一、导语：

       在2021年01月18日召开的“中国石灰产业学会”年会上，由“中国石灰产业学会”主导研发的具有完整的自主知识产权体系的“新一代国产化双膛石灰窑”系列技术授权“唐山金泉成套设备有限公司”独家使用，享有独立开发、应用的权益。目前，双方已经正式签订独家许可协议，相关技术文件、图纸已经达成交接工作。

       据此，编者对上述合作项目中的技术来源和合作模式及开发前景进行了专访，以便大家对这项技术有更进一步的了解。

       二、双膛竖窑的发展与目前应用状况

       双膛石灰窑是由奥地利人发明的，我国双膛竖窑技术原为引进于瑞士麦尔兹欧芬堡公司，*早在20世纪80年代由冶金部引入中国，在国内俗称为“麦尔兹窑”。该石灰窑从生产效率、占地面积、节能环保、经济效益等多方面都处于世界领先水平。 

       “并流”和“蓄热”是其主要特点，并流蓄热式双膛石灰窑有两个窑膛，两个窑膛交替轮流煅烧和预热矿石，在两个窑膛的煅烧带底部之间设有连接通道彼此连通，每隔一定时间换向一次以变换窑膛的工作状态。在操作时，两个窑膛交替装入矿石，燃料分别由两个窑膛的上部送入，通过设在预热带底部的多支喷枪使燃料均匀地分布在整个窑膛的断面上，使原料矿石得到均匀的煅烧。燃料使用的是流体燃料，如煤气、油、煤粉等均可。在原料应用上，这种窑型拥有更宽的粒度选择范围，能够煅烧30—100mm的粒度，这个特点在中国石灰石资源变得越来越少的情况下显得更为重要。

       主要特点及经济指标：

      1、氧化钙品质好，生过烧率低：

     由于采用双膛窑体交替煅烧生产、使煅烧时间更长、产品均质性更好，氧化钙含量可控制在：88%～94%范围，产品生过烧率可控制在：5%以下。

      2、 CO2残留率低，产品活性度高

      由于采用燃料及助燃空气从窑体上部送入，煅烧火焰流在煅烧带与矿石并流。在所有竖窑中，双膛窑的并流带*长，由于长行程的并流煅烧，石灰质量很好：残余 CO2<1.5%，活性度可以保证在 370ml4NHCl， 10 分钟（产品质量主要取决于原料的情况）；

3、能耗低，运行成本低：

     由于两个窑身交替换向操作，废气直接预热矿石，热量得到充分利用，单位产品热耗*低，热回收率超过 83%；其热损耗可以到800-890Kcal/kg(3350-3720kJ/kg)；*低的热耗意味着*低的运行成本，比如：采用煤粉生产时标准煤煤耗为每吨石灰产品 114kg－120kg 的煤，与传统的老式竖窑相比，每吨石灰产品节约燃料能耗至少在20-40kg。

        国外引进的并流蓄热式双膛石灰窑的缺点：

 双膛窑为正压窑，制约石灰窑产量的不仅有煅烧带温度，还有系统的压力，在低热值燃料的石灰窑中，系统压力是制约产量的主要因素。

 双膛窑有连接通道，通道的通透性是影响生产的重要因素。通道通透性的两个重要因素为气体流量和通道温度。通道内气体流量越大，气流速度越快，通道越容易堵塞。其机理在于：高流速、高流量的气体会将大量粉尘带入通道内，并积留在通道角落里，时间一长，便会结块堵死；通道温度越高，会加速通道内积留粉尘烧结在一起，通道越容易堵塞。

       当生产中使用煤粉作为燃料时，不会对系统造成压力、通道通透性方面的负面影响。气体燃料中，当燃料热值不低于2400kcal•Nm时，不会对系统造成压力、通道通透性方面的负面影响。而当气体燃料热值低于2400kcal•Nm－3时，则会在一定程度上加速通道堵塞，提高系统的整体压力，导致系统不容易控制。

