一、活性石灰窯的結構和類型

1、活性石灰窯的結構

    活性石灰窯主要由窯體、上料裝置、布料裝置、卸灰裝置、自動化儀表控制及除塵裝置等組成。

2、活性石灰窯類型：

    按燃料分有混燒窯，即燒固體燃料，焦炭、焦粉、煤等；氣燒窯，包括燒高爐煤氣，焦爐煤氣，電石尾氣，發(fā)生爐煤氣，天然氣等；

     按窯形分，有豎窯、回轉窯、套筒窯、西德維馬斯特窯、麥爾茲窯（瑞士）、弗卡斯窯（意大利）等。
同時又有正壓操作窯和負壓操作窯之分。

    不同形式的石灰窯，它的結構形式和煅燒形式有所區(qū)別，工藝流程基本相同。

二、燒石灰的基本原理和熱工工藝

     以用無煙煤在立窯中煅燒石灰石為例來討論石灰石煅燒過程中的化學反應。石灰石煅燒時，主要是碳酸鈣的分解反應和碳的燃燒反應，其次是碳酸鎂的分解反應和氧化鈣的結瘤反應。

（一）碳酸鈣的分解

1．碳酸鈣分解反應的特點

碳酸鈣分解反應的化學方程式為: 

     CaCO3(s)△CaO(s)+CO2(g)-179.6KJ       (1)

該反應具有如下幾個特點：

（1）是多相反應（有氣固兩相）；

（2）是可逆反應；

（3）是吸熱反應。

2．碳酸鈣分解反應的熱力學

     從碳酸鈣的分解反應的化學方程式可知其平衡常數為：Kp=Pco2

     由式上可知碳酸鈣分解反應的平衡常數等于該反應達到化學平衡時CO2 壓力。由于平衡常數是溫度的函數，所以在一定的的溫度下，碳酸鈣分解反應達到化學平衡時CO2的壓力為一定值，稱為該溫度下碳酸鈣的平衡壓力。碳酸鈣在不同溫度下的平衡壓力可由熱力學數據進行理論計算獲得。部分結果列于表1中。
表1碳酸鈣在不同溫度下的理論平衡壓力

在0.1013MPa的空氣中，CO2的分壓為：

Pco2=0.03%×0.1013(Mpa)=0.3039×10-4(MPa)。 (2)

    溫度為530℃時，碳酸鈣的理論平衡壓力為0.3039×10-4MPa。所以理論上在0.1013MPa的空氣中，當溫度高于530℃，碳酸鈣分解出來的CO2的壓力就大于空氣中CO2的分壓，這樣分解出來的CO2就會不斷地向空氣中擴散，從而導致碳酸鈣的不斷分解。因此，530℃就是碳酸鈣在0.1013MPa空氣中開始分解的溫度。當溫度為898℃時，碳酸鈣的理論平衡壓力為0.1013MPa,所以稱898℃為0.1013MPa下的分解溫度，簡稱分解溫度。在530～898℃范圍內，碳酸鈣的分解速度很慢。當溫度達到898℃時，碳酸鈣分解出來的CO2的壓力為0.1013MPa,等于周圍空氣的總壓力，這時就會產生“沸騰”現(xiàn)象，從而導致碳酸鈣的劇烈分解。

     實際上，在898℃時，碳酸鈣的分解速度仍然很慢，這是由于碳酸鈣表面分解生成的氧化鈣的熱阻使分解面上的溫度達不到898℃，所以碳酸鈣并不會產生“沸騰”現(xiàn)象，發(fā)生劇烈分解。要使碳酸鈣發(fā)生劇烈分解，溫度必須超過898℃。

3．碳酸鈣的分解反應的動力學

      碳酸鈣的分解速度可用分解反應面（簡稱分解面，即已生成的氧化鈣與未分解的碳酸鈣之間的分界面）向內部移動的速度（R）來表示，該速度與碳酸鈣的粒度無關，而只隨煅燒溫度的高低而變化。該速度與煅燒溫度（t）的關系為：

lnR=0.003145t-3.3085   (3)            

