行业深度 || 2020年度套筒窑技术发展报告

一、概述

套筒活性石灰窑技术于上世纪60年代诞生于德国贝肯巴赫公司，作为石灰行业高端炉窑的主流窑型之一，以其环保、节能、占地面积小、自动化程度高及煅烧出的石灰品质优等诸多优势被国内引进并大力推广，广泛运用于钢铁、电石、氧化铝、建材等行业。典型客户如宝武集团、山钢集团、新疆中泰化学、宁夏国电英力特、内蒙古君正、东方希望集团等。

据不完全统计，我国在“十一五”及“十二五”中期，套筒窑新建投产数量稳居国内主流窑型新建排行榜前列。随着国家加大对工业生产环保治理力度及宏观经济的调控举措，导致钢铁、煤炭、电石等工业产品市场价格持续低迷，国内石灰生产企业迫于生产成本压力，不得不将新建计划暂缓或改为对煤粉燃料适应性相对较强的其他窑型，由此而造成套筒窑新建投产数量呈断崖式下滑。近两年来，随着国家对工业生产尾气中氮氧化物排放浓度的重视，再加上套筒窑技术的不断创新，新建套筒活性石灰窑的数量又开始攀升，但离上一个辉煌期仍然有一段距离。

二、套筒窑技术特点及发展与应用

选择一套生产装置或一个产品，我们首先考虑的是它能给我们带来什么？我们为什么要选择它？它有什么特色？下面就围绕这三个问题做如下说明：

1、套筒窑能给我们带来什么？

（1）套筒窑能够生产出高活性度石灰，而且质量相当稳定，无普通竖窑生产中“大起大落”现象。根据近年石灰协会统计数据表明：国内BASK套筒窑的石灰活性度均稳定在360mL以上（按5分钟消耗4当量浓度的盐酸来计算），最高可达420mL；

（2）产品二氧化碳的残余率低，可达到小于1%；

（3）可以利用回收燃料（如高炉煤气、转炉煤气、电石尾气等），既保护了环境，又大大降低了生产成本；

（4）能够适应各种粒度的原料矿石，粒度范围可从30～80mm；

（5）以较低的能耗生产石灰，一般热耗为930～980kcal/kg石灰，电耗为22～25kW·h/t石灰；

（6）操作简单、维修方便。套筒窑经过多年发展，大多数设备采用国产，维修费用及备件费用低；由于负压生产，一般维修可不停窑进行。

2、为什么要选择套筒活性石灰窑？

套筒窑因其投资少、生产成本低、运行稳定、操作维修方便简单和石灰质量高被世界上许多客户所接受。套筒窑自引进国内后已建成投产累计有400多座，涉及冶金、电石、氧化铝、环保、建材等行业，其中在冶金、电石、氧化铝行业数量居多

那么，套筒窑究竟有哪些优势呢？

（1）适应石灰石块度的灵活性：套筒窑可使用小块和大块之比为1∶3的石灰石，有的甚至达到了1∶4（但要看石灰石的产量、原料石和燃料的特性）；

（2）适应燃料的灵活性：套筒窑可以设计成适应所有气体、液体和粉状固体燃料，还可以设计成一座窑使用几种不同的燃料（如天然气和重油），通过简单操作即可从一种燃料转换成另一种燃料；

（3）产量的灵活性：套筒窑的日产量可从100吨到600吨，实际生产量可达到公称产量的60%～110%；

（4）设备运转率高于98%。停窑原因主要是修补耐火材料内衬，如能精心操作，维修周期会更长，如上钢一厂的套筒窑，现已经运行5年多，始终运转良好；

（5）套筒窑是负压操作，环境相对清洁， 噪音污染也比较小，适合国内各部门的环保要求；

（6）能耗较低，一般热耗为930～980kcal/kg石灰，电耗为22～25kW·h/t石灰，大大降低了生产成本；

（7）采用变频调速技术。环形套筒窑驱动风机、高温废气引风机和料车卷扬机均采用先进的交流变频调速技术，保证套筒窑煅烧的灵活调节，且有利于节能降耗；

（8）采用目前世界上石灰生产最先进的计算机全自动化控制系统，人员操作简单方便，石灰系统现场操作定员只需三人/班；

（9）套筒窑占地面积小。国内老牌钢铁企业厂区布局紧密，没有太多的场地供其使用，因此套筒窑受到各大钢厂的青睐。

3、套筒窑的工艺技术“特色”

与传统的竖窑相比，套筒窑从其结构上有三个与众不同的“特色”：

（1）由内外套筒的耐火内衬形成一个环形空间，物料在此环形空间内下落烧成。这样对石灰生产有非常有利：一是物料下落速度一致，更趋均匀，避免出现传统竖窑中间石料的流速大于周边石料的流速（按径向半径下落速度越慢）的问题；二是热量更趋均匀，避免出现传统竖窑由于“窑壁效应”产生的中间热量小于周边热量的问题，使燃烧产生的热量均匀的分布在同心等厚的物料中，从而保证了优质石灰的烧成。

