水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶用集成模塊化節(jié)能窯襯研究

翟鵬濤 劉宗虎 朱其川 石珍明 劉志強(qiáng) 翟耀杰

1）河南瑞泰耐火材料科技有限公司 河南鄭州451100

2）中國(guó)建材股份有限公司 北京100036

3）河南瑞泰節(jié)能新技術(shù)有限公司 河南鄭州452370

水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和綠色發(fā)展對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”具有良好的推動(dòng)作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新型干法水泥生產(chǎn)線每噸水泥熟料的生產(chǎn)過(guò)程中燃料和電力消耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.3 t，其中每噸水泥熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗均值大于3.31 MJ，能源、資源消耗量偏高［1-2］。在水泥回轉(zhuǎn)窯中，物料溫度達(dá)到1 450℃，物料流動(dòng)對(duì)窯襯的工作面具有沖刷作用，當(dāng)前普遍選用耐高溫、抗侵蝕性能良好的鎂質(zhì)磚進(jìn)行窯襯砌筑。然而，鎂質(zhì)磚熱導(dǎo)率大，導(dǎo)致窯爐熱量散失較快，燒成帶和過(guò)渡帶的窯筒體外表面溫度可達(dá)310～360℃［3-4］。降低窯襯的導(dǎo)熱量和筒體表面溫度是減少窯系統(tǒng)熱量散失的有效途徑。因此，窯襯材料不僅要耐高溫、耐物料的侵蝕和沖刷，還要節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽高效、安全穩(wěn)定等［5-7］。

為進(jìn)一步降低水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯的導(dǎo)熱量，通過(guò)材料的集成模塊化和輕量化，研發(fā)了水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶用節(jié)能窯襯，并探索了不同集成模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)能窯襯的保溫效果。

1 試驗(yàn)

1.1 節(jié)能窯襯的選材

水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶用節(jié)能窯襯由工作層、功能托板、保溫層和隔熱層組成，分別標(biāo)記為H1、H2、H3和H4，其選材分別為輕量化方鎂石-鎂鋁尖晶石材料、氮化硅結(jié)合碳化硅質(zhì)材料、鋁硅質(zhì)陶瓷保溫材料和納米微孔隔熱材料，各材質(zhì)的主要性能指標(biāo)如表1所示。由表1可知，輕量化方鎂石-鎂鋁尖晶石材料因引入了微孔多孔方鎂石-鎂鋁尖晶石骨料，與傳統(tǒng)的致密鎂鋁尖晶石磚相比，具有更低的體積密度和熱導(dǎo)率，更高的強(qiáng)度，能滿(mǎn)足高溫服役基礎(chǔ)上節(jié)能降耗的效果［8-9］。

表1 各材質(zhì)的主要性能指標(biāo)

1.2 節(jié)能窯襯的模塊化設(shè)計(jì)

以某5 000 t·d-1水泥回轉(zhuǎn)窯（φ4.8 m×72 m）為例設(shè)計(jì)節(jié)能窯襯的單元尺寸，確定集成模塊的長(zhǎng)度為497 mm，厚度為220 mm，寬度內(nèi)弧長(zhǎng)為450 mm，寬度外弧長(zhǎng)為500 mm。即每環(huán)設(shè)置30個(gè)單元模塊，并在厚度方向上從熱面到窯筒體按工作層—功能托板—保溫層—隔熱層的順序變換各層厚度，但總厚度保持220 mm不變。

使用模擬軟件FloEFD，對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶的使用工況做了簡(jiǎn)化，設(shè)置邊界條件如下：物料溫度恒定為1 450℃；單元體周?chē)俏鼰嵘崞胶獾母魺岜诿?；爐殼外部空氣溫度為25℃，對(duì)流換熱系數(shù)為25 W·m-2·℃-1。固定窯筒體鋼材的厚度為25 mm，不同組合方式的各層厚度見(jiàn)表2，依據(jù)表2分別建立模型，并設(shè)置內(nèi)表面熱源溫度為1 450℃，按熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)方式對(duì)各模型中的筒體表面溫度和各層間溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，依此選擇合適的集成模塊化結(jié)構(gòu)。

表2 節(jié)能窯襯不同組合方式的各層厚度

2 結(jié)果與討論

在不同組合方式下沿厚度方向距熱面不同距離的模擬溫度見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)，只進(jìn)行磚砌筑的C1組合方式下窯筒體模擬溫度為309℃，C3和C6組合方式下窯筒體模擬溫度在150～200℃，而在C2、C4和C5的組合方式下，窯筒體模擬溫度在60～90℃。對(duì)于增設(shè)保溫層和／或隔熱層的C2～C6組合，窯筒體模擬溫度均能夠控制在200℃以下。因此，保溫類(lèi)材料的引入可以有效降低窯筒體溫度及熱量散失。

