且升高的速率相當快，因此升高溫度是加速CaCO3化合物分解的有效措施。
在實際生產中，石灰在窯爐內煅燒并不是理想狀態下，石灰石表層在810～850℃開始分解，而內層由于分解表層CaO的氣孔中充滿分解析出的CO2，石灰石內層的CO2分壓比窯氣中高，分解溫度也相應要高。因此可通過引風機不斷抽出窯氣，采取負壓操作，加快CaCO3的分解速度，可縮短石灰石在窯內燒成帶的停留時間。
編者淺議：通過以上理念分析，與“土窯”的“靠天吃飯（自然排煙）”生產方式相比，節能石灰窯的煅燒方式很關鍵，有些用戶在建設新石灰窯時僅在土窯的結構上外部加了一層“鐵皮”就認為是“節能窯”了，無論煅燒方式及結構并無改變，不僅增加了投資而且也沒有產生多大效益，其結果就是“得不償失”。唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司設計建造的“第三代新型節能環保石灰窯”采取的“上抽下鼓微負壓”的生產方式達到了“縮短煅燒分解時間快速抽出CO2氣體”的目的，生產利用系數可以達到0.8-0.95，與普通的“豎窯”生產利用系數0.3-0.45相比整整提高了一倍以上，“土窯”就更沒有可比性了。也就是說在同樣的人力、電力、能耗下產量提高了一倍，其效益也就提高了一倍。這也是節能增效的首要方法。
四、石灰石煅燒時的分解過程與石料粒度的關系
石灰石（碳酸鈣）在石灰窯中分解的過程是吸熱反應，與水的沸騰很相似，其加熱至分解壓等于外界總壓時碳酸鈣就強烈分解，此時的溫度稱為沸騰溫度。
由實驗測得的碳酸鈣分解壓數據，可用下列式表示：
1gPco2=8920/T+7.54
分解壓不只決定于溫度，還與反應物的分散度有關，不同溫度下碳酸鈣的分解壓見表一。
表一 不同溫度下碳酸鈣的分解壓
|
t/℃ |
600 |
700 |
800 |
910 |
1000 |
1100 |
|
Pco2/pa |
2.1x102 |
2.3x103 |
1.7x104 |
1.0x105 |
3.4x105 |
1.1x106 |
在石灰的生產中要達到節能效果對石料粒度的選擇也至關重要，由于CO2的分離是由石灰石表面向內部慢慢進行的，大粒徑石灰石比小粒徑石灰石煅燒要困難，需要的時間也長。
小粒徑的石料在882-895℃溫度下分解，中間狀態下石灰石按照地質成因不同在890-916
℃溫度之間，而大粒徑的石料則需要較高的溫度（911-921
℃）下才分解，在節能石灰窯煅燒過程中大于150mm
的石料煅燒十分困難，小粒徑與大粒徑石料的分解溫度看似相差不多，在實際生產中因為溫度越往石料中心煅燒時間越慢，根據粒徑不同，大粒徑石料煅燒時間可以比小粒徑石料高一倍或多倍。
通過科學試驗分析，在一定溫度下煅燒時間與石灰石厚度的平方成正比，80mm石塊與40mm的石塊相比，前者需要4倍于后者的煅燒時間。實踐證明混燒石灰豎爐選用30-60mm，40-80mm粒度的石灰石節能效果最好。
石灰石的質量選擇對節能效果及產品質量也很關鍵，石灰石含鈣高的密度大，不好燒,但煅燒后的石灰灰質好，反之含鈣低的石灰石密度小，好燒，但煅燒后的灰質差。石灰石含鈣量及其他物質含量利用化學分析測試、磨損實驗及煅燒實驗等得到準確結果后，經慎重判斷選擇使用。優質石灰石一般CaO含量在52%以上， MgO含量在3%以內，SiO2在1%以內。
編者淺議：因為傳統的土窯采用自然風方式生產、只能采用大粒徑石料生產，石料粒度越大通風效果越好，傳統的土窯生產石灰的石灰粒徑一般都在400-600mm，所以煅燒時間很長、生產利用系數極低，造成能耗高，產量低、活性度差，而且生燒率一般在30-40%范圍。通過以上理念分析，新型節能石灰窯選擇合適的粒徑比石料是節能有效方法。
五、石灰豎窯煅燒石灰需要的熱能：
石灰的煅燒過程就是分解吸熱過程，理論上25℃時每1kgCaCO3分解反應吸熱量為1780kJ，在分解溫度下每1kgCaCO3分解反應吸熱量為1655kJ.
