耐火材料節(jié)能技術(shù)在水泥行業(yè)新應(yīng)用

李 艷 朱愛華 毛恩亮 白雪松

(中國建筑材料科學(xué)研究總院 瑞泰科技股份有限公司，北京100024)

1 引言

能源問題是人類普遍關(guān)注的問題。水泥工業(yè)每年消耗燃料平均約為全世界消耗總量的1.6%，水泥成本中能源費(fèi)可達(dá)30%以上。水泥企業(yè)已經(jīng)把節(jié)能問題作為關(guān)注的焦點(diǎn)。工信部節(jié)582號文關(guān)于《工業(yè)和信息化部關(guān)于水泥工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見》中明確指出“到‘十二五’末，全國水泥生產(chǎn)平均可比熟料綜合能耗小于114千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，水泥綜合能耗小于93千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。耐火材料作為水泥行業(yè)節(jié)能的原動力，如何推進(jìn)耐火材料節(jié)能技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用成為廣大耐材企業(yè)的新課題。

2 水泥行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀

對于新型干法水泥生產(chǎn)線而言，其能源消耗量受生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備選型、工藝狀況、原料差異、管理水平等因素的影響，能源消耗也有不同，目前國內(nèi)和國外先進(jìn)水平差距較大，具體對比情況如表1[1]。

表1 我國新型干法水泥技術(shù)能耗指標(biāo)與國際水平比較

3 耐火材料節(jié)能的措施

耐火材料節(jié)能主要有直接節(jié)能和間接節(jié)能，直接節(jié)能主要通過降低耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高耐火材料的保溫性能達(dá)到節(jié)能的效果，間接節(jié)能主要通過降低耐火襯體整體導(dǎo)熱系數(shù)和提高襯體使用壽命來達(dá)到節(jié)能的目的。水泥窯熱損失主要由三部分組成：窯系統(tǒng)表面散熱的熱損失；系統(tǒng)排出廢氣的熱損失；出冷卻機(jī)熟料的熱損失。由于立磨和低溫余熱發(fā)電技術(shù)的成熟，系統(tǒng)排出廢氣的熱損失已得到充分利用；由于第三代和第四代篦式冷卻機(jī)的出現(xiàn)，冷卻機(jī)的效率已得到顯著的提高。由此可見，降低窯系統(tǒng)表面散熱的熱損失就顯得尤為重要，也是耐火材料節(jié)能的切入點(diǎn)。

4 新型節(jié)能耐火材料

窯系統(tǒng)表面散熱的熱損失包括預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯和冷卻機(jī)。其中回轉(zhuǎn)窯的散熱損失占總散熱損失的50%以上，因此開發(fā)和研制用于回轉(zhuǎn)窯的新型節(jié)能磚對于水泥行業(yè)節(jié)能尤為重要。新型節(jié)能耐火材料主要以輕質(zhì)骨料以及輕質(zhì)造孔劑為原料制成輕質(zhì)耐磨磚，它通過降低材料的密度和提高材料的氣孔率來降低耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而達(dá)到保溫節(jié)能的目的。這種輕質(zhì)耐磨磚主要用于回轉(zhuǎn)窯的分解帶，其使用部位如圖1。

圖1 輕質(zhì)耐磨磚在回轉(zhuǎn)窯的使用部位

輕質(zhì)耐磨磚用于水泥回傳窯如窯最后面10-15m，對于4.8m×74m的5000噸級水泥窯一般用于56.2m-73.2m處，對于4.0m×60m的2500噸級水泥窯一般用于45.9m-59.1m的位置處，與其他磚種性能對比見表2。

表2 與其他分解帶用的耐火磚性能對比

從表2中可以看出，輕質(zhì)耐磨磚有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的體積密度。荷重軟化溫度和耐壓強(qiáng)度也有所降低，但不影響輕質(zhì)耐磨磚的使用，因?yàn)樵谶@一區(qū)間，物料的熱負(fù)荷較小，固體物料的沖刷和磨損也較輕，因此在耐火材料配置上，主要考慮適抗堿侵蝕能力即可。

通過輕質(zhì)耐磨磚在回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際應(yīng)用，起到了較好的保溫效果，在窯筒體外表風(fēng)速為2.5m/s；室外平均溫度為25℃的情況下，使用輕質(zhì)耐磨磚的筒體溫度為247℃，使用硅莫磚的筒體表面溫度為289℃，富陽南方水泥有限公司一條日產(chǎn)5000噸級熟料線通過使用輕質(zhì)耐磨磚筒體溫度降低近42度，每天節(jié)約熱量為9010904.7大卡，每年可節(jié)約標(biāo)煤390噸。具體的節(jié)能情況見表3數(shù)據(jù)。

