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国产化双膛石灰窑再获技术突破!助力行业高质量发展!
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国产化双膛石灰窑再获技术突破!助力行业高质量发展!
来源:石灰窑生态圈 作者: 发布时间:2021-08-06 14:47:24
 
      国产化双膛石灰窑再获技术突破!助力行业高质量发展!
        一、专家鉴定行业认可  引来行业关注
       20210730日,由“中国石灰产业学会”组织的“2021年度石灰行业新技术新装备评审会(第二季)”上,一项涉及双膛石灰窑技术领域的新技术顺利通过了鉴定,被专家组评价为达到国内领先技术水平、是石灰行业生产技术的又一次技术突破。
这项技术是由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”送选的“实现双膛石灰窑并流逆流同步煅烧及炉内脱硝技术”。该项技术通过采用煤电(汽电)一体化及煤电(汽电)互补的煅烧方式,能实现双膛石灰窑并流及逆流同步煅烧及蓄热,解决了目前传统双膛竖窑窑容积生产利用系数低的问题,同时也达到提高低热值燃料燃烧温度,解决低热值燃料在双膛石灰竖窑内煅烧温度不够的问题,实现了低热值燃料在双膛石灰竖窑的有效利用,而且还实现了在炉内进行脱硝治理的目的。同时,还实现了喷枪自由点火、安全可控的目的。
本次评价采用由“中国石灰产业学会”牵头联合国内内多家高校及科研院所设计的全新科技成果评价体系,该体系包含评价执行规范、分类评价指标设计、评分方法、评价专家管理规范、技术检索分析方法等。与会专家认为,这项技术是将“煤与电”、“气与电”进行了耦合,而且改变了传统双膛石灰窑的煅烧与蓄热的转换生产方式,在不增加总能耗的情况下有效的达到了增产提质和使用低热值燃料的目的,而且还实现了使用洁净能源和炉内脱硝,达到了减碳和环保治理的目的。这种技术组合具有创新性及较好的实用性及操作性,而且投资和节能效果明显,能使传统的双膛石灰窑生产技术再次得到提升。
二、找准了问题切入点  巧铺探究之路
并流蓄热式双膛石灰窑因其独特的节能优势而在全世界得到广泛推广,迄今为止,双膛石灰竖窑已经发展了60余年,我国自八十年代开始引进。并流蓄热式双膛石灰窑具有独特的双膛结构,其两个窑膛能交替实现煅烧、蓄热功能,可以实现石灰活性度最高而燃料消耗最低,因此具有其它石灰窑无法比拟的工艺优点。
从双膛石灰窑技术发展过程看,其生产原理大都一样:采用两个竖式煅烧炉膛组成,两个煅烧炉膛又相互联通且交替进行石灰煅烧,两个窑身都有换向系统,用于交替轮换使用两个窑身,在窑身煅烧带的下部设有彼此连通的通道,煤粉或燃气喷枪安装在预热带,采用插入式埋设在石灰石中。煅烧带与冷却带之间加设环形通道和在两竖窑的环形通道之间设置烟气连接通道,实现并流式煅烧,提高石灰竖窑的效率,有利于降低石灰生产的能耗。
双膛竖窑中的所谓并流是指煤粉或煤气燃烧煅烧石灰石时,燃烧产物和石灰一起同向并列向下流动。所谓蓄热是指燃烧产的高温废气通过两窑膛下部的环形通道从一个窑膛进入另一窑膛并向上流动,即所谓“逆流”,将处于窑上部预热带内的石灰石预热到较高温度,把热量积蓄起来。此时高温废气温度下降到一个很低值后排出窑膛。
