孫鐵成
多年以來(lái),回轉(zhuǎn)窯被用于各行各業(yè),用來(lái)完成物料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在水泥業(yè)、石灰業(yè)、甚至選礦業(yè)等領(lǐng)域,回轉(zhuǎn)窯發(fā)揮著無(wú)可替代的重要作用。在上述各個(gè)領(lǐng)域內(nèi),物料的熱加工工藝各不相同,因此回轉(zhuǎn)窯的使用性能亦各具特色。當(dāng)然,在其他行業(yè),也有成百上千的回轉(zhuǎn)窯在為各種工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。
在諸多領(lǐng)域內(nèi),對(duì)大量物料的熱加工首選回轉(zhuǎn)窯。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明,采用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行熱加工的物料,質(zhì)量均勻,性能穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境污染程度較小,能源消耗低。在建材、碳素、選礦等行業(yè),逐漸取代了立式窯爐、倒焰窯、隧道窯等工業(yè)窯爐。
說(shuō)起回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)及技術(shù)改造,首先要考慮的是回轉(zhuǎn)窯的基本原理和基本性能。當(dāng)然,各種技改、設(shè)計(jì)、研究等離不開實(shí)踐的指導(dǎo),所以在回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造、設(shè)計(jì)研究中,必須考慮很多在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)和各種詳細(xì)的數(shù)據(jù)。圖1 是用于水泥熟料生產(chǎn)的濕法回轉(zhuǎn)窯。
圖1 濕法水泥熟料窯示意圖
對(duì)于每一臺(tái)回轉(zhuǎn)窯的燒結(jié)物料,都有非常特殊的工藝要求及數(shù)據(jù)指標(biāo),因此對(duì)于任何一臺(tái)回轉(zhuǎn)窯,在改造或設(shè)計(jì)之前,我們都要做全面的調(diào)研,大量廣泛地收集數(shù)據(jù),然后認(rèn)真分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),并把這些數(shù)據(jù)提煉成改造、設(shè)計(jì)研究回轉(zhuǎn)窯的重要依據(jù)。在改造和設(shè)計(jì)之前,還要讓所有的設(shè)備運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)人員了解新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及先進(jìn)性,掌握新的操作及維護(hù)技術(shù)。
對(duì)某一臺(tái)回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造或研究設(shè)計(jì)的第一步是要確定一個(gè)總體目標(biāo),明確我們要完成什么,包括通過(guò)對(duì)物料的熱加工要完成得化學(xué)反應(yīng),各物料之間要實(shí)現(xiàn)什么樣的物質(zhì)交換和能量交換。確定最終目標(biāo)不僅可以明確回轉(zhuǎn)窯內(nèi)要發(fā)生什么燃燒反應(yīng)及物質(zhì)能量交換,而且可以基本明確回轉(zhuǎn)窯的尺寸、結(jié)構(gòu)及各種使用性能要求。
在回轉(zhuǎn)窯開展技術(shù)改造或研究設(shè)計(jì)之前,首先要對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)的物料展開全面的熱分析及化學(xué)分析,通過(guò)分析全面掌握各種物料及燃料在回轉(zhuǎn)窯中將要發(fā)生怎樣的變化,是否會(huì)出現(xiàn)液相,是否會(huì)氣化,是否會(huì)發(fā)生爆裂,水分如何等;還包括物料的堆積密度,熱特性,導(dǎo)熱性,化學(xué)性質(zhì)等等。所有這些指標(biāo)都會(huì)影響物料在回轉(zhuǎn)窯中的表現(xiàn)。
接下來(lái),我們?cè)敿?xì)分析所有這些因素如何影響回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)改造及研究設(shè)計(jì)的方案制定。
眾所周知,在回轉(zhuǎn)式干燥器中,主要目的是要去除物料的水分。而在回轉(zhuǎn)窯中,去除水分是第二位的,及烘干物料不是最終目標(biāo)。盡管如此,我們?cè)诨剞D(zhuǎn)窯技術(shù)改造或研究設(shè)計(jì)中,也要重視物料的烘干。
