建筑与结构设计
Architectural and Structural Design
石灰窑结构及性能的优化设计措施
Optimization Design Measures of the Structure and Performance of the Lime Kiln
李京旺1, 牛海涛2
(1.石家庄新华能源环保科技股份有限公司北京分公司, 北京100029;
内蒙古乌兰浩特137400) 2. 中煤兴安能源化工有限公司，
LI Jing-wang 1,NIU Hai-tao 2
（1.Shijiazhuang Xinhua Energy Environmental Protection Technology Co. Ltd., Beijing Branch ，Beijing 100029,China ；
2.ChinaCoal Xing'an Energy &Chemical Co.Ltd., Ulanhot 137400,China ）
【摘以亿利２×５２０ＴＰＤ环形套筒窑工程为例，简要介绍了现代化新技术石灰窑发展历程及该工程概况；叙述了新型石灰窑的要】
主体结构及其煅烧原理、原料筛分运输体系、上料体系、该窑的煅烧体系、出灰体系、空气、废气及燃气体系等重点体系中的技术运用和石灰窑出灰系统问题及改进；总结了该石灰窑的一些工艺特点及仍然存在的一些现有技术不能解决的问题，以期为工程的顺利运行提供帮助，为我国石灰生产业的发展贡献一点微薄的力量。
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】This paper takes Yale based on 2×520TPD circular sleeve kiln project as an example, briefly introduced the development
process of modern technology and the lime kiln engineering examples; second describes the main structure and principle of a new type of lime calcimine the kiln; and then expatiates the lime kiln raw material transport system, feeding system, the kiln system, a grey system, air, gas and gas system and other key system using the technology of lime kiln improvement; and the problems of grey system; finally summarizes the lime kiln of some technological features and there are still some existing technologies can not solve the problem In order to contribute for the development, the smooth operation of the project to provide a little help for lime production industry in China and the meager strength. 石灰窑；环形套筒窑；结构性能；优化设计；重点技术运用【关键词】
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】lime kiln; circular sleeve kiln; structure performance; optimization design; key technology apply 【中图分类号】TU363
【文献标志码】A
【文章编号】1007-9467（2014）02-0037-04
１引言
钢铁、电石、造纸、建筑材料等行业均属于石灰消耗极大的工业领域。近几年来，这些行业正以极快的速度发展，每年的产量基本以超过百分之二十的速度不断增长，但其原材料石灰的产量却没有得到有效的增长，所以，石灰的供应变得越
来越紧张。另外，传统的石灰窑生产效率低下、能耗多、机械化程度较低、欠缺自动化水平或直接无自动化、对环境污染严重。为了加快改变这种现状，引进现代化新技术石灰窑将是我国石灰工业高速发展的必然途径。所谓现代新技术石灰窑是指在生产过程中具备环保、节能、机械化程度高、自动化水平应用广的现代化石灰生产窑。这类石灰窑生产出的石灰，不仅生产成本相对较低，而且质量好，可明显提高公司生产效益及社会效益。
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（１９７８～），男，山东章丘人，助理工程师，从事机【作者简介】李京旺械设计与研发，（电子信箱）５４３８００３３７＠ｑｑ．ｃｏｍ。
工程建设与设计
&２环形套筒石灰窑简介及工程概况