（2）并流烧成工艺。通过喷射器打入的驱动空气使燃烧后的热气体向下运动，和炉料方向一致进行烧成，使已经烧成的石灰活性度得到最大限度的优化，这是套筒窑提高石灰活性度的一个很重要因素。

（3）上部煅烧带的轻烧工艺。燃料在上部燃烧带并不完全燃烧，而是在下部煅烧带达到完全燃烧。这样，就形成了在物料下落烧成时，由低温到高温逐步焙烧的过程，而这也正是烧成高活性度石灰所必备的一个因素。

从套筒窑的主要指标情况可以分析出套筒窑的优越性能，同时也进一步验证了以上“特色”所产生的良好效果。

4、技术创新与发展

套筒窑是一款工艺合理、节能环保的先进石灰煅烧装置，但也有其不足的地方，正所谓“白璧微瑕”。

（1）换热器换热管束及循环通道管的堵塞

换热器作为环形套筒窑的热交换装置，在窑的运行过程中起着至关重要的作用，它保征着窑内的热量和气体添量的平衡，并很大程度上影响着生产的石灰质量。而换热器中换热管束的好坏决定了换热器的工作效率，由于换热管长时间处于冷热两种工作环境下，在进行气体热量热交换的过程中，热管束的管口及管内形成的结瘤堵塞了换热管，从而降低了换热器的管垢分析，需对环形套筒窑休风操作，进行换热器的检修，对窑的正常生产影响较大，严重时造成石灰质量不稳。针对套筒窑换热器的堵塞问题，通过对换热器管垢分析，化验岀垢中主要成分有碱金属、碱土金属的氯化物（KCl_l、NaCl、CaCl₂）、碳酸盐(CaCO₃, MgCO₃、K₂CO₃)、硫酸盐(K₂SO₄、 Na₂SO₄）、氧化物(CaO、MgO)以及少量的硅酸盐。

（2）“娇嫩”的过桥

过桥是套筒窑十分关键的部位，也是整个窑本体最“娇嫩”的部位。

影响过桥使用寿命的除耐材制作、施工质量外，还与燃烧和控制是密不可分的。窑温控制是一个极其重要的操作指标，通过对窑温的监测来控制燃烧是较为有效的方法。但在实际生产中，由于生产条件的改变，如煤气选值的波动、低品位的石灰石、采用不好的燃烧设备和控制系统等, 将使控制难以实施，从而影响过桥的使用寿命。

针对套筒窑的通病，行业内专家们通过实践操作与积极探索，对套筒活性石灰窑做了大量的技术创新和改进：

1）新型的高效喷射技术，有效提高喷射效率、减少系统热耗并解决了喷射器内的结垢难题。

2）窑顶设置降噪装置，有效降低窑顶布料及装料时产生的噪音。

3）设置Console托圈及Cta拱桥，提高耐火材料的使用寿命。

4）采用烟气回流、上燃烧室分级燃烧、无焰燃烧等，实现NO_x超低排放。

5）窑顶采用环室抽气技术，使窑顶负压均匀。

6）烧嘴燃气及助燃空气独立调节控制，解决总管调节控制造成空燃介质分配不均的问题。

7）内套筒结构进行再优化设计，提高燃烧效率，也便于设备加工制作。

8）通过对结垢原因的分析，认为是主要是由于换热器烟气进口温度过髙、管内废气流速较低、燃烧过程中的尘量过大而结垢，造成换热器堵塞。通过设置在线切换双换热器装置，有效解决了换热器堵塞造成长时间停窑的问题，同时增设四点喷吹机构、等离子拦截装置，延缓换热器堵塞。

9）上料及布料系统优化设计，采用固定式分级布料装置、四点滑轮上料系统，有效减低了上料及布料系统故障频率。

10）窑底旋转出灰装置，有效减低了出灰系统的故障率。

11）成功研发煤烧套筒窑、低热值煤气煅烧技术，打破了套筒窑单一燃料的瓶颈。

三、套筒窑与其他窑型的对比

目前，国内石灰行业窑型众多，其都有各自的优势与不足之处。下面主要就套筒窑、双膛窑、回转窑三种高端、主流窑型对比如下：

1、煅烧工艺的先进性

套筒窑、双膛窑、回转窑三种窑型均经历了由国外技术引进到国内消化吸收并创新提升的过程。三种窑型有着三种完全不同的煅烧原理，均采用自动化控制系统，操作程序简单。双膛窑由于工艺设备多，整个控制系统稍微复杂。