許多案例表明,物料在開始化學(xué)反應(yīng)之前完全去除物料所含水分是最為理想的。當(dāng)條件允許時(shí),很多單位采用了要外烘干設(shè)備,使物料在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前完全去除或部分去除物料所含水分。當(dāng)然,不采用窯外分解技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯也很普遍,通過(guò)延長(zhǎng)物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間,提高回轉(zhuǎn)窯對(duì)物料的烘干能力;由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度比較高,所以回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不能像回轉(zhuǎn)式干燥器那樣加裝揚(yáng)料設(shè)施,則物料和高溫?zé)釟饬鞯臒峤粨Q效率就會(huì)略有降低。
總而言之,不同的回轉(zhuǎn)窯有不同的物料受熱方式,從而適應(yīng)物料的熱加工需求。
物料的熱性能是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)之前必須考慮的另一個(gè)重要因素。物料的熱性能主要是指物料的傳熱性能計(jì)熱容量,從某種程度上可以體現(xiàn)物料每升高1℃所需的熱能及所需加熱時(shí)間。例如水具有很高的熱性能,這就意味著水在受熱溫度升高甚至蒸發(fā)過(guò)程中需要較多的熱能和較長(zhǎng)的加熱時(shí)間;相反,如果物料的熱性能較低,則該物料在受熱溫度升高的過(guò)程中所需的熱能較少,所需加熱時(shí)間較短。
和物料的熱性能相似,物料的傳熱性能也是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)之前必須考慮的因素。物料如何傳遞熱量將直接影響到物料在回轉(zhuǎn)窯中的表現(xiàn)。這主要表現(xiàn)為物料是否容易受熱,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)料床物料分布是否均勻,物料吸收及傳遞熱量所需時(shí)間以及物料是否在受熱后形成表面隔熱層組織物料的熱交換等。
回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)之前必須分析回轉(zhuǎn)窯需要燒結(jié)的物料熱重性能。物料的熱重分析主要研究物料隨溫度的變化而產(chǎn)生的變化,是描述物料在相應(yīng)溫度下其質(zhì)量發(fā)生減少的現(xiàn)象,這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)用來(lái)確定回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部各區(qū)域所需溫度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。例如游離水的蒸發(fā)是在112℃,而物料失去結(jié)晶水是在400℃左右等。
物料的熱重分析還以幫助我們分析各種化學(xué)反應(yīng)的開始溫度和結(jié)束溫度。一般來(lái)講,物料的熱重分析曲線顯示物料的化學(xué)反應(yīng)開始于某一特定的溫度,但是往往要在某以更高的溫度點(diǎn)才能結(jié)束反應(yīng)。
總之,我們可以通過(guò)物料的熱重分析來(lái)確定物料開始化學(xué)反應(yīng)的溫度和結(jié)束化學(xué)反應(yīng)的溫度以及完成化學(xué)反應(yīng)所需要的保溫時(shí)間,而且這些數(shù)據(jù)是回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)時(shí)用來(lái)確定回轉(zhuǎn)窯各種指標(biāo)的基本數(shù)據(jù)。
回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)之前,搞清楚物料的化學(xué)組成是非常重要的,主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面的原因:
(1)許多物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的化合反應(yīng)可能會(huì)釋放熱量,所以回轉(zhuǎn)窯在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如何釋放或者吸收這些熱量,而在其他的回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用領(lǐng)域,相反的情況也會(huì)發(fā)生。
(2)物料的化學(xué)反應(yīng)需要特定的氧化或者還原氣氛,所以回轉(zhuǎn)窯必須能夠構(gòu)建這些氧化或者還原氣氛以實(shí)現(xiàn)這些物料的化學(xué)反應(yīng)。
(3)通過(guò)化學(xué)分析確定回轉(zhuǎn)窯排放廢氣的化學(xué)組成。物料及燃料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生并完成復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)時(shí),同時(shí)也產(chǎn)生了許多不同化學(xué)性質(zhì)的氣體,而廢氣在排放大氣之前需要做無(wú)害化處理,以確保環(huán)境不受影響。