熱量平衡：
CaCO3從20℃加熱到900℃需要978 kJ/kg
CaCO3在900℃時分解熱為1655 kJ/kg
CaCO3從900℃冷卻到20℃時1kgCaCO3放熱438.5kJ
CO2從900℃冷卻到20℃時1kgCaCO3放熱430.5kJ
978+1655-438.5-430.5=1764 kJ
前兩項加窯殼散熱是熱工窯爐必須付出的熱量，后兩項應考慮采取必要的節能措施，進行熱量再利用。
根據上述煅燒原理計算，分解1kg石料需要1764KJ熱量，當采用熱值為2.9X104KJ/kg的焦炭（煤炭）作為燃料時，理論上分解1000kg石灰需要60kg焦炭，實際上，由于廢氣熱損、窯壁散熱、石灰帶熱、水分蒸發及燃料不完全燃燒等原因，所需燃料至少要增加8-12%，所以分解1000kg石灰至少需要70kg以上焦炭，折合成標煤70kgX0.971=67.97kg，如果按照生產一噸石灰需要分解1.8噸石料計算, 67.97kgX1.8=122.34kg標煤，所以，生產一噸石灰理論上需要標煤122.34kg。
編者淺議：通過以上數據分析，理論上煅燒一噸石灰需要122kg標煤，在實際生產中可以達到120kg或以下的說法是可行的，關鍵是采用節能措施及如何選擇燃料。在實際生產中我們了解到石灰生產應盡量使用熱值較高的燃料，原則上大于5500大卡的煤炭在生產中應用效果較好，同時也可以使用低熱值的煤炭生產石灰， 3500-5000大卡的煤炭也可以使用，但是熱值越低生產的石灰活性度較差、生產系數也略低，在計算燃料熱能時我們可以按照標煤熱量（7000大卡）進行換算合理選擇適用的燃料。
六、豎窯熱能的利用與節能措施：
既然豎窯煅燒一噸石灰需要122kg標煤，那么在實際生產中有的窯型燃煤用量高達150-190kg，而有的窯型用煤卻低于理論122kg用煤數據？為何有這么大區別？這個目標可以實現嗎？我們可以從以下方面找到答案：
1、先進的窯型及先進節能設備的選用：
首先要選用先進節能的窯型及配套裝備，通過生產實踐得知：合理利用先進節能型窯型及配套的供料、配料、布料、供風、布風、出灰裝置等設備是實現節能的主要措施，此項功能敘述可見：《解密新型混燒石灰豎窯高生產率和高效節能的有效措施》或《解密第三代具有國際領先水平的節能環保全自動機械化石灰豎爐關鍵技術》—此處不再詳述。
2、石灰豎窯熱能在生產操作中的有效利用：
同樣的裝備如果操作方式及方法不同節能效果也不同，同樣的裝備配置，如何利用上述熱工制度的特性也是關鍵，通過熱工過程的優化操作來達到提高煅燒質量、降低煅燒耗能，是很有意義的，也是一個節能的有效途徑。
石灰在豎窯煅燒過程中，煅燒區進入預熱區的初始溫度一般在950°左右，煅煅燒區進入冷卻區的溫度也在900°—1000°范圍內，那么，怎樣利用這兩個煅燒帶的溫度進行合理余熱利用進行熱交換？一般控制窯頂溫及排灰溫度的熱損失是有效的節能降耗措施。
據文獻記載，石灰豎窯的熱損失主要有以下5個方面組成：（1）、窯體的熱損失占總熱量的14%左右。（2）、窯氣帶出的熱量占總熱量的6-8%左右。（3）、石灰帶出的熱量占總熱量的2-3%左右。（4）、燃料未完全燃燒占總熱量的2-3%左右。（5）、蒸發物料的水分占總熱量的0.2-0.3%左右。
以上影響熱能損失的5項中，第1項一般通過選擇高性能的保溫材料及增加窯壁耐材厚度可以減少一些熱損失，此項是外在固定的，在生產中是不可調的，我們只有從后4項中通過生產操作進行調節來降低熱能損耗，實現節能目的。
