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工艺流程图
CB20砖在水泥窑上的应用
作者:江志淦单位:中国建筑材料科学研究院 [2006-3-7]
关键字:隔热耐火砖-热工制度-热平衡
关键字:隔热耐火砖-热工制度-热平衡
摘要:
1、前言
水泥窑机体表面散热损失很大，其中部分热损失是可以减少的，切实可行的办法是在水泥窑的各个系统镶砌隔热耐火砖。实践证明，使用隔热砖的水泥窑胴体表面的热流量减少、温度降低，有利于窑体的维护和工人劳动条件的改善。节能则是设计部门和使用单位普遍关心的问题，这表现在两个方面：一是使用隔热砖后，在保持原有窑温的前提下，由于各个系统机体表面散热损失的减少而节省了燃料；另一是由于窑内热工制度变化，在保持原有燃料消耗的水平上，窑温增高，加速了水泥生料的预热分解和燃料的煅烧，从而提高了熟料的质量和产量，使熟料热耗降低，减少了煤耗。实际上这两者是不能截然分开的，只是所占的比例不同而已。对施工部门来说，采用轻质的衬料可以加快施工进度，减轻窑体重量，节省窑的电耗。正因为有这样的功能，国内外的水泥窑都普遍使用隔热砖。各种各样的隔热砖基本上可以分为2种类型：用作隔热层的不直接接触窑内热气流或火焰的隔热砖；用作工作层的单层或复合隔热耐火砖。研制工作的难点集中在用作工作层的隔热耐火砖上，必须保持隔热砖有较高的气孔率，以降低导热系数，而为了确保使用效果又要求它具有足够的力学强度。对新型干法窑和使用高碱含量原料的回转窑来说，较重要的是使它们对碱性窑料有高抗蚀性和足够的耐碱性。
2、水泥窑简易热平衡计算
根据原西德专家B.Scheubel，Gottingen等人的资料，可以简易地计算水泥窑的热平衡，借以判明各种水泥窑镶砌隔热砖后的节能结果。水泥窑所需热量的简易算法：输入“平衡系统”(熟料煅烧)的热量由燃料提供，支出热量主要有：(1)系统内部热损失，包括：1)熟料形成热；2)蒸发水分消耗的潜热；3)熟料冷却机带走热；4)通过传导和辐射产生的窑体散热损失。(2)系统外部热损失。系统所需热能等于系统内部损失乘以f。由于废气温度与窑型密切相关，水泥煅烧系统的外部热损失主要取决于废气温度，而且当温度高时该热损失会增大，所以系统所需热能可以简便地计算出来。如已知系统内部的热损失，则系统所需热能为内部损失乘以系数f0例如，Φ3.85×96m(800t/d)干法窑的系统内部热损失为2876kJ/kg熟料，该系统所需热能为2876×1.48=4256kJ/kg熟料，Φ4.7×62m(1800t/d)预热器窑系统所需热能为2662×1.28=3407kJ/kg；Φ4.7×62m(3000t/d)预分解窑系统所需热能为2625×1.31=3439kJ/kg熟料。由此可见，完善水泥窑的隔热程度所得到的节能效果并不与窑体散热损失的****值相当，而是与对应于倍增系数f的比窑体散热损失****值更大的数值相当的。
3、水泥窑节能的有效措施
水泥窑是一种高能耗的热工设备，近代发展起来的各种新型干法窑的主要特色是产量高和热耗低。即使这些低热耗的水泥窑的能源消耗也要占到水泥生产成本的40%～60%，其中机体表面散热损失占燃料输入热能的10%～14%。而传统窑几乎1/3的机体表面散热集中在预热分解带，因为这一带的散热面积可达全窑的50%～70%。而部分机体表面散热损失是可以通过采用隔热窑衬而减少的。
