水泥生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)展和耐火材料的發(fā)展趨勢(上)

20世紀(jì)水泥工業(yè)有兩次重大的技術(shù)突破,第一次是回轉(zhuǎn)窯在本世紀(jì)初得到全面推廣,第二次是窯外分解技術(shù)的出現(xiàn),大大提高了水泥窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力,促進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展,而與水泥工業(yè)配套的耐火襯料,也反映出此發(fā)展趨勢。簡略地說,20世紀(jì)初至50年代是以粘土、高鋁質(zhì)耐火材料來滿足以濕法窯為主的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)需求。50年代以后,上述材料的性能進(jìn)一步完善和提高,出現(xiàn)了以鎂質(zhì)耐火材料來適應(yīng)懸浮預(yù)熱、窯外分解窯技術(shù)的發(fā)展。
  

本文就水泥熟料生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)展,尤其是窯外分解窯出現(xiàn)后的技術(shù)完善和進(jìn)展對配套的耐火材料的發(fā)展作一探討。

1 水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展對耐火材料的需求

1.1 傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯對耐火材料的需求
  

早期的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯是料漿煅燒的濕法窯和料粉煅燒的干法長窯、余熱鍋爐窯,一般配用單筒和多筒冷卻機(jī)。窯的熱耗均在6500kJ/kg熟料以上,熟料在窯內(nèi)煅燒溫度一般低于1350℃,燒成帶用普通高鋁磚,其余部份使用粘土磚,此后,出現(xiàn)了利用窯尾廢氣的立波爾加熱機(jī)以及配套的篦冷機(jī),熱耗降低至5000kJ/kg熟料左右,熟料煅燒溫度超過1350℃,要求具有較高的耐火度和抗熟料化學(xué)侵蝕及抗震性能強(qiáng)的新品種耐火磚,此時,出現(xiàn)了特種高鋁磚、磷酸鹽磚及普通鎂質(zhì)堿性磚,這些耐火磚滿足了生產(chǎn)需求,還進(jìn)一步提高了一般的傳統(tǒng)窯襯料的使用周期,得以廣泛推廣應(yīng)用。

1.2 預(yù)熱器窯對耐火材料的需求

1.2.1 襯砌部位的不同
  

傳統(tǒng)窯襯料主要用在回轉(zhuǎn)窯,冷卻筒和窯門罩,材質(zhì)、磚型砌筑主要按回轉(zhuǎn)設(shè)備要求考慮的,立波爾窯除了回轉(zhuǎn)窯使用的襯磚外,增加了加熱機(jī)和篦冷機(jī)的襯砌,而預(yù)熱器窯的襯料只有部分用在回轉(zhuǎn)窯內(nèi),大部分用在形狀復(fù)雜的預(yù)熱器系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi),所需襯料的材質(zhì)、磚型、砌筑要求與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯料是不同的。

1.2.2 窯溫及其影響
  

預(yù)熱器窯的配料率值中的硅酸率SM、鋁氧率IM較傳統(tǒng)窯高,熟料煅燒溫度高,再加上多風(fēng)道燃燒器形成的高溫,使整個窯內(nèi)氣流和物料溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)窯相似部位的溫度,國外的大型預(yù)熱器窯內(nèi)熟料煅燒溫度超過1400℃,熱耗低于3500kJ/kg熟料,在此高溫情況下,熟料中的鈣硅融熔物和堿硫化合物與Al2O3形成低溫共熔體,在工況苛刻的窯上,幾天之內(nèi)可將高鋁質(zhì)襯磚損壞,只得在窯內(nèi)大量使用堿性磚,窯內(nèi)堿性磚的長度約(7~10)D。

1.2.3 堿硫揮發(fā)性組分的侵蝕及影響
  

預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi),堿硫氯等化合物組分揮發(fā)凝聚,反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致窯料中這些組分的富集,在系統(tǒng)下部的預(yù)熱器、進(jìn)料室、上升煙道等溫度較高的部位易結(jié)皮阻塞、干擾正常生產(chǎn)。此外,襯料受堿氯硫化合物的氣體和結(jié)皮物的侵蝕,形成膨脹性堿裂損壞,在上述易結(jié)皮部位,采用系列耐堿侵蝕的半酸性粘土磚和耐火澆注料。
  

