大型粉煤灰燒結(jié)磚生產(chǎn)線的設(shè)計優(yōu)化

【摘要】生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚尤其是高摻量粉煤灰制磚是一個比較復(fù)雜的過程，必須根據(jù)原料、產(chǎn)品合理選擇工藝、選型設(shè)備。塑性原料的粉碎、混合料的均化、干燥是高摻量粉煤灰制磚的要點；均化是正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)和瓶頸；先進的工藝必須有優(yōu)良的裝備來支撐，采用一次碼燒工藝生產(chǎn)高摻量粉煤灰磚必須要有嚴格的限制條件和保障措施。   

    【Abstract】Using fly ash in fired brick is a very complex process. Raw material and product are very important for choosing suitable process and equipment, especially, the raw material crushing and mixture homogenizing and drying. The best process is on the base of advanced equipment. Strict condition and measures is the precondition of one-setting-firing process.中

    圖分類號：TU522.06文獻標識碼：A文章編號：1001-6945（2005）05-0061-03

    粉煤灰是最為常見的固體廢棄物，粉煤灰燒結(jié)磚在墻體材料中占有較大比重，也是最徹底地消除粉煤灰污染的有效途徑之一。但是由于粉煤灰的形態(tài)和制磚生產(chǎn)過程的不確定性，大多數(shù)粉煤灰燒結(jié)磚廠運行故障多，生產(chǎn)成本大。除了原料及設(shè)備因素外，設(shè)計不完善或重大設(shè)計失誤也占有較大比重。下面就大型粉煤灰燒結(jié)磚廠的設(shè)計優(yōu)化談一下自己的心得體會。   

    1 技術(shù)要點

    1.1 技術(shù)要點

    a.均化：粉煤灰燒結(jié)磚中粉煤灰摻入量一般在20%～40%（重量比），與主要原料粘土或頁巖相比，粉煤灰的容重小（600～1000kg/m3）、顆粒級配差、塑性極低甚至基本無塑性、高含水率（濕排灰30%～40%）。在設(shè)置陳化庫的前提下工藝設(shè)備配置輪碾機、攪拌擠出機、圓盤篩式喂料機等，其使粉煤灰與其他粘土類物料充分均化。

    b.干燥：由于坯體含水率高、抗變形能力差，一般采用小斷面隧道干燥室采取多層或分隔支架干燥；配有自動上下架系統(tǒng)的大斷面隧道干燥室能有效提高干燥合格率，大幅度降低殘余含水率，是今后粉煤灰或干燥難度大物料干燥室的發(fā)展方向。

    c.焙燒：粉煤灰磚中Al2O3 含量一般在20%以上、孔隙率大于30%，因此，燒結(jié)溫度在1000℃以上，保溫時間、燒成周期相應(yīng)延長，以降低吸水率，提高強度。

    1.2 技術(shù)指標

    混合料塑性指數(shù)≥9（陳化72 h以上）；

    成型含水率18%～21%；

    磚機真空度－0.092MPa；

    擠出壓力2.0 MPa；

    干燥后殘余含水率3%～6%；

    干燥敏感性系數(shù)0.9～1.1；

    干燥合格率95%～98%；

    干燥室碼坯高度750㎜(小斷面)/2350㎜(大斷面單層)；

    燒結(jié)范圍1000～1100℃；

    燒成合格率98%；

    隧道窯碼坯高度1580㎜(90高度16層)；

    干燥周期24～32h；

    焙燒周期36～46h。

    2 目前存在的問題或誤區(qū)

    2.1 盲目追求高摻量

    在保證混合均勻，物料塑性指數(shù)、磚機真空度、擠出壓力均達標的前提下，粉煤灰的極限摻配比例為60%(重量比)。一般分為以下三個檔次：

    摻配比例10%～15%容易達到；

    摻配比例15%～35%較難達到；

    摻配比例35%～50%很難達到；

    摻配比例50%～60%大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)極難實現(xiàn)。

    在有一定環(huán)境效益的前提下，追求經(jīng)濟效益的最大化是建廠的宗旨。但盲目追求高摻量，增加投資，增加裝機容量，增加生產(chǎn)成本，給生產(chǎn)過程帶來更多不確定性是不切實際的。西方國家火電廠極少，粉煤灰燒結(jié)磚生產(chǎn)及管理經(jīng)驗不足，其裝備在生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚的生產(chǎn)中也存在諸多問題。實踐證明中國設(shè)備未能達標，西方設(shè)備同樣不能達標。西安墻體材料研究設(shè)計院40年的經(jīng)驗表明，粉煤灰摻入量以20%～40%為宜，產(chǎn)品應(yīng)定位在多孔磚或?qū)嵭拇u，既消耗了粉煤灰，又降低了生產(chǎn)難度。

