低導(dǎo)熱耐火磚及納米隔熱材料在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙海山

水泥燒成系統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯耐火磚和預(yù)分解系統(tǒng)保溫隔熱材料對回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率有很大影響，使用低導(dǎo)熱的耐火磚可有效降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱，使用納米隔熱材料可有效降低回轉(zhuǎn)窯的荷載，本文結(jié)合三條不同規(guī)模的回轉(zhuǎn)窯，對比了使用低導(dǎo)熱耐火磚的窯耐火磚配置方案，進(jìn)行了理化性能指標(biāo)分析，介紹了納米隔熱保溫材料在預(yù)分解系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 回轉(zhuǎn)窯耐火磚的選擇與對比

表1為某項(xiàng)目水泥熟料燒成系統(tǒng)熱量支出情況。以該項(xiàng)目為例，燒成系統(tǒng)表面散熱損失占總熱量支出的10%，而回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱損失占燒成系統(tǒng)表面散熱損失的50%。由此可見，降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱損失是降低燒成系統(tǒng)表面散熱損失的關(guān)鍵，而進(jìn)行窯耐火磚的合理配置是降低回轉(zhuǎn)窯筒體表面散熱損失的關(guān)鍵。為減少燒成系統(tǒng)表面散熱損失，我公司對多條生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯耐火磚進(jìn)行了配置改進(jìn)，取得了一定的效果，下面選取三個(gè)項(xiàng)目的回轉(zhuǎn)窯耐火磚配置方案進(jìn)行對比分析。

表1 水泥熟料燒成系統(tǒng)熱量支出情況

1.1 ?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）改進(jìn)前后窯耐火磚配置方案對比

此窯最初的耐火磚配置在國內(nèi)水泥行業(yè)較為常見，其采用了在窯分解帶和上過渡帶上使用硅莫磚的設(shè)計(jì)方案。

為達(dá)到更加節(jié)能降耗的目的和滿足業(yè)主對耐火磚需適應(yīng)多種燃料使用情況的需求，經(jīng)對國內(nèi)耐火磚產(chǎn)品的分析以及對眾多水泥企業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯配置使用情況進(jìn)行調(diào)查，最終選擇了在回轉(zhuǎn)窯低溫段使用效果較為理想的DDR系列低導(dǎo)熱耐火磚進(jìn)行改進(jìn)，燒成帶和下過渡帶仍使用鎂鐵尖晶石磚的方案。窯耐火磚厚度200mm，改進(jìn)前后的耐火磚配置方案對比見表2。

表2 ?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）改進(jìn)前后窯耐火磚配置方案對比

1.2 ?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）改進(jìn)前后窯耐火磚配置方案對比

改進(jìn)前后的窯耐火磚配置方案對比見表3，窯耐火磚厚度220mm，所用的鎂鐵尖晶石磚為國外品牌，國內(nèi)生產(chǎn)。

表3 ?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）改進(jìn)前后窯耐火磚配置方案對比

1.3 ?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）改進(jìn)前后的窯耐火磚配置方案對比

該窯的耐火磚配置方案與?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）窯耐火磚配置方案相似。

基于業(yè)主要求，該窯的耐火磚配置沒有選擇低導(dǎo)熱系列耐火磚，且窯耐火磚全部采用國外品牌。低溫段的非堿性耐火磚為國外品牌、國內(nèi)生產(chǎn)，鎂鐵尖晶石磚和鎂鋁尖晶石磚為國外品牌、原產(chǎn)地生產(chǎn)。窯耐火磚厚度220mm，改進(jìn)前后的耐火磚配置方案對比見表4。堿性磚為鎂鐵尖晶石磚REFRAMAG CF和鎂鋁尖晶石磚ALMAG AF，荷重軟化溫度提高了50℃。

表4 ?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）改進(jìn)前后窯耐火磚配置方案對比

2 回轉(zhuǎn)窯耐火磚發(fā)展情況和低導(dǎo)熱耐火磚理化性能指標(biāo)的分析對比

回轉(zhuǎn)窯耐火磚的使用應(yīng)能盡量減少窯筒體表面熱損失，保護(hù)回轉(zhuǎn)窯筒體正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證更多的熱量用于窯內(nèi)物料的化學(xué)反應(yīng)，更好更快地完成熟料燒成，且具有較長的使用壽命。為滿足這些使用要求，需要耐火磚制品應(yīng)有盡可能低的導(dǎo)熱系數(shù)，具備更好的抵抗熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力破壞以及抗化學(xué)侵蝕的性能。