經過我們調查發現，實際生產中的熱能損耗是遠高于相關理論數據的，據抽查對比，相同溫度下，窯氣帶走熱能及石灰帶走熱能損耗如下：
窯頂溫度 ℃ 頂溫熱損 灰溫熱損
窯氣帶出熱量MJ 占總熱量的比例 % 石灰帶出的熱量MJ 占總熱量的比例 %
300 498.59 16.82 265.52 9.76
250 406.72 12.87 215.32 6.45
150 238.12 7.66 127.72 3.98
根據表中數據顯示，石灰窯窯頂溫度從300°降到150°就可以降低頂溫熱損9.16%，灰溫熱損降低5.78%，可見，在常規生產溫度中，窯氣帶走的熱能要比相同溫度的石灰帶走的熱能大得多，如果從節能角度來講，控制頂溫的意義遠大于控制灰溫，但是節能需從多方面考慮，控制頂溫與控制灰溫同時考慮才是有效措施，運用唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司設計開發的第三代“快燒快冷煅燒工藝的應用”、 “三動一靜煅燒工藝的應用”、 “三段溫控定位操作法調控技術應用”、 “電氣儀表自動化、智能化控制技術的應用”等技術可以有效控制窯的頂溫及灰溫，經過對比分析，把頂溫控制在140°以下，灰溫控制在60°以下才能達到節能效果，在此基礎上逐步追求更低的頂溫及灰溫，從而進一步提高石灰窯的熱效率。
編者淺議：合理選擇及運用新型的節能理念、節能方式和設備是節能降耗的最佳選擇，也是節能的重要措施，只有改變傳統的石灰煅燒理念才能取得好的經濟效益。在調查中我們發現，傳統的老式石灰窯與新型節能石灰窯相比投資并沒有明顯優勢，尤其基礎投資、耐火材料、鋼結構材料、主要設備等沒有太大差別，如果采用新型節能石灰窯的節能設備也就是增加部分的節能設備和儀表自動化設備等20-30萬元，按照新型節能石灰窯節能效果計算，日產200噸的石灰窯一天的利潤就有1.5-2萬元，也就是說僅需要20天左右就可以把增加的投資收回來，但是其產生的經濟效益確實長遠的，所以在投資中要正確的投資理念，要以長久的、長遠的眼光進行投資規劃。
3、石灰窯富氧助燃的合理利用及窯氣的調控：
現代節能石灰窯與“土窯”的生產方式最大的區別就在于煅燒方式，“土窯”都是按照10-15天或更多天集中用人工把石料與燃煤分層裝料，然后煅燒10-15天后集中用人工出料，“土窯”的生產方式，是典型的“悶燒”方式，生產過程中供風及供氧極不合理，僅靠窯頂“自然風”生產，遇到雨天及在不同季節中不同的風速和壓力時產品質量變化極大，所以產量及質量極不穩定，燒出的石灰活性度只有200-250mI，煅燒每噸石灰的燃煤量在200-300kg范圍內，而現代節能石灰豎窯生產方式采用的是“富氧動態煅燒”方式，從碳和氧的反應式得知，理論上燃燒1kg純碳需要2.67kg氧氣，相當于9m³空氣（0℃，101.357Pa），如空氣量供給不足，使碳燃燒不完全而產生過多的一氧化碳氣體，2C﹢O2→2CO,此時，需要多消耗燃料，窯氣中每增加1% CO相當于增加總燃料的6%，因此，在燃料燃燒時，為保證燃料的充分的燃燒，需要鼓入過量的空氣，通常空氣過量系數為1—1.1燃燒需要，空氣的含氧量一般在21%，由于空氣密度隨氣溫升高而減小，夏季要比冬季鼓風量加大才能保證足夠的O2，氧氣直接參與燃燒，氧氣的燃燒直接加快了升溫時間，縮短了達到分解石灰石所需溫度的時間，這樣就可以提高產量并降低了燃料消耗。采用唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司的“第三代石灰窯供風裝置（增壓、均壓、布風、配風）”可以有效增加窯內的含氧量，一般情況下，合理鼓風增氧助燃可以降低燃料用量5%以上。