回轉(zhuǎn)窯的尺寸主要是指回轉(zhuǎn)窯的直徑和長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的各種分析,依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求,來(lái)確定回轉(zhuǎn)窯的尺寸?;剞D(zhuǎn)窯不僅要有足夠的容積,而且要有燃燒系統(tǒng)來(lái)確保物料熱加工以及保持物料反應(yīng)環(huán)境溫度所必需的熱量。通過(guò)物料熱化學(xué)分析我們大致能確定物料反應(yīng)時(shí)間,這樣就可以大致確定回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)度。
回轉(zhuǎn)窯的直徑和長(zhǎng)度的確定最終基于企業(yè)對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的需求量、物料化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時(shí)間以及生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯橫斷面的物料填充比。
當(dāng)這些數(shù)據(jù)確定后,我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
一旦我們確定了回轉(zhuǎn)窯的尺寸,我們就開始研究回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯設(shè)計(jì)。對(duì)于直接加熱的回轉(zhuǎn)窯來(lái)說(shuō),其內(nèi)部都有燃燒的火焰,因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須設(shè)有耐火材料建造的內(nèi)襯,用來(lái)保護(hù)用碳鋼制成的回轉(zhuǎn)窯筒體。
選用何種耐火材料來(lái)建造回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯要因地制宜,依據(jù)不同的需求,選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。有兩種耐火材料建造的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯最具有代表性,即澆注料內(nèi)襯和耐火磚內(nèi)襯。這兩種內(nèi)襯各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足,如何選用主要依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各區(qū)域的溫度、物料的化學(xué)組成以及物料的磨損性能。
澆注料屬于不定型耐火材料,在施工前加水或其他業(yè)態(tài)結(jié)合劑調(diào)制攪拌而成。澆注料在施工前必須安裝錨固件,用來(lái)將澆注料內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體錨固在一起。澆注料內(nèi)襯的特點(diǎn)是可以采用機(jī)械化施工,人工成本相對(duì)較低;其缺點(diǎn)是質(zhì)量不太穩(wěn)定,施工工期較長(zhǎng),特別是在澆注料內(nèi)襯拆除過(guò)程中,施工效率低,作業(yè)條件惡劣。
澆注料內(nèi)襯的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)內(nèi)襯局部損壞時(shí),修理方便。只需要將損壞部位周圍做少量的拆除清理,安裝合適數(shù)量的錨固件,按照澆注料施工工藝完成修補(bǔ)。工作量小,工期短,大幅度縮短停窯時(shí)間。澆注料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。
圖2 回轉(zhuǎn)窯澆注料內(nèi)襯示意圖
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯采用的耐火磚大多數(shù)屬于硅酸鋁系耐火材料,其質(zhì)量和耐火度取決于其中的氧化鋁含量。
以黏土磚為例,其坯料采用壓力機(jī)壓制成型,在倒焰窯或者隧道窯內(nèi)經(jīng)過(guò)合適的燒制,其性能優(yōu)于澆注料。耐火磚的成本比澆注料略高一些,但耐火磚內(nèi)襯不需要錨固件,質(zhì)量比較穩(wěn)定,比較容易實(shí)現(xiàn)施工中的質(zhì)量控制。耐火磚內(nèi)襯的耐磨損性能優(yōu)于澆注料內(nèi)襯。
耐火磚內(nèi)襯的缺點(diǎn)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):
(1)耐火磚內(nèi)襯砌筑時(shí)完全采用手工作業(yè),人工成本很高。
(2)耐火磚內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體沒有連接,耐火磚內(nèi)襯的整體強(qiáng)度主要來(lái)自于磚與磚之間的擠壓產(chǎn)生的拱圈作用,這就在耐火磚內(nèi)部產(chǎn)生了很強(qiáng)的擠壓應(yīng)力,容易造成耐火磚內(nèi)襯的剝落損壞。
