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自主创新引领市场，产学研合作聚发展动力
—协会专家现场调研唐山金泉“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”专题报告
一、 导 语
石灰窑项目选型，要综合考虑原燃料资源利用、项目静态投资及投资回收期、产品质量、石灰窑运行成本等因素，同时还应结合自身原燃料条件，并考虑当地环保部门对低碳经济和可持续发展等要求。
新型活性石灰竖窑中，应用最为普遍的还属套筒窑和麦尔兹窑，尤其套筒窑的技术优势：热效率高、原料入窑粒度范围大、占地面积小、全程负压操作、运行安全稳定等。但是，目前从国外引进的套筒窑及国产化的套筒窑都是以高热值煤气（转炉煤气或转炉煤气与高炉煤气混合）生产，使用喷煤生产的套筒窑还不太成熟，虽然麦尔兹双膛竖窑可以采用喷煤生产，但是其昂贵的投资是其推广缓慢的主要因素。竖窑如何使用喷煤生产石灰一直是国内业界的重要课题，国内石灰企业也在不断摸索采用喷煤生产石灰的竖窑，但是，因喷煤燃烧的特性普通竖窑一直不能生产出合格的石灰，主要是产量低（日产30-40吨）、生过烧太高（30%以上），能耗及石灰活性度、环保治理等指标也很差。那么，是否可以实现以普通竖窑的投资价位来达到喷煤生产优质石灰？笔者将带你详细了解目前国内新型石灰窑的动向，必将给你带来全新的思维与视角。
二、技术研发背景
唐山市丰南区金泉冶金能源新技术开发有限公司自始至终将科技创新作为撬动行业进步、企业发展的“杠杆”，企业把技术创新作为第一动力，通过对接科研院校、培养创新团队和搭建研发平台，形成了创造市场、引领市场的关键技术和优势产品。公司坚持以市场为导向，强调并重视关键技术、前沿技术、大型平台技术等的研究开发，各项经营业绩稳居行业前列，形成了逆势飞扬、以科技引领市场的发展模式。
当前，唐山金泉公司瞄准世界工业活性石灰生产能效优化的发展方向和应用现状，结合我国的发展需求与工程应用特点，提炼出了关键性、基础性、共性的问题，并据此陆续启动了5项石灰行业重大科研项目的研发工作。这些研发成果的出炉将极大的促进工业石灰生产能效优化技术的发展与进步，也提升了唐山金泉公司在上述领域的市场竞争力。
破而后立，说的就是有底气、有创新基因的公司，打破现有规则或现有格局，推出颠覆性的产品。近两年，唐山金泉公司响应国家关于节能减排与环境保护的号召，在石灰生产领域新技术的研发应用转化上取得了可喜的成果。其中，运用自主研发的“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”技术，颠覆了传统石灰竖窑的煅烧方式，实现了有效降低能耗、提高产品质量、降低工程投资的目标，该项技术极具推广应用价值，市场应用前景非常广阔。
三、现场调研实录
2015年8月8日，“北方炉窑协会”会长吴海涛与协会专家组一行在唐山金泉公司总经理刘玉泉等陪同下到山西省运城市就“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”技术的应用情况进行现场调研。
调研人员一行在石灰生产企业现场参观了已经投产运行16个月的“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”（实验）炉窑，并在生产企业公司会议室举行了座谈。座谈中，吴海涛会长首先说明了此行的目的，此次来访就是为了了解该项技术的使用及运行情况和运营成本，了解该项技术在实际生产中的真实情况，为下一步推广该项技术奠定坚实基础。座谈会上，公司负责人就该项技术的应用情况及各项生产指标进行了详细讲解，并对有关需要完善的技术问题与到会专家进行了交流。
据了解，该项技术是唐山市丰南区金泉冶金能源新技术开发有限公司与该公司合作研发的项目，唐山金泉公司从2009年就开始进行了该项技术的研发，从理论上进行了多方研究论证，通过多次实际生产实践应用与改进于2013年开始与该公司合作进行实际工程应用开发，通过在生产中的不断摸索和积累得到了宝贵的实际生产数据，该项技术综合了国外套筒窑、双膛竖窑的优点，创新研发了以喷煤技术为主的新一代节能气煤两用竖窑，该项技术为国内第一座具有原创技术水准的新一代窑型，该项技术的推出改变了国内喷煤型石灰竖窑技术完全依赖外国技术的现状，在行业内具有里程碑的意义。
该项技术得以成功，山西运城合作方公司石灰生产厂的“土专家”发挥了关键作用，现场的生产技术人员既有经验而且也很有创造力，“土专家”也有好点子好经验。很多石灰生产人员在多年的实际生产过程中积累了丰富经验，这些经验往往是不拘泥于理论，不限制于数字，十分适合新技术的创新应用。