    2.2 大型化

    根據(jù)目前國產(chǎn)裝備及引進裝備能力，單線產(chǎn)量以4000～8000萬塊為宜。能夠體現(xiàn)裝備能力、管理水平、規(guī)模效益。制約年產(chǎn)8000萬塊以上生產(chǎn)線的主要設(shè)備是雙軸攪拌機、輪碾機、攪拌擠出機、擠出機以及切、碼、運（裝卸載）系統(tǒng)的能力和可靠性。此外，磚的銷售有明顯的季節(jié)性，冬季或銷售淡季會過多占用流動資金。

    2.3 僅局限于和粘土摻配

    粘土是一種不可再生資源，消耗粉煤灰的同時又消耗更多的粘土，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。合理摻配頁巖、煤矸石、淤泥也能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的燒結(jié)制品。決不可因為利廢、節(jié)能、環(huán)保的同時又浪費資源，產(chǎn)生新的污染。

    3 生產(chǎn)工藝

    3.1 成型方法

    依成型設(shè)備粉煤灰磚按以下三種方法成型。

    a.擠出：效率高、摻量少、工藝復(fù)雜、投資大、質(zhì)量好；

    b.壓制：效率低、摻量高、工藝簡單、投資少、質(zhì)量一般；

    c.振動：效率低、摻量少、工藝簡單、投資少、質(zhì)量差；

    目前國內(nèi)粉煤灰燒結(jié)磚廠普遍采用擠出成型工藝，雖存在諸多問題，但總體運行平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量普遍達標。壓制成型只能生產(chǎn)承重盲孔磚，雖可將摻灰量增至60%甚至80%，取消了陳化庫及干燥室，降低造價300～500萬元，但對于外加物料的塑性及顆粒級配有很高的要求，彈性后效產(chǎn)生的層裂是產(chǎn)品的致命缺陷之一。振動成型可取消陳化庫，但振動所賦予坯體的強度比較低，必須添加足夠的粘結(jié)劑和脫模劑，一般須配備自動裝卸載系統(tǒng)及單層干燥室，技術(shù)上有待進一步完善。

    3.2 工藝

    a.工藝流程 (塑性成型)

    b.技術(shù)要點

    加大粉煤灰摻量、提高混合料塑性、改善干燥均勻性的最有效途徑就是粘土物料的粉碎和陳化，目前大型燒結(jié)磚生產(chǎn)線都配有陳化庫，雖陳化庫結(jié)構(gòu)、布料、取料方式及增溫、保濕水平有待進一步完善，但陳化系統(tǒng)的設(shè)計已達到了較高水平，因此，在攪拌均勻的前提下，粘土物料（包括頁巖煤矸石）的粉碎增塑是高摻量的關(guān)鍵。采用擺式磨粉機（雷蒙磨）可使摻灰量達到50%（重量比），工藝過程也比較簡單。在秦皇島晨礱建材股份有限公司和山西交城義望鐵合金有限責(zé)任公司燒結(jié)磚生產(chǎn)線均已得到成功運用，工藝及裝備達到國內(nèi)最高水平。

    考慮到粉煤灰物料的特殊性，一般采用兩次碼燒工藝。干燥采用人工碼坯的小斷面隧道干燥室或帶有自動裝卸載系統(tǒng)的大斷面隧道干燥室?；炀氃O(shè)備選用攪拌擠出機或圓盤篩式喂料機。由于輪碾機投資大、混練效果差、電耗高，在設(shè)計中謹慎選用。設(shè)計中一定要考核關(guān)鍵設(shè)備對粉煤灰物料的處理能力，尤其是攪拌和混練設(shè)備。圓盤篩式喂料機對中軟物料有極好的均化和碾練作用，在歐洲得到普遍使用，在中國的引進生產(chǎn)線磚機前一般都配置該種設(shè)備。