       三、国产化双膛石灰窑的优化设计与创新

       由“中国石灰产业学会”主持开发并授权“唐山金泉冶化科技产业集团”旗下“唐山市丰南区金泉冶金能源新技术开发有限公司”和“唐山金泉成套设备有限公司”独家开发的“新一代国产化双膛竖窑技术”和“新一代煤电一体化双膛竖窑技术”经过多年研究、改进、提升，综合了国内多家双膛竖窑的实际使用情况和建议，作出了大量的修改和创新，使之更适应国内的实际生产情况。目前该项技术已经开始正式推广应用：

      该项技术在保持了原传统双膛竖窑的工艺结构和特征外，主要做了如下工艺改进及创新：

1、简化原料上料系统：

简化原料上料系统，采用窑前料仓直接上料，上料过程中实现石料筛分、清洗、石料分级入炉，可节约原料系统投资40%-50%。

2、优化煤粉喷吹和点火系统：

       1）喷煤管路压力分配采用智能均压分配，合理设计管路管径，减少了气流在管路中的波动，使气流更加稳定，煤粉输送和分配更加均匀，提高了窑膛内火焰分布效果，提高了产品质量。

       2）改变传统的煤粉分配器机构，由盘式分配器改为空腔的立体空间喷吹结构，喷吹精度高，喷吹稳定，不会因物料特性的改变和窑内压力的波动而受到影响；

       3）独特的旋转给料结构设计，保证了喷煤系统平滑无波动，确保了煤粉在管道内均匀稳定喷吹，不堵塞；

       4）选用独特的具有自保护功能的喷枪，能够自由调节喷头伸入位置，降低故障率，提高喷枪的可控性能和使用寿命。解决了传统喷枪喷头持续裸露在窑体内喷头持续经受气流冲刷而造成喷头磨损严重、寿命较短、喷头堵塞等问题。

      5）选用新型煤粉直接点火技术，解决了传统的双膛窑点火烧嘴使用液体燃料，升温慢、需要时间长，使用量大的问题，从而优化了点火和石灰窑开工操作，保证了工程质量，降低了劳动强度，缩短引燃固体燃料和石灰窑开工时间，节约点火成本。

3、设计应用新型炉顶加料装置：

       现有传统的双膛石灰窑一般都采用炉顶入口旋转料斗来进行加料，其设备整体结构较为复杂，投资成本较高，故障点多，加料过程中粉尘容易扬起，因此会污染到周围的环境，环保不易治理。而且也导致炉顶压力不稳定，因此难以满足生产工艺要求。

      新型炉顶加料装置采用分体段式密封加料方法，投资小，实用性高，完全密封，便于维护，满足双膛石灰窑加料及煅烧工艺需要。而且该装置易于安装，便于操作，适用性强，大大降低生产运行中产生的故障数量，在生产运行中处于完全密封状态，因此完全杜绝扬尘，符合环保要求。

4、创新设计应用炉内支撑工艺：

       与传统的石灰竖窑不同，双膛竖窑窑体煅烧带和预热带是不同直径的筒体，所以煅烧带与冷却带窑体的连接和支撑是*为关键的技术，也是与传统混烧竖窑及其它直筒型石灰竖窑*大的区别。国外引进型双膛窑的炉内支撑方式，主要以麦尔兹公司早期开发的牛腿支撑结构式和后期包括国内多家公司开发的悬挂缸式两种结构。另外一种就是意大利西姆公司开发的角环无支撑结构方式。

      牛腿支撑的双膛石灰，因通道阻力大，每周需停窑约2小时，用来清理中间烟气通道，因而劳动强度大，对生产的稳定性不利。悬挂缸式结构较好地解决的环形烟气通道堵塞的问题；但是中间通道仍需定期（15～20天）清理；而且悬挂缸设计结构复杂，制作工艺复杂施工难度大，价格昂贵；而且维修难度较大且事故发生的风险较大，严重者甚至会出现整体的坍倒现象。角环无支撑结构方式彻底解决了环形烟气通道和中间通道堵塞的问题，环形通道和中间通道运行中无需清理，缺点是窑膛下部内径增大一倍，钢结构工程量和土建工程量增加较多；角环结构设计结构复杂，制造工艺复杂，价格昂贵，制造周期长；角环处特殊挂件和特殊耐材设计使用大量特异型砖，材质要求特殊，制造难度大，而且成本高，且不利于后续维修更换。