唐山金泉公司当时推出的这些先进的石灰煅烧理念和技术深深的吸引了现场生产人员，他们从不懂到精通，从积累到迸发，通过刻苦学习和钻研，他们很快掌握了“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”炉窑系统的工作原理、设备操作、故障处理等理论知识，再经过实践的不断摸索，在反复的试验和测试当中，他们发明和积累了很多土办法，比如“外置热循环技术”、“旋压燃烧技术”、“低压喷煤技术”等，也正基于此，才使得该项技术得以快速提高，为成果应用提供了有力的支持，实现了合作各方优势互补，提升了研发成效。
在现场，我们进一步了解到：“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”炉窑技术实现了多项国内同行业的领先指标，特别是以先进的技术指标、突出的节能环保效果、优良的性价比,该项技术在行业内推广应用必将得到用户的认可,表现出很强的市场竞争力。
在考察中我们了解到，该项技术实现了以下功能：
1、新奇的窑型结构：
该窑型采用竖窑结构，煅烧带采用环形套筒燃烧带煅烧方式，冷却带与预热带采用外置式热循环系统，该方式的应用完全解决了传统套筒石灰窑换热系统的拱桥坍塌和双膛窑连接通风道堵塞坍塌等问题，具有结构简单、易操作、易维护、运行费用低等特点。窑型结构根据产量不同可以设计为单向燃烧环式套筒结构及双向环形对烧结构。外部煤粉喷吹系统采用独创的“新型旋压喷煤机”，煤粉制备及喷吹装置是喷煤技术的关键，JQPM型新型专利技术气化喷煤机也叫磨煤喷粉机，该设备实现了破碎、磨粉、加压、喷吹一体机结构，是一种新型的节煤、燃煤设备，可大大节省煤粉的使用量，杜绝了煤粉的浪费现象，喷煤机具有点火方便，炉温易控制，生产的产品质量稳定等特点。该机结构简单、紧凑、安装维修方便，减轻了劳动强度，降低了能耗。喷煤机具有热效率高，增产节能，节煤40-50%，无废气排出，而且生产不受阴雨天气的影响，给工厂带来了比较显著的效益，而且喷煤机投资极低，一台喷煤机仅需几万元，与传统的高炉喷煤磨煤系统的中速磨等工程需要投资几千万元相比，其投资价值显而易见。
2、独创的煅烧方式：
与传统竖窑周边烧嘴直燃方式或燃烧室结构相比，无论设计多少个多少层燃烧器也无法解决两个燃烧器之间夹角及上下的燃烧死角，这是这种窑型生产的石灰生过烧率过高的主要原因，也是无法解决的弊病，而且传统竖窑全部是窑底供风冷却方式，窑内冷却带和煅烧带是正压煅烧方式，而且燃烧气流与物料为逆流煅烧，采用正压方式及逆流煅烧方式生产是不能采用煤粉喷吹方式生产的，尤其使用烟煤喷吹时如果是正压生产是极易发生爆燃和爆炸的。“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”创新采用全负压操作方式，燃烧气流与物料实现了并流煅烧，而且在一个窑体内实现了全负压生产，在煅烧的过程中实现热能转换，不需要传统套筒窑和双膛窑等窑型生产时必须两个窑筒或两个窑体正负压操作置换。煅烧带燃烧火焰燃烧方式的创新是该项技术的核心，传统竖窑的燃烧器直射直焰方式，各燃烧器的火焰及温度是不同的，也不可能做到同一温度，而且火焰也不能穿透到所有物料区域，新技术创新设计了“旋流火焰燃烧法”，可以使火焰在同一径向区域旋转燃烧，也就是说在同一煅烧截面中火焰是在窑体内通过旋转压力和流速把各个燃烧器的火焰聚集为同一个火焰区域，火焰在旋转中燃烧使煅烧带无燃烧死角而且火焰温度更加均匀。实现“旋流火焰燃烧法”的核心技术是“气化涡流燃烧器”技术，该项技术与传统喷煤竖炉中的“喷枪”结构相比实现了由“喷”到“燃”的突破，使煤粉燃烧更充分更洁净。
3、超高的节能效果：
该项技术实现了全负压生产方式，与国外套筒窑的上下筒煅烧方式及双膛石灰窑的正负压互换煅烧方式相比更具节能优势，该窑型采用外置式热交换方式把冷却带的热量全部转换至预热带进行充分预热和预煅烧分解，石灰在冷却带无冷却风强制冷却使物料热能基本无损耗，窑底无冷却风装置可以把冷却带全部热能利用，与传统竖窑的煅烧方式相比，可以使燃料用量降低30%以上。同时由于采用负压生产，废气全部直接预热矿石，热量得到充分利用，单位产品热耗最低，热回收率超过86%；其热损耗可以到800Kcal/kg左右；最低的热耗意味着最低的运行成本。
4、极低的生产成本：
