1.前言

石灰作為工業生產的重要輔料，廣泛應用于冶金、化工、環保、建材等諸多行業，高品質的活性石灰主要應用于煉鋼、燒結，以及電石行業。2014年我國粗鋼產量達到8.2億噸，燒結礦產量約為9億噸。按照2013年轉爐、電爐煉鋼平均石灰消耗量為47.8kg/t，燒結礦石灰消耗量為66.5kg/t計算，2014年冶金石灰的消耗總量約為9860萬噸。2014年冶金石灰產能約為1.1億噸[1]。

冶金行業作為我國國民經濟的重要基礎產業和實現工業化的支柱產業，同時也是能源消耗大戶，節能降耗一直是冶金行業發展的重中之重。各種冶金工業爐窯在生產過程中會消耗大量的能源，在某些領域還存在嚴重的資源浪費現象，違背了我國節能減排的發展目標，這就迫切的需要實現工業爐窯的節能發展。隨著活性石灰工業的快速發展，技術水平的不斷提高，節能降耗的需求也日益突出。根據2013年的統計數據，全國冶金石灰產能中，具有國際先進水平的或國內先進水平的占總產能的58.8%，國內一般水平的占總產能的14.8%，落后產能占26.4%。而普通石灰生產大多數仍然采用簡易窯或土窯落后裝備生產，以煤為燃料，無質量保證措施和環保措施，能耗高。開發推廣先進的節能技術是冶金石灰行業實現健康可持續發展的重要方向。

2.主要冶金石灰窯爐

幾十年來，在各相關科研和生產單位的共同努力下，我國的冶金石灰行業獲得了長足的發展。國外各種先進的石灰生產裝備基本上都已經引進到國內，比如德國克勞斯˙瑪菲公司、日本三菱公司、美國美卓公司的回轉窯，瑞士麥爾茲公司的雙膛豎窯，德國貝肯巴赫公司的套筒窯，意大利弗卡斯公司的雙梁窯和“梁式橋”套筒窯，意大利西姆公司的雙D窯、德國波力休斯公司的懸浮窯、意大利佛利達公司的梁式窯、日本住友公司的焦炭窯等。在引進消化的基礎上，國內自主開發的回轉窯、雙膛豎窯、套筒窯、梁式窯、新型氣燒豎窯、新型焦炭豎窯、節能型普立窯、馬氏窯得到廣泛推廣

2.1回轉窯

回轉窯是國內技術最成熟、推廣范圍最廣的先進石灰窯。目前，我國自主研發的帶豎式預熱器和豎式冷卻器的石灰回轉窯系列產品已經在國內廣泛推廣，并已向國外輸出，設計生產能力涵蓋250t/d～1200t/d，以滿足不同企業的需求。石灰回轉窯技術日益成熟、工程造價大幅下降，能耗水平進一步降低。以一條比較完善的600t/d石灰回轉窯生產線為例：投資在4000~4500萬元，熱耗低至1150x4.18kj/kg以下，電耗在45kwh/t以下。回轉窯可使用國內普遍采用的煤粉、電石爐煤氣、焦爐煤氣、天然氣、混合煤氣，以及多種煤氣混燒、或多種煤氣與煤粉混燒，基本可以滿足生產企業利用當地廉價能源的要求。回轉窯操作簡單直觀，窯內狀態一目了然，且可以充分借用水泥回轉窯操作人員和生產管理經驗，容易被生產企業掌握。

2.2雙膛豎窯

雙膛豎窯作為世界上最為先進的石灰窯爐之一，其最大特點在于并流蓄熱焙燒原理，它具有石灰生產行業所公認的最小熱消耗。國內早期建設的雙膛豎窯絕大多數為引進國外技術及關鍵設備，引進費用高，建設周期長。為滿足市場需求，具有我國獨立自主知識產權的雙膛豎窯全系列產品已經問世，并成功應用于多個工程實例，設計能力覆蓋120t/d～600t/d。同時，自主研發的產量為800t/d的雙膛豎窯也已經完成了技術攻關，具備了投放市場的能力。雙膛豎窯適用的燃料有煤粉、轉爐煤氣、混合煤氣、電石爐煤氣、天然氣，以及煤粉和煤氣混燒。

雙膛豎窯在國內有近30年的使用經驗，生產技術已相當成熟，產品質量穩定，活性度可達380～420ml，氣體燃料熱耗低至850x4.18kj/kg，電耗40kwh/t，且采用煤粉和煤氣均可靠，窯襯壽命可達3~6年。已經形成了穩定的生產培訓基地，有一批成熟的技術人員和操作工人。

