預分解窯系統耐火材料的優化

武曉萍，孫潔，朱金波

預分解窯系統耐火材料的優化

Refractory Optimization of Precalcining Kiln System

武曉萍，孫潔，朱金波

1 概述

預分解窯系統的表面散熱損失主要包括回轉窯、預熱器、窯頭罩、三次風管和冷卻機的表面散熱損失，燒成帶、過渡帶部位的筒體表面溫度一般在300～380℃，所占散熱比例較大，達到總表面散熱量的一半左右。預熱器散熱面積大（表1），其單位熟料面積均在1.5～1.7dm2/t，也是散熱大戶。預分解窯耐火材料的優化配置對降低系統熱耗意義重大。

表1 不同規模的預分解窯不動襯里表面積

2 襯里傳熱計算

在水泥預分解窯系統中，耐火材料的配置一般不超過三層，我們以圖1中配置三層耐火保溫材料為例來介紹相應的傳熱計算方法。假設內壁溫度T1和環境空氣溫度T5為已知量，各層耐火材料的厚度（L1、L2、L3）和導熱系數也已知，且分別標于圖上，需要求解的是外壁溫度T4（由于金屬筒體的導熱系數高，可近似認為筒壁內外的溫度一致）。

根據導熱過程的傅立葉定律可計算其熱流密度為：

根據設備表面的對流換熱和輻射換熱，可計算其熱流密度為：

式中：αc——對流換熱系數，W/(m2·℃)

ε——物體的黑度

σb——黑體輻射常數，其值為5.67×10-8W/（m2·K4）

αt——總換熱系數，αt=αc+αr,W/(m2·℃)

根據傳熱計算，我們可以合理選用耐火材料及設計各層厚度，使熱工設備外表面溫度控制在合理范圍內。

3 水泥預分解窯系統減少散熱損失的耐火材料優化配置

3.1 回轉窯

3.1.1 回轉窯熱工特點及對耐火材料要求

回轉窯內的工況是（以5000t/d規模回轉窯為例）：燃料燃燒火焰溫度高達1800～2000℃，窯內高溫煙氣與窯料進行熱交換，出窯煙氣溫度降至1050℃左右，入窯物料溫度約900℃，逐步加熱至1400℃以上，詳見圖2回轉窯內溫度分布情況。窯料中的不同成分在此過程中進行化學反應，生成熟料。近年來，隨著窯的產量增加，窯速逐步增高，國外新投產的窯有的高達5～5.5r/min，且回轉窯內溫度高，化學反應復雜，因此回轉窯內火磚的使用壽命受到影響，成為燒成系統更換最為頻繁的部位。

對預分解窯來說，根據窯內煅燒機理，通常分為分解帶、安全帶、上過渡帶、燒成帶、下過渡帶、窯出口等，回轉窯各帶的工況條件和反應機理不一樣（表2），導致各帶對耐火材料的要求也有所不同，表3列出了各帶對耐火材料的要求及目前通常所選耐火材料種類。

圖3為某廠回轉窯表面溫度測定結果，可以看出上下過渡帶因為溫度變化頻繁，又在輪帶附近，承受較強的機械應力，很難形成穩定窯皮，溫度最高；燒成帶是水泥熟料形成區域，液相量大，易形成窯皮，雖然煅燒溫度高，但相應有窯皮保護，起隔熱作用，溫度比上下過渡帶略低；分解帶是未分解的物料在此分解，對耐火材料的要求相對沒有過渡帶及燒成帶那么苛刻，在減少散熱方面還可以改進。

表2 預分解窯各帶工況條件及反應機理

表3 預分解窯各帶對耐火材料的要求及通常所選耐火材料種類

3.1.2 降低回轉窯筒體散熱損失的優化措施

（1）采用兩檔短窯：三檔窯長徑比L/D=15，兩檔窯縮短為L/D=10左右，長度（主要為過渡帶長度）減少，散熱面積減少，同時也是減少了溫度最高的部位，以至散熱損失可以大幅度降低，磚耗顯著降低。對一般預分解窯，噸熟料磚耗的國際先進指標為0.5～0.6kg/t熟料，而兩檔窯可降到0.15～0.2kg/t熟料，降低約60%。磚耗及熱耗降低對降低水泥成本意義很大。

（2）三元系統Al2O3-SiO2-SiC耐火磚在安全帶的應用：這種磚對窯內氣體中含堿、氯化物和硫的鹽化合物的侵蝕具有較好的抵抗性，其特點是高溫耐磨，抗熱震性能好，導熱系數～2W/m·K,較鎂質磚低，但比抗剝落高鋁磚高，在大型回轉窯上，用來替代部分鎂鋁尖晶石磚，在保證不降低磚壽命的基礎上，可以降低窯筒體表面溫度，節省燃料。