       创新应用的“环形导风墙支撑体结构”克服了上述现有技术的缺陷，设计了一种结构简单、制造方便、便于现场施工的炉内支撑和导风煅烧设装置，该项技术增加了导风墙装置，改进了环形通道工艺降低了环形通道的阻力，提高了热烟气在中间通道处的流速，使中间通道不易产生积灰，解决了生产过程中会在窑内或中间通道积灰的问题，确保生产的连续性。而且，同时解决了内部支撑结构冷却的问题；而且结构简单、不易发生故障。同时，与国外引进技术的同等结构投资相比，投资有很大降低。

       该系列窑型主要产量为：日产400吨、500吨、日产600吨三种。

       四、多功能国产化双膛石灰窑的优化设计与创新

       由“中国石灰产业学会”主持开发并授权“唐山金泉冶化科技产业集团”旗下“唐山市丰南区金泉冶金能源新技术开发有限公司”和“唐山金泉成套设备有限公司”独家开发的“新一代煤电一体化双膛竖窑技术”经过多年研究，在“新一代国产化双膛竖窑技术”的基础上的再次优化提升，实现了多种燃料在双膛石灰窑上的应用，进一步延伸了用户的经济效益。

      1、 气煤两用型双膛竖窑：

       现有的双膛石灰窑，一般是采用单独的煤气或煤粉作为燃料介质来进行石灰的煅烧，对于单独采用煤气作为燃料介质的石灰窑来说，对低热值煤气的利用率较低，无法充分使用低热值煤气（如：高炉煤气），而对于单独采用煤粉作为燃料介质来的石灰窑来说，需耗费大量煤粉，生产成本较高。

      “新型气煤两用双膛竖窑”设计了气煤混烧功能，能够有效实现煤气和煤粉的双燃料混合燃烧，实现石灰窑燃料介质的多样性，利于提高石灰窑的使用率和适用范围，提高低热值煤气的利用率，节约燃料的使用成本。

       该项技术主要是利用了二氧化碳气体及氮气等惰性气体与通过煤粉喷枪与煤气喷枪的设计组合，使煤气和煤粉的双燃料混合燃烧，实现了石灰窑燃料介质的多样性，提高了石灰窑的使用率和适用范围。该窑型也单独可以使用单一的煤气或煤粉时作介质进行生产。

        2、天然气型双膛竖窑：

       天然气清洁高效且供应充足，是目前*合适的的双膛窑替代燃料。天然气双膛竖窑与喷煤粉的双膛竖窑工艺结构基本相同，只是燃烧系统（包括喷吹和燃料输送）工艺不同。目前已得到应用的双膛窑天然气燃烧系统工艺是国外研发的，天然气燃烧系统改造技术方案投资高而且技术垄断。因此，开发我国自主的双膛石灰窑的天然气燃气装置是十分必要的。

       新设计的天然气燃烧系统由天然气燃气输送管路，供气站、调压装置、流量调节装置、安全保护装置、燃气环管、冷却风管环管、高压蒸汽管道、高压惰性气体管道、喷枪、点火装置、燃烧调节装置、喷枪支架、喷枪组成。炉内喷枪有多根喷管组合平行排列，多根喷管组成一个燃烧装置，多根喷管在燃烧装置内均布，燃气装置环管环绕在燃烧装置体外圆周。

      该项装置实用新型结构简单，采用的设备数量较少，生产过程中故障率低，采用自动化控制，操作维护简单便利，岗位工作人员需求少；而且整体施工周期短，投资费用相对降低很多。