2.3套筒窯

套筒石灰豎窯(簡稱套筒窯)于上世紀80年代最早引入我國。多年來，國內石灰生產企業、設備制造企業在吸收國外技術的基礎上，對套筒窯進行了很多創新和改進，促進了套筒窯的推廣和應用。在國內已經儲備了多年的生產操作經驗，技術基本成熟。目前市場上典型的套筒窯窯型規格有150t/d、300t/d、500t/d、600t/d等。套筒窯操作較為簡單，產品質量穩定，活性度在360ml以上，氣體燃料熱耗在900x4.18kj/kg，電耗40kwh/t，窯襯壽命可達3~6年。但套筒窯結構復雜，異型磚多，砌筑復雜，維修困難，基建投資高，不宜燒煤粉是制約其發展的主要問題。

2.4梁式窯

梁式窯是以燃燒梁為熱工工具焙燒石灰的石灰生產設備，經過國內技術人員通過多年的努力，破解了梁式窯的部分技術難題，解決了低熱值燃料的應用問題，并且成功實現了多種燃料混燒的技術進步，為梁式窯的大面積推廣創造了條件。自2000年國產化以來，國內已建100t/d~500t/d的梁式石灰窯200多座，并且已經輸出到了國外。

梁式窯適用多種燃料，如天然氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、高爐煤氣(熱值≥800x4.18kj/m3)、混合煤氣、煤粉、焦粉、重油或固液、固氣混合燃料。生產操作正常時，石灰活性度可達350ml以上，能耗可達900x4.18kj/kg，電耗可達30kwh/t。

2.5混料窯

混料窯在國內當前流行的主要由三種：機械化豎窯、節能窯、馬氏窯。

機械化豎窯是在解放初蘇聯援建我國的機械化豎窯基礎上，吸收日本住友焦炭窯技術，結合國內幾十年生產實踐經驗改進的新型機械化豎窯。窯型有50~500m3，利用系數在0.65~0.8，燃料采用焦炭、無煙塊煤、無煙煤球。噸灰熱耗為140公斤標準煤，生過燒在10%左右。

節能窯是建材行業在土窯基礎上，合理優化窯形結構，增加配料設施，供風排氣裝置后開發的節能型石灰窯。窯型有50~300m3，利用系數在0.5左右，燃料采用無煙碎煤。噸灰熱耗為140公斤標準煤，生過燒在10%左右。

馬氏窯的窯形為花瓶型，產能為150t/d，利用系數在0.2左右，燃料為無煙塊煤。采用石灰石CaO含量53.5%，SiO21.25%，篩分后粒度40-80mm，燃料無煙粒煤20-40mm，低發熱值≥6500kcal/kg。石灰質量可達到CaO>90%，活性度>300ml。

3.主要節能技術及發展方向

冶金石灰窯爐的能源消耗主要集中體現在熱能消耗與電能消耗兩方面。因此，目前各科研及生產單位以這兩方面為切入點開發石灰窯爐的節能技術與措施。具體方向可以歸納為新型煅燒技術開發、窯襯涂層技術和新型窯襯結構開發、窯爐余熱利用技術開發、自動化與節電技術開發等。

3.1新型煅燒技術開發

富氧燃燒技術的應用。富氧燃燒技術是工業窯爐最為看好的節能環保燃燒方式之一，已經在玻璃熔窯、有色冶金和黑色冶金等許多行業和領域得到了成功的應用，具有廣闊的應用前景。富氧燃燒一方面可以減少空氣需要量，降低煙氣生成量，使煙氣帶走的熱損失降低，熱量利用率提高;另一方面，可以提高理論發熱溫度和理論燃燒溫度，有利于燃料的完全燃燒。富氧燃燒技術還能提高理論燃燒速度，提高輻射給熱系數，拓寬著火極限，降低空氣過剩系數。總之，將富氧燃燒技術應用于工業窯爐具有很大的技術優勢，對工業爐窯的節能降耗有著非常重要的總用。對于存在富余氧氣的大型冶金企業來說，富氧燃燒技術應用于冶金石灰窯爐可以有效節約能源，降低成本。但是對于沒有富余氧氣的企業來說，富氧燃燒的經濟性需要經過詳細論證[3]。