窯氣O2的高低對窯況具有指導作用，O2來自于過剩的入窯空氣，一般過剩系數為1.025，入窯空氣與排出空氣之比為2/3,則廢氣中的含氧量為2.5%x21%x2/3=0.35%,可見尾氣中O2含量為0.3%-0.4%為最佳，小于0.2或大于0.5都是需要增加耗能的，需要及時調整處理。
CO2主要來自CaCO3分解及C的燃燒，理論上前者占29.4%，后者占14.6%，合計達44%左右，但事實上因不完全燃燒、不完全分解及CO2還原等因素，尾氣中CO2含量不可能這么高，一般尾氣中CO2含量在40.5%-41.8%范圍內，窯況比較理想，40%-42.3%時尚可接受，超過此范圍應做進一步處理：
CO2＞42.3%時通常原因是：煅燒帶很低，此時是鼓風量過低造成的，入窯空氣迅速參與燃燒生成CO2，許多大、中塊石灰內部還未分解完畢就被卸出，造成CO2偏高。
CO2＜40%時通常原因是:1、偏窯、結瘤，生、過燒都高。 2、煅燒帶特高或特低，兩頭跑火。
CO主要來源于C的不完全燃燒及CO2還原，當鼓風量不足或煅燒帶很低時以前者為主。當鼓風量很高，窯溫很高、煅燒帶很高時以后者為主，一般尾氣中CO含量在0.9%-1.4%時窯況及節能效果比較好，一般生產操作范圍在0.6%-1.8%.
所以，以窯氣為指導，實施反饋控制，達到窯況的動態管理也是節能及順產的有效途徑。
編者淺議：新的節能理念確實值得應用，僅僅一個不同的供風方式帶來的經濟效益就很客觀，而且不需要增加投資、能源完全取自于“大自然”中的空氣，按照節能煤耗5%計算，每噸石灰就可以7kg，換算為標煤價格為6-7元，每天就是1400元，一年就是近50萬元，俗話說“帳不可以細算”一算就知道每一個節能的小細節就可以客觀的經濟效益，按照一座石灰窯使用10個工人計算，此一項節能效益就可以把工人工資解決了。
七、節能是會變窯與傳統石灰窯的經濟效益對比
運用節能技術的最終目的就是增加經濟效益，目前國內大部分土窯拆除原因除去國家產業政策強制拆除的原因外，有很多地區的土窯都是因為沒有經濟效益而自行拆除的，隨著國內節能石灰窯的大量應用，土窯已經沒有存在的可能了。同時也有大量傳統的老式結構石灰窯因為生產成本高、效益差也到了必須進行技術改造的階段。那么，同樣是一座石灰窯不同的節能技術應用到底有多大的經濟效益差別呢？我們可以在表二中進行對比。
表二、 相同容積石灰窯的效益對比
|
名稱 |
窯容積
（m³） |
投資
（萬元） |
日產量
平均
（噸） |
煤耗
平均
（噸灰） |
噸利潤
平均
（元） |
日利潤
（元） |
年利潤（萬元） |
投資
回報
周期
（月） |
|
土窯 |
250 |
70-90 |
35 |
210 |
15 |
525 |
17 |
60 |
|
老式窯 |
250 |
180-
220 |
110 |
180 |
30 |
3300 |
108 |
20 |
|
節能窯 |
250 |
200-
250 |
200 |
125 |
80 |
16000 |
528 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
