國產化雙膛石灰窯再獲技術突破！助力行業高質量發展！
一、專家鑒定行業認可 引來行業關注
2021年07月30日，由“中國石灰產業學會”組織的“2021年度石灰行業新技術新裝備評審會（第二季）”上，一項涉及雙膛石灰窯技術領域的新技術順利通過了鑒定，被專家組評價為達到國內領先技術水平、是石灰行業生產技術的又一次技術突破。
這項技術是由唐山金泉冶化科技產業集團旗下“唐山市豐南區金泉冶金能源新技術開發有限公司”和“唐山金泉成套設備有限公司”送選的“實現雙膛石灰窯并流逆流同步煅燒及爐內脫硝技術”。該項技術通過采用煤電（汽電）一體化及煤電（汽電）互補的煅燒方式，能實現雙膛石灰窯并流及逆流同步煅燒及蓄熱，解決了目前傳統雙膛豎窯窯容積生產利用系數低的問題，同時也達到提高低熱值燃料燃燒溫度，解決低熱值燃料在雙膛石灰豎窯內煅燒溫度不夠的問題，實現了低熱值燃料在雙膛石灰豎窯的有效利用，而且還實現了在爐內進行脫硝治理的目的。同時，還實現了噴槍自由點火、安全可控的目的。
本次評價采用由“中國石灰產業學會”牽頭聯合國內內多家高校及科研院所設計的全新科技成果評價體系，該體系包含評價執行規范、分類評價指標設計、評分方法、評價專家管理規范、技術檢索分析方法等。與會專家認為，這項技術是將“煤與電”、“氣與電”進行了耦合，而且改變了傳統雙膛石灰窯的煅燒與蓄熱的轉換生產方式，在不增加總能耗的情況下有效的達到了增產提質和使用低熱值燃料的目的，而且還實現了使用潔凈能源和爐內脫硝，達到了減碳和環保治理的目的。這種技術組合具有創新性及較好的實用性及操作性，而且投資和節能效果明顯，能使傳統的雙膛石灰窯生產技術再次得到提升。
二、找準了問題切入點 巧鋪探究之路
并流蓄熱式雙膛石灰窯因其獨特的節能優勢而在全世界得到廣泛推廣，迄今為止，雙膛石灰豎窯已經發展了60余年，我國自八十年代開始引進。并流蓄熱式雙膛石灰窯具有獨特的雙膛結構，其兩個窯膛能交替實現煅燒、蓄熱功能，可以實現石灰活性度*高而燃料消耗*低，因此具有其它石灰窯無法比擬的工藝優點。
從雙膛石灰窯技術發展過程看，其生產原理大都一樣：采用兩個豎式煅燒爐膛組成，兩個煅燒爐膛又相互聯通且交替進行石灰煅燒，兩個窯身都有換向系統，用于交替輪換使用兩個窯身，在窯身煅燒帶的下部設有彼此連通的通道，煤粉或燃氣噴槍安裝在預熱帶，采用插入式埋設在石灰石中。煅燒帶與冷卻帶之間加設環形通道和在兩豎窯的環形通道之間設置煙氣連接通道，實現并流式煅燒，提高石灰豎窯的效率，有利于降低石灰生產的能耗。
雙膛豎窯中的所謂并流是指煤粉或煤氣燃燒煅燒石灰石時，燃燒產物和石灰一起同向并列向下流動。所謂蓄熱是指燃燒產的高溫廢氣通過兩窯膛下部的環形通道從一個窯膛進入另一窯膛并向上流動，即所謂“逆流”，將處于窯上部預熱帶內的石灰石預熱到較高溫度，把熱量積蓄起來。此時高溫廢氣溫度下降到一個很低值后排出窯膛。
從上述生產原理不難看出，現在的并流蓄熱式雙膛石灰窯的優點是充分利用高溫廢氣，節能環保。但是其不足之處也是很明顯：由于是兩個窯膛交換煅燒，在一個爐膛并流煅燒時另一個爐膛需要同等時間停止煅燒進行逆流蓄熱（一般都采用每15分鐘兩個窯膛換向操作），這就造成了每個窯膛實際煅燒時間只有50%，這也是目前造成雙膛石灰豎窯與其它窯型相比容積利用系數不高、噸產品投資高的重要原因。如何實現并流及逆流全程煅燒，提高窯容積利用系數是提升雙膛石灰窯整體經濟效益的關鍵。