       该系列窑型主要产量为：日产400吨、500吨、日产600吨三种。

       3、混料式竖窑改造为双膛竖窑：

       目前，由于我国燃料结构特征所限，竖窑的主要生产窑型还是以固体燃料为主的混烧石灰竖窑为主，贡献了超过70%的产量。但是，由于我国经济转型发展和生态文明建设的步伐加快，部分普通混料式竖窑生产工艺及装备的生产能力、节能降耗、环境保护和自动化控制等方面已经不符合国家对石灰行业绿色发展的要求，技术进步及结构调整和淘汰落后竖窑窑型的步伐已经明显加快，普通混料式竖窑窑型及装备技术升级、更新换代的时刻已经来临。

      但是如果将此类普通竖窑拆除替换全部拆除，则会浪费大量的资源或者耗费大量资金，甚至有可能使一些石灰企业受到到重创，非常不利于石灰产业的发展。如何充分利用现有混料式普通竖窑的工艺结构进行改造和利用成为目前行业关注的焦点。

       针对上述问题，*新开发出了用于“混料式竖窑改造为双膛竖窑技术”，设计了多种普通竖窑改造为并流煅烧和逆流蓄热的竖窑装置及其改造方法，采用合并两座单筒竖窑炉体结构，增加高温烟气流通装置、燃料输送装置、炉外操控装置、炉内燃烧装置、双向气流流通装置、高压清扫装置等，从而改变以往的生产工艺，保证产能和产品质量的同时，实现节能环保；并且不需要拆除原有的普通石灰竖窑，很大程度的降低了投资。该项装置可使用煤粉喷吹和使用燃气生产。

      目前，唐山金泉公司从2019年开始推广应用的“第四代煤电一体化石灰竖窑工程”全部预留了用于改造为“双膛竖窑”部分工艺接口，其中*重要的窑型结构部分、包括炉底双向供风装置及窑体土建基础等都已经按照“双膛竖窑”的工艺需求设计建造，极具改造利用价值。

      值得说明的是，除唐山金泉公司“第四代AHA复合窑型”及部分金泉公司“第三代窑型”可以改造外，由于改造工艺所限，目前其它可以改造的窑型主要为“直筒型”结构竖窑，“花瓶型”竖窑不可以改造。而且需要具备两座窑为同轴线连体结构或者两座窑中心距在可连接范围之内等条件才能够实施改造。

       该系列改造窑型主要产量为：日产300吨、日产400吨两种。

      4、煤电一体化双膛竖窑的开发应用：

      该项技术是*新国内自主研发的新一代煅烧石灰技术，重点研发的方向是针对现有技术的空白，利用石灰生产中产生的二氧化碳气体进行发电及利用电能煅烧石灰，把石灰生产中的二氧化碳气体全部收集并循环利用，实现二氧化碳“零排放”，该技术关键点是解决目前煅烧石灰普遍采用燃煤为燃料的状况，符合国家节能环保要求及“碳中和”和国家新能源利用的发展方向。

      该项生产石灰系统设计为“双膛”或“多膛”，其中除具备传统“双膛窑”的“并流”和“蓄热”功能外，重点增设了“电能转换蓄热膛”，采用电加热产生热风高温空气来煅烧石灰，包括“电烧蓄热膛、“高温无焰燃烧装置”等。发明的关键点是把上述“双膛竖窑”不同功能的工艺装置设置在一个组合体内，形成一个完整的加热、并流、蓄热、煅烧一体化的新型多功能炉体。该项发明解决了采用电能生产石灰时电能所转换的热能无法直接加热被加热体，而且无法把热能储存及无法精确控制热负荷和热风温度的问题，将各个不同功能的生产单元体依据具体的需求进行组合，其不仅可以通过把电能转化的热能用蓄热方式进行能量储存和热量收回再利用，还可以在炉内向燃烧室直接提供高温空气，实现高温空气燃烧。

       该项发明为上述“双膛竖窑技术”的进一步延伸和深化，以便实现更多电烧石灰的方法。目前，“唐山金泉公司”已经完成多项工业实验并完成了多项专利申请工作，随着技术的不断完善和成熟，该项技术将逐步应用到“燃煤双膛竖窑”上面，在以燃煤或燃气的生产工艺基础上增加电电烧功能，*终目标实现独立电烧”的功能。

           资料编辑：

    中国石灰产业学会

            孙  菲

         2021.01.20