预分解窑系统耐火材料的优化

武晓萍，孙洁，朱金波

预分解窑系统耐火材料的优化

Refractory Optimization of Precalcining Kiln System

武晓萍，孙洁，朱金波

1 概述

预分解窑系统的表面散热损失主要包括回转窑、预热器、窑头罩、三次风管和冷却机的表面散热损失，烧成带、过渡带部位的筒体表面温度一般在300～380℃，所占散热比例较大，达到总表面散热量的一半左右。预热器散热面积大（表1），其单位熟料面积均在1.5～1.7dm2/t，也是散热大户。预分解窑耐火材料的优化配置对降低系统热耗意义重大。

表1 不同规模的预分解窑不动衬里表面积

2 衬里传热计算

在水泥预分解窑系统中，耐火材料的配置一般不超过三层，我们以图1中配置三层耐火保温材料为例来介绍相应的传热计算方法。假设内壁温度T1和环境空气温度T5为已知量，各层耐火材料的厚度（L1、L2、L3）和导热系数也已知，且分别标于图上，需要求解的是外壁温度T4（由于金属筒体的导热系数高，可近似认为筒壁内外的温度一致）。

根据导热过程的傅立叶定律可计算其热流密度为：

根据设备表面的对流换热和辐射换热，可计算其热流密度为：

式中：αc——对流换热系数，W/(m2·℃)

ε——物体的黑度

σb——黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/（m2·K4）

αt——总换热系数，αt=αc+αr,W/(m2·℃)

根据传热计算，我们可以合理选用耐火材料及设计各层厚度，使热工设备外表面温度控制在合理范围内。

3 水泥预分解窑系统减少散热损失的耐火材料优化配置

3.1 回转窑

3.1.1 回转窑热工特点及对耐火材料要求

回转窑内的工况是（以5000t/d规模回转窑为例）：燃料燃烧火焰温度高达1800～2000℃，窑内高温烟气与窑料进行热交换，出窑烟气温度降至1050℃左右，入窑物料温度约900℃，逐步加热至1400℃以上，详见图2回转窑内温度分布情况。窑料中的不同成分在此过程中进行化学反应，生成熟料。近年来，随着窑的产量增加，窑速逐步增高，国外新投产的窑有的高达5～5.5r/min，且回转窑内温度高，化学反应复杂，因此回转窑内火砖的使用寿命受到影响，成为烧成系统更换最为频繁的部位。

对预分解窑来说，根据窑内煅烧机理，通常分为分解带、安全带、上过渡带、烧成带、下过渡带、窑出口等，回转窑各带的工况条件和反应机理不一样（表2），导致各带对耐火材料的要求也有所不同，表3列出了各带对耐火材料的要求及目前通常所选耐火材料种类。

图3为某厂回转窑表面温度测定结果，可以看出上下过渡带因为温度变化频繁，又在轮带附近，承受较强的机械应力，很难形成稳定窑皮，温度最高；烧成带是水泥熟料形成区域，液相量大，易形成窑皮，虽然煅烧温度高，但相应有窑皮保护，起隔热作用，温度比上下过渡带略低；分解带是未分解的物料在此分解，对耐火材料的要求相对没有过渡带及烧成带那么苛刻，在减少散热方面还可以改进。

表2 预分解窑各带工况条件及反应机理

表3 预分解窑各带对耐火材料的要求及通常所选耐火材料种类

3.1.2 降低回转窑筒体散热损失的优化措施

（1）采用两档短窑：三档窑长径比L/D=15，两档窑缩短为L/D=10左右，长度（主要为过渡带长度）减少，散热面积减少，同时也是减少了温度最高的部位，以至散热损失可以大幅度降低，砖耗显著降低。对一般预分解窑，吨熟料砖耗的国际先进指标为0.5～0.6kg/t熟料，而两档窑可降到0.15～0.2kg/t熟料，降低约60%。砖耗及热耗降低对降低水泥成本意义很大。

（2）三元系统Al2O3-SiO2-SiC耐火砖在安全带的应用：这种砖对窑内气体中含碱、氯化物和硫的盐化合物的侵蚀具有较好的抵抗性，其特点是高温耐磨，抗热震性能好，导热系数～2W/m·K,较镁质砖低，但比抗剥落高铝砖高，在大型回转窑上，用来替代部分镁铝尖晶石砖，在保证不降低砖寿命的基础上，可以降低窑筒体表面温度，节省燃料。