套筒窑又称贝肯巴赫环形通道窑，是由德国贝肯巴赫炉窑公司在1960年发明的。该窑型主要用于生产化工、钢铁等活性石灰，其具备精巧的结构及优良的技术操作性。截至目前，全世界大约有600多座大小不同、形状各异的套筒竖窑。而我国目前已有的该类套筒窑依据公称日产量可分为600t ，500t ，300t 及150t 等几种规模类型，每种类型的窑在实际生产时可根据要求在60%～110%内进行适当调整，这种套筒窑生产出的石灰活性度可达到360～420ml
（4N-HL-10min ），剩余CO 2的百分比≤1.5，原料粒度的范围在30～80mm 之间。该工程为内蒙亿利能源股份有限公司32×104
t/a电石项
目配套的石灰窑工程，采用2×520t/d的套筒窑煅烧技术生产高活性石灰。工程建成后，工艺、装备和能耗技术水平将属国内领先地位。工程投入生产后，可实现“三废”排放达到国家规定标准，并使社会效益、经济效益及环境效益得到有效统一。
３石灰窑主体结构及其煅烧工作原理
３．１主体构成
环形套筒式石灰窑主要是由窑体、上料系统、燃烧换热系统、出灰系统、风机系统组成。3.1.1窑体
套筒窑主要由窑体、上料装置、出料装置、燃烧室、换热器、喷射器以及风机系统等构成。
窑体由内、外筒组成。外筒由普通钢板围成并衬以耐火材料。内筒分上、下两个独立部分, 上部为上内筒, 下部为下内筒。上、下内筒由双层结构形成圆柱形钢板箱, 钢板箱内通入冷空气，对内筒进行连续冷却防止其高温变形，被预热的空气作为燃烧室的一次空气，箱体外侧砌有耐火砖。内筒与外筒同心布置, 形成一个环形空间, 石灰石就在该环形区域内煅烧。3.1.2上料系统
套筒窑的上料系统主要是由称量料斗、闸门、提升机、密封闸板、旋转式布料机及料位检测系统构成。3.1.3燃烧换热系统
此部分为套筒窑的核心系统，它包括两层燃烧室以及换热器组成：（1）燃料是由烧嘴向燃烧室喷射进行燃烧的，燃烧室一般在窑体中间，并且分成上、下两层，上、下层间交错，而同层之间则均匀分布；（2）燃烧室和内筒相连部位应该由耐火
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砖砌筑形成拱桥并连接，燃烧过程中出现的烟气通过拱桥下的通道进入料层；（3）换热器是将窑顶废气引出窑外后与驱动风进行热交换，将驱动风加热到420℃，同时将废气降到380℃左右换热设备，降低热耗；（4）石灰石在预热、煅烧并且冷却之后置入冷却带底部，然后由抽屉式出料机运载至窑体下部的灰仓，最后由仓下振动式给料机运出，整个过程完全由机械化实现。
3.1.4套筒窑喷射及风机系统
该系统主要是由喷射器、排烟机、助燃风机以及冷却风机构成:排烟风机的主要作用是抽出窑体内的废气，使得窑体内部保持为负压状态; 助燃风机向喷射器提供空气，
使得窑体内部空气可进入循环状态; 冷却风机主要为窑体内套筒的冷却提供冷却风。
３．２煅烧原理
石灰石在套筒窑内进行煅烧过程中具备一个明显的特点，即先经过逆流煅烧，再经过并流煅烧的同步实施过程，如
图1所示。
图１套筒窑煅烧工作原理
1）套筒石灰窑外壳表面平均分布的两层燃烧室，将整个窑体分为一个并流操作煅烧带和两个逆流操作的煅烧带。其中上部燃烧室内为不充分燃烧，对助燃空气的补充是不足的，仅为50%上下，在废气引风机的帮助下，这些不完全燃烧的废气进入料层上部与来自窑体下部的过剩空气汇合，使得没有完全燃烧的成分完全燃烧。
2）从上燃烧室至上内套筒下平面的区域为上部煅烧带，
该区域内物料流动的方向与气流方向正好相反，此煅烧叫做
逆流煅烧。在逆流煅烧初期，进入窑体的石灰石刚开始分解，因此对热量的需求极大，通常不会出现过热现象。
3）在窑体上部煅烧带内经过完全燃烧之后的烟气上行到达窑顶，在窑顶通过调节阀进行调节又重新分为两部分，烟气中的70%通过环形预热带对分解后的石灰石进行预热，与此同时，温度也会下降到180℃左右，另外的30%烟气通过上部内套筒注入空气换热器，温度相应的降低至380℃左右。
4）窑体上、下燃烧室间的部位为中部煅烧带，中部煅烧带也是逆流煅烧，其下部燃烧室内为完全燃烧，下部燃烧室通过燃烧出现的高温烟气，其气体温度超过1300℃，这些烟气分为两段，其中一段经由中部、上部煅烧带通过窑顶负压作用往上运行, 对石灰石进行中部逆流煅烧，另一段气流在喷射器的作用下一直向下，最后形成并流煅烧带。
5）废气总管道的废气由主引风机抽出，经过除尘器除尘之后排入大气中。
6）在套筒窑中循环的气体首先通过下内筒底部入口到达下内筒的顶部，然后通过喷射器的作用到达下燃烧室料层，最后汇入下内筒入口，依此往复，最终完成石灰石的煅烧。
３．３套筒窑生产重点体系
3.3.1原料筛分与输运体系
图２原料筛分与输运体系
如图2所示，首先通过铲车将原料石灰石放入地下受料坑，通过受料坑下的振动，给料机将原料卸到原料上料皮带上200t/h），上料皮带将原料送到筛分楼后通过高效振动筛（处理能力大于200t/h）将原料进行筛分（筛下物储存在废料仓内定期由汽车运走），筛上物送至窑前料仓顶转运平皮带机卸入1#、2#窑前料仓。在筛分楼设脉冲袋式除尘器，以保持环境清洁。
2个窑前料仓分别与2台套筒窑相对应布置，每个料仓的容量600t ，料仓底部装有棒条阀, 阀下接振动给料溜槽，溜槽通向石灰窑的称量斗。
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在本系统内设置若干台除尘器，除尘器负责石灰石卸料站、