強化燃燒技術開發利用。在石灰煅燒過程中，石灰石分解不僅需要吸收足夠的分解熱，還要保證合適的煅燒溫度，這樣石灰石才能夠實現快速分解。當石灰窯使用高熱值燃料時，其發熱量大，燃燒溫度高，能夠滿足石灰快速分解的條件。而當石灰窯使用低熱值燃料時，就需要采取措施強化燃燒，提高煅燒溫度，保證石灰石的快速分解。例如，以低熱值煤氣為燃料的雙膛豎窯利用通道高溫煙氣余熱助燃空氣，以達到強化煅燒的目的。

低熱值煤氣的綜合利用。鋼廠的煤氣資源主要有焦爐煤氣、轉爐煤氣和高爐煤氣等，焦爐煤氣的熱值約為3600kCal/Nm3，轉爐煤氣的熱值約為1600kCal/Nm3，高爐煤氣的熱值只有大約800kCal/Nm3，回轉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。但是從多數鋼鐵企業的燃料平衡來看，焦爐煤氣成本相對較高，而且供應往往不能滿足活性石灰生產需要，而轉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現今冶金石灰生產的重要研究課題。低熱值煤氣在活性石灰回轉窯系統上已經成功得到應用。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要求;煤粉和煤氣混燒可以根據煅燒所需的熱值和燃燒溫度調節，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，可以產生巨大的經濟效益，同時可以減少因大量放散帶來的環境污染[4]。

3.2窯襯涂層技術和新型窯襯結構開發

窯爐隔熱保溫技術是降低爐體散熱損失的主要途徑，該技術的關鍵點是降低窯內高溫物料與氣體通過窯襯向外傳熱的綜合傳熱系數，該系數主要由窯內的對流輻射傳熱、窯襯的導熱以及窯外壁的對流輻射傳熱所決定。由此產生的隔熱保溫技術有：

(1)窯襯涂層技術。通過在窯襯表面噴涂涂層，降低窯內襯表面的黑度，減小窯內高溫物料及氣體向窯襯輻射傳熱的吸收比，以減小傳熱量。在窯外壁噴涂涂層可以減小窯外壁向環境輻射傳熱的發射率，同樣可以減小窯襯向外界的散熱量。

(2)新型窯襯結構。采用新型窯襯結構是一項非常重要的節能措施，達到既減少燃料消耗，又改善操作環境的目的。例如，采用空心隔熱耐火磚可以有效提高窯襯的隔熱性能;雙膛豎窯的窯襯采用重質耐火磚、輕質隔熱耐火磚、耐火纖維氈和硅酸鈣隔熱板的復合保溫結構，連接通道頂部采用重質耐火澆注料、輕質隔熱澆注料和礦渣棉的復合保溫結構，在實際使用過程中顯現了優越的耐火保溫性能。復合預制磚加澆注料的新型窯襯結構，已經有多條回轉窯生產線的成功實踐。這種窯襯結構將復合預制磚由錨固件固定在窯體上，這樣就完全可以實現在貼近窯體內表面上再添加一層導熱系數較低的高鋁纖維保溫層而不會出現掉磚;兩行磚之間再用輕質高鋁纖維毯及輕質高強澆注料和耐磨澆注料填充，更保證了砌體的整體性、牢固性及保溫性，滿足砌體長期處于受震狀態的使用條件，使得窯皮溫度顯著降低，節能效果顯著。

3.3窯爐余熱利用技術

提高窯爐熱效率不僅要從減少窯爐熱損失入手，還要合理利用窯爐生產過程中產生的余熱。石灰窯爐生產過程中產生的余熱主要為出窯廢氣余熱、窯爐爐體散熱以及出窯石灰所帶物理熱，這些余熱的總和甚至占到窯爐熱耗的40%～50%以上。因此，合理利用余熱對于節能降耗，提高窯爐熱效率至關重要。

3.3.1出窯廢氣余熱利用技術

石灰窯出窯廢氣溫度高，煙氣量大，直接排放會造成大量能源浪費。在實際生產中為了保護下游除塵器和除塵風機，往往需要大量摻入冷風降溫，進一步增大風機負荷，浪費了大量電能。因此充分利用出窯廢氣余熱是節能降耗的重要途徑，目前出窯廢氣余熱利用主要有以下幾種途徑：