編者淺議：根據對比發現，“不比不知道，一比嚇一跳”，唐山金泉冶金能源新技術來開發有限公司研發設計的“第三代節能型環保石灰窯”在同等產量下其工程投資回收期僅150天，相對于土窯投資回收期1800天來講是提前12倍時間回收投資的概念，相對于老式石灰窯也有提前4倍的時間收回投資，其經濟效益和投資收益比是顯而易見的。而且，經調查對比新型環保節能石灰窯使用周期已經大于15年，爐體耐材大修周期已經大于5年，土窯的壽命一般在1-2年左右就要大修，使用壽命也很短，而且土窯的投資都是一次性的，無回收利用價值。環保節能石灰窯除部分耐火材料外所有工程材料、設備全部可以回收利用，目前鋼材價格是十年來的最低價格，如果考慮以后鋼材漲價因素，可以理解為10-15年后就是拆除的石灰窯舊鋼材、舊設備作為廢鐵價出售也可以收回石灰窯的投資。
八、調查總結
建設節能石灰窯不能違背石灰生產煅燒原理和生產程序，絕對不能以省錢為目的而隨心所欲，使所建石灰窯不倫不類，給生產帶來麻煩，不但產量達不到而且還嚴重影響石灰窯的壽命，所以說不是所有的“機械窯”都是“節能窯”，用戶在選擇窯型及選擇設計建造單位時要認真了解技術的真實技術含量、正確選擇適合自己需求的技術，不能盲目以投資高低來選擇，避免造成投資失誤。在老式石灰窯改造節能石灰窯時要及時發現問題窯、要從生產工藝配置和程序上找問題結癥，做到揚長避短，靈活運用，同時在石灰窯生產中也要堅持“四精”（原料精、燃料精、計量精、操作精）和“四均勻”（混料均勻、布料均勻、窯溫均勻、排料均勻）的原則就能生產出優質的高活性石灰。
運用以上的技術及理念，近幾年我國的石灰豎窯技術突飛猛進、日新月異，我們決不能拿80年代初期的水平來看待國內近幾年的新技術、新裝備，據悉，我國的馬鋼三座250m³混燒石灰窯通過改造，實現了全自動化控制，只需按照程序輸入各設定參數，三座窯只需2名操作工，單窯日產量達到了280t，利用系數達到了1.12，石灰生過燒率低于3%，活性度大于330mL，由此可見，石灰豎窯通過新技術的應用是完全可以創造出先進指標和經濟效益的。
綜合以上所述，新型節能型石灰豎窯是一項投資少、見效快的好項目，目前是投資性價比最高的窯型，根據唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司設計承建的“第三代節能石灰豎窯”測算，與同等窯容積的土窯相比，新型節能環保石灰窯是土窯產量的10倍，同等產量的豎窯投資僅是回轉窯工程投資的15-20%，生產成本比回轉窯低40%，而豎窯生產的石灰質量已經接近回轉窯的質量標準，目前國內先進的石灰豎窯生產的石灰已經達到或超過了一級冶金灰的標準。據測算，投資一座250m³混燒石灰窯投資僅200-300萬元，日產量可以達到200-230噸，年產可以達到7萬噸，如果石灰利潤按照最低每噸80-100元計算，唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司對用戶承諾的4-6個月讓用戶收回投資的承諾是可以實現的。
總之，只有把上述各項先進技術與理念根據自身的實際情況酌情借鑒、綜合利用才能產生理想的生產和節能效果，目前通過以上技術的應用，唐山金泉冶金能源新技術開發有限公司設計建造的石灰豎窯生產利用系數已經達到0.85-1.0，每生產一噸石灰只需要標煤110-125kg，而且生、過燒率已經低于4-7%，活性度已經達到