尽管采用隔热窑衬首先是为了节能，但是其技术效果是多方面的。窑胴体表面散热损失减少后带来了窑内热工制度的变化，而只要操作适应这一变化，就可获得不少的技术经济效益。早在50年代，国际上就开始研制水泥窑用隔热砖，并且十分重视其推广应用工作。时至今日，在水泥窑的各个系统采用隔热耐火衬里已是世界各国普遍采用的做法，成效显著。
我国湿法窑胴体散热损失甚为可观，平均占熟料热耗的12%～14%，而大面积采用了隔热材料的峨眉水泥厂湿法长窑的胴体散热损失仅占熟料热耗的7%。另据资料介绍，国内一台预分解窑，其预热器系统的总表面积约为2000m2，与同直径的湿法窑预热分解带胴体表面积(989m2)相比，散热面积增加一倍，而其散热损失只为后者的45%～60%，此系预分解窑大量采用高效隔热材料所致。当前我国水泥窑的能耗偏高，与国外先进水平比较差距较大，而且高能耗已经成为制约水泥企业经济效益提高的重要因素。因此，采用各种措施来实现水泥窑的节能降耗目标是推动水泥工业技术进步的重要任务。其中简单易行，所需资金又少(且可在短期内回收)的节能办法就是采用隔热材料。减少燃料消耗还有利于提高窑产量和降低烟气排放量并可降低气风机电耗。在水泥窑的预热分解带大面积镶砌隔热材料后，该带的胴体表面温度降低了，但过渡带和烧成带的胴体表面温度却提高了。例如某Φ3.5×145m湿法窑在使用了70m左右的隔热材料之后，过渡带和烧成带的胴体表面温度提高了50～60℃，这主要是因为其窑内温度已升高造成的，这就为水泥窑的节能增产和提高热料的质量创造了条件。
4、CB20砖在水泥窑上的应用
4.1、CB20砖的主要物理性能
对新型干法窑和使用碱含量高的回转窑来说，隔热砖的重要性能是对碱性窑料有高的抗蚀性和足够的耐碱性。曾将10克K2CO3装入Φ20×35mm试体内，在1100℃下保温48h后，观察到试体无裂纹，不鼓胀，完好如初，可见其耐碱性良好。另外，对于窑筒部分砖的强度要求较高，因为它要承受较大的机械应力和热应力，但是提高隔热砖的力学强度势必要损害砖的隔热性能，所以应实事求是地确定它应具有的力学强度。根据国内多年使用经验和参考国外资料，将CB20砖的耐压强度确立为15MPa左右。实践表明，这是合适的。导热性是另一重要指标，其影响困素主要有砖的矿物组成、气孔率及使用温度等。CB20砖的导热系数(350±10℃)约为0.6W/(m·k)，低于粘土砖、高铝砖或磷酸盐砖，因此用CB20砖替代可使水泥窑预热分解带的胴体表面温度降低50～80℃。
4.2、CB20砖在水泥窑上的镶砌部位
CB20砖已在湿法窑、干法窑、立波尔窑以及预分解窑、预热器窑上普遍使用，适用部位是窑内1300℃以下的区段。
4.2.1、预热器窑窑尾，砌筑长度10～12m。
4.2.2、预分解窑窑尾，砌筑长度14～15m。
4.2.3、干法长窑预热分解带，砌筑长度40～45m。
4.2.4、湿法长窑预热分解带，砌筑长度70～75m。
4.2.5、立波尔窑分解带，砌筑长度10～15m。
4.3、CB20砖在水泥窑上的应用情况
CB20砖于20世纪90年代由中国建筑材料科学研究院研制成功，现由山东博山中科达耐火材料厂应用其研究成果组织生产。由于设备更新，技术进步，产品质量不断提高，产量不断增加，应用面愈来愈广。中国建筑材料科学研究院和天津水泥设计院、北京瑞泰高温材料科技股份有限分司在研制开发水泥窑用隔热耐火材料方面成绩卓著；琉璃河水泥厂、小屯水泥厂、浩良河水泥厂、峨眉水泥厂、浙江三狮集团、江油水泥厂、天津水泥厂、天津市振兴水泥厂、江西丰城水泥厂、长春双阳水泥厂和大连水泥厂等众多水泥厂使用CB20砖均取得了成功经验，长城铝业公司、中州铝厂也在生产氧化铝熟料的回转窑上大量使用，由于该砖优良的耐碱蚀性能，使用成效显著，举例为下：