从上述生产原理不难看出,现在的并流蓄热式双膛石灰窑的优点是充分利用高温废气,节能环保。但是其不足之处也是很明显:由于是两个窑膛交换煅烧,在一个炉膛并流煅烧时另一个炉膛需要同等时间停止煅烧进行逆流蓄热(一般都采用每15分钟两个窑膛换向操作),这就造成了每个窑膛实际煅烧时间只有50%,这也是目前造成双膛石灰竖窑与其它窑型相比容积利用系数不高、吨产品投资高的重要原因。如何实现并流及逆流全程煅烧,提高窑容积利用系数是提升双膛石灰窑整体经济效益的关键。
同时,双膛竖窑对燃料选择的局限性也很突出,采用高热值煤炭燃料喷煤生产时各项指标最优,而当使用低热值燃料时各项指标明显下降。尤其是当采用气体生产时燃气热值要求热值大于1500kcal/m3以上的高热值煤气才能正常生产,而冶金行业用于生产石灰的工业尾气最普遍和容易获得的就是高炉煤气,其热值只有750kcal/m3左右,造成产量系数更低,在同等窑容积下,与采用喷煤燃料生产相比,只能达到其生产系数的60%左右。而且,目前可用于石灰窑的高热值燃气越来越少,为谋求石灰窑的生产,必须考虑低热值燃气用于冶金石灰生产。为此,有必要研制一种提升双膛石灰竖窑采用低热值燃气及低热值固体燃料的方法及装置,使其适用于双膛石灰竖窑。
同时,传统双膛石灰窑还存在喷枪点火困难及不易操作的缺点,当窑膛内达不到着火点温度时喷枪需要进行人工点火,但是由于喷枪是埋设在窑内煅烧带部位(窑体中间部位),而且炉体煅烧带也无法安装人孔等设施,致使喷枪点火极难操作,需要降低炉内一半以上料位露出喷枪喷口后才能用人工明火点火,极大的影响生产操作和安全。虽然目前有的改为在炉体外部煅烧带喷枪位置安装多组点火装置,但是因为需要用天然气等气体作为点火燃料,也存在着安全隐患及操作困难问题。所以,如何解决喷枪点火也是很重要说的。
而且,传统的双膛窑没有设计应用脱硝装置,而且由于其炉顶外排烟气温度低于140℃,进行脱硝治理时必须把烟气进行二次加温至700-1000℃范围才能有效脱硝,致使必须增加炉外脱硝设施。目前,烟气脱硝技术主要有两种:选择性催化还原 (SCR) 技术和选择性非催化还原脱硝 (SNCR)技术。SCR技术起源、成熟于电力行业,是目前较为成熟的高效脱硝技术。但是,目前该项技术还无法真正应用到石灰行业,主要原因是生产工艺不适用、运行成本过高、占地多,投资过高等原因。所以,有必要研究一种投资低,而且能够在石灰窑上能够实现低成本运行和超低排放的脱销技术。
三、理念超前课题严谨  解决传统难题
从此次评价资料中显示:
    1、改进的技术关键点:
 传统双膛竖窑都是两个窑膛定时转换进行单独煅烧,该项技术技术实现了两个窑膛同时煅烧,其关键点就是利用了电能转换热能时不需要氧气的特性,因为在蓄热膛停止煅烧后是没有助燃风进入的,而且废气是逆流上升状态的,这种环境下任何燃料都是无法燃烧的,只有电能的热转换方式才可以实现,这是其它加热方式不可比拟的。尤其是该项技术中的“复合式耐高温多功能喷枪”是实现上述功能的关键,其充分的利用了传统双膛石灰窑喷枪的特性,在保留其喷吹固体燃料和气体燃料的功能结构原理上,巧妙地利用喷枪本体作为结构骨架,在喷枪外部增加耐高温材料进行二次隔热层设计,使其更加冲刷和耐高温。在隔热层外部适当位置设计应用电加热材料,电加热材料外部安装耐高温材料和耐冲刷材料。而且喷枪外部的耐热材料和电加热材料是分段可拆装的组合体材料,使整个喷枪装置达到了多功能和多用途。在使用过程中可以单独喷吹燃料燃烧也可单独电能转换煅烧。
