保持窯筒體冷卻

保持窯筒體冷卻

水泥熟料在窯內煅燒的過程中，火焰、煙氣和熟料、窯料的熱量經窯皮和耐火磚傳達至金屬筒體。隨著金屬筒體的溫度增高，鋼板的許用應力逐步下降（見表1）。當筒體溫度增至460℃時，鋼板的許用應力僅為316℃時的一半。為避免筒體因溫度過高而損壞，預分解窯系統均設置紅外線測溫裝置，并配置空氣冷卻。熟料煅燒過程中，為使窯安全運轉，筒體溫度通常控制在370℃以下。

表1 普通鋼板的許用應力

近年來，工業化國家逐漸增加代用燃料和低品位原料的應用，窯內工況波動較大，窯皮長度變化頻繁，且經常出現紅窯事故。雖然使用了空氣冷卻，但氣冷對溫度調節較慢，很難解決紅窯事故，且消耗電能較高。一種新的用水冷卻窯筒體熱點的裝置（Kiln Cooler Hot Spot Unit，本文稱KCHSU）兩年前在德國投入使用，取得較好效果。簡介如下：

1 系統裝置

KCHSU裝置由一套四噴頭的噴霧珠裝置和紅外線測溫裝置組成。通過紅外線測溫裝置測得筒體局部高溫，傳至噴頭將水霧化并噴至紅熱的高溫筒體部位，迅速將該部位的高溫冷卻至合適溫度，從而保持正常生產（圖1）。

圖1 水冷卻窯筒體熱點噴霧裝置

2 窯筒體噴水霧冷卻

窯內熟料在煅燒過程中，窯料加熱成熟料。由于生料的成分率值和細度不一，窯料加熱的溫度和時間不一，窯內出現的窯料熔融溫度也不一致，再加上耐火磚的材質、磚厚以及結皮的厚度及其導熱系數不一致，造成筒體溫度也不一致。為使筒體溫度保持在合適的溫度內，通常需空氣冷卻。

在長時間的生產運行中，發現窯的筒體溫度變化難以控制，尤其是窯徑增大和代用燃料量增多，耐火磚出現的問題越來越嚴重。其原因是，窯徑增大，筒體的橢圓度增加，相應增加了耐火磚所承受的機械應力。此外，窯內耐火磚砌筑時，耐火磚的材質性能和砌筑質量也影響著耐火磚的使用壽命。代用燃料量增多，由于燃料的成分、水分及細度等因素變化，易造成窯內煅燒溫度和窯皮的長度及厚度變化頻繁，從而造成筒體溫度變化。上述工況易使輪帶附近筒體和過渡帶、燒成帶內的耐火磚產生局部損壞。

當窯內耐火磚出現局部損壞時，該部位的窯筒體溫度急速增加，當溫度＞600℃時，筒體產生高溫紅熱點，風冷很難降低其溫度，其結果是出現非計劃的緊急停窯。更換該部位的耐火磚需要6d或更多的時間，此過程減少了熟料產量，增加了單位熟料的熱耗及維修費用。

國外一臺4 000t/d級窯緊急停窯的損失費用估算見表2。

為避免因紅窯而緊急停窯所產生的損失和維修費用，窯筒體需要快速冷卻。當紅外線測溫儀發現筒體溫度局部上升時，為避免該部位筒體過熱停窯，通過向高溫部位筒體噴霧，快速將其降到合適的溫度，同時進行操作控制，補掛窯皮并增加該部位窯皮厚度，避免筒體和耐火磚進一步損壞，從而保持正常生產。

和空氣冷卻相比，使用水冷卻的優點是冷卻速度快且電耗低。圖2為水霧噴射部位，圖3和圖4為窯筒體水冷和風冷電耗對比值。

圖3和圖4表明，在一臺直徑5m、長度60m的窯筒體上，當風量為150 000m3/h，動力消耗約2MW時，可以冷卻筒體40K。而同樣的2MW動力消耗，需3.2m3/h的水量。