库地下受料仓卸料点、振动筛接出料点、固定卸料器卸料点、窑前仓卸料点等所有扬尘处的吸尘。3.3.2石灰出窑体系
石灰出窑体系包含窑下料仓、闸门、出料机、运输皮带等，经过套筒窑煅烧成功后的石灰先储存在窑下料仓，在窑下料仓内设定两个料位计，并设有高低位，在其底部装上闸门并连锁料位计。这样当窑下料仓内的石灰达到一定的高度时，下部闸门就会自动打开，通过振动出料机的作用，石灰经由传输皮带被送出窑外，最终被运输到中转仓。
４设计改进及创新措施
４．１对空气与废气的系统实施改进
与原有的空气管路相比，现有的空气管路被分成一次风系统与二次风系统，其中一次风系统中每座窑安装有两台冷却鼓风机，一台使用，一台备用。风机采用离心鼓风机，其总管管径采用DN600mm ；
而二次风系统中每座窑安装两台罗茨风机，管径采用DN500mm ，二次风经过换热器预热至350～450℃之后注入下燃烧室内的喷射器。另外每座窑均安装一台废气引风机来排除窑内废气，使得窑内呈现负压，废气通过废气处理系统之后通过烟囱排放。
４．２燃气通道改进措施
(1)电石炉尾气经过加压注入已安装好的煤气总管，通过
各支管进入燃烧室烧嘴，此时窑前的煤气压力一般在15～17kPa 。(2)煤气管道上部均加装有电动密封式蝶阀、快切阀、电
动盲板阀，这些阀门的作用是对煤气进行有效调节及在突发情况下的紧急切断。(3)在煤气管道加装有氮气扫吹及放散装置，这些装置的作用是对煤气进行置换排空。(4)在每座窑各管道上均安装流量计，以调整进入燃烧室的煤气量，以保证煅烧的顺利进行。
（5）在窑前电石炉尾气管道上安装流量调节阀及热值分析仪，这两个装置可按照电石尾气的温度变化以及石灰产量需要自动进行用量的调控。
４．３窑底出灰机构的改进
4.3.1窑底出灰机构改进前
在原有设计的普通石灰窑的系统中，没有较为精确的定位装置，同时没有足够力量的支撑装置，并将出灰板设置为单层结构，所以在石灰窑的安装完成之后，就会使得石灰窑的出
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（处理能力大于
工程建设与设计
&灰螺锥和传动系统中齿轮在中心位置的不同方向上不断的发生变化。
在这种变化的不断影响下，物料在不同的方向上要不断地产生各种推力，使得出灰螺锥及其传动会对大小齿轮产生较为重大的影响，从而造成大小齿轮不断地磨损，且磨损量很大，必须时常更换齿轮，这样大大地影响了石灰窑工作的持续性。
4.3.2窑底出灰机构改进后
通过改进之后现有套筒窑的出灰机构改为抽屉式出灰机，烧成的石灰经底部吸入的空气冷却后，由抽屉式出灰机直接卸入窑下部灰仓，灰仓内石灰经仓下的振动给料机排出。520t/d套筒窑共有6个出灰推杆，其位置与下燃烧室一一对应。出灰机由液压驱动
（窑下设有液压站）。通过改进之后采取抽屉出灰机构，不但解决了出灰机构故障率高的难题，而且出灰更加准确同步，同时窑内出灰机构没有运动部件，这不但降低了劳动难度和强度也解决了因为出灰机构故障影响作业率的问题。
５现有工艺特点及存在的问题
５．１工艺特点
在工艺流程方面：该套筒石灰窑的煅烧工艺具有独特的特点：（1）在生产过程中将逆流煅烧和并流煅烧进行有机的结合，能够使成品保持优良的使用性能；（2）在工艺设计过程中将燃烧室分为两层12个燃烧室，
并使其在窑体周围呈现圆周型排列，能够保证产生的烟气均匀的在料层断面上分布；（3）在助燃过程中使用内筒进行助燃，在换热器的帮助下将剩余的烟气进行回收，能够在一定程度上降低能耗；（4）在整个工艺流程的进行过程中用负压进行操作，对于窑内的状况能够进行有效的调节，能够显著的减轻窑体中密封件的负荷，并使工作环境得到有效的改善，使安全操作更加容易；（5）其所用的原料和燃料有较高适应性和较广的选择面；（6）自动化、规范化和标准化程度较高，使得在操作过程中简单可行。
５．２存在的问题
在套筒窑石灰窑的实际工作过程中，还有以下难点问题有待于进一步的攻克：（1）在燃烧室的工作过程中，其火焰温度较高，使得拱桥部分容易出现坍塌，对窑体的寿命产生了一定的影响；（2）在工作过程中换热器很容易出现结垢堵塞问题，使得出现难以清理的工作；（3）窑顶的烟气在工作过程中
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会出现温度偏高的情况，使得窑顶设施的维护成为一个难点。
６结语
套筒式石灰窑在世界石灰生产领域具备领先地位，它具有其他的很多窑型难以比拟的优点，即在完成其生产工艺之后，它的石灰石的气孔率较高（占到整个体积的50%）、具有较大的表面积（1.5～2m 2/kg
）、同时其活性度较高（活性度为360～420ml ）并且生产的石灰石含有较少的硫。在现阶段，随着社会的不断发展，套筒石灰窑设计制造的单位逐渐增多，同时其制造成本也逐渐趋于合理化，并且在科学技术的不断支持下套筒窑各类生产中的问题得到进一步的解决，将会使得套筒石灰窑受到越来越多优质活性石灰企业的青睐。
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【收稿日期】2013-11-26
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