   式中R-----分解面移動速度，cm/h; 

 t-----煅燒溫度，℃。 

     由上式可知，煅燒溫度越高，則速度越快，對一定粒度的碳酸鈣，煅燒時間也越短。雖然該速度與碳酸鈣的粒度無關，但碳酸鈣的煅燒時間卻與碳酸鈣粒度有關，因為煅燒時間是分解面從從碳酸鈣外表移動到碳酸鈣中心所需的時間，顯然碳酸鈣的粒度不同，所需要的煅燒時間也不同。 

     石灰石的煅燒時間可用下式計算：   

        (4)

 式中r----煅燒時間，h 
      R----石灰石的初始半徑，m; 
     q----分解1m3CaCO3和加熱CaO使其中心溫度在到煅燒溫度所需要的熱量，KJ； 
     tS----塊體表面溫度，℃； 
     tI---分解面溫度，℃； 
     λ---CaO的熱導率，W/（m.℃）; 
     f----形狀系數，見表2；
   α----氣體向物料的傳熱系數（a對a輻），W/(m2.℃)。
表2 形狀系數f

（二）、碳酸鎂的分解

    由于石灰石中碳酸鎂的含量很低，所以碳酸鎂的分解反應是石灰石煅燒過程中的次要化學反應。碳酸鎂分解反應的化學方程式為：

MgCO3(S)△MgO(s)+CO2-121KJ       (5)        

    該反應也是多相可逆吸熱反應。碳酸鎂在0.1013Mpa下的分解溫度為640℃。由于產生的CO2量少，而且得到的MgO很不活潑，所以碳酸鎂的分解反應對石灰石的煅燒過和影響不大。

三、石灰的質量和數量消耗

     工業(yè)用石灰對石灰石的質量要求主要有兩個方面：一是要求含碳酸鈣成分含量高，。二是它的結構晶粒要小，因為晶粒小的石灰石晶間不嚴實，且在含有有機物的情況下，有機物燃燒形成的多孔狀，二氧化碳容易擴散，便于煅燒。三是雜質少，特別有害成分少如二氧化硅，氧化鎂、氧化鋁、氧化鐵、硫和磷等。在石灰石中若有1%這些成分，生石灰中就是18%。 

     不同行業(yè)，不同用途又有不同的標準。如電石行業(yè)它特別強調活性度即軟燒灰，煉鐵行業(yè)它又強調的是強度，所以要硬燒灰，煉鋼則又要 軟燒灰。因此它的指標也是不一樣的，活性石灰標準一般要求氧化鈣含量要達到97%以上，生過燒率小于10%，活性度要在300ml以上。

     按理論計算燒1噸石灰需1.78噸石灰石，煅燒時生、過燒的高低與石灰石質量有一定關系。

四、碳的燃燒 

     由于碳是無煙煤的主要成分，所以無煙煤的燃燒可近似看成碳的燃燒。

1．碳燃燒反應的特點

無煙煤中的碳在高溫下會與空氣中的氧氣發(fā)生下列燃燒反應：

C+O2→CO2+395.4KJ       (5)       

2C+O2→2CO+219.2KJ        (6)        

2CO+O2→2CO2+570.6KJ        (7)    

CO2+C＝2CO-176KJ                  (8) 

     在上述4個反應中，前3個反應為多相（除第3個反應外）不可逆放熱反應，第4個反應為可逆吸熱反應。反應式（5）為碳的完全燃燒反應，當氧氣充足時此反應為主要反應。反應式（6）為碳的不完全燃燒反應，當氧氣不足時此反應為主要反應。反應式（7）為一氧化碳的氧化反應，由反應（7）、式（8）得到的一氧化碳再與氧相遇時則發(fā)生此反應。反應式（8）為二氧化碳的還原反應，當二氧化碳與赤熱的碳相遇時則發(fā)生此反應。