 同时,实现两段式燃烧也是其关键:与传统双膛石灰窑单独在煅烧带进行放热煅烧不同,该项技术充分利用了两个窑体的环形通道及联结通道,在通道内设置了电能转换加热装置和高压喷吹装置,当其中一个窑体的废气与下部冷却风混合后转换至另一个窑体的过程中,把已经从1100℃左右温度下降至600℃以温度下的混合废气再次加热提升至900℃以上,使进入另一个窑膛蓄热的废气转变为煅烧的高温气体,使蓄热膛变为煅烧膛,两个窑膛长期保持在合理的、固定的煅烧温度,也就是说当一个窑膛并流煅烧时另一个窑膛是逆流煅烧的,实现两个窑膛同步煅烧与蓄热。 
 该项技术中的炉内脱硝的反应原理为:根据布朗运动和分子间作用力原理,由于还原剂的介入使得高温高压水蒸气分子化学键非常不牢固,与碳反应生成一氧化碳和氢气:C+H2OCO+H2;一氧化碳和氢气分别参与两个化学反应:CO+2NOCO2+N22H2+2NO2H2O+N2;部分氢气与氮气反应生成的还原气体与一氧化氮反应还原成氮气:N2+3H22NH36NO+4NH35N2+6H2O,因此使得氮氧化物被完全还原,达到低成本脱硝目的。该工艺中的还原剂成分至关重要,选择合理的还原剂品种及适宜的用量和适宜的还原温度和还原时间才是其关键。
 还原剂不采用传统脱硝工艺中所用的“氨水”等材料,采用新型复合材料为还原剂,脱硝效果更佳、没有“水”和“气”的二次排放污染也无固体废弃物产生。操作方法采用气相法和液相法综合应用,以石灰窑生产中原动力系统输送介质至炉内,在炉内活化和汽化,瞬间与NOx发生化学反应,还原成N2H2O。治理过程采用梯级治理方法,利用炉内燃料喷枪冷却期间进行喷吹还原剂,而且由于喷枪上面的电能转换加热装置温控可调更加容易达到理想脱硝适宜温度,而且巧妙的利用了石灰窑蓄热膛在蓄热过程中石料下降时与气流逆交换产生的充足的气流停留时间进行NOx 还原反应,可以在NOx产生源头上进行燃烧过程控制以降低NOx含量,而且温度选择性也较强,使操作更简单。
 该项技术可以使炉内还原气氛均匀、压力稳定、阻力小,而且脱硝还原带设置在贫氧而富燃料的区域,有助于减少燃料中的氮形成NOx(即燃料型NOx)。同时,该项技术无需增加脱硝塔、反应器等大型炉外投资设备,实现石灰窑炉内直接脱硝,而且充分利用了石灰窑生产中的余热,不需要外部增温增加的能耗费用。
    2、与现有传统双膛石灰窑技术相比,该项技术有如下特点:
   1)、提高了容积系数增加了产能。
 双膛并流逆流同步煅烧不担提高了煅烧窑膛的煅烧效率,而且使蓄热窑膛在蓄热的同时具备了煅烧功能,使石灰石煅烧时间更长、容积利用系数更高,至少可以提升30-40%的产能或者更高。
   (2)、生产操控更加便捷、产品质量更易掌控。
 由于使用电能加热进行二次煅烧,使窑内煅烧温度更容易调节掌控,热能分配更加均衡,可以实现高精度的温度自动控制和调节,可以精确控制热负荷和煅烧温度,使石灰石分解更充分、更均匀、提高了石灰质量。
   3)、降低了传统能源的使用,增加了清洁能源的使用。
 由于利用电能进行二次辅助加热煅烧,实现了煤电一体化生产,减少了煤炭等传统燃料的使用,降低了碳排放和污染物的排放。
   4)、充分利用低热值能源,进一步降低生产成本。
  由于电能加热采用两段煅烧方式,电能加热分两段进行,温度可以两次提升,因此对燃料的要求不高,能使用低热值的气体燃料和低热值的固体燃料。
   5)、降低了综合能耗和投资。