2.1 回轉(zhuǎn)窯耐火磚的發(fā)展情況及現(xiàn)狀

水泥行業(yè)第一代耐火磚制品主要是粘土系列耐火磚，廣泛應(yīng)用于早期的各種窯爐，使用壽命短；第二代耐火磚制品中出現(xiàn)了高鋁質(zhì)系列耐火磚和鎂質(zhì)耐火磚；第三代耐火磚制品包含白云石磚系列、鎂鉻磚系列、鎂鈣鋯磚系列、硅莫磚系列等。隨著水泥行業(yè)中替代原燃料的廣泛使用，燃料品種增多，混合燃料被使用，熟料產(chǎn)量不斷提高，窯尺寸不斷增大，對耐火磚的要求也更高，耐熱、耐侵蝕、穩(wěn)定性更好的鎂尖晶石系列耐火磚產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，包括鎂鐵尖晶石和鎂鋁尖晶石系列，耐火磚使用壽命基本滿足了生產(chǎn)要求。

現(xiàn)階段，耐火磚生產(chǎn)企業(yè)主要從兩個(gè)方向開展了低導(dǎo)熱耐火磚的研究。一是使用低導(dǎo)熱耐火原料或復(fù)合低導(dǎo)熱材料制成復(fù)合型耐火磚，如DDR30和DDR50耐火磚；二是在制磚時(shí)，在耐火磚工作層保留原高性能材料不變，在非工作層使用低導(dǎo)熱材料，將兩種材料整體燒結(jié)在一起，降低整體耐火磚制品的導(dǎo)熱系數(shù)，如DDR80耐火磚。實(shí)踐證明，此兩種復(fù)合產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)都比較成功。

2.2 回轉(zhuǎn)窯耐火磚理化性能指標(biāo)對比

耐火磚的使用性能指標(biāo)包括能反映某種單一結(jié)構(gòu)性質(zhì)的體積密度和顯氣孔率指標(biāo)，還包括能反映在某種特定條件下耐火磚使用特性的常溫耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、荷重軟化溫度以及抗熱震性能等指標(biāo)。

表5、表6分別為目前常用的幾種非堿性耐火磚和堿性耐火磚的主要理化性能指標(biāo)對比。

表5 非堿性耐火磚的主要理化性能指標(biāo)對比*

從表5可以看出，低導(dǎo)熱磚DDR30和DDR50的體積密度和顯氣孔率明顯低于高鋁磚和硅莫磚，導(dǎo)熱系數(shù)更是低于高鋁磚和硅莫磚。低導(dǎo)熱磚DDR30和DDR50采用結(jié)晶相和非結(jié)晶組分互相阻斷的結(jié)構(gòu)，降低了耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)，主晶相為莫來石相，化學(xué)式3Al2O3·2SiO2，Al2O3含量低于高鋁磚和硅莫磚，耐堿性好，使用性能優(yōu)良。

從表6可以看出，復(fù)合鎂鋁尖晶石磚DDR80的隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)低于工作層，隔熱層材質(zhì)為鎂鐵復(fù)合橄欖石，主晶相為鎂橄欖石，熔點(diǎn)1 890℃，真密度3.22g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)在1 000℃條件下為1.88W/m·K，常溫耐壓強(qiáng)度>35MPa。兩種材質(zhì)的耐火磚一次復(fù)合成型，同溫?zé)桑ＷC了高溫強(qiáng)度基本同步，在1 100℃條件下測試，結(jié)合部位的抗折強(qiáng)度可達(dá)4.12 MPa。

表6 堿性耐火磚的主要理化性能指標(biāo)對比*

在?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）的上下過渡帶選用ALMAG AF堿性耐火磚，主要是考慮適應(yīng)燃料替代率高的情況，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗氣體滲透性好，耐堿性好，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)高。上下過渡帶耐火磚推薦ALMAG ES，此牌號的耐火磚不僅繼承了ALMAG AF的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改變了其導(dǎo)熱系數(shù)高的缺點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)在300℃、700℃、1 000℃條件下測試，比ALMAG AF低約30%，1 000℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.1W/m·K，在無窯皮的情況下，筒體表面溫度可以降低20℃~40℃，節(jié)能效果較好。

3 低導(dǎo)熱耐火磚使用情況

本文所列舉的三條窯的溫度數(shù)據(jù)均由調(diào)試期間的窯筒體掃描儀測得，假定改進(jìn)前后窯內(nèi)和窯筒體溫度相同，進(jìn)行節(jié)能計(jì)算。

3.1 ?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）

圖1為?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）筒體掃描儀測溫畫面，回轉(zhuǎn)窯冷段使用低導(dǎo)熱磚DDR30的部位，溫度在220℃以下；使用低導(dǎo)熱磚DDR50的部位，溫度在260℃左右；使用復(fù)合鎂鋁尖晶石磚DDR80的部位，溫度在300℃~320℃，窯筒體耐火磚整體溫度分布比較理想。鎂鋁尖晶石磚和AZM1680硅莫磚導(dǎo)熱系數(shù)相近，性能相對較好，目前回轉(zhuǎn)窯耐火磚過渡帶多使用鎂鋁尖晶石磚。