2. 碳燃燒反應的熱力學

     上述4個反應的平衡常數列于表3中。由表3可知，反應式（5）、式（6）、式（7）可以看成是非功過可逆的放熱反應，由反應（8）的平衡常數在石灰石的煅燒溫度下為一般值，所以反應式（8）為可逆吸熱反應。

     根據表3的平衡常數可以計算出平衡組成，總壓為0.1013MPa時碳與空氣中的氧氣反應的平衡組成列于表4中

表3  碳與氧氣反應的平衡常數

表4   總壓0.1013Mpa時碳與空氣中的氧氣反應的平衡組成（體積百分數）

      由表4可知，隨著溫度的升高，二氧化碳的平衡含量減少，一氧化碳的平衡含量增加。當溫度高于900℃時，二氧化碳的平衡含量很少，而一氧化碳的平衡含量卻很高，從而一氧化碳成了碳與氧反應的主要產物。但實際碳燃燒時這種情況只有在氧氣不足時才會發(fā)生，因為當氧氣充足時由反應式（6），式（8）得到的一氧化碳會與氧繼續(xù)反應生成二氧化碳，所以氧氣充足時碳燃燒得到的氣體中一氧化碳是少量的。

3．碳燃燒反應的熱動力學 

     由于碳的燃燒反應屬于氣固相多相反應，所以碳燃燒反應的總速度，不僅受碳與氧氣的化學反應速度（已消除擴散的影響）的影響，而且還受氧氣向碳表面擴散速度的影響。

反應式（3-7）的反應速度與氧的濃度成正比，既

Ro2=kco2         (9)                                    

式中：Ro2——以氧的濃度變化表示的反應速度，kmol/(m3.s);
         Co2——氧的濃度，kmol/m3;
              k----反應速度常速，s-1。 

    反應速度常數k與溫度的關系滿足阿累尼烏斯（S.Arrhenius）方程，即

K= k0e-Ea/RT    (10)                                             

式中：k0——頻率因子，s-1;
        Ea——活化能，Kj/kmol；
        R——通用氣體常數 [R=8.314KJ/(kmol.K)]
        T——熱力學溫度,K。 

      溫度較低(775℃以下)時,K值較小,化學反應速度比擴散速度小,碳燃燒反應的總速度受化學反應速度的控制;溫度很高(90℃以上)時,K值很大,化學化應速度比擴散速度大,碳燃燒反應的總速度受擴散速度的控制;溫度介于上述兩者之間時,K值較大,化學反應速度與擴散速度相當,對碳燃燒反應的總速度很有影響.由于碳的燃燒反應在高溫下進行,所以碳燃燒反應的總速度受擴散速度的控制.氧氣向碳表面的擴散速度為：

    (11)

式中：Cdm=（Cdi –Cdb）/ln(Cdi/Cdb);
          No2——氧氣向碳表面的擴散速度， kmol/s；
          D——氧氣在氣相中的擴散系統(tǒng)，m2/s；
          ZG——氣膜厚度，m；
          C——氣相總濃度，kmol/m3；
       Cdm——惰性氣體在碳表面和氣相主體中濃度的對數平均值，kmol/m3；
       Cdi，Cdb ——分別為碳表面和氣相主體中惰性氣體的濃度，kmol/m3；
       A——氣固相接觸面積，m2 
Ci ，Cb 分別為碳表面和氣相主體中氧氣的濃度，kmol/m3；
       KG——氣膜傳質系數，m/s。

由式（11）可知，減小氣膜厚度，增加氣固相接觸面積，提高氣相主體中氧氣的濃度都可以加大擴散速度，從而加大碳燃燒反應的總速度。減小無煙煤的粒徑，可以增加氣固相接觸面積。提高空氣的流速則既可以減小氣膜的厚度又可以提高氣相主體中氧氣的濃度，所以提高空氣的流速是加速碳燃燒反應最有效的辦法。 