同時，雙膛豎窯對燃料選擇的局限性也很突出，采用高熱值煤炭燃料噴煤生產時各項指標*優，而當使用低熱值燃料時各項指標明顯下降。尤其是當采用氣體生產時燃氣熱值要求熱值大于1500kcal/m3以上的高熱值煤氣才能正常生產，而冶金行業用于生產石灰的工業尾氣*普遍和容易獲得的就是高爐煤氣，其熱值只有750kcal/m3左右，造成產量系數更低，在同等窯容積下，與采用噴煤燃料生產相比，只能達到其生產系數的60%左右。而且，目前可用于石灰窯的高熱值燃氣越來越少，為謀求石灰窯的生產，必須考慮低熱值燃氣用于冶金石灰生產。為此，有必要研制一種提升雙膛石灰豎窯采用低熱值燃氣及低熱值固體燃料的方法及裝置，使其適用于雙膛石灰豎窯。
同時，傳統雙膛石灰窯還存在噴槍點火困難及不易操作的缺點，當窯膛內達不到著火點溫度時噴槍需要進行人工點火，但是由于噴槍是埋設在窯內煅燒帶部位（窯體中間部位），而且爐體煅燒帶也無法安裝人孔等設施，致使噴槍點火極難操作，需要降低爐內一半以上料位露出噴槍噴口后才能用人工明火點火，*的影響生產操作和安全。雖然目前有的改為在爐體外部煅燒帶噴槍位置安裝多組點火裝置，但是因為需要用天然氣等氣體作為點火燃料，也存在著安全隱患及操作困難問題。所以，如何解決噴槍點火也是很重要說的。
而且，傳統的雙膛窯沒有設計應用脫硝裝置，而且由于其爐頂外排煙氣溫度低于140℃，進行脫硝治理時必須把煙氣進行二次加溫至700-1000℃范圍才能有效脫硝，致使必須增加爐外脫硝設施。目前，煙氣脫硝技術主要有兩種：選擇性催化還原 (SCR) 技術和選擇性非催化還原脫硝 (SNCR)技術。SCR技術起源、成熟于電力行業，是目前較為成熟的高效脫硝技術。但是，目前該項技術還無法真正應用到石灰行業，主要原因是生產工藝不適用、運行成本過高、占地多，投資過高等原因。所以，有必要研究一種投資低，而且能夠在石灰窯上能夠實現低成本運行和超低排放的脫銷技術。
三、理念超前課題嚴謹 解決傳統難題
從此次評價資料中顯示：
1、改進的技術關鍵點：
傳統雙膛豎窯都是兩個窯膛定時轉換進行單獨煅燒，該項技術技術實現了兩個窯膛同時煅燒，其關鍵點就是利用了電能轉換熱能時不需要氧氣的特性，因為在蓄熱膛停止煅燒后是沒有助燃風進入的，而且廢氣是逆流上升狀態的，這種環境下任何燃料都是無法燃燒的，只有電能的熱轉換方式才可以實現，這是其它加熱方式不可比擬的。尤其是該項技術中的“復合式耐高溫多功能噴槍”是實現上述功能的關鍵，其充分的利用了傳統雙膛石灰窯噴槍的特性，在保留其噴吹固體燃料和氣體燃料的功能結構原理上，巧妙地利用噴槍本體作為結構骨架，在噴槍外部增加耐高溫材料進行二次隔熱層設計，使其更加沖刷和耐高溫。在隔熱層外部適當位置設計應用電加熱材料，電加熱材料外部安裝耐高溫材料和耐沖刷材料。而且噴槍外部的耐熱材料和電加熱材料是分段可拆裝的組合體材料，使整個噴槍裝置達到了多功能和多用途。在使用過程中可以單獨噴吹燃料燃燒也可單獨電能轉換煅燒。