该项技术的技术创新是对煤质要求低，煤种适用面广。根据考察现场生产数据实测，该项技术主要采用喷吹烟煤煅烧，也可以采用煤气（高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气、电石尾气、兰炭尾气等）两用方式生产，采用喷吹烟煤（气煤）时采用6000-6500大卡的烟煤每吨石灰的煤耗仅为110-120kg，其耗能已经低于其他套筒窑及双膛窑的煤耗指标。尤其是可以使用一种烟煤喷吹是该项技术的核心，与传统喷煤方式相比（如高炉喷煤）一般都是以无烟煤煤粉为主或者无烟煤与烟煤等混合才能正常使用，“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”可以采用单一的烟煤（气煤）生产，烟煤是目前工业用煤炭中价格最低的，仅为无烟煤的50%左右。在运城石灰厂生产现场实际测算，按照当地烟煤粉煤（0-20mm）220-240元/吨计算，吨灰煤炭成本仅为30元左右，如果考虑运输费用每吨灰煤炭成本也仅为40元左右，如果石料按照石料25元/吨x1.8吨计算，石料成本为45元，按照最高石料40元/吨x1.8吨计算，石料成本为72元，也就是说燃料和石料的生产成本最高不超112元，因为该项技术没有高耗电的煤粉制备系统（中速磨及煤粉加压喷吹系统），吨灰电耗仅为9-15度°范围，人工费用每吨约为3元，估算石灰生产总成本最高在130元以内，极低的生产成本可以产生高附加值产品，可观的利润空间是该项技术极具推广价值的主要优势。
5、理想的产品质量：
采用煤粉喷吹方式生产与混烧（块煤）石灰窑相比燃烧更充分，石灰品质更高，因为燃料充分磨粉后可以把不同质量的煤粉磨粉至同一细度，使燃烧达到同一。完全解决了混烧石灰窑中因为煤炭质量不一产生的残存煤核和结焦结瘤问题，使石灰的外观及杂物更洁净。剧现场实测，生产的石灰生过烧率在3%以下，石灰活性度在320-360ml范围，石灰钙含量在90%以上，二氧化碳含量在39-42%范围，产品达到了冶金、电石、氧化铝等行业一级品的指标要求。产品同时非常适合也适合轻钙、纳米钙等化工灰使用。
6、洁净的环保效果：
因为该项技术采用了全负压操作所以窑顶及窑底没有烟气外泄，是目前石灰竖窑最容易环保治理的窑型，而且在使用唐山金泉公司的专利设备“新型煤粉燃烧器”时因煤粉已经接近气化燃烧并在高温区停留时间长因而燃烧效率高，煅烧带烟气走向为经冷却带后再至预热带的反向循环，烟气长时间的循环路径及二次燃烧使得外排烟气无黑烟呈蒸汽状白烟，完全解决了原混烧石灰窑因煤炭与石料为混合煅烧方式，燃料在预热带就发生燃烧致使未燃烧尽的物质和烟气直接从窑顶排出的问题，既达到了节能目的也达到了环保治理目的。同时该项技术设计选用了唐山金泉公司专利技术新型烟气除尘脱硫一体机及烟气余热利用等技术等新型节能环保治理设施，可以达到新环保法的各项检测指标。
7、极低的投资规模：
根据目前国内石灰窑（引进国外技术国产化后）投资水平计算，一座500t/d套筒石灰窑需要5000-6000万元，一座600t/d弗卡斯窑的投资约4500－5000万元，一座600t/d麦尔兹投资约为7000万元，一座1000t/d引进回转窑投资约为1.2亿元。
唐山金泉公司设计的“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”工程生产系统日产100-150吨的仅为300-400万元范围，日产250-300吨的仅为600-800万元左右，日产350-400吨的仅为1000万元左右，也就是说仅为其他套筒窑及佛卡斯窑和麦尔兹窑及回转窑投资的20%左右，按照吨灰单位投资计算比普通的机械竖窑投资还要低。
因此，“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”一次投资优势非常明显，非常适合民营企业投资。
8、极广的应用前景：
烟煤或无烟煤粉煤是目前国内最广泛和易购的燃料结构，而且也是价格最低的煤炭燃料，降低燃料和综合能耗的成本是提高石灰生产企业经济效益的致胜法宝，该项技术非常适合煤炭资源贫乏价格高昂需要远途采购燃料的企业以及烟煤资源丰富的地区用户应用，同时也是需要生产高品质石灰企业的优选项目。
该项技术在冶金行业也有很好的应用前景，目前，国内高炉、转炉等煤气发电的发展异常迅猛，全国规模型钢铁企业都上马了高炉煤气发电工程，如：唐钢2560m³高炉配套25MW发电机组、无锡联合钢铁、柳钢、包钢、济钢、首钢等多家大型钢铁企业以及安阳华冠、山西翼城高大、安徽芜钢、河北金鼎等多家中小钢铁企业，仅河北省就有20家以上。这不仅仅是因为目前全烧高炉煤气发电技术在国内已经十分成熟，更重要的是经济效益的驱使，正象马钢高层人士所讲的：马钢投资5400万元与2500m³高炉配套建设的高炉煤气发电发电机组，每天可以产生经济效益16万元、全年经济效益可达5000多万元，一年就可以收回投资。
剧了解，采用高炉煤气发电按照高炉煤气以0.02-0.03/Nm³元计入成本,其发电能耗成本仅为0.065-0.098元/kwh.