 由于电能加热为无氧燃烧,加热区域在蓄热烟气流动过程中的终端部位,因此废气中过剩空气的含量大为减少,热耗更低。同时,电能加热不需要空气助燃,能大幅度降低窑内气体总量及窑压,对由预热带吹入的助燃空气需求量大幅减少,因此能大幅降低助燃风机、石灰冷却风机、喷枪冷却风机、煤气加压机和除尘引风机的电力消耗和功率指数,节约电能和投资。
 6)、实现炉内脱硝,降低环保设施投资。
 由于在炉内电加热区域进行脱硝治理,使脱硝设施更加简单实用,减少了炉外脱硝设施的投资,使环保投资更加经济实用。同时,在炉内脱硝时是采用蓄热膛喷枪停止燃烧时的间隙进行喷吹,与喷枪中冷却风混合后达到雾化效果,即达到了脱硝目的也达到了冷却喷枪的目的。
  7)、无需增加蓄热体,实现了电能储能功能。
   改变了目前电能转换热能都必须采用蓄热体存储热能的方式,把石灰石作为固体蓄热体材料进行储能,不需要增加蓄热放热介质,实现电能转换与蓄热加热一体化功能。
  8)、实现喷枪自由点火,使用安全调控方便。
   改变了传统双膛石灰窑依靠人工或天然气设施点火的方法,采用喷枪装置上的电加热装置进行高温点火,操作简单安全方便,而且温度可调可控,可在生产中的不同工况中进行操作。
    四、硬科技底色初现  创新方兴未艾
    目前,国内石灰行业正在迎来新一轮转型升级浪潮,一些落后的技术和产能正在进入加速淘汰期,石灰行业面临发展“瓶颈”,究其原因,有“眼光局限”,更有“路径依赖”。只有跳出思维定势,顺应科技变革大势,才能实现发展更高更优。唐山金泉公司积极应对主动求新求变,一项项瞄准石灰行业生产技术的改革正酝酿生发、拔节生长。而这项技术就源于目前石灰行业对高品质石灰需求的不断提升和新环保治理政策高压释放背景下催生的产物,是进一步满足新时代下石灰行业科技发展要求的必要措施。
    双膛石灰窑煅烧工艺自我国引进以来,因其独特的煅烧方式和优良的生产指标备受业界关注,但是,由于其投资高昂及国外技术垄断等原因,仅在国有大型企业应用较多,在民营企业应用较少。同时,对其产能系数也一直存在异议,比如:典型的日产600吨双膛竖窑,虽然是日产600吨,但是这个产量是两个窑膛(窑体)的产量,换算到一个窑膛也只有300吨,这个产量普通竖窑也都能达到,并无显著优势,从这个产量指标与其投资相比,双膛窑投资性价比劣势凸显,这也是双膛石灰窑没有快速普及的重要原因。唐山金泉公司针对上述问题进行了多年深入研究,从新技术应用、传统改良、国产化等方面入手,成功的推出了适合我国国情的双膛石灰窑系列工艺技术,而且同等产量下其投资只有国外技术投资的三分之一左右,极具推广应用前景。尤其是新推出的这项“实现双膛石灰窑并流逆流同步煅烧及炉内脱硝技术”更具优势,在同等容积窑型和同等投资下如果产量达到大幅提升,其实际上就是另外一种降低投资的手段,而且更直接、更简单。
   这项技术是自2020年中国石灰产业学会推出“国产化双膛石灰窑技术”以来,唐山金泉技术团队以原来的研究成果为基础,全力推进关键技术研发。经过一年多的努力,目前该项系列技术已经基本定型,完成了中试阶段,已经开始在部分在建工程中试用。更为关键的是,该项技术遵循和延续了传统双膛竖窑的结构特征,主要工艺装置绝大部分都实现共用和国产化,为进一步推广该项技术打下基础。从唐山金泉公司2021年完成的多个国产化双膛石灰窑施工项目中了解到,该项技术既可以在新设计的项目中应用,也可以在传统双膛石灰窑上升级改造应用。