4.3.1、浩良河水泥厂Φ3.98×56m2000t/d新型干法窑在距窑口38～43m间镶砌3.5mCB20砖，1998年施工，运行2年后检查发现砖面平滑，无炸裂现象，胴体温度与磷砖相比降低80℃以上。该厂于2000年将距窑口43m以后的区段换砌成CB20砖，至今仍在安全运转中。天津振兴水泥厂新型干法窑的使用效果也甚为理想且使用寿命长达3～4年。
4.3.2、浙江三狮水泥公司的Φ3.5×145m湿法窑的预热分解带原来砌筑粉煤灰陶粒砖，由于炸裂、剥落严重，使用寿命短且胴体温度不断升高，改砌CB20砖后，情况明显好转。该公司每次停窑检查发现砖面平整光滑，无爆裂、剥落现象，说明该砖具有良好的热震稳定性及耐磨性，抗化学侵蚀性比较强，寿命可达3～4年。现该公司5条华新窑大面积使用CB20砖，节能颇为可观。四川双马水泥公司(江油水泥厂)湿法窑的使用效果同样令人满意，明显优于陶粒砖。
4.3.3、长城铝业公司的氧化铝熟料窑的低中温带自1991年起即开始试用CB20砖，取得肯定效果后即推广至所有4条熟料窑。CB20砖使用寿命明显长于粘土砖和陶粒砖，其较短寿命为2年3个月，较长为4年11个月，平均寿命比粘土砖高出近一倍之多。该公司认为CB20砖既隔热耐火又耐碱侵蚀，系多功能耐火砖，较适合氧化铝熟料窑使用。该砖与粘土砖相比，可降低窑胴体温度58.3℃，加上因使用寿命延长，减少维修停窑时间而提高熟料产量，其经济效益显著。
5、结语
水泥窑预热分解带衬料受到的应力不是主要的问题。从有利于热平衡的角度出发，首要的问题是要在这一带内使用隔热窑衬。CB20砖的研制成功虽然为解决这一问题创造了条件，但是要促进水泥窑用耐火材料的技术进步还需研究、生产和使用方面的密切配合和共同努力，以进一步完善水泥窑的节能方案。摘自《国际建材设备》
水泥窑机体表面散热损失很大，其中部分热损失是可以减少的，切实可行的办法是在水泥窑的各个系统镶砌隔热耐火砖。实践证明，使用隔热砖的水泥窑胴体表面的热流量减少、温度降低，有利于窑体的维护和工人劳动条件的改善。节能则是设计部门和使用单位普遍关心的问题，这表现在两个方面：一是使用隔热砖后，在保持原有窑温的前提下，由于各个系统机体表面散热损失的减少而节省了燃料；另一是由于窑内热工制度变化，在保持原有燃料消耗的水平上，窑温增高，加速了水泥生料的预热分解和燃料的煅烧，从而提高了熟料的质量和产量，使熟料热耗降低，减少了煤耗。实际上这两者是不能截然分开的，只是所占的比例不同而已。对施工部门来说，采用轻质的衬料可以加快施工进度，减轻窑体重量，节省窑的电耗。正因为有这样的功能，国内外的水泥窑都普遍使用隔热砖。各种各样的隔热砖基本上可以分为2种类型：用作隔热层的不直接接触窑内热气流或火焰的隔热砖；用作工作层的单层或复合隔热耐火砖。研制工作的难点集中在用作工作层的隔热耐火砖上，必须保持隔热砖有较高的气孔率，以降低导热系数，而为了确保使用效果又要求它具有足够的力学强度。对新型干法窑和使用高碱含量原料的回转窑来说，较重要的是使它们对碱性窑料有高抗蚀性和足够的耐碱性。
2、水泥窑简易热平衡计算