（3）高性能復合磚在分解帶的應用：復合磚是將重質耐火工作層和輕質隔熱層融為一體的窯襯，高溫性能好，抗剝落，關鍵是同時具有良好的隔熱性能（隔熱層導熱系數小于0.75W/m·K），節能效果顯著。圖4中藍線是某廠在分解帶應用高鋁復合磚的窯筒體表面溫度分布，分解帶窯筒體表面溫度最低129℃，最高198℃，44m后分解帶筒體表面溫度明顯低于紅線中用硅莫磚所測出的表面溫度。分解帶運用導熱系數低的高性能復合磚，在保證使用壽命的基礎上，可以降低窯筒體表面溫度，降低熱耗4.18～8.36kJ/kg熟料。

3.2 窯尾預熱器

3.2.1 窯尾預熱器熱工特點及對耐火材料的要求

圖5為窯尾預熱器系統各熱工設備的內部溫度，其中煙室溫度最高，達到1100℃左右。目前由于劣質原燃料的大量應用，K、Cl、S等揮發性成分增加，預分解窯系統中，堿硫氯在溫度800～1200℃的下部預熱器、風管、上升煙道、窯尾進料分解爐等區域內循環富集，與粘土磚作用，生成白榴石（K2O·Al2O3·4SiO2熔點 1693℃）、鉀霞石（K2O、Al2O3·2SiO2熔點1758℃）、鈉霞石（Na2O·Al2O3·2SiO2熔點1526℃）等礦物，上述礦物體積膨脹致使磚體堿裂，所以這些部位工作層應根據工況選用高強耐堿磚、抗剝落高鋁磚等。

表4 窯尾預熱器外表面溫度測定

表5 煤耗減少量分析

除了回轉窯，窯尾預熱器系統熱工設備均為靜止設備，這就為耐火材料設計成復合襯里提供了有利條件，一般均將襯里設計分為工作層和隔熱層。工作層擁有較高的耐壓強度、耐堿性，隔熱層擁有較低導熱系數，可以降低外表面溫度，降低散熱損失。

表4為某現場窯尾系統表面溫度測定結果，從中可以看出，煙室、分解爐、C4下料管、C5下料管外表面溫度還是較高，旋風筒、風管溫度不是太高，但散熱面積大，散熱損失總量大。窯尾降低散熱的空間仍然很大。

3.2.2 降低窯尾預熱器散熱損失措施

（1）合理運用好隔熱材料（圖6）

從圖7中可以看出，隔熱磚的導熱系數相應較高，綠色區域為硅酸鈣板導熱系數范圍，導熱系數低，但最高溫度只能耐到1050℃。黃色區域為陶瓷纖維制品導熱系數范圍，導熱系數低，能耐1200℃高溫，但由于其主要成分為Al2O3纖維，環保性能相對差。藍線為空氣導熱系數，黃線為一種新型微孔材料，導熱系數比空氣還低，其導熱系數≤0.042W/m·K（熱面800℃），但目前只能耐800℃高溫，而且價格貴，還難以推廣。

（2）優化設計耐火材料厚度和合理選用工作層材料

為降低筒體溫度，需增加隔熱層的厚度，厚度增加相應增加工作層熱面溫度和隔熱層熱面溫度，但隔熱層材料工況溫度有一定的限制，為避免隔熱層過熱損壞，需進行筒體散熱計算。按照計算結果，適當增加隔熱層厚度或在工況允許的條件下，選用導熱系數更低的硅酸鈣板或其他品種隔熱材料。

例如：從表4中我們可以看出，下料管溫度還是普遍較高，那是因為只鋪設了工作層，沒有隔熱層，合理增加一定厚度隔熱層，可以使下料管表面溫度大幅度降低。

再以煙室為例：通過合理設計耐火襯里的厚度，不僅可以避免煙室部位硅酸鈣板容易燒壞的問題，還可以使其表面溫度降低約10℃（圖8）。

4 技術社會經濟效益分析

通過優化耐火材料配置，可以使水泥預分解窯系統的表面散熱損失減少約25.08～33.44kJ/kg熟料,其經濟社會效益見表5，每年可為水泥廠節約大量生產成本。同時，筒體溫度降低，改善了工人的工作環境，而且降低了CO2排放量,可為我國的低碳經濟作出貢獻。

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呂 光