節(jié)能復合結構件在水泥窯上的應用

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，加上相應的化學侵蝕、沖刷磨損、機械應力及熱剝落，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)能復合結構件方案的提出引起了廣泛的關注。

1.綜述

水泥窯很多部位使用不定形耐火材料，特別是在結構復雜的預分解系統(tǒng)內(nèi)。但新型干法水泥窯溫較高、轉(zhuǎn)速較快、結構復雜，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。

目前造成水泥窯預分解系統(tǒng)損壞的兩大原因[3]是：一、氣體的侵蝕。預分解窯充分利用了余熱預熱，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循環(huán)，與原始生料相比在最熱組預熱器的窯料中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的預分解窯直徑為4m，4000t/d的預分解窯直徑為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)使用復合節(jié)能結構件，通過工藝優(yōu)化解決材料間的熱失配及界面結合的問題，提高產(chǎn)品的整體強度；復合結構件在成型過程中直接成型出鎖扣狀結構，使結構件可適用于水泥窯系統(tǒng)各種復雜形狀部位，便于現(xiàn)場快速安裝。

圖1 節(jié)能復合結構件安裝示意圖

這種復合結構方案具有節(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)能減排的整體技術進步提供物質(zhì)支撐。針對復合節(jié)能結構件使用部位不同，對結構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、抗結皮材料和耐堿材料。

2. 復合節(jié)能結構件的制備

原料有細度為5-3、3-1、＜1mm的公司自制預合成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. 復合節(jié)能結構件的性能檢測

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. 復合節(jié)能結構件的性能優(yōu)勢

4.1 高耐磨性

復合節(jié)能結構件中的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，該復合節(jié)能結構件熱震穩(wěn)定性、強度也高于堿性磚，對機械應力、熱應力、化學反應和過熱、熱疲勞等綜合損壞作用的抵抗能力也比較強。

4.3抗結皮性

現(xiàn)如今，低品位原燃料被越來越多地應用于水泥生產(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]，導致結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)的復合節(jié)能結構件以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皮性。

5. 節(jié)能復合結構件的應用

從2010年開始，鄭州瑞泰耐火科技有限公司生產(chǎn)的復合節(jié)能結構件已廣泛應用于國內(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