(1)利用出窯廢氣預熱助燃空氣、燃料和生料。通過高效換熱器的作用將石灰窯排出的高溫煙氣通過熱交換預熱助燃空氣和燃料，不僅能夠降低排煙溫度，還可以增大入窯氣體的物理顯熱，提高燃燒溫度，減少燃料消耗，起到了節能降耗的功效。此方法已經在回轉窯和各類豎窯中得到了較為廣泛的應用。此外，通過制訂合理的加出料制度，可以最大程度的利用出窯廢氣的物理顯熱預熱生料。例如，針對雙膛豎窯的運行特點，合理設定每個煅燒周期的加料次數，可以保證所加物料能夠將該煅燒周期內的廢氣顯熱均勻吸收，而不會出現廢氣溫度超高的現象。

(2)利用出窯廢氣干燥物料。以煤粉為燃料的石灰窯一般都配有專門的煤粉制備系統，煤粉制備系統需要大量熱量來烘干煤粉。石灰窯的出窯廢氣一方面煙氣量大，溫度較高，熱量足以滿足煤粉制備的需求，另一方面氧含量較低，可以保證煤粉制備系統的安全性。因此利用石灰窯尾氣作為煤粉烘干介質獲得了廣泛應用。另外，在部分廠礦，將出窯廢氣用于高爐水渣烘干制粉、用于蘭炭烘干等方面，均取得了節能環保的綜合效益。

(3)利用出窯廢氣經高效煙氣-水換熱器供廠區采暖、洗浴。某工程采用熱管式煙氣--軟水換熱器回收石灰回轉窯尾氣余熱。即在回轉窯預熱器和除塵器之間的尾氣管線上設置熱管式煙氣--軟水換熱器，以軟水作為熱介質，與回轉窯尾氣通過熱管式煙氣--軟水換熱進行一次換熱，換熱后的熱軟水大部分直接用于廠區采暖，小部分用于軟水--洗浴水二次換熱，軟水由換熱站供給，循環使用。尾氣冷卻后送入除塵器凈化，然后由排煙機排入大氣。此方案的優點是對煙氣溫度要求低，換熱效率高，回收的熱量大，系統配置簡單，運行穩定可靠[5]。

(4)利用出窯廢氣經余熱鍋爐生產蒸汽。某企業在石灰回轉窯預熱器出口和除塵器之間增設一臺熱管余熱鍋爐，余熱鍋爐產生0.6MPa的飽和蒸汽供廠區使用。另一企業，通過將回轉窯高溫煙氣在臥式余熱鍋爐中進行換熱，通過熱管將實現煙氣與水之間的熱量交換，將水加熱成1.2MPa，>200℃的過熱蒸汽，并入蒸汽系統主管網。余熱利用系統安裝后，原有煙氣管道作為備用保留，在原有煙道和余熱利用系統之間可以根據需要進行切換，確保整個系統的正常運行[6,7]。

(5)利用出窯廢氣發展余熱發電技術。研究人員借鑒水泥窯余熱發電的成功經驗，正在探索適合石灰窯的余熱發電技術。水泥窯廢氣溫度較高，采用雙壓蒸汽系統可獲得較高的熱效率，但石灰窯廢氣溫度較低，屬于純低溫余熱，因此石灰窯余熱發電仍然需要大量的理論論證和試驗研究工作。對于廢氣大于10萬Nm3/h的大、中型石灰回轉窯進行廢氣余熱發電研制，已經進入示范工程階段。利用廢氣余熱產生低參數蒸汽，以汽輪機拖動窯尾排煙機，也已確定技術方案。目前活性石灰窯低溫余熱發電的難點在于缺乏有效的余熱發電成套工藝技術[8]。

3.3.2石灰窯窯體散熱的回收利用

石灰窯窯體散熱主要以輻射熱的形式直接散失到大氣中，不僅浪費能源，也對周圍環境造成影響。但是由于石灰窯體散熱面分布范圍較大，窯體周圍附屬設備較多，給窯體輻射熱的回收利用造成了一定困難。目前，利用窯體輻射熱置換成熱水用于取暖、洗浴，技術方案的經濟性和合理性仍然處在研究和論證階段[9]。

3.3.3出窯石灰余熱的利用

出窯石灰所帶物理熱由石灰窯的石灰冷卻系統決定，其冷卻效果好，則出窯石灰溫度低，更多的熱量被冷卻空氣再次帶人窯內，參與燃燒。因此，石灰窯爐冷卻帶或冷卻裝置的結構型式對出窯石灰余熱利用起著很大的作用。通過對回轉窯的豎式冷卻器系統進行優化改進，改善冷卻風的配風系統，可以顯著提升冷卻器的冷卻效果，降低出料溫度。在豎窯系統中，以雙膛豎窯為例，其石灰冷卻裝置采用中心及周邊環形冷卻，且中心冷卻風帽采用塔形結構，保證通風均勻、順暢，使得冷卻空氣能與更好的吸收石灰的物理顯熱。

