節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件在水泥窯上的應(yīng)用

李沅錦1）張慧芳2）李煒3）靳建英4） · 2021-05-20 16:05  留言

前言

據(jù)中國耐火材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2019年全國耐火材料產(chǎn)量2430.75萬噸，同比增長3.65%。其中，致密定形耐火制品1341.36萬噸，同比增長1.05%；特種耐火制品增長3.44%。保溫隔熱耐火制品58.90萬噸，同比增長8.87%；不定形耐火制品1030.49萬噸，同比增長6.93%。從耐火材料品種的增長趨勢上看，不定形耐火制品和保溫節(jié)能耐火制品增長最快。但是就目前用于水泥窯預(yù)分解系統(tǒng)中的耐火材料，因生產(chǎn)規(guī)模和裝備規(guī)格大幅增加，造成系統(tǒng)內(nèi)耐火襯體所承受的應(yīng)力出現(xiàn)了諸多變化，窯溫更高，窯速加快，更多堿等揮發(fā)性組分的侵蝕和高磨蝕。近年來，水泥窯協(xié)同處置工業(yè)和城市廢物取得長足進展，不同行業(yè)的工業(yè)廢物和低品位原燃料，大量地用作水泥原燃料，一些有害元素和重金屬元素也隨之帶入系統(tǒng)內(nèi)，使系統(tǒng)內(nèi)耐火材料經(jīng)常損壞[1]。中國某水泥有限公司5000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，其窯尾煙室及分解爐錐體、三次風閘閥、篦冷機喉部、篦冷機矮墻等部位原來均使用傳統(tǒng)的耐火澆注料，但這些易損部位受到水泥窯惡劣工藝條件和窯內(nèi)風速、煙氣成分及含塵量、顆粒硬度、溫度波動等諸多因素的影響，加上相應(yīng)的化學侵蝕、沖刷磨損、機械應(yīng)力及熱剝落，使用壽命一般不長[2]。

耐火澆注料過早損壞的情形經(jīng)常出現(xiàn)，大大降低了水泥窯的運轉(zhuǎn)率及熟料產(chǎn)量，增加了停窯檢修次數(shù)和檢修費用，并連鎖反應(yīng)影響到其他部位耐火材料的使用壽命。在這種情況下，鄭州瑞泰節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件方案的提出引起了廣泛的關(guān)注。

1.綜述

水泥窯很多部位使用不定形耐火材料，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的預(yù)分解系統(tǒng)內(nèi)。但新型干法水泥窯溫較高、轉(zhuǎn)速較快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水泥廠為了提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，多采用強化煅燒工藝、提高窯體轉(zhuǎn)速、加大噴煤量等措施，使窯內(nèi)火焰溫度升高、溫度波動較大、熱應(yīng)力增加，加上窯載荷增大，堿、氯、硫等有害物質(zhì)富集，給水泥窯用耐火材料的正常使用帶來了嚴重的挑戰(zhàn)。尤其是篦冷機、窯頭罩、三次風管彎頭、煙室等部位采用的澆注料經(jīng)常受到損毀，需要停窯檢修，嚴重影響水泥窯運行效率。按照每噸水泥熟料平均消耗300g澆注料（平均價格4000元計），2019年，我國水泥企業(yè)共消耗澆注料超60萬噸，需要投入24億元。因此，開發(fā)長壽、高效、節(jié)能的耐火材料制品，解決水泥窯運行因為澆注料損毀修爐而制約運行效率，成為水泥行業(yè)迫切需要的解決的共性難題，它不僅對我國水泥窯的運行效率具有重大意義，也對水泥窯的節(jié)能減排具有重大意義。

目前造成水泥窯預(yù)分解系統(tǒng)損壞的兩大原因[3]是：一、氣體的侵蝕。預(yù)分解窯充分利用了余熱預(yù)熱，使得堿、硫酸鹽和氯化物在窯內(nèi)揮發(fā)、凝聚，在窯中大量富集并反復(fù)循環(huán)，與原始生料相比在最熱組預(yù)熱器的窯料中R₂O增加了5倍，SO₃增加了3～5倍，與耐火材料長時間接觸，引起化學變化，造成耐火材料的侵蝕和破壞。二、耐火材料的剝落。大型預(yù)分解窯多采用多風道噴煤嘴，一次風量較大，因此火焰溫度提高很多，加上窯頭又加強了密閉，窯內(nèi)火焰溫度約為1700～1800℃，使得窯口、冷卻帶、燒成帶、過渡帶、分解帶甚至窯門罩、冷卻機的溫度水平遠高于傳統(tǒng)窯的相應(yīng)部位。當與加熱面接觸的熔渣、粉塵、氣體等侵入耐火材料，由于這些熔媒以及熱的作用，在加熱面附近產(chǎn)生變質(zhì)層，這種變質(zhì)部分因液相過多收縮而剝落。日產(chǎn)2000t的預(yù)分解窯直徑為4m，4000t/d的預(yù)分解窯直徑為4.7米，轉(zhuǎn)速達到3～4轉(zhuǎn)/分。窯徑加大、窯溫提高、轉(zhuǎn)速加快，而耐火磚是在高溫下隨筒體一起轉(zhuǎn)動的，加上托輪的支撐,窯體重力以及窯內(nèi)物料的沖擊作用，機械振動和變形加劇,耐火材料的破壞也同時加劇，造成耐火材料剝裂。

鄭州瑞泰為了解決該難題，研發(fā)使用復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件，通過工藝優(yōu)化解決材料間的熱失配及界面結(jié)合的問題，提高產(chǎn)品的整體強度；復(fù)合結(jié)構(gòu)件在成型過程中直接成型出鎖扣狀結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)件可適用于水泥窯系統(tǒng)各種復(fù)雜形狀部位，便于現(xiàn)場快速安裝。

