不同的燃料，不同的耐火材料襯砌概念-中國(guó)和歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯之間的比較

簡(jiǎn)介
　　就第一印象，中國(guó)和歐洲的水泥回轉(zhuǎn)窯看上去是非常類(lèi)似的：外部整潔，轉(zhuǎn)速慢且性能良好，停窯修理時(shí)，內(nèi)部昏暗且灰塵飛揚(yáng)。中國(guó)和歐洲窯生產(chǎn)的熟料在化學(xué)和礦物成分上基本上是類(lèi)似的，特性也是基本類(lèi)似的。
仔細(xì)考察可以發(fā)現(xiàn)在中國(guó)和歐洲的回轉(zhuǎn)窯之間有一些差別。解釋這種差別的原因之一是耐火原料的可用性，即商業(yè)方面的考慮，不過(guò)，更重要的是技術(shù)方面的原因：在歐洲用于制造水泥熟料的燃料和中國(guó)的燃料不同。下面的章節(jié)列出幾個(gè)案例來(lái)說(shuō)明在兩個(gè)地區(qū)因燃料類(lèi)型的差別而產(chǎn)生的耐火材料襯砌概念的差別。

中國(guó)水泥回轉(zhuǎn)窯燃料

　　中國(guó)的水泥回轉(zhuǎn)窯幾乎只使用煤炭作為燃料。除少數(shù)特例外，基本都屬于煙煤范疇（圖1）。眾所周知，因?yàn)槊禾炕鹧娴母咻椛渎蕦?duì)窯內(nèi)物料具有很高的熱傳遞率，細(xì)度適宜的煤炭對(duì)于回轉(zhuǎn)窯是最好的燃料。而且，富含氧化硅和氧化鋁的煤灰顆粒在火焰溫度作用下會(huì)轉(zhuǎn)變成液滴，和窯內(nèi)物料很容易形成熟料礦物。

圖1：揀選的在水泥回轉(zhuǎn)窯中使用的中國(guó)煤炭的熱值與揮發(fā)份的函數(shù)關(guān)系

中國(guó)水泥回轉(zhuǎn)窯的耐火材料襯砌的配置

　　以設(shè)計(jì)能力5000t/d 的預(yù)分解窯(. 4.8 x 72m)為例，其典型的耐火材料襯砌配置為，窯口使用高鋁質(zhì)澆注料，隨后襯砌很短的一段碳化硅-莫來(lái)石磚，鎂鉻磚襯砌在具有穩(wěn)定窯皮的區(qū)域，鎂鐵尖晶石磚或鎂鋁尖晶石磚襯砌在上過(guò)渡帶（上過(guò)渡帶一般是回轉(zhuǎn)窯工況最為惡劣的區(qū)域），安全帶襯砌鎂鉻磚，預(yù)熱帶襯砌高鋁磚（見(jiàn)圖2）。因而，（窯內(nèi)的）堿性磚長(zhǎng)度約為8,75 x 窯直徑(D)。（窯內(nèi)）穩(wěn)定窯皮區(qū)段長(zhǎng)度約x 5 窯直徑(D)長(zhǎng)。在第5-7 窯直徑(D)區(qū)段，因頻繁熱震，火磚承受著嚴(yán)酷的熱機(jī)械應(yīng)力，火磚的壽命最短。

圖2：現(xiàn)代中國(guó)預(yù)分解窯耐火材料襯砌配置。窯口（1），燒成帶（2），上過(guò)渡帶（3），安全帶（4），預(yù)熱帶（5），堿性（磚襯砌）區(qū)域約8,75 D 長(zhǎng)。
1. 選取的使用在中國(guó)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性耐火磚的特性在表1 中示出。

歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯燃料
　　二十五年前，歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯使用的燃料約90%為煤炭(1)。而后，歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯使用的燃料向兩個(gè)方向發(fā)展：
　　中部和北部歐洲國(guó)家（如法國(guó)，德國(guó)，瑞士）持續(xù)地增加替代燃料的使用比例(2)。根據(jù)德國(guó)水泥廠協(xié)會(huì)(VDZ)的數(shù)據(jù)顯示，在004 年總的燃料消耗量中，替代燃料的使用達(dá)42%。在過(guò)去的兩年中，隨著能源價(jià)格的急劇攀升，使用替代燃料的勢(shì)頭更猛，一家德國(guó)水泥集團(tuán)最近宣布，在未來(lái)的三年內(nèi)，增加替代燃料的比例到75%。地中海國(guó)家（如西班牙，希臘）具有便利的港口設(shè)施，幾乎用自美國(guó)海岸沿線進(jìn)口的石油焦完全替代了煤炭。
　　這兩種類(lèi)型的燃料，即替代燃料和石油焦，和煤炭相比較，含有很高的揮發(fā)性組分，（這些揮發(fā)性組分）會(huì)造成更嚴(yán)重的窯內(nèi)循環(huán)。替代燃料傾向于把堿硫比(ASR)轉(zhuǎn)向堿多的一側(cè)(3)，而石油焦卻有著相反的效果。顯著而且持續(xù)地背離平衡的堿硫比ASR 會(huì)給耐火磚襯造成很高的熱化學(xué)負(fù)荷，在此予以詳述。

歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯耐火襯砌配置

　　歐洲（回轉(zhuǎn)窯）使用的原料種類(lèi)很多，下面討論三條窯的情況：
　　窯A 是一條懸浮預(yù)熱器窯(規(guī)格為5,2x78m)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為3000t/d，實(shí)際產(chǎn)量為2500t/d，原因在于使用替代燃料會(huì)產(chǎn)生更多體積的燃燒空氣。（該窯）替代燃料的使用量達(dá)到70%的比例，為塑料，輪胎（自煙室喂入），動(dòng)物肉類(lèi)以及化學(xué)溶劑。傳統(tǒng)燃料比例占30%，為煙煤和石油焦。
　　（該窯）窯口襯砌澆注料，隨后在下過(guò)渡帶使用鎂鋁尖晶石磚和鎂鋯磚襯砌。燒成帶使用鎂鐵尖晶石磚襯砌（見(jiàn)表2，具代表性的歐洲堿性磚）。上過(guò)渡帶使用鎂鋁尖晶石磚襯砌，安全帶還是使用鎂鐵尖晶石磚襯砌。（該窯）總的堿性磚襯砌長(zhǎng)度為10D（窯直徑）。在預(yù)熱帶使用孔隙封閉的高鋁磚襯砌，該型磚使用壽命的增加令人吃驚(4)。

　　圖3：歐洲懸浮預(yù)熱器窯耐火襯砌配置。窯口（1），下過(guò)渡帶（2），燒成帶（3），上過(guò)渡帶（4），安全帶（5），預(yù)熱帶（6），堿性磚襯砌長(zhǎng)度為10D（窯徑）。
　　（在這條窯上），對(duì)于耐火磚襯工況最?lèi)毫拥膮^(qū)域是下過(guò)渡帶，該區(qū)域襯砌了鎂鋁尖晶石和鎂鋯磚，盡管這些磚由高純度人工合成的鎂砂制成，在K2O 過(guò)量的情況下(ASR 1,85)，還是會(huì)被硫酸堿滲透。“游離的” K2O 侵蝕尖晶石顆粒并且破壞了在氧化鎂和尖晶石之間的陶瓷結(jié)合。
　
　　圖4：取自下過(guò)渡帶的鎂鋁尖晶石磚的巖相照片，左側(cè)照片：鎂鋁尖晶石顆粒被鋁酸鉀包圍（黑色）。右側(cè)：純的鎂鋁尖晶石（1）被K2O（2）侵蝕并且轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鉀(S)。
　　窯B 是一條懸浮預(yù)熱器窯(規(guī)格為. 4,6 x 78m)，設(shè)計(jì)能力3000t/d。因當(dāng)?shù)氐乃嘈枨髲?qiáng)勁，實(shí)際生產(chǎn)能力為3500t/d。該窯使用的燃料為石油焦(7% S)比例為90%，替代燃料為10%.
　　該窯的窯口護(hù)鐵襯砌紅柱石-SiC 磚，下過(guò)渡帶襯砌由鎂鋁尖晶石含量很低，人工合成鎂砂制成的鎂鋁尖晶石磚。燒成帶和上過(guò)渡帶也襯砌鎂鋁尖晶石含量低的鎂鋁尖晶石磚。整窯的堿性磚襯砌長(zhǎng)度為9D（窯徑）。