 反應式（6），式（7）與反應式（5）的反應速度相差不大。反應式（8）的餓反應速度大致與二氧化碳的濃度成正比，即：

Rco2 =kCco2       (12)                            

式中：Rco2——以二氧化碳的濃度變化表示的反應速度，kmol/（m3.s）；
         Cco2——二氧化碳的濃度，kmol/m3；
        k——反映速度常數，s-1.
    K與溫度的關系也滿足式（10）的阿累尼烏斯（S.Arrhenius）方程。 

     反應式（3-10）比反應式（3-7）的反應速度常數要小得多，所以反應式（3-10）比反應式（5）的反應速度要慢得多。即使在2000下，反應式（8）的反應速度也是受化學反應速度控制（不受擴散速度影響）。

4．碳的實際燃燒過程 

     根據碳燃燒反應的熱力學和動力學可知，在實際碳的燃燒中，當氧氣充足時，碳與氧氣首先進行碳的完全燃燒反應，既反應式（5），然后產物二氧化碳與上部赤熱的碳進行二氧化碳的還原反應，既反應式（8），然后產物一氧化碳又與氧氣進行一氧化碳的碳化反應，既反應式（7）。由于反應式（8）比反應式（7）的反應速度要慢的多，所以由反應式（8）生成的一氧化碳會立即與氧氣反應生成二氧化碳，并且當上部碳的溫度下降時，反應式（8）的反應速度已大大減小，而反應式（7）的反應速度仍然很大。因此，氧氣充足時碳燃燒得到的氣體中的一氧化碳是少量的。當氧氣不足時，碳與氧氣首先也進行碳的完全燃燒反應，既反應式（3-7），然后產物二氧化碳也與上部赤熱的碳進行二氧化碳的還原反應，既反應式（8），但由于氧氣不足，由反應式（8）得到的一氧化碳不再與氧氣反應，而且碳與氧氣再進行的是碳的不完全燃燒反應，既反應式（8），因此，氧氣不足時碳燃燒得到的氣體中的一氧化碳是可觀的。

五、立窯煅燒石灰石時區(qū)段的劃分

     用無煙煤在立窯中煅燒石灰石時，空氣由窯底中央風道和周圍風道送入窯內，風壓高低視立窯的有效高度及石灰石和無煙煤的粒度而定。風量大小視生產能力而定,由石灰石煅燒得到的石灰,借助窯底出料機的轉動卸出。出料溫度應維持在60~80℃。從窯頂出來的廢氣,進入除塵器，廢氣的溫度應維持在120~150℃。

    根據窯內物料和氣體所經歷的物理，化學程度的不同，可以沿窯的高度自上而下將窯分為3個區(qū)：預熱區(qū)，煅燒區(qū)和冷卻區(qū)。
1．預熱區(qū)

     預熱區(qū)位于窯的上部，約占窯的有效高度的1/3左右。在該區(qū)中物料（石灰石和無煙煤）自上而下從常溫升高到約900℃，從而下一區(qū)（燃燒區(qū)）上升的氣體（窯氣）則自下而上從約900℃降低到約120℃。物料在從常溫升高到約900℃的過程中物料中的水分（游離水和結晶水）被完全蒸發(fā)掉，石灰石中的碳酸鎂已全部分解，石灰石中的碳酸鈣的表面也開始分解，煤中所有有機物質和部分礦物質已分解，所以在該區(qū)中物料所經歷的主要過程是干燥和預熱。而氣體在從約900℃降低到約120℃的過程中，所經歷的主要過程是增濕和冷卻。
如果預熱區(qū)的高度不夠（煅燒區(qū)上移），那么不僅物料得不到充分得預熱和干燥，而且會使氣體（窯氣）的溫度過高。

2．煅燒區(qū) 