根据原西德专家B.Scheubel，Gottingen等人的资料，可以简易地计算水泥窑的热平衡，借以判明各种水泥窑镶砌隔热砖后的节能结果。水泥窑所需热量的简易算法：输入“平衡系统”(熟料煅烧)的热量由燃料提供，支出热量主要有：(1)系统内部热损失，包括：1)熟料形成热；2)蒸发水分消耗的潜热；3)熟料冷却机带走热；4)通过传导和辐射产生的窑体散热损失。(2)系统外部热损失。系统所需热能等于系统内部损失乘以f。由于废气温度与窑型密切相关，水泥煅烧系统的外部热损失主要取决于废气温度，而且当温度高时该热损失会增大，所以系统所需热能可以简便地计算出来。如已知系统内部的热损失，则系统所需热能为内部损失乘以系数f0例如，Φ3.85×96m(800t/d)干法窑的系统内部热损失为2876kJ/kg熟料，该系统所需热能为2876×1.48=4256kJ/kg熟料，Φ4.7×62m(1800t/d)预热器窑系统所需热能为2662×1.28=3407kJ/kg；Φ4.7×62m(3000t/d)预分解窑系统所需热能为2625×1.31=3439kJ/kg熟料。由此可见，完善水泥窑的隔热程度所得到的节能效果并不与窑体散热损失的****值相当，而是与对应于倍增系数f的比窑体散热损失****值更大的数值相当的。
3、水泥窑节能的有效措施
水泥窑是一种高能耗的热工设备，近代发展起来的各种新型干法窑的主要特色是产量高和热耗低。即使这些低热耗的水泥窑的能源消耗也要占到水泥生产成本的40%～60%，其中机体表面散热损失占燃料输入热能的10%～14%。而传统窑几乎1/3的机体表面散热集中在预热分解带，因为这一带的散热面积可达全窑的50%～70%。而部分机体表面散热损失是可以通过采用隔热窑衬而减少的。
尽管采用隔热窑衬首先是为了节能，但是其技术效果是多方面的。窑胴体表面散热损失减少后带来了窑内热工制度的变化，而只要操作适应这一变化，就可获得不少的技术经济效益。早在50年代，国际上就开始研制水泥窑用隔热砖，并且十分重视其推广应用工作。时至今日，在水泥窑的各个系统采用隔热耐火衬里已是世界各国普遍采用的做法，成效显著。
我国湿法窑胴体散热损失甚为可观，平均占熟料热耗的12%～14%，而大面积采用了隔热材料的峨眉水泥厂湿法长窑的胴体散热损失仅占熟料热耗的7%。另据资料介绍，国内一台预分解窑，其预热器系统的总表面积约为2000m2，与同直径的湿法窑预热分解带胴体表面积(989m2)相比，散热面积增加一倍，而其散热损失只为后者的45%～60%，此系预分解窑大量采用高效隔热材料所致。当前我国水泥窑的能耗偏高，与国外先进水平比较差距较大，而且高能耗已经成为制约水泥企业经济效益提高的重要因素。因此，采用各种措施来实现水泥窑的节能降耗目标是推动水泥工业技术进步的重要任务。其中简单易行，所需资金又少(且可在短期内回收)的节能办法就是采用隔热材料。减少燃料消耗还有利于提高窑产量和降低烟气排放量并可降低气风机电耗。在水泥窑的预热分解带大面积镶砌隔热材料后，该带的胴体表面温度降低了，但过渡带和烧成带的胴体表面温度却提高了。例如某Φ3.5×145m湿法窑在使用了70m左右的隔热材料之后，过渡带和烧成带的胴体表面温度提高了50～60℃，这主要是因为其窑内温度已升高造成的，这就为水泥窑的节能增产和提高热料的质量创造了条件。
4、CB20砖在水泥窑上的应用
4.1、CB20砖的主要物理性能
对新型干法窑和使用碱含量高的回转窑来说，隔热砖的重要性能是对碱性窑料有高的抗蚀性和足够的耐碱性。曾将10克K2CO3装入Φ20×35mm试体内，在1100℃下保温48h后，观察到试体无裂纹，不鼓胀，完好如初，可见其耐碱性良好。另外，对于窑筒部分砖的强度要求较高，因为它要承受较大的机械应力和热应力，但是提高隔热砖的力学强度势必要损害砖的隔热性能，所以应实事求是地确定它应具有的力学强度。根据国内多年使用经验和参考国外资料，将CB20砖的耐压强度确立为15MPa左右。实践表明，这是合适的。导热性是另一重要指标，其影响困素主要有砖的矿物组成、气孔率及使用温度等。CB20砖的导热系数(350±10℃)约为0.6W/(m·k)，低于粘土砖、高铝砖或磷酸盐砖，因此用CB20砖替代可使水泥窑预热分解带的胴体表面温度降低50～80℃。