根据生产一吨石灰需要1700m³高炉煤气为例，以3.5-4m³煤气发一度电计算，可以发电425-480度，平均450度，按照每度电0.65计算可以产生经济效益292.50元，也就是说一吨石灰所用的煤气通过发电可以抵消一吨石灰的全部生产成本，其经济效益是非常可观的。
按照一公斤焦炭可以生产3.5-4m³煤气计算，按照高炉冶炼一吨铁水需要520kg综合焦比计算可以产生可以产生1800-2000m³煤气，如果按照至少富余煤气40%计算可以产生800m³左右用于发电，可以发电180-200度，按照外购电0.65元计算，也可以理解为可以降低铁水成本130元/吨左右，其经济效益意义深远。
目前，高炉煤气计算成本或外售一般在0.09元/m³，按照每吨石灰最低1700m³高炉煤气为例，石灰燃料成本可达153元/吨，比喷煤石灰窑的石灰生产总成本还高30元。就是按照钢铁厂0.02-0.03/Nm³元计入成本也在50元以上，是高于喷煤成本的。
同时，采用高炉煤气发电技术可以降低生产费用，有利于缩小国内钢铁企业能耗与国际水平的差距。也有利于缓解国内电力紧张局面。所以，对于钢铁企业高炉炼铁，高炉煤气发电无疑是节电、降耗和减轻环境污染的最佳途径之一，所以冶金钢铁行业石灰窑采用喷煤技术替代煤气生产活性石灰的方式必将成为首选。
四、调研综述
在调研现场，当得知合作企业使用“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”生产的石灰产品深受市场欢迎，企业效益得到大幅提高时，协会会长吴海涛高兴地夸赞企业“抓住了行业先机、赢得了市场”，他希望企业与金泉公司进一步加强技术创新，大力培养创新型人才队伍，加强创新平台建设，同时也指出：“石灰生产技术都是相通的,不要把国外的技术看得太过神秘”，研发有自主知识产权的技术是企业要想求得生存和长远发展的最好出路，企业和科研单位要通过搭建平台、广泛合作、高起点研发、快速成果转化等一系列举措的实施，要使唐山金泉公司的“核心技术开发”的科技创新思路不断深化，不断推出可以形成创造市场、引领市场的关键技术和优势产品。
2015年8月22日，“北方炉窑协会”专家组相关人员再次到唐山金泉公司进行技术交流、从全方位对该项技术进行了论证与鉴定，与会专家对该项技术给与了肯定，同时对该项技术的升级完善工作提出了更多的建议和指导。
与会专家在论证后总结时强调：“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”的节能和环保优势，创造了良好的经济效益和社会效益，并符合可持续发展战略的核心思想，既经济发展与保护资源和保护生态环境相协调一致，该窑型在节能与环保上的综合优势是体现先进性的重要标志，必将会成为石灰生产企业的优选窑型，在冶金、电石、化工等行业取得更快的应用和推广。
据悉，“北方炉窑协会”已经确定“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”为协会2016年度重点支持推广项目，具体推广实施方案将尽快推出，同时该项目被协会评为“2015年石灰行业最具实际投资价值项目”及“2015年石灰行业技术革新最佳创意奖”。
目前，唐山金泉公司已经对该项技术进行了优化设计与完善，开始对外承接日产100-500吨的“新一代节能外置循环负压喷煤石灰竖炉”，同时也可承接普通混烧燃煤竖窑、普通燃气竖窑等改造工程。
附：现场相关图片：
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2、本文为现场记录及录音整理，详尽信息数据以原创技术单位数据为准。
3、文中图片为原创技术单位所有不得转作他用，图片仅为现场现场试验（简易）窑型图片，图片内容不作为最终实施技术的全部依据。
4、该项技术专利所有归原创技术单位，外观及核心技术仿冒必究。
北方炉窑协会
网络通联部 童海鑫
2015/8/26
唐山金泉冶化科技产业集团
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