     煅燒區(qū)位于窯的中部，約占窯的有效高度的1/6。在該區(qū)中物料（石灰石和無煙煤）自上而下先從約900℃升高到約1200℃，然后又從約1200℃降低到約900℃（但石灰石的分解面溫度維持在約900℃），并且石灰
石變成石灰，無煙煤變成煤渣；從下一區(qū)（冷卻區(qū)）上升的氣體（空氣）自下而上也是先從約900℃升高到約1200℃，然后又從約1200℃降低到900℃，并且空氣變成窯氣。在該區(qū)中主要是物料（無煙煤）中的碳與氣體中的氧氣進行燃燒反應以及物料（石灰石）中的碳酸鈣進行分解反應。 

     如果煅燒區(qū)的高度不夠，那么碳酸鈣的分解反應就不能充分進行，造成“生燒”；反之如果煅燒區(qū)的高度過高，那么在碳酸鈣的分解反應充分進行之后，石灰會進一步燒結，造成“過燒”。

3．冷卻區(qū)

     冷卻區(qū)位與窯的下部約占窯的有效高度的1/2左右。在該區(qū)中物料（石灰與煤渣）自上而下約900℃降低到60℃，而氣體（空氣）則自下而上從常溫升高到約900℃。物料在從約900℃降低到60℃的過程中，煤渣中剩余的碳不再燃燒，石灰石中剩余的碳酸鈣也不再分解，所以再該區(qū)中物料所經歷的主要過程是冷卻。而氣體（空氣）在從常溫升高到約900℃的過程中，氣體所經歷的主要過程則是預熱。 

      如果冷卻區(qū)的高度不夠（煅燒區(qū)下移），不僅氣體（空氣）得不到充分的預熱而且會使物料的溫度過高。
各個區(qū)段的位置和高度并不是恒定的，因為物料（石灰石和無煙煤）的形狀，粒度和配比以及氣體（空氣）的流量，都會使各區(qū)段的位置和高度發(fā)生變化。而且各區(qū)段的界限也難以準確的劃分，因為形狀和粒度不均勻的物料會使區(qū)段的界限模糊。
預熱區(qū)和冷卻區(qū)都是熱交換區(qū)，預熱區(qū)中氣體（窯氣）溫度高，將熱量傳遞給溫度低的物料（石灰石和無煙煤）。冷卻區(qū)中物料（石灰和煤渣）溫度高，將熱量傳遞給溫度低的氣體（空氣）。這樣就可以達到高的熱效率。如果預熱區(qū)和冷卻區(qū)的高度足夠高，而且窯體的保溫層足夠厚，熱效率可以達到80%以上。

石灰石的煅燒過程可分為下列4個步驟：

(1)開始分解前的熱脹

石灰石從常溫升高到約900℃時，其體積會因受熱而有所膨脹。

(2)碳酸鈣的分解　

當石灰石表面的溫度達到或超過碳酸鈣的分解溫度898℃時，石灰石中的碳酸鈣就開始分解，所需分解時間取決與石灰石的粒度和煅燒區(qū)的溫度。分解期間，分解面由石灰石的表面向內部移動，生成的石灰附著于尚未分解的石灰石上，生成的CO2 從石灰石中逸出。分解反應結束后，石灰的體積于開始分解前石灰石的體積相差很小，由于分解時有44%的CO2從石灰石中逸出，因此分解反應結束后的石灰是高度疏松的固體。

(3)石灰的燒結

分解反應結束后，如果生成的石灰還在煅燒區(qū)，則石灰中的CaO晶體就會繼續(xù)長大，石灰的體積就會縮小，從而使石灰燒結。

(4)石灰的冷縮 

 石灰從約900℃降到60℃時，其體積會因受冷而有所收縮。石灰燒結后，其活性度會顯著降低。所以應盡量避免石灰的燒結。
空氣由窯底中央風道和周圍風道送入窯內，風壓高低視立窯的有效高度及石灰石和無煙煤的粒度而定。對有效高度為15~20m的立窯,一般進立窯的風壓(表壓)約為5~6kPa。風量大小視生產能力而定,由石灰石煅燒得到的石灰,借助窯底圓錐出料機的轉動,經刮板及星形出料機卸出。出料溫度應維持在60~80℃。從窯頂出來的廢氣,進入除塵器，廢氣的溫度應維持在120~150℃。