圖1 節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件安裝示意圖

這種復(fù)合結(jié)構(gòu)方案具有節(jié)能、長壽、高效等特點，可替代澆注料施工方案，解決澆注料壽命不穩(wěn)定、維修、烘窯工期長等缺點，為水泥行業(yè)提高運行效率和節(jié)能減排的整體技術(shù)進步提供物質(zhì)支撐。針對復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件使用部位不同，對結(jié)構(gòu)件材料性能要求也有些許不同，主要分為三大類：高耐磨材料、抗結(jié)皮材料和耐堿材料。

2. 復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件的制備

原料有細度為5-3、3-1、＜1mm的公司自制預(yù)合成M70礬土基莫來石細粉，細度均＜0.074mm的紅柱石粉、80均化料、碳化硅和廣西白泥等，木質(zhì)硫磺鈣為作為結(jié)合劑，制備出實驗所需的試樣。各原料配比如表2-1。

待干料混合均勻，加入經(jīng)水調(diào)和的木質(zhì)硫酸鈣作結(jié)合劑，添加量為0.3%。物料在攪拌機中攪拌15 min后，將混合均勻的泥料采用萬能壓力機以30MPa壓力壓制成φ5 0 m m×5 0 m m的圓柱試樣，同時使用63 0 t摩擦壓力機制成65mm×114mm×230mm的標磚。坯體試樣經(jīng)風干后，放置干燥箱中（110±5℃）保溫24h烘干，然后在電爐中于1490℃煅燒3h。自然冷卻備用。用于試驗檢測各項理化指標。

3. 復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件的性能檢測

根據(jù)GB/T5988-2004、GB/T2997-2000、GB/T5072.2-2004、YB/T370-1995分別測試試樣燒后的線變化率、耐壓強度、體積密度、氣孔率、荷重軟化溫度（T0.6），按YB/T376.1-1995測標磚的康熱震穩(wěn)定性（1100℃，水極冷法）；經(jīng)檢測，各項性能指標都達到可用于實際水泥窯生產(chǎn)。

4. 復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件的性能優(yōu)勢

4.1 高耐磨性

復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件中的M70礬土基莫來石和碳化硅。碳化硅作為人們早已知曉的一種優(yōu)質(zhì)耐火材料。具有強度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗震性好、抗氧化、耐磨損、抗侵蝕等優(yōu)良的高溫性能[4]。在冶金、能源、化工等行業(yè)有許多用途。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，SiC制品按照不同工藝制成如圖2多種用途的耐火材料[5]，其高溫性能也因此更加優(yōu)良。

圖2 含SiC 不定形耐火材料的用途

水泥窯由于固體物料對耐火材料的沖刷而造成耐火爐襯的破壞，因此選擇抗熱震性能好、高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)的碳化硅質(zhì)材料較為合適。

4.2耐堿性

氧化鋁含量＜25%的耐火材料，具有較好的抗堿侵蝕性能，但只能承受1200℃的溫度，而氧化鋁含量較高的耐火材料，其耐火度高，但抗堿侵蝕能力較差[5]。由于碳化硅具有較強的抗堿性能，與堿反應(yīng)后，生成一層粘性極高、又無裂紋的保護層；同時，由于碳化硅具有極高的導(dǎo)熱性和耐磨性，所以氧化鋁和碳化硅的高耐堿性耐火材料相繼出現(xiàn)，能滿足燒成系統(tǒng)分解爐、回轉(zhuǎn)窯、窯門、篦冷機、三次風管、前窯口等不同部位工況和需求。經(jīng)檢測，該復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件熱震穩(wěn)定性、強度也高于堿性磚，對機械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學反應(yīng)和過熱、熱疲勞等綜合損壞作用的抵抗能力也比較強。

4.3抗結(jié)皮性

現(xiàn)如今，低品位原燃料被越來越多地應(yīng)用于水泥生產(chǎn)當中，甚至含有害組分較高的城市生活垃圾也開始應(yīng)用于新型干法窯的水泥生產(chǎn)。如垃圾焚燒灰用作水泥生產(chǎn)原料，可燃廢棄物用作生產(chǎn)用燃料，這更加劇了堿、硫、氯等揮發(fā)性有害組分及重金屬離子在窯系統(tǒng)的循環(huán)和富集[6]，導(dǎo)致結(jié)皮問題更加突出甚至引起系統(tǒng)堵塞，嚴重影響窯系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。本公司生產(chǎn)的復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件以M70礬土基莫來石為主要原料，紅柱石細粉，碳化硅和廣西白泥為基質(zhì)，制備出高密致耐火磚，其顯氣孔率明顯降低熱震穩(wěn)定性明顯提高，各項指標都相對較好。因其顯氣孔率較低可抑制有害物質(zhì)的滲入從而具有良好的抗結(jié)皮性。

5. 節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用

從2010年開始，鄭州瑞泰耐火科技有限公司生產(chǎn)的復(fù)合節(jié)能結(jié)構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外近百家水泥企業(yè)，數(shù)百條生產(chǎn)線，特別是在云水集團下屬峨山公司、大關(guān)嘉華公司、滄源公司、盈江公司、香格里拉公司等，在窯門罩斜頂、窯門罩直墻、篦冷機頂、篦冷機喉部、分解爐窯尾煙室、窯尾煙室縮口和三次風管彎頭部位均取得了較好的使用效果。

窯門罩斜頂使用案例如圖3