    3.3 裝備

    a、陳化設(shè)備

    可逆配倉膠帶輸送機：采用橫向水平、連續(xù)布料或分倉布料，最大限度地提高陳化庫的容積率。

    液壓多斗挖掘機：采用縱向挖掘、連續(xù)卸料至膠帶輸送機。

    b.混練設(shè)備

    輪碾機：利用滾輪的碾壓和剪切作用使兩種容重差異較大的物料均勻混合，通過底版孔徑出料。比較適合于松軟物料。是比較笨重而古典的混練設(shè)備。

    攪拌擠出機：相當于磚機的上級，徑向擠出、切片，適用于各種物料。是國內(nèi)技術(shù)比較成熟，采用最多、最為實用的的混練設(shè)備。

    圓盤篩式喂料機：在攪拌臂作用下，側(cè)板孔徑出料;出料面積大、揉搓效果好、工效高，是比較現(xiàn)代的混練設(shè)備。

    3.4 成型設(shè)備

    采用雙級或一體式真空擠磚機成型。對真空度有較高的要求，一般在－0.085～0.092MPa，擠出壓力在1.2～2.0 MPa，大多工廠在1.2～1.5 MPa運行。

    3.5 切、碼、運設(shè)備

    通過切條機、切坯機、編運系統(tǒng)、碼坯機、步進機、運轉(zhuǎn)系統(tǒng)將干燥車頂入隧道干燥室。由于粉煤灰磚濕坯抗變形能力較差，大型磚廠普遍采用大斷面單層干燥室或少層小斷面干燥室。必須相應(yīng)增加編運系統(tǒng)、碼坯機、干燥車的投資。

    3.6 干燥

    a.粉煤灰磚干燥敏感性系數(shù)的推算

    純粘土物料擠出成型含水率一般在17%～19%，干燥臨界含水率在11%～13%；當逐漸用粉煤灰取代粘土，混合料的成型含水率上升，臨界含水率下降。如當粉煤灰摻至重量比30%時，混合料的成型含水率增至20%～21%，臨界含水率降至9%～10%。實驗室純粘土與混合料的干敏系數(shù)計算如下；

    λn=(18－12)/12=0.5

    λh=(20.5－9.5)/9.5=1.16

    從計算結(jié)果看出當粉煤灰加入30%后物料由很好干燥變的較難干燥。當然，實際生產(chǎn)操作過程中，物料干燥的難易程度與機械裝備、熱工設(shè)備、磚型、氣候、操作水平均有較大的關(guān)系。

    b.采取措施

    細化粘土物料，提高其分散度；

    適當引入部分瘠性料，如煤矸石、硬質(zhì)頁巖，優(yōu)化顆粒級配；

    加強陳化庫的布料管理和溫度、濕度控制，選用可靠的攪拌設(shè)備，最大限度地提高物料的均勻性；

    優(yōu)化干燥室的系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)，合理選型送風(fēng)、排風(fēng)設(shè)備；

    采用單層干燥或小斷面干燥室干燥，在小斷面干燥室采用適合于制品干燥的碼坯方式。如底層立碼、立臥結(jié)合或干燥車上設(shè)置托架，利用托架將干燥車上部空間一分為二，以減少下層壓力，加強中部通風(fēng)。

    c.干燥室

    工作通道；

    小斷面：長55～65 m、寬1.2～2.2 m、高0.75～1.0 m(石家莊興匯、酒鋼)

    大斷面：長55～65 m、寬1.7～4.66 m、高1.7～2.4 m（哈一磚、山西交城）送風(fēng)/排潮；分散底送風(fēng)/集中上排潮控制；送熱風(fēng)機采用變頻調(diào)節(jié)控制送風(fēng)量；排潮風(fēng)機采用變頻調(diào)節(jié)控制排風(fēng)量（濕度范圍在75%～90%）