同時，實現兩段式燃燒也是其關鍵：與傳統雙膛石灰窯單獨在煅燒帶進行放熱煅燒不同，該項技術充分利用了兩個窯體的環形通道及聯結通道，在通道內設置了電能轉換加熱裝置和高壓噴吹裝置，當其中一個窯體的廢氣與下部冷卻風混合后轉換至另一個窯體的過程中，把已經從1100℃左右溫度下降至600℃以溫度下的混合廢氣再次加熱提升至900℃以上，使進入另一個窯膛蓄熱的廢氣轉變為煅燒的高溫氣體，使蓄熱膛變為煅燒膛，兩個窯膛長期保持在合理的、固定的煅燒溫度，也就是說當一個窯膛并流煅燒時另一個窯膛是逆流煅燒的，實現兩個窯膛同步煅燒與蓄熱。
該項技術中的爐內脫硝的反應原理為：根據布朗運動和分子間作用力原理，由于還原劑的介入使得高溫高壓水蒸氣分子化學鍵非常不牢固，與碳反應生成一氧化碳和氫氣：C+H2O＝CO+H2；一氧化碳和氫氣分別參與兩個化學反應：CO+2NO＝CO2+N2和2H2+2NO＝2H2O+N2；部分氫氣與氮氣反應生成的還原氣體與一氧化氮反應還原成氮氣：N2+3H2＝2NH3和6NO+4NH3＝5N2+6H2O，因此使得氮氧化物被完全還原，達到低成本脫硝目的。該工藝中的還原劑成分至關重要，選擇合理的還原劑品種及適宜的用量和適宜的還原溫度和還原時間才是其關鍵。
還原劑不采用傳統脫硝工藝中所用的“氨水”等材料，采用新型復合材料為還原劑，脫硝效果更佳、沒有“水”和“氣”的二次排放污染也無固體廢棄物產生。操作方法采用氣相法和液相法綜合應用，以石灰窯生產中原動力系統輸送介質至爐內，在爐內活化和汽化，瞬間與NOx發生化學反應，還原成N2和H2O。治理過程采用梯級治理方法，利用爐內燃料噴槍冷卻期間進行噴吹還原劑，而且由于噴槍上面的電能轉換加熱裝置溫控可調更加容易達到理想脫硝適宜溫度，而且巧妙的利用了石灰窯蓄熱膛在蓄熱過程中石料下降時與氣流逆交換產生的充足的氣流停留時間進行NOx 還原反應，可以在NOx產生源頭上進行燃燒過程控制以降低NOx含量，而且溫度選擇性也較強，使操作更簡單。
該項技術可以使爐內還原氣氛均勻、壓力穩定、阻力小，而且脫硝還原帶設置在貧氧而富燃料的區域，有助于減少燃料中的氮形成NOx(即燃料型NOx)。同時，該項技術無需增加脫硝塔、反應器等大型爐外投資設備，實現石灰窯爐內直接脫硝，而且充分利用了石灰窯生產中的余熱，不需要外部增溫增加的能耗費用。
2、與現有傳統雙膛石灰窯技術相比，該項技術有如下特點：
（1）、 提高了容積系數增加了產能。
雙膛并流逆流同步煅燒不擔提高了煅燒窯膛的煅燒效率，而且使蓄熱窯膛在蓄熱的同時具備了煅燒功能，使石灰石煅燒時間更長、容積利用系數更高，至少可以提升30-40%的產能或者更高。
（2）、生產操控更加便捷、產品質量更易掌控。
由于使用電能加熱進行二次煅燒，使窯內煅燒溫度更容易調節掌控，熱能分配更加均衡，可以實現高精度的溫度自動控制和調節，可以精確控制熱負荷和煅燒溫度，使石灰石分解更充分、更均勻、提高了石灰質量。
（3）、 降低了傳統能源的使用，增加了清潔能源的使用。
由于利用電能進行二次輔助加熱煅燒，實現了煤電一體化生產，減少了煤炭等傳統燃料的使用，降低了碳排放和污染物的排放。
（4）、充分利用低熱值能源，進一步降低生產成本。
由于電能加熱采用兩段煅燒方式，電能加熱分兩段進行，溫度可以兩次提升，因此對燃料的要求不高，能使用低熱值的氣體燃料和低熱值的固體燃料。
（5）、降低了綜合能耗和投資。