另一差別在回轉(zhuǎn)窯內(nèi),部分富集的堿氯硫化合物隨窯料從預(yù)熱器進(jìn)入窯內(nèi),在熟料煅燒過程中,部分化合物揮發(fā),侵蝕窯內(nèi)未結(jié)皮的襯磚,而熟料內(nèi)的化合物因熔融溫度較低,在高溫煅燒部位以液相形式存在熟料內(nèi),侵蝕燒成帶和上下過濾帶的襯磚,給上述部位的窯內(nèi)襯磚提出了較高的抗堿氯硫化合物的侵蝕功能的需求。

1.2.4 窯速的影響
  

常規(guī)窯的窯速為1r/min,而預(yù)熱器窯的窯速為2r/min,窯速高,窯內(nèi)火焰和窯料之間溫差對襯磚造成的熱震破壞次數(shù)增大,遭受的軸向擠壓和向下的推力增強(qiáng),對襯磚的強(qiáng)度和襯砌縫隙以及膠泥的性能均提出了要求。

1.2.5 材質(zhì)的差別
  

預(yù)熱器窯內(nèi)的襯磚不論從窯溫、窯在回轉(zhuǎn)過程中造成的機(jī)械應(yīng)力,以及堿氯硫化合物的化學(xué)侵蝕均提出了比立波爾窯更高的要求,在此期間出現(xiàn)了半直接接合鎂鉻磚、直接接合鎂鉻磚和白云石磚等產(chǎn)品。此類產(chǎn)品耐火度高、抗熟料和堿氯硫等化學(xué)侵蝕,抗熱震等機(jī)械性能強(qiáng),掛窯皮性能優(yōu)良,進(jìn)一步滿足了各種不同生產(chǎn)方式窯型的需求。

1.2.6 系統(tǒng)內(nèi)不動設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的影響
  

預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)不動設(shè)備多而形狀復(fù)雜,為簡化磚型,一方面制定標(biāo)準(zhǔn)化的磚型,在圓形和圓錐部位采用配磚設(shè)計,簡化磚形數(shù)量,另一方面在形狀復(fù)雜的部位使用耐火澆注料,相應(yīng)減少磚形數(shù)量,通過上述措施,一套預(yù)熱器窯的磚型數(shù)量由原來的120種減少至20余種,由于不同部位對耐火澆注料的需求,促進(jìn)了它的發(fā)展。

1.2.7 節(jié)能要求
  

預(yù)熱器窯不動設(shè)備的表面散熱面積>1m2/d.t熟料,筒體散熱損失較大。減少襯體散熱損失,不僅降低能耗,更重要的是維持系統(tǒng)內(nèi)的溫度,提高入窯物料分解率,有利于保持窯內(nèi)熱工制度正常和穩(wěn)定。在此需求下,出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)低,工況溫度高,容重輕的硬質(zhì)硅酸鈣板隔熱材料和性能優(yōu)良的隔熱磚。

1.3 窯外分解窯對耐火襯料的需求
  

70年代中期,在預(yù)熱器窯生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了窯外分解窯,在窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)分解爐,從冷卻機(jī)抽熱風(fēng)通過三次風(fēng)管入分解爐內(nèi)作燃燒空氣。分解爐內(nèi)燃料提供的熱量供生料分解用,煅燒熟料的熱量由窯頭燃燒器提供。由于生料分解所需的熱量較熟料煅燒的熱量多,在生產(chǎn)過程中,約60%的燃料由分解爐提供,而40%的燃料由窯頭燃燒器供應(yīng),因而在同一直徑的窯,產(chǎn)量幾乎增加了1倍以上,熱耗相應(yīng)降低。窯外分解窯出現(xiàn)后,就成為水泥生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的主流,在世界各國廣為發(fā)展。窯外分解窯是從預(yù)熱器窯技術(shù)發(fā)展的,耐火材料的技術(shù)要求基本和預(yù)熱器窯接近,差別在于:
  

(1)在相同產(chǎn)量的情況下,窯外分解窯在燒成帶的熱力強(qiáng)度較預(yù)熱器窯有較大程度的下降,入窯物料分解率提高,燒成帶的窯皮長度較預(yù)熱器窯有所增長,窯內(nèi)同一部位使用相同材質(zhì)的耐火磚,則磚的使用周期有所提高。
  

(2)窯尾物料分解率提高,窯尾廢氣溫度增加,窯料內(nèi)所含的堿氯硫相同的情況下,窯外分解窯在預(yù)熱器系統(tǒng)下部設(shè)備內(nèi)的襯磚所遭受的堿氯硫侵蝕較預(yù)熱器窯重些。
  