5 新型襯體結(jié)構(gòu)

利用新型襯體結(jié)構(gòu)，通過對耐火材料安裝進(jìn)行改造，可以提高耐火材料的使用壽命，從而達(dá)到節(jié)能的效果。下面介紹篦冷機(jī)通過襯體改造后的節(jié)能情況。

5.1 篦冷機(jī)頂部

篦冷機(jī)頂部施工難度大，尤其一段頂部環(huán)境溫度可達(dá)1100℃，熱氣流對耐火材料沖刷嚴(yán)重，因此經(jīng)常出現(xiàn)剝落、燒塌現(xiàn)象，耐火材料使用壽命短。采用陶瓷錨固件整體澆注作的方法可以大幅度提高襯體的使用壽命，而且還可以降低耐火襯體的導(dǎo)熱系數(shù)。具體方法見圖2，工藝過程主要包括：焊接槽鋼-吊掛陶瓷錨固磚-貼鈣板-支模-澆注。這種襯體已經(jīng)在蕪湖鐵道水泥廠使用達(dá)3年之久，目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多個水泥廠，包括臺泥、重慶水泥有限公司、句容臺泥水泥有限公司等水泥廠使用效果良好，整體成型后，較好的解決了篦冷機(jī)頂沖刷剝落的問題，整體使用壽命可以達(dá)到3年之久。

由于陶瓷錨固件具有如下特點(diǎn)：1)使用溫度高，可以在1300℃長時(shí)間使用，非金屬材料具有很強(qiáng)的耐酸堿侵蝕性能，不會出現(xiàn)金屬錨固件在高溫下的氧化、開焊而引起耐火材料剝落的現(xiàn)象；2)與耐火材料有相近的導(dǎo)熱系數(shù)，減少由于不同材料間的體積變化差異產(chǎn)生的應(yīng)力3)由于陶瓷錨固件代替金屬錨固件減少了熱橋效應(yīng)，使整體導(dǎo)熱性能降低，因此節(jié)能效果也明顯增強(qiáng)。通過實(shí)際測量篦冷機(jī)各段溫度，平均降低10℃，節(jié)能情況見表4。

表3 輕質(zhì)耐磨磚節(jié)能熱工計(jì)算

表4 新型篦冷機(jī)頂部節(jié)能熱工計(jì)算

圖2 篦冷機(jī)頂墻施工圖

5.2 篦冷機(jī)矮墻

篦冷機(jī)矮墻要長期承受300-1450℃的高溫熟料顆粒的沖刷，同時(shí)跟冷熱空氣交替接觸，使矮墻損壞較快。目前采用矮墻整體預(yù)制的方法進(jìn)行制作，這種方法可以快速安裝、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀制作、免受水泥廠施工環(huán)境影響，而且制作過程給予充分的養(yǎng)護(hù)和烘烤可以達(dá)到最佳的耐火材料性能。可以大大提高砌墻的使用壽命。更重要的是矮墻砌塊采用了輕質(zhì)和重質(zhì)材料復(fù)合，因此降低了耐火襯體的導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到了良好的節(jié)能效果，砌筑好的矮墻如圖3，這是2011年7月份狄港海螺2#施工時(shí)拍的砌筑照片，到目前為止，使用良好。

圖3 施工后的篦冷機(jī)矮墻

6 結(jié) 語

通過改變耐火材料合成工藝以及改變耐火材料襯體結(jié)構(gòu)都能有效降低耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)，從而降低熱損耗，達(dá)到節(jié)能保溫的效果。通過回轉(zhuǎn)窯和篦冷機(jī)兩項(xiàng)改造，每公斤熟料燒成熱耗可以節(jié)約3.9大卡，實(shí)現(xiàn)每噸熟料節(jié)約標(biāo)煤0.56千克節(jié)能效果。當(dāng)然，這對于促進(jìn)水泥行業(yè)通過采取節(jié)能措施達(dá)到噸熟料消耗標(biāo)煤101公斤的目標(biāo)還有一定差距，但通過將耐火材料與應(yīng)用技術(shù)不斷結(jié)合，作為節(jié)能原動力的耐火材料一定會為水泥窯節(jié)能作出新貢獻(xiàn)。

[1]李燕京，田江濤等.水泥窯耐火材料優(yōu)化配置對水泥窯節(jié)能降耗的作用http://www.ccement.com/tech/detail/detail_1074.html