 目前,该项技术已经完成多项发明专利和实用新型专利技术的申报和审批工作。同时,随着技术不断的完善和提升,必将繁衍出更多的创新技术,必将带来石灰生产科技创新史上的一场技术革命。如今,在石灰行业中对于科技创新和技术驱动的思路,认可度越来越高,已经认识到科技创新带来的巨大力量。或许,该项技术只是“抛砖引玉”,可以预见,未来几年关键技术交叉融合、群体跃进,变革突破的能量将不断积累,必将对石灰产业的发展产生重大影响。
    五、编者结语
   在科技日益成为一个产业竞争力的今天,我想在这里本着既不崇洋媚外也不故步自封的态度来浅谈一下中外的石灰产业发展情况,通俗一点说,就是浅谈一下中外的石灰生产技术差别。
纵观我国石灰生产技术的发展,实事求是的说,如果从传统意义上讲,从新中国建国70年以来,我们国内石灰生产装置只有一些所谓“花瓶型”的“土窑”可以作为我们的“特色”呈现,但是,在一些先进窑型面前确显得不伦不类且已遭淘汰。尤其是从近几年我国石灰传统产业升级及淘汰落后产能中相关部门发布的所谓“石灰窑先进窑型”无一例外的都是“舶来品”,包括:双膛窑、双梁窑、套筒窑、回转窑等等。就是列入限制和淘汰的部分窑型如:50年代最早应用的单膛燃煤混烧竖窑(螺锥出灰)也是从苏联引进的,引用到现在还被某些公司吹嘘为“第几代技术”,蒙骗了很多不明就里的用户。所以,目前国内强制淘汰和限制的“窑型”全部是国内“自产自用”窑型,而国外引进的所谓“先进窑型”虽然也都是几十年以前的东西,但是现在确被国家列为“推广窑型”,这很值得我们深思,也让我们知道了自己差距和不足,也让我们感受到了被国外技术“卡脖子”痛处。
 可喜的是,我国的石灰产业的部分从业人员已经清醒的认识到这一点,加快了创新发展的步伐,在短短的十几年时间,靠着技术创新、产业升级的这股劲头实现完美“逆袭”,原创成果竞相涌现,产业创新效果显著,创新氛围日益浓厚,正逐渐形成具有国产特色及国产化的系列技术和产业。尤其是国产化的“双膛窑系列”、“套筒窑系列”、“煤电一体化竖窑”、“石灰窑回收二氧化碳发电电烧石灰系列技术”等等不断涌现。这些技术都是在我国传统石灰生产工艺的基础上不断创造新工艺、新技术的结果,是一种传承与创新的并存,是我国石灰生产工艺技术的沉淀与融合,更是我国一批创新者的一种坚定气质与坚守。可以肯定的是,我国石灰生产技术的快速提升,已经达到或超过了国外一些生产技术,部分技术已经国际领先水平。
崇洋媚外乃是人的本性,勇于创新才是时代所需!尤其是唐山金泉公司等一批国内优秀企业技术团队,在破除过去的一些老旧观念和技术的同时,能够吸取、保留和改造传统石灰生产中积极的因素作为自己存在和发展的基础,汲取各家之所长来创造属于自己的一种思维和模式,实现了创新对既有理论和实践的突破。我想,这些才是他们最值得肯定的地方。
 
编者特别说明:
1、本文章中所述技术原理仅为技术交流的一部分,仅为技术发明人同意对外发布的相关内容,其实际应用内容及数据以唐山金泉公司实际实施内容为准。
2、虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,包括发明名称、工艺及任何对之作一些修改或改进均已经列为专利要求保护的范围,如有侵权,责任自负,与本文作者无关。
 
资料编辑:
中国石灰产业学会
  孙菲
20210806
附:2021年已投产及在建的部分典型国产化双膛石灰窑现场照片:
 
 
 
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