(3)耐火磚內(nèi)襯出現(xiàn)局部損壞后,修理起來(lái)比較困難,往往必須將整段內(nèi)襯完全拆除后重新砌筑,工作量大,工期長(zhǎng),造成比較高的檢修成本。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料選定以后,接下來(lái)要進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯窯體的散熱損失的評(píng)估。
當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工作溫度較高,物料對(duì)內(nèi)襯沖刷磨損嚴(yán)重,那么在內(nèi)襯設(shè)計(jì)是就要考慮雙層內(nèi)襯,兩層內(nèi)襯分別稱為工作層和絕熱保溫層。
工作層選用重質(zhì)耐火材料,滿足抵御高溫火焰和物料沖刷磨損;絕熱保溫層選用輕質(zhì)耐火材料,用來(lái)提高內(nèi)襯的保溫性能,減少回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯有了絕熱保溫層,可有效降低回轉(zhuǎn)窯的散熱損失同時(shí)亦有利于保護(hù)回轉(zhuǎn)窯筒體及其他筒體組件。
一般來(lái)講,帶有絕熱保溫層的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯往往用于操作溫度較高的回轉(zhuǎn)窯。絕熱保溫層內(nèi)襯和工作層內(nèi)襯耐火材料有著類似的化學(xué)組成,最大的區(qū)別在于各自的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。絕熱保溫層內(nèi)襯耐火材料密度較低,強(qiáng)度較小,但其熱阻比較大,可有效降低回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑完成后,在還要在運(yùn)行過(guò)程中要對(duì)內(nèi)襯進(jìn)行必要的維護(hù),從而盡量延長(zhǎng)其使用壽命?;剞D(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命可達(dá)1 年甚至幾年,但有以下幾個(gè)因素的影響會(huì)縮短回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯開窯時(shí)其筒體和內(nèi)襯受熱產(chǎn)生膨脹,當(dāng)回轉(zhuǎn)窯停窯時(shí)筒體和內(nèi)襯冷卻產(chǎn)生收縮。就在膨脹—收縮的循環(huán)過(guò)程中,內(nèi)襯就會(huì)產(chǎn)生很多裂紋,裂紋的增多及擴(kuò)展會(huì)引起內(nèi)襯的局部損壞,因此,盡量減少回轉(zhuǎn)窯的開停次數(shù)對(duì)保護(hù)內(nèi)襯至關(guān)重要。
硅酸鋁系耐火材料對(duì)酸性氣體的侵蝕不具抵抗性,因此如果在生產(chǎn)中,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)產(chǎn)生了酸性氣體,則內(nèi)襯就會(huì)迅速腐蝕造成損壞。這種現(xiàn)象在物料或燃料化學(xué)成分發(fā)生較大變化時(shí)最容易發(fā)生,因此,回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過(guò)程中物料及燃料的化學(xué)成分盡量保持穩(wěn)定,減少因化學(xué)氣體侵蝕造成的內(nèi)襯損壞。
作為保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯使用壽命的補(bǔ)充手段,回轉(zhuǎn)窯窯體表面溫度的定期測(cè)量比較重要。當(dāng)發(fā)現(xiàn)高溫點(diǎn)出現(xiàn)時(shí),及時(shí)采取補(bǔ)救措施,以免造成更大的損壞。
回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)如圖3 所示。
圖3 回轉(zhuǎn)窯的承托系統(tǒng)示意圖
回轉(zhuǎn)窯的筒體外部安裝2 個(gè)~6 個(gè)輪帶?;剞D(zhuǎn)窯窯體越長(zhǎng),輪帶數(shù)量就越多。每個(gè)輪帶都配有托輪、托輪座等承托組件。
擋輪是控制回轉(zhuǎn)窯上行和下行躥動(dòng)的部件,通過(guò)擋輪的推動(dòng),可使得托輪和輪帶磨合均勻,避免出現(xiàn)因局部嚴(yán)重磨損造成的損壞。
圖4所示為回轉(zhuǎn)窯的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
圖4 回轉(zhuǎn)窯的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
如圖所示回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動(dòng)由小齒輪驅(qū)動(dòng)。電機(jī)、減速機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒圈最終帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)。