由于電能加熱為無氧燃燒，加熱區域在蓄熱煙氣流動過程中的終端部位，因此廢氣中過剩空氣的含量大為減少，熱耗更低。同時，電能加熱不需要空氣助燃，能大幅度降低窯內氣體總量及窯壓，對由預熱帶吹入的助燃空氣需求量大幅減少，因此能大幅降低助燃風機、石灰冷卻風機、噴槍冷卻風機、煤氣加壓機和除塵引風機的電力消耗和功率指數，節約電能和投資。
（6）、實現爐內脫硝，降低環保設施投資。
由于在爐內電加熱區域進行脫硝治理，使脫硝設施更加簡單實用，減少了爐外脫硝設施的投資，使環保投資更加經濟實用。同時，在爐內脫硝時是采用蓄熱膛噴槍停止燃燒時的間隙進行噴吹，與噴槍中冷卻風混合后達到霧化效果，即達到了脫硝目的也達到了冷卻噴槍的目的。
（7）、無需增加蓄熱體，實現了電能儲能功能。
改變了目前電能轉換熱能都必須采用蓄熱體存儲熱能的方式，把石灰石作為固體蓄熱體材料進行儲能，不需要增加蓄熱放熱介質，實現電能轉換與蓄熱加熱一體化功能。
（8）、實現噴槍自由點火，使用安全調控方便。
改變了傳統雙膛石灰窯依靠人工或天然氣設施點火的方法，采用噴槍裝置上的電加熱裝置進行高溫點火，操作簡單安全方便，而且溫度可調可控，可在生產中的不同工況中進行操作。
四、硬科技底色初現 創新方興未艾
目前，國內石灰行業正在迎來新一輪轉型升級浪潮，一些落后的技術和產能正在進入加速淘汰期，石灰行業面臨發展“瓶頸”，究其原因，有“眼光局限”，更有“路徑依賴”。只有跳出思維定勢，順應科技變革大勢，才能實現發展更高更優。唐山金泉公司積極應對主動求新求變，一項項瞄準石灰行業生產技術的改革正醞釀生發、拔節生長。而這項技術就源于目前石灰行業對高品質石灰需求的不斷提升和新環保治理政策高壓釋放背景下催生的產物，是進一步滿足新時代下石灰行業科技發展要求的必要措施。
雙膛石灰窯煅燒工藝自我國引進以來，因其獨特的煅燒方式和優良的生產指標備受業界關注，但是，由于其投資高昂及國外技術壟斷等原因，僅在國有大型企業應用較多，在民營企業應用較少。同時，對其產能系數也一直存在異議，比如：典型的日產600噸雙膛豎窯，雖然是日產600噸，但是這個產量是兩個窯膛（窯體）的產量，換算到一個窯膛也只有300噸，這個產量普通豎窯也都能達到，并無顯著優勢，從這個產量指標與其投資相比，雙膛窯投資性價比劣勢凸顯，這也是雙膛石灰窯沒有快速普及的重要原因。唐山金泉公司針對上述問題進行了多年深入研究，從新技術應用、傳統改良、國產化等方面入手，成功的推出了適合我國國情的雙膛石灰窯系列工藝技術，而且同等產量下其投資只有國外技術投資的三分之一左右，極具推廣應用前景。尤其是新推出的這項“實現雙膛石灰窯并流逆流同步煅燒及爐內脫硝技術”更具優勢，在同等容積窯型和同等投資下如果產量達到大幅提升，其實際上就是另外一種降低投資的手段，而且更直接、更簡單。
這項技術是自2020年中國石灰產業學會推出“國產化雙膛石灰窯技術”以來，唐山金泉技術團隊以原來的研究成果為基礎，全力推進關鍵技術研發。經過一年多的努力，目前該項系列技術已經基本定型，完成了中試階段，已經開始在部分在建工程中試用。更為關鍵的是，該項技術遵循和延續了傳統雙膛豎窯的結構特征，主要工藝裝置絕大部分都實現共用和國產化，為進一步推廣該項技術打下基礎。從唐山金泉公司2021年完成的多個國產化雙膛石灰窯施工項目中了解到，該項技術既可以在新設計的項目中應用，也可以在傳統雙膛石灰窯上升級改造應用。