    隧道干燥室在制磚工業(yè)中得到最廣泛的應(yīng)用、技術(shù)上比較成熟。但是在具體生產(chǎn)中往往受原料、含水率、磚型、氣候、設(shè)備、操作及管理水平影響，干燥缺陷較多、達產(chǎn)率較低是我國干燥室的宏觀表現(xiàn)，粉煤灰磚廠尤為突出。設(shè)計中最應(yīng)該反省的就是問題干燥室的整個熱工系統(tǒng)缺乏最基本的物料平衡、能量平衡和工序平衡。有些干燥室送風(fēng)口無法調(diào)節(jié)，送熱風(fēng)機和排潮風(fēng)機從未調(diào)整過，沒有嚴格的工作制度，90%以上的干燥室都未作過熱平衡測試。

    3.7 焙燒

    粉煤灰磚的干坯強度較低，不宜碼的過高，隧道窯可碼1.6 m左右；為防止倒窯、縮短燒成周期，入窯含水率不得超過6%。由于混合料中Al2O3含量隨粉煤灰含量增加而提高，應(yīng)適當延長焙燒帶至15～20 m；內(nèi)燃可加至80 %～100 %；保溫帶也應(yīng)適當延長，使產(chǎn)品的抗壓強度和抗凍融性能滿足國標要求。

    4 規(guī)模與投資

    4.1 不同產(chǎn)量對應(yīng)投資

    不同產(chǎn)量對應(yīng)投資見表1。

表1不同產(chǎn)量對應(yīng)投資

    4.2 工程示例

    a.石家莊興匯（7000萬塊/年）

    原料：軟質(zhì)頁巖70%、粉煤灰30%；

    工藝：原料經(jīng)破碎篩分后，進雙軸攪拌加水，再進入圓盤篩式喂料機精細處理后進磚機成型，小斷面隧道干燥室干燥（單道雙車），4.6 m寬隧道窯燒成；

    特點：取消了陳化庫，沒有采用傳統(tǒng)的攪拌擠出機或輪碾機；產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異，超產(chǎn)25%以上（考核產(chǎn)量9000萬塊/年）；

    投資：固定資產(chǎn)投資1600萬元。

    b.山西交城（6000萬塊/年）

    原料：粉煤灰50%、頁巖50%；

    工藝：首先用擺式磨粉機（雷蒙磨）粉磨頁巖，然后與粉煤灰進入雙軸攪拌機加水攪拌，陳化后依次進入攪拌擠出機強力攪拌、磚機成型（雙泥條）、切條、切坯、編組、碼干燥車，大斷面隧道干燥室（單道雙車），隧道窯燒成；

    特點：物料精細處理，工藝及裝備比較先進，自動化程度高，能耗低（1300 kJ/kg制品），產(chǎn)品質(zhì)量好，投資合理。該生產(chǎn)線具備了裝飾磚、保溫砌塊的生產(chǎn)能力；

    投資：固定資產(chǎn)投資1900萬元。

    c.壓制只成型一次碼燒生產(chǎn)線（7000萬塊/年或10萬m3/年）

    原料：粉煤灰50%～60%、煤矸石或頁巖40%～50%；

    工藝：物料粗混，加水后強制攪拌，壓制成型，機械碼車，隧道窯燒成（設(shè)置干燥段）；

    特點：煤矸石、頁巖或粘土不需要細碎處理；取消了陳化庫、干燥室，隧道窯可碼至18層，極大地簡化了工藝，減少了塑性成型必不可少的環(huán)節(jié)，提高了裝備效率（一條6.9 m寬隧道窯即可）；

    投資：固定資產(chǎn)投資1200萬元。

    5 結(jié)論

    a.粉煤灰燒結(jié)磚，尤其是高摻量粉煤灰制磚過程是一個比較復(fù)雜的過程，必須根據(jù)原料、產(chǎn)品合理選擇工藝、選型設(shè)備。

    b.塑性原料的粉碎、混合料的均化、干燥是高摻量粉煤灰制磚的要點；均化是正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)和瓶頸；先進的工藝必須有優(yōu)良的裝備來支撐。

    c.采用一次碼燒工藝生產(chǎn)高摻量粉煤灰磚必須要有嚴格的限制條件和保障措施。