回轉(zhuǎn)窯在轉(zhuǎn)動(dòng)中,料床中心部位的物料受熱狀況較差。如果能在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的內(nèi)表面增加“擾亂”裝置,促使料床紊亂,就會(huì)實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)物料受熱均勻。
為了使物料“紊亂”,使物料溫度均化,需要在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的內(nèi)表面設(shè)置一些凸起的“臺(tái)”或“嶺”,當(dāng)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),這些“臺(tái)”或“嶺”攪動(dòng)、翻動(dòng)物料,不留任何“死區(qū)”,從而使物料均勻受熱。
強(qiáng)制換熱型內(nèi)襯開起來(lái)非常簡(jiǎn)單,沒有什么高深的技術(shù)含量,但卻非常實(shí)用,對(duì)于提高物料燒結(jié)質(zhì)量,提高回轉(zhuǎn)窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)能,降低燃料消耗等起到了非常重要的作用。
為了保證物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)足夠的停留時(shí)間來(lái)完成物料物料化學(xué)反應(yīng),就要使物料的在窯內(nèi)的行進(jìn)速度受到抑制。比較有效的方法是降低回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速,但轉(zhuǎn)速降低就會(huì)影響物料的受熱及化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行,所以多數(shù)回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)時(shí)考慮在窯內(nèi)設(shè)置擋料圈。
如圖5 所示,擋料圈的工作原理和建在河流上的水壩相似,把物料聚集在擋料圈的后面,當(dāng)停留時(shí)間足夠以后,物料依然要越過(guò)擋料圈流向窯口。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)度不同,設(shè)置2 個(gè)甚至2 個(gè)以上的擋料圈是必須的。
圖5 擋料圈擋料原理示意圖
要保證回轉(zhuǎn)窯的溫度穩(wěn)定,從而保證回轉(zhuǎn)窯的臺(tái)時(shí)產(chǎn)能及物料燒結(jié)質(zhì)量,如果回轉(zhuǎn)窯的密封系統(tǒng)選擇不當(dāng),回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行時(shí)就會(huì)遇到很多困難。
大多數(shù)回轉(zhuǎn)窯采用負(fù)壓操作,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣體不易逸出,但外界空氣卻容易漏進(jìn)窯內(nèi)。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度遠(yuǎn)高于窯外氣溫,所以空氣的漏入會(huì)引起窯內(nèi)局部溫度大幅度降低,不僅造成能源浪費(fèi),而且降低了回轉(zhuǎn)窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)能,降低物料燒結(jié)質(zhì)量。
所以回轉(zhuǎn)窯的密封系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠,既要不影響回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動(dòng),又能有效防止空氣漏入窯內(nèi)。
回轉(zhuǎn)窯的密封方式多種多樣。成本合適,密封效果較為理想的密封方式為魚鱗片是密封。
如圖所示,魚鱗片式密封中的魚鱗片采用薄鋼板制作,安裝時(shí)片魚片之間重疊壓緊,從而阻止空氣漏入窯內(nèi)。隨著該技術(shù)的不斷進(jìn)步,魚鱗片式密封已經(jīng)發(fā)展成雙層魚鱗片式密封、復(fù)合式多層魚鱗片式密封等多項(xiàng)技術(shù),密封效果得到大幅度提高。
回轉(zhuǎn)窯經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,在各行各業(yè)應(yīng)用的回轉(zhuǎn)窯都經(jīng)過(guò)了不斷地改進(jìn)。改進(jìn)的目的都是最大程度地滿足企業(yè)對(duì)物料燒結(jié)的需求。一方面要提高物料燒結(jié)質(zhì)量,另一方面是盡量減少燃料的浪費(fèi),本文強(qiáng)調(diào)了回轉(zhuǎn)窯在技術(shù)改造或者研究設(shè)計(jì)之前必須考慮的各方面因素,從物料燃料分析入手,積極采用紊亂料床、魚鱗片密封等新技術(shù),在同類型回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的借鑒價(jià)值和推廣意義。