目前，該項技術已經完成多項發明專利和實用新型專利技術的申報和審批工作。同時，隨著技術不斷的完善和提升，必將繁衍出更多的創新技術，必將帶來石灰生產科技創新史上的一場技術革命。如今，在石灰行業中對于科技創新和技術驅動的思路，認可度越來越高，已經認識到科技創新帶來的巨大力量。或許，該項技術只是“拋磚引玉”，可以預見，未來幾年關鍵技術交叉融合、群體躍進，變革突破的能量將不斷積累，必將對石灰產業的發展產生重大影響。
五、編者結語
在科技日益成為一個產業競爭力的今天，我想在這里本著既不崇洋媚外也不故步自封的態度來淺談一下中外的石灰產業發展情況，通俗一點說，就是淺談一下中外的石灰生產技術差別。
縱觀我國石灰生產技術的發展，實事求是的說，如果從傳統意義上講，從新中國建國70年以來，我們國內石灰生產裝置只有一些所謂“花瓶型”的“土窯”可以作為我們的“特色”呈現，但是，在一些先進窯型面前確顯得不倫不類且已遭淘汰。尤其是從近幾年我國石灰傳統產業升級及淘汰落后產能中相關部門發布的所謂“石灰窯先進窯型”無一例外的都是“舶來品”，包括：雙膛窯、雙梁窯、套筒窯、回轉窯等等。就是列入限制和淘汰的部分窯型如：50年代*早應用的單膛燃煤混燒豎窯（螺錐出灰）也是從蘇聯引進的，引用到現在還被某些公司吹噓為“第幾代技術”，蒙騙了很多不明就里的用戶。所以，目前國內強制淘汰和限制的“窯型”全部是國內“自產自用”窯型，而國外引進的所謂“先進窯型”雖然也都是幾十年以前的東西，但是現在確被國家列為“推廣窯型”，這很值得我們深思，也讓我們知道了自己差距和不足，也讓我們感受到了被國外技術“卡脖子”痛處。
可喜的是，我國的石灰產業的部分從業人員已經清醒的認識到這一點，加快了創新發展的步伐，在短短的十幾年時間，靠著技術創新、產業升級的這股勁頭實現完美“逆襲”，原創成果競相涌現，產業創新效果顯著，創新氛圍日益濃厚，正逐漸形成具有國產特色及國產化的系列技術和產業。尤其是國產化的“雙膛窯系列”、“套筒窯系列”、“煤電一體化豎窯”、“石灰窯回收二氧化碳發電電燒石灰系列技術”等等不斷涌現。這些技術都是在我國傳統石灰生產工藝的基礎上不斷創造新工藝、新技術的結果，是一種傳承與創新的并存，是我國石灰生產工藝技術的沉淀與融合，更是我國一批創新者的一種堅定氣質與堅守。可以肯定的是，我國石灰生產技術的快速提升，已經達到或超過了國外一些生產技術，部分技術已經國際領先水平。
崇洋媚外乃是人的本性，勇于創新才是時代所需！尤其是唐山金泉公司等一批國內優秀企業技術團隊，在破除過去的一些老舊觀念和技術的同時，能夠吸取、保留和改造傳統石灰生產中積極的因素作為自己存在和發展的基礎，汲取各家之所長來創造屬于自己的一種思維和模式，實現了創新對既有理論和實踐的突破。我想，這些才是他們*值得肯定的地方。
編者特別說明：
1.本文章中所述技術原理僅為技術交流的一部分，僅為技術發明人同意對外發布的相關內容，其實際應用內容及數據以唐山金泉公司實際實施內容為準。
2.雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，包括發明名稱、工藝及任何對之作一些修改或改進均已經列為專利要求保護的范圍，如有侵權，責任自負，與本文作者無關。
資料編輯：
中國石灰產業學會
孫菲
2021年08月06日
附：2021年已投產及在建的部分典型國產化雙膛石灰窯現場照片：