4.2、CB20砖在水泥窑上的镶砌部位
CB20砖已在湿法窑、干法窑、立波尔窑以及预分解窑、预热器窑上普遍使用，适用部位是窑内1300℃以下的区段。
4.2.1、预热器窑窑尾，砌筑长度10～12m。
4.2.2、预分解窑窑尾，砌筑长度14～15m。
4.2.3、干法长窑预热分解带，砌筑长度40～45m。
4.2.4、湿法长窑预热分解带，砌筑长度70～75m。
4.2.5、立波尔窑分解带，砌筑长度10～15m。
4.3、CB20砖在水泥窑上的应用情况
CB20砖于20世纪90年代由中国建筑材料科学研究院研制成功，现由山东博山中科达耐火材料厂应用其研究成果组织生产。由于设备更新，技术进步，产品质量不断提高，产量不断增加，应用面愈来愈广。中国建筑材料科学研究院和天津水泥设计院、北京瑞泰高温材料科技股份有限分司在研制开发水泥窑用隔热耐火材料方面成绩卓著；琉璃河水泥厂、小屯水泥厂、浩良河水泥厂、峨眉水泥厂、浙江三狮集团、江油水泥厂、天津水泥厂、天津市振兴水泥厂、江西丰城水泥厂、长春双阳水泥厂和大连水泥厂等众多水泥厂使用CB20砖均取得了成功经验，长城铝业公司、中州铝厂也在生产氧化铝熟料的回转窑上大量使用，由于该砖优良的耐碱蚀性能，使用成效显著，举例为下：
4.3.1、浩良河水泥厂Φ3.98×56m2000t/d新型干法窑在距窑口38～43m间镶砌3.5mCB20砖，1998年施工，运行2年后检查发现砖面平滑，无炸裂现象，胴体温度与磷砖相比降低80℃以上。该厂于2000年将距窑口43m以后的区段换砌成CB20砖，至今仍在安全运转中。天津振兴水泥厂新型干法窑的使用效果也甚为理想且使用寿命长达3～4年。
4.3.2、浙江三狮水泥公司的Φ3.5×145m湿法窑的预热分解带原来砌筑粉煤灰陶粒砖，由于炸裂、剥落严重，使用寿命短且胴体温度不断升高，改砌CB20砖后，情况明显好转。该公司每次停窑检查发现砖面平整光滑，无爆裂、剥落现象，说明该砖具有良好的热震稳定性及耐磨性，抗化学侵蚀性比较强，寿命可达3～4年。现该公司5条华新窑大面积使用CB20砖，节能颇为可观。四川双马水泥公司(江油水泥厂)湿法窑的使用效果同样令人满意，明显优于陶粒砖。
4.3.3、长城铝业公司的氧化铝熟料窑的低中温带自1991年起即开始试用CB20砖，取得肯定效果后即推广至所有4条熟料窑。CB20砖使用寿命明显长于粘土砖和陶粒砖，其较短寿命为2年3个月，较长为4年11个月，平均寿命比粘土砖高出近一倍之多。该公司认为CB20砖既隔热耐火又耐碱侵蚀，系多功能耐火砖，较适合氧化铝熟料窑使用。该砖与粘土砖相比，可降低窑胴体温度58.3℃，加上因使用寿命延长，减少维修停窑时间而提高熟料产量，其经济效益显著。
5、结语
水泥窑预热分解带衬料受到的应力不是主要的问题。从有利于热平衡的角度出发，首要的问题是要在这一带内使用隔热窑衬。CB20砖的研制成功虽然为解决这一问题创造了条件，但是要促进水泥窑用耐火材料的技术进步还需研究、生产和使用方面的密切配合和共同努力，以进一步完善水泥窑的节能方案。摘自《国际建材设备》
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