六、水泥機立窯改成石灰窯的技術措施

     水泥機立窯與石灰窯比，有許多相同之處，但由于所采用的原、燃料不同及對產品的要求不同，因而其煅燒工藝（主要包括加料、卸料方式和送風方式）及原有窯體結構要求等均有較大差別。下面以Φ3.0m水泥機立窯改成石灰窯為例分別進行討論。

1、上料設備

     水泥機立窯的上料設備為提升機，它僅能輸送粉狀或粒狀物料，不能輸送燒制石灰的粒度為30mm～80mm的塊狀物料，要進行改造。

     最常用的上料設備是料車提升機，具有結構簡單、運行可靠占地面積小和上料操作可聯(lián)鎖自動化等優(yōu)點。料車提升機是由提升架、電動換向卷揚機、沿特制固定軌道運行的料車、鋼絲繩和導向輪等部分組成。

2、回轉裝料布料器

     石灰窯布料很關鍵，因為它必須把燃料和石灰石同時裝入窯內，通過布料實現(xiàn)爐料在窯內的合理分布，消除爐壁效應，均衡爐內阻力，力求整個爐截面“上火”均勻一致。所以布料器形式和使用效果對石灰窯的生產效率有很大影響。
回轉裝料布料器是由受料斗、雙層料鐘、中間容器、下部料斗和固定在轉動軸上的分配流槽組成。接管用來排出中間容器的窯氣，以便在CO2回收時防止往窯氣中吸入空氣。上部料鐘的提升是當料車提升機的升運斗向下運動時通過差動滑輪組來完成，下部料鐘的放下是在升運斗向上運動時通過差動滑輪組來完成，當用平衡鉈提升下部料鐘時，分配流槽用棘輪機構進行轉動，棘輪機構同差動滑輪組連接在一起。

3、卸料機

     塔式機立窯底部為一由調速傳動裝置驅動的偏心塔篦，上面均布通風孔和破碎齒，塔篦與筒體襯板間有一定的間隙，塔篦的作用一是對熟料進行破碎，二是使破碎后的熟料通過間隙落入料封管內卸出。但成品石灰須保持一定的塊度，不需破碎，故在改造中我們對塔篦進行了處理，去掉破碎齒，并適當擴大塔篦與襯板間的間隙，或更換卸料裝置。

4、送風

     水泥機立窯一般采用羅茨風機送風，而石灰立窯由于料層阻力?。?~6kPa），透氣性好，因此原機立窯所配羅茨風機不能使用。通常風機風量選擇在4000m3/h～5000m3/h之間，風壓在5kPa～6kPa之間的離心通風機即可。

5、窯體

     水泥機立窯窯體具有較完備的耐火、耐磨和保溫設施。無論是自然通風還是機械通風，通風性能均較為優(yōu)越，且窯罩密閉程度較好，收塵設施齊全，完全具備強化煅燒石灰的各項條件。但水泥機立窯長徑比僅為3～4，較同直徑的直筒式長徑比為5～6的機械化石灰窯小，且水泥機立窯上有1.5m左右的喇叭口，邊風容易過盛，窯壁效應有所增加，如操作不當，則會造成窯產量低、熱耗較高的現(xiàn)象。建議將Φ3.0m立窯加高到15米。

6、結論

（1）綜合利用已閑置的水泥機立窯燒制優(yōu)質石灰是可行的。只要對其稍加改造即可使其在自然通風或機械通風狀態(tài)下燒制石灰。

（2）針對水泥機立窯的特點，燒制石灰必須實行中火慢速煅燒。尤其是在加料和出料操作上要采取重點壓邊，逼風趨中，出料盡可能保持連續(xù)、均勻，切實穩(wěn)定窯的熱工制度，保持窯的正常煅燒，實現(xiàn)優(yōu)質高產低消耗。