2、能耗

根据石灰窑煅烧工艺的不同，双膛窑采用A、B膛轮换煅烧，充分利用余热加热石灰石，能耗仅需880～950kcal/kg石灰；套筒竖窑的采用逆流、并流共有工艺，采用高温废气置换加热助燃风，减少热能损失，并且负压生产又加速了石灰石分解，热耗为930～980kcal/kg石灰；回转窑因筒体部分热辐射无法收集利用，热耗损失较大，需要1100～1200kcal/kg石灰。

在电耗方面，由于双膛石灰窑风机数量≥13台/座，且电机功率大，电耗45～50kW·h/t灰；套筒窑仅需6台风机，其中有两台为备用，电耗为25～28kW·h/t灰；回转窑风机数量更少，电耗仅为20～22kW·h/t灰。

从综合能耗上分析，套筒窑比双膛窑和回转窑略胜一筹。

3、石灰的产量、质量

三种窑型的产品质量相差不大，活性度均能达到350mL以上。套筒窑生过烧率≤5%，CO₂残余量≤2%；双膛窑的生过烧率＜8%，CO₂残余量≤4%；回转窑双膛窑的生过烧率＜3%，CO₂残余量＜2%。

在产量方面，石灰窑为了生产高品质的活性石灰，产量不宜过高。套筒窑和双膛窑设计产量在150～800t/d，国内设计达到技术稳定运行的为500～600t/d的窑型。冶金、电石行业近几年所上窑型均为600t/d，如宝武集团、新疆中泰化学、内蒙古君正集团等；回转窑因煅烧工艺简单，设计产量在600～1200t/d。

4、故障检修率及检修难易程度

套筒窑本体设备相对较少，设备运行噪音偏低，设备故障率相对较低，维修、维护便利。但因过桥相对“娇嫩”，一旦损坏维修较为麻烦；双膛窑本体设备偏多，生产区域噪音偏大，设备故障率相对较高，但其耐材检修相对方便；回转窑设备简单，故障检修率低。

综合来讲，如按照石灰窑一个中修周期来算，套筒窑、回转窑在周期内的故障检修率较双膛窑要低。如按照一个大修周期来算，套筒窑检修难度较高，双膛窑其次，回转窑最低。

5、石灰窑环境及占地面积

双膛窑本体的占地面积比套筒窑本体要多出30%，公辅系统占地面积基本一致；回转窑本体总占地面积比套筒窑要多出50%以上。

双膛窑窑内是微正压生产，对窑本体焊接、密封要求较高，只要密封不好就会有石灰粉尘喷出。而套筒窑窑内是全程负压生产，即使有局部密封不严，也不会产生粉尘外溢。回转窑的粉尘控制点主要集中在预热器和冷却器。套筒窑在安全环保方面要优于其他两个窑型。

6、岗位操作人员

三种窑型标准配置的操作人员数量基本相同，但因套筒窑、双膛窑工艺相对复杂，因此对主控操作人员、三电工程师人员要求较回转窑略高一些。

7、投资与建设周期

按照相同产量的石灰窑来计算，套筒窑、双膛窑一次性投资基本相同，如采用煤粉作为燃料，则套筒窑一次性投资略高。回转窑在三个窑型中一次性投资最低。

套筒窑与双膛窑建设周期基本相同，为8～10个月，回转窑建设周期最短，为5～7个月。

四、套筒窑技术发展前景

在过去的较长一段时间里，由于受资源的限制和中小企业对活性石灰的作用认知不够，国内每年生产的高品质活性石灰产总量仍未达到全年石灰生产总量半数。导致工业产品品质处于中下水平，石灰石综合利用率低，使不可再生资源浪费。

即将到来的2021年是我国“十四五”规划开局之年，也是推动经济社会高质量发展，开启全面建设社会主义现代化新征程的第一个五年。随着我国工业的持续增长及高质量发展，冶金、化工、环保、新型建材等领域对活性石灰的需求量必将飞速增长，也为推广、普及能煅烧出高品质活性石灰的高端炉窑提供绝好的机遇。

值得庆幸的是，作为活性石灰消耗大户的冶金行业已经开始亮剑，随着宝武集团对国内钢铁企业的并购、整合，以及其他钢铁企业的异地搬迁，在选择石灰生产装备档次上必将会提升了一个较大的台阶。

套筒活性石灰窑以其环保、节能、占地面积小、自动化程度高及煅烧出的石灰品质高等优势一直被宝钢股份、武钢集团、梅山钢铁等宝武集团下辖钢铁企业所应用，成为冶金石灰生产主流窑型。相信通过这一次的钢铁企业大整合，势必在宝武集团再次掀起新建套筒窑项目的小浪潮。

俗话说“打铁还需自身硬”。业内广大科技人员在多年的实践中，攻克了一个又一个技术难关，使套筒窑技术得到创新发展。作为冶金及化工行业的主流窑型，我相信在接下来的五年甚至更长时间，迎着国家深化改革的浪潮和时代发展的激流，套筒窑市场将出现新的转机，具有广阔的发展前景。

上海宝冶冶金工程有限公司    刘  林