3 噴水存在的問題及解決途徑

當筒體進行水霧冷卻時，存在的問題是，若噴向金屬筒體水量過多，則筒體溫度下降過快，增加筒體自身的機械應力，易使筒體產生局部應力而損壞；若水量不足，則筒體溫度下降過慢，筒體溫度過高，也易使筒體變形損壞。窯筒體冷卻至設定的溫度，需快速穩定的冷卻，冷卻水系統需要如下技術支持。

表24 000t/d生產線非計劃緊急停窯損失

圖2 窯筒體噴水霧位置

圖3 窯筒體風冷卻時風量和動力消耗

（1）設置精確可靠的溫度監視裝置，對易紅窯的筒體部位進行連續溫度監測。

（2）噴水裝置所噴出的水霧必須到達窯筒體表面，且能完全揮發。

（3）控制系統應做到測試溫度與噴水量能自動調節，確保窯筒體溫度達到所需控制的溫度。

圖4 窯筒體水冷卻時水量和動力消耗

圖5 窯筒體隨溫度的變化

（4）生產系統可連續自動檢測，確保窯的安全操作，避免窯筒體損壞。

KCHSU裝置的紅外線測試溫度范圍為120~1 000℃。當測得的溫度過高時，通過調節水量來控制筒體表面溫度。在噴口部位，噴吹壓縮空氣，防止粉塵堵塞噴口，影響水霧形狀。系統的4個噴射裝置可以調節移動至合適的位置，做到在最短的時間內通過噴霧對筒體溫度進行調控。

KCHSU裝置安裝的固定架長度為10m，裝置上設置4個可以移動的噴嘴，每個噴嘴的移動距離為2.6m，確保易紅窯部位10m長的筒體得以冷卻。

回轉窯在運行過程中，影響窯筒體溫度的各種因素是變化的，往往是大面積筒體溫度正常，而局部筒體產生高溫，連續冷卻則效率低。風冷受風機開停的影響，必須連續對筒體進行冷卻，耗電量高。而水可隨時開停，且噴水量易于調控，再加上4個移動噴嘴可分別開啟，對窯筒體進行局部冷卻十分方便，且能較快地將高溫部位的筒體降至低溫，使之和周邊筒體溫度一致。

局部冷卻能減少筒體溫度過高產生的機械應力，但冷卻過程中冷卻速率過快也會對筒體產生機械應力。現場的實踐和計算顯示，當筒體溫度＜600℃時，冷卻溫度控制在每分鐘2℃以內降低1℃，對金屬筒體的微細結構不會產生負面影響（圖5）。

水冷系統的另一優點是能耗低，最大功率需約50W。噴水量低，操作費用也低，能使筒體溫度長期保持在控制溫度內，有利于延長耐火磚的使用壽命。

使用KCHSU裝置兩年的經驗顯示，窯的運行時間可延長數周或數月。其原因是窯在運行時，通過噴水霧降低筒體溫度，使溫度達到設定的控制值。同時進行修補和穩定窯皮，從而延長了運行時間，有利于計劃停窯的耐火磚備料及其有關的準備工作。

4 水中含有石灰對噴霧的影響

噴水冷卻的水中含有石灰，是否會產生問題，文中作了如下回答。

（1）石灰在生銹的筒體上產生白色長條是否影響熱傳遞：經驗顯示，筒體上石灰層的厚度從未達到臨界的厚度，其原因是，窯在運行時筒體表面處于十分干燥的工況，在石灰層達到臨界厚度前已碎裂。

（2）白色條狀石灰層是否影響紅外線掃描的讀數：石灰石的發射率為0.95，較鐵銹的筒體發射率0.69高得多，對窯的紅外掃描不會產生影響。

（3）石灰是否在噴嘴或系統管道閥門產生結塊：水中含石灰是會產生結塊，系統可通過連續檢測和監測水壓或流量以避免結塊，在運行的幾個月中，至今未發現結塊。此外，當出現堵塞和結塊事故前兆時，系統將發出信息，指出故障，維修人員在幾分鐘內即可完成對閥和噴嘴的清洗，避免結塊。

陳友德編譯自

No.9/2016 International Cement Review