（3）高性能复合砖在分解带的应用：复合砖是将重质耐火工作层和轻质隔热层融为一体的窑衬，高温性能好，抗剥落，关键是同时具有良好的隔热性能（隔热层导热系数小于0.75W/m·K），节能效果显著。图4中蓝线是某厂在分解带应用高铝复合砖的窑筒体表面温度分布，分解带窑筒体表面温度最低129℃，最高198℃，44m后分解带筒体表面温度明显低于红线中用硅莫砖所测出的表面温度。分解带运用导热系数低的高性能复合砖，在保证使用寿命的基础上，可以降低窑筒体表面温度，降低热耗4.18～8.36kJ/kg熟料。

3.2 窑尾预热器

3.2.1 窑尾预热器热工特点及对耐火材料的要求

图5为窑尾预热器系统各热工设备的内部温度，其中烟室温度最高，达到1100℃左右。目前由于劣质原燃料的大量应用，K、Cl、S等挥发性成分增加，预分解窑系统中，碱硫氯在温度800～1200℃的下部预热器、风管、上升烟道、窑尾进料分解炉等区域内循环富集，与粘土砖作用，生成白榴石（K2O·Al2O3·4SiO2熔点 1693℃）、钾霞石（K2O、Al2O3·2SiO2熔点1758℃）、钠霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2熔点1526℃）等矿物，上述矿物体积膨胀致使砖体碱裂，所以这些部位工作层应根据工况选用高强耐碱砖、抗剥落高铝砖等。

表4 窑尾预热器外表面温度测定

表5 煤耗减少量分析

除了回转窑，窑尾预热器系统热工设备均为静止设备，这就为耐火材料设计成复合衬里提供了有利条件，一般均将衬里设计分为工作层和隔热层。工作层拥有较高的耐压强度、耐碱性，隔热层拥有较低导热系数，可以降低外表面温度，降低散热损失。

表4为某现场窑尾系统表面温度测定结果，从中可以看出，烟室、分解炉、C4下料管、C5下料管外表面温度还是较高，旋风筒、风管温度不是太高，但散热面积大，散热损失总量大。窑尾降低散热的空间仍然很大。

3.2.2 降低窑尾预热器散热损失措施

（1）合理运用好隔热材料（图6）

从图7中可以看出，隔热砖的导热系数相应较高，绿色区域为硅酸钙板导热系数范围，导热系数低，但最高温度只能耐到1050℃。黄色区域为陶瓷纤维制品导热系数范围，导热系数低，能耐1200℃高温，但由于其主要成分为Al2O3纤维，环保性能相对差。蓝线为空气导热系数，黄线为一种新型微孔材料，导热系数比空气还低，其导热系数≤0.042W/m·K（热面800℃），但目前只能耐800℃高温，而且价格贵，还难以推广。

（2）优化设计耐火材料厚度和合理选用工作层材料

为降低筒体温度，需增加隔热层的厚度，厚度增加相应增加工作层热面温度和隔热层热面温度，但隔热层材料工况温度有一定的限制，为避免隔热层过热损坏，需进行筒体散热计算。按照计算结果，适当增加隔热层厚度或在工况允许的条件下，选用导热系数更低的硅酸钙板或其他品种隔热材料。

例如：从表4中我们可以看出，下料管温度还是普遍较高，那是因为只铺设了工作层，没有隔热层，合理增加一定厚度隔热层，可以使下料管表面温度大幅度降低。

再以烟室为例：通过合理设计耐火衬里的厚度，不仅可以避免烟室部位硅酸钙板容易烧坏的问题，还可以使其表面温度降低约10℃（图8）。

4 技术社会经济效益分析

通过优化耐火材料配置，可以使水泥预分解窑系统的表面散热损失减少约25.08～33.44kJ/kg熟料,其经济社会效益见表5，每年可为水泥厂节约大量生产成本。同时，筒体温度降低，改善了工人的工作环境，而且降低了CO2排放量,可为我国的低碳经济作出贡献。

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吕 光