　　圖5：某條歐洲的懸浮預(yù)熱器窯的耐火磚襯配置。窯口（1），下過(guò)渡帶（2），燒成帶（3），上過(guò)渡帶（4），安全帶（5），預(yù)熱帶（6）。堿性磚區(qū)域?yàn)?D（窯徑）長(zhǎng)。
　　（在這條窯上），對(duì)于耐火磚襯工況最?lèi)毫拥膮^(qū)域是下過(guò)渡帶和上過(guò)渡帶，主要是造成窯筒體溫度高。自下過(guò)渡帶取得的磚樣（圖6）顯示出明顯的火焰影響效果，即熱負(fù)荷很高?；鸫u的熱面被熟料液相滲透到深層，并且出現(xiàn)許多因其微觀結(jié)構(gòu)軟化而產(chǎn)生的小裂紋。朝著冷面方向，磚樣的顏色變白，指示出還原（氣氛）工況以及在明顯硫過(guò)多(ASR 0,63)情況下硫堿的富集。在冷面部分，硫堿及氯化物的含量也很高(2,09% K2O, 0,93% Na2O, 0,70% Cl, 3,29% SO3; ASR 0,67)，這足以解釋在過(guò)渡帶觀察到的窯筒體溫度高的現(xiàn)象。
　　
　　圖6：舊的鎂鋁尖晶石磚切面，在熱面（1）熟料液相滲透，白色區(qū)域（2）表明還原（氣氛）工況以及冷面（3）嚴(yán)重的（硫堿及氯化物）滲透。
　　窯C 是一條預(yù)分解窯(. 4,8 x 76m)，設(shè)計(jì)能力為5000t/d。替代燃料（塑料，舊輪胎，工業(yè)廢物，動(dòng)物肉類(lèi)）比例占到69%，褐煤占到31%。僅當(dāng)分解爐使用替代燃料時(shí)，窯產(chǎn)量會(huì)降低。
　　（該窯）窯口襯砌傳統(tǒng)的高鋁磚(80% Al2O3)。自窯點(diǎn)火以來(lái)，（該窯）堿性磚區(qū)域僅由一種磚構(gòu)成，即鎂鋁尖晶石含量很低的，由人工合成鎂砂制成的鎂鋁尖晶石磚。堿性磚區(qū)域長(zhǎng)度為11,3 D（窯徑）。預(yù)熱帶區(qū)域的下部襯砌經(jīng)過(guò)特別孔隙封閉處理過(guò)的高鋁磚，靠近窯尾的上部襯砌傳統(tǒng)的高鋁磚(50% Al2O3)。

　 　圖7：某條歐洲預(yù)分解窯的襯砌配置。窯口（1），燒成帶，上過(guò)渡帶以及安全帶（2）襯砌鎂鋁尖晶石磚，預(yù)熱帶（3）。堿性磚區(qū)域 長(zhǎng)11,3 D（窯徑）。
　　盡管該條窯使用很高比例的替代燃料，但該條窯的耐火材料使用壽命很長(zhǎng)?；鸫u在3-4內(nèi)不需要更換，回轉(zhuǎn)窯的單位磚耗<50 g/t 熟料。

結(jié)論

　　在中國(guó)和歐洲的水泥回轉(zhuǎn)窯上，耐火磚襯配置上的差別可解釋為使用不同的燃料所致。在使用煤炭作為燃料的中國(guó)回轉(zhuǎn)窯燒成帶上，耐火材料處于“十分理想”的工況，使用天然燒結(jié)鎂砂及鉻鐵礦，鎂鋁尖晶石以及鎂鐵尖晶石作為添加成分的中國(guó)火磚可達(dá)到所需的彈性及抗熱震特性。
　　使用在歐洲的水泥回轉(zhuǎn)窯上的耐火磚襯通常要承受更加惡劣的工況：傳統(tǒng)燃料以很高的比例被各種替代燃料代替，并且石油焦加重了化學(xué)熱負(fù)荷。安裝在工況惡劣的下/上過(guò)渡帶的火磚所以要用人工合成的燒結(jié)氧化鎂制成以抵抗嚴(yán)酷的化學(xué)應(yīng)力。堿性磚區(qū)域長(zhǎng)度要比中國(guó)的回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)。在歐洲，在預(yù)熱帶，新型的特別孔隙封閉處理的高鋁磚是專(zhuān)門(mén)為高堿/硫比環(huán)境研制的，在歐洲的回轉(zhuǎn)窯上應(yīng)用得十分成功。
　　如果嚴(yán)格控制了工藝參數(shù)并且仔細(xì)地選擇了合適的耐火材料，即使使用很高比例的替代燃料，耐火材料的單位消耗依然可以達(dá)到很低的水平。

參考文獻(xiàn)
(1) ROSEMANN,H.: Effect of the type and point of application of the fuel on the energy consumption, operating
behaviour and emission of rotary kiln plants. – ZEMENT-KALK-GIPS, Nr. 5/1988, pp. 231-236.
(2) CHANDELLE, J.-M.: Alternative fuels: The .valorisation“ of waste in the cement industry. – CEMENT
INTERNATIONAL, vol. 1, 4/2003, pp. 50-60.
(3) LUDWIG, H.-M.: Influence of the process technology on the manufacture of market-oriented cements, Part 2. –
CEMENT INTERNATIONAL, vol. 1, 6/2003, pp. 74-87.
(4) NIEVOLL, J. & MONSBERGER, G.: The Performance of Specially Impregnated Alumina Bricks. – RHI Bulletin,
2/2004, pp. 11-14.

附表：
2 表格

表1：揀選的中國(guó)水泥回轉(zhuǎn)窯耐火磚的成分

表2：具有代表性的歐洲水泥回轉(zhuǎn)窯耐火磚的成分