3.4自動化及節電技術

3.4.1提高窯爐的自動化檢測和控制水平

對各種冶金石灰窯爐而言，自動化檢測和控制水平的高低是保證生產穩定，提高產品質量和產量的重要措施。目前，隨著自動化水平的提高，大部分石灰窯爐都采用自動化控制方式，所有用電設備均由自動化程序進行控制。而對于需要根據工況隨時調整的用電設備，其控制方式及參數設定尤為重要。目前，大部分石灰窯爐自動調節采用PID調節方式，其參數設定的合理性直接影響了設備調節的速度和精準性，也決定了其在調節過程中的電能消耗。

熱工工藝參數的設定對石灰窯爐的煅燒起著至關重要的作用，其不僅決定了石灰的質量，還決定了煅燒的經濟性。例如，空燃比就是一個重要的熱工參數，設定合理的空燃比，不僅要保證窯內燃料充分燃燒，還要減少過量空氣的加入，減小系統熱耗。通過自動調節技術，可以通過對燃燒煙氣中的CO及O2含量進行分析，適時調整空燃比例，達到經濟燃燒的目的。

3.4.2以節約電能為切入點的節能技術

電能節約技術是通過優化措施，降低窯爐用電設備載荷或優化設備運行過程，達到減少窯爐電耗的目的。目前，應用在石灰窯爐上的電能節約技術主要有以下幾項：

(1)降低窯爐系統阻力

風機是石灰窯爐的主要用電設備，其運行過程中的功率消耗主要由供風量及供風壓力決定，其中供風壓力的大小取決于窯爐的系統阻力，包括供風管網阻力以及窯膛的流通阻力。對管網及窯爐結構進行優化，都能夠有效降低供風系統的阻力。例如，雙膛豎窯在保證窯內物料各帶停留時間的情況下，適當擴大斷面積和適當降低各帶高度的方式，使窯體阻力降低20~25%，低阻力的豎窯有效地降低了電耗。

(2)變頻調速技術

采用變頻節能技術對舊有電氣系統進行改造，提高電動機運行效率，節約電能，降低生產成本。傳統風機主要依靠出口風門開度的大小來調節風量，其實質是改變管道中氣體阻力改變風量。而通過改變電動機的轉速來調節管道中的風量，實質上節約了氣體的能量。兩種方法比較可以發現，在風量相同的情況下，調節轉速避免了風門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的電能損失。在風量減小時，轉速控制使壓頭大幅降低，所以只需一個比風門控制小得多的壓頭就可以滿足機械運行工況參數，而且節省電能，這也就是變頻調速節能技術的原理。例如，高溫風機作為石灰回轉窯生產線中的重要設備，主要完成兩個功能：一是調節窯內負壓，滿足生產所需要的窯內環境，二是引出煅燒后生成的廢氣。高溫風機的控制問題嚴重影響到整個系統的運行穩定。應用變頻調速技術能實現高溫風機寬范圍、高精度的無級調速，適用性強;能大幅度減小電機啟動電流，使電機啟動平穩，在電動機不需要長期高速運行時，工作電流大幅度下降，節電效果顯著[10]。

3.5節能技術的發展方向

(1)加強先進窯爐和先進煅燒工藝的研發和推廣

以回轉窯、雙膛豎窯、套筒窯等為代表的先進窯爐在產品質量、自動化程度和能耗水方面具有顯著優勢。因此，今后在新建或改擴建活性石灰項目上，應不斷加大先進窯爐的推廣力度。

(2)加強新型窯襯結構和窯襯材料的研發和推廣

選用節能型的耐火材料和窯襯結構可以顯著減少窯體的散熱損失。窯襯材料未來的發展趨勢是“兩高一輕”，即高溫、高強、輕質，同時還要不斷提高耐材的使用壽命。

(3)加強石灰窯余熱利用技術的研發和推廣

石灰窯爐的余熱回收利用是冶金石灰行業節能發展的重點方向，目前在煙氣余熱發電等領域仍然存在技術難題等待攻克。

4.結束語

節能降耗是現在和將來工業發展的主題。在新形勢下，冶金石灰窯爐必須面對節能降耗挑戰，同時也迎來了難得的發展機遇。只有依靠科技進步，講求經濟實效，堅定的走優質、高效、節能的可持續發展道路，才能引領冶金石灰行業的不斷進步和健康發展。