(3)窯速加快至3r/min,對窯內(nèi)襯磚的熱震破壞和機(jī)械應(yīng)力增大。

2 窯外分解窯生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展
  

窯外分解窯出現(xiàn)以來,窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力大幅度提高,促進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展,與耐火材料有關(guān)的主要表現(xiàn)在:

2.1 生產(chǎn)能力大型化
  

70年代水泥熟料生產(chǎn)線主要規(guī)模為1000~4000t/d,80年代為3000~5000t/d,90年代為4000~10000t/d。世界上已投產(chǎn)的日產(chǎn)5000t熟料以上規(guī)模的生產(chǎn)線超過80條,7000t以上生產(chǎn)線接近30條,9000~10000t生產(chǎn)線為4條,正在興建的最大規(guī)格窯為Φ6.2m×105m,日產(chǎn)12000t熟料生產(chǎn)線。

2.2 先進(jìn)的水泥熟料生產(chǎn)技術(shù)

2.2.1 生料均化技術(shù)
  

生料均化技術(shù)主要包括礦山計算機(jī)三維開采、預(yù)均化堆場、在線測試控制、精度高的計量秤、均化庫,確保了入窯生料成分和數(shù)量的均勻,保持了窯的穩(wěn)定生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

2.2.2 熟料煅燒技術(shù)
  

熟料煅燒裝備由預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯、篦冷機(jī)、燃燒器等項裝備組成,主要技術(shù)進(jìn)展為:
  

(1)預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)的性能和效率進(jìn)一步完善與提高,預(yù)熱器由4級逐步增加到6級,分解爐能使不同性能的原燃料分解和燃燒。系統(tǒng)的入窯物料分解率已增至95%,窯尾廢氣溫度提高至1200℃以上。
  

(2)入窯物料分解率逐步增加,窯的長度逐步縮短,長徑比從 >15下降到10~11,轉(zhuǎn)速從3r/min,逐漸提高到4r/min以上,窯的容積產(chǎn)量從2.5t熟料/m3.d,提高至5t熟料/m3.d以上。
  

(3)高效率的充氣梁篦冷機(jī)逐步取代厚層篦冷機(jī),熱效率從68%~70%提高至76%以上,入窯二次風(fēng)溫提高至1200℃,入分解爐三次風(fēng)溫接近900℃。(4)多風(fēng)道燃燒器廣泛應(yīng)用,此類燃燒器不僅用于燒油,更多的適用于燒煤和工業(yè)廢燃料,做到不同燃料混燒,燃燒器火焰集中,氣溫高,還可減少NOx的排放。
  

上述裝備組成的燒成系統(tǒng)熱耗,70年代一般為3350~3550kJ/kg熟料,筒體散熱損失為450kJ/kg熟料,窯運轉(zhuǎn)率85%左右,

90年代技術(shù)先進(jìn)的大型窯外分解窯6級預(yù)熱器的熱耗低于2900kJ/kg熟料,筒體散裝損失低于200kJ/kg熟料,窯運轉(zhuǎn)率提高至95%以上。

2.3 生態(tài)化水泥生產(chǎn)技術(shù)

2.3.1 燃料結(jié)構(gòu)的變化
  

早期的窯外分解窯所用的燃料主要為燃油,70年代的石油危機(jī)造成燃油價格上漲,價格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的揮發(fā)分、灰分、熱值、硫含量變化較大,燃燒較燃油困難,總的說來,在生料設(shè)計中,必須考慮燃煤灰分沉積在窯料內(nèi)作為熟料成分,而分解爐設(shè)計時,必須考慮足夠的燃燒時間,確保燃料燃燼,燃燒器設(shè)計必須考慮火焰有利于熟料煅燒。在燒煤的基礎(chǔ)上,一些工業(yè)化國家從80年代中期開始,逐步使用價格更為便宜的工業(yè)廢燃料,如石油焦、廢輪胎、廢機(jī)油、廢塑料及有毒有害工業(yè)廢棄物等,且愈來愈多。

2.3.2 污染物排放控制
  

從80年代起,工業(yè)化國家在水泥生產(chǎn)過程中,加強(qiáng)了有害物排放的控制,主要為CO2、NOX、SOX、粉塵以及六價鉻造成的水污染等,上述物質(zhì)的排放制定了嚴(yán)格的控制指標(biāo),在水泥熟料生產(chǎn)控制過程中,一些技術(shù)先進(jìn)的水泥熟料生產(chǎn)線均能滿足環(huán)??刂频男枨?

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