圖1 ?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）筒體掃描儀測溫畫面

通過計(jì)算，比較使用低導(dǎo)熱磚改進(jìn)前后的窯筒體表面散熱損失情況：

式中：

q——熱通量，單位面積熱損失，W/m2

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K

△t——磚熱面和冷面溫差

αw——綜合傳熱系數(shù)，W/m2·K

tw——筒壁溫度，℃

tf——環(huán)境溫度，℃，取25℃

ε——黑度，取0.9

C0——絕對黑體輻射系數(shù)，W/m2·K4，取5.67

Ak——垂直方向系數(shù)，爐墻取1.74

表7為改進(jìn)前后?4.3m×60m回轉(zhuǎn)窯（3 000t/d）低導(dǎo)熱磚散熱損失對比。從表7可以看出，低溫段使用低導(dǎo)熱磚，可節(jié)能39%，節(jié)能效果非常顯著。從重量看，7.2m高鋁磚+19.2m AZM1650硅莫磚總重219.2t，兩種低導(dǎo)熱磚13.4m+13m總重192t，減重27.2t。表7沒有對比DDR80復(fù)合鎂鋁尖晶石磚和AZM1680硅莫磚，因?yàn)楣枘u的導(dǎo)熱系數(shù)雖低，但其使用性能不如鎂鋁尖晶石磚，使用壽命短，已無法適應(yīng)回轉(zhuǎn)窯工況需求。

表7 ?4.3m×60m（3 000t/d）回轉(zhuǎn)窯低導(dǎo)熱磚散熱損失對比

3.2 ?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）

圖2為?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）筒體掃描儀測溫畫面，回轉(zhuǎn)窯冷段使用低導(dǎo)熱磚DDR30的部位，溫度在220℃以下；使用低導(dǎo)熱磚DDR50的部位，溫度在240℃左右；使用復(fù)合鎂鋁尖晶石磚DDR80的部位，溫度在300℃~330℃，窯筒體耐火磚整體溫度分布比較理想。

圖2 ?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）筒體掃描儀測溫畫面

表8為改進(jìn)前后?4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯（5 000t/d）低導(dǎo)熱磚散熱損失對比。從表8可以看出，低溫段使用低導(dǎo)熱磚DDR30和DDR50，過渡帶使用復(fù)合鎂鋁尖晶石磚DDR80，可節(jié)能36%，節(jié)能效果顯著。從重量看，改進(jìn)前耐火磚總重量為350t，改進(jìn)后耐火磚總重量為323t，減重27t。

表8 ?4.8m×74m（5 000t/d）回轉(zhuǎn)窯低導(dǎo)熱磚散熱損失對比

3.3 ?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）

圖3為?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）筒體掃描儀測溫畫面。從圖3可以看出，回轉(zhuǎn)窯低溫段和上過渡帶的溫度普遍高于使用低導(dǎo)熱耐火磚的溫度，具體散熱損失不再作計(jì)算。若選擇ALMAG ES鎂鋁尖晶石耐火磚，也可節(jié)能30%左右，窯磚總重量也會減少。

圖3 ?5.0m×72m回轉(zhuǎn)窯（5 800t/d）筒體掃描儀測溫畫面

4 納米隔熱保溫材料在預(yù)分解系統(tǒng)的應(yīng)用

常規(guī)設(shè)計(jì)是在預(yù)分解系統(tǒng)的保溫隔熱層使用114mm厚的普通硅酸鈣板，這部分的改進(jìn)主要有兩個(gè)方向，一個(gè)是不改變保溫隔熱層的總厚度，將114mm厚的隔熱層分成兩部分，一部分繼續(xù)使用普通硅酸鈣板，剩余部分根據(jù)使用部位選擇35mm或50mm厚的納米保溫隔熱材料，可使外壁溫度降低15℃~20℃；另一個(gè)方向是使用納米保溫隔熱材料，將保溫隔熱層減薄至65~75mm厚，增加旋風(fēng)筒或上風(fēng)管道的使用截面積，外壁溫度與使用114mm厚的普通硅酸鈣板作隔熱層時(shí)的溫度基本不變。

表9、表10分別為普通硅酸鈣板和不同型號的納米隔熱材料的使用性能及實(shí)驗(yàn)室實(shí)測溫度對比。從表9、表10可以看出，納米隔熱材料的使用性能明顯優(yōu)于普通硅酸鈣板，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于普通硅酸鈣板，實(shí)測冷面溫度較理想。需要說明的是，保溫隔熱材料的施工須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工要求，使用粘結(jié)劑，填實(shí)縫隙，否則散熱損失會大幅增加。

表9 保溫隔熱材料使用性能對比

表10 保溫隔熱材料實(shí)驗(yàn)室實(shí)測溫度對比

5 結(jié)語

在回轉(zhuǎn)窯使用低導(dǎo)熱耐火磚及在預(yù)分解系統(tǒng)使用納米保溫隔熱材料，可顯著降低回轉(zhuǎn)窯筒體散熱損失，減輕窯運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，值得進(jìn)一步研究和推廣。