圖1 在不同組合方式下距熱面不同距離的模擬溫度

由圖1和表2及表1還可以看出，C2和C3組合采用了兩層結(jié)構(gòu)。C2組合是采用工作層H1和隔熱層H4，在距熱面190 mm處，H1／H4的界面溫度為1 193℃，高于隔熱材料的最高使用溫度1 000℃。C3組合是采用工作層H1和保溫層H3，在距熱面190 mm處，H1／H3的界面溫度為1 079℃，低于鋁硅質(zhì)保溫材料的最高使用溫度1 360℃，符合溫度的使用要求。但是，鋁硅質(zhì)材料的常溫耐壓強(qiáng)度最低僅為0.5 MPa，難以承受水泥回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過(guò)程中由窯襯軸向滑移和環(huán)向擠壓所產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，C2和C3組合均超出了隔熱層和保溫層所選材料的許用性能范圍。C4、C5和C6組合中采用了4層結(jié)構(gòu)，即工作層、功能托板、保溫層和隔熱層，在C4組合下距熱面距離為195 mm處，在C5組合下距熱面距離為205 mm處，即C4和C5組合下保溫層H3和隔熱層H4的界面溫度分別達(dá)到1 243和1 113℃，均高于隔熱層選用的納米隔熱材料的最高使用溫度1 000℃，可能造成材料的失效損毀。在C6組合下，在距熱面140、190、215 mm處，分別對(duì)應(yīng)于工作層H1與功能托板H2、功能托板H2與保溫層H3、保溫層H3與隔熱層H4的界面溫度，為1 237、1 216、732℃，說(shuō)明在C6組合中各層材質(zhì)均在許用溫度范圍內(nèi)。為避免強(qiáng)度較低的鋁硅質(zhì)保溫材料和納米隔熱材料因受壓變形而影響其保溫性能，為此設(shè)置了支撐結(jié)構(gòu)，其材料選用了功能托板的材質(zhì)，即氮化硅結(jié)合碳化硅質(zhì)材料，其示意圖見(jiàn)圖2。因此，改進(jìn)后的C6組合是較為科學(xué)的組合方案。

圖2 含支撐結(jié)構(gòu)的C6組合下節(jié)能窯襯的示意圖

3 水泥回轉(zhuǎn)窯節(jié)能窯襯的應(yīng)用

將改進(jìn)后C6組合的模塊化節(jié)能窯襯在φ4.8 m×72 m的5 000 t·d-1新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行應(yīng)用，并與燒成帶、上下過(guò)渡帶采用傳統(tǒng)的致密鎂質(zhì)磚（鎂鐵尖晶石磚和鎂鋁尖晶石磚）砌筑的窯襯進(jìn)行比較，模塊化節(jié)能窯襯正常運(yùn)行5個(gè)月時(shí)水泥回轉(zhuǎn)窯的筒體表面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表3?？梢钥闯?，使用傳統(tǒng)致密鎂質(zhì)磚砌筑的窯筒體燒成帶和過(guò)渡帶平均溫度在300℃以上，而使用節(jié)能窯襯后筒體溫度明顯降低，平均溫度在200℃左右。因此，節(jié)能窯襯有效降低了筒體的表面溫度，減少了窯爐的熱量散失，進(jìn)而能夠降低噸水泥熟料的煤、電能源消耗，減少大氣污染物的排放量。

表3 回轉(zhuǎn)窯節(jié)能窯襯應(yīng)用前后筒體表面溫度比較

在φ4.8 m×72 m干法水泥回轉(zhuǎn)窯上按照VDZ磚型進(jìn)行配置，砌筑傳統(tǒng)的致密鎂鋁尖晶石磚，回轉(zhuǎn)窯每米需要砌1 005塊磚。而采用節(jié)能窯襯后，每米僅需要完成60個(gè)模塊的安裝。在提高施工效率的同時(shí)，也使得窯襯的總體質(zhì)量由傳統(tǒng)耐火磚砌筑時(shí)的650 t減少為節(jié)能窯襯配置時(shí)的528 t，整體窯襯質(zhì)量減輕了122 t，減輕18.7%，能夠減小窯筒體輪帶區(qū)所承擔(dān)的荷載，對(duì)防止筒體變形也起到了積極作用。

4 結(jié)論

（1）在6組集成模塊化結(jié)構(gòu)的模擬試驗(yàn)中，C6組合方式下的各層材質(zhì)均能夠滿(mǎn)足其許用溫度，同時(shí)設(shè)置的支撐結(jié)構(gòu)保護(hù)了鋁硅質(zhì)保溫材料和納米隔熱材料，是較為合理的集成模塊化結(jié)構(gòu)。

（2）在φ4.8 m×72 m干法水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用中，與傳統(tǒng)磚砌筑的窯襯相比，節(jié)能窯襯能夠減輕窯襯質(zhì)量，有效降低窯筒體表面溫度，進(jìn)而減少熱量散失及能源消耗，為水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯的節(jié)能配置提供了新方案。