耐火材料節能技術在水泥行業新應用

李 艷 朱愛華 毛恩亮 白雪松

(中國建筑材料科學研究總院 瑞泰科技股份有限公司，北京100024)

1 引言

能源問題是人類普遍關注的問題。水泥工業每年消耗燃料平均約為全世界消耗總量的1.6%，水泥成本中能源費可達30%以上。水泥企業已經把節能問題作為關注的焦點。工信部節582號文關于《工業和信息化部關于水泥工業節能減排的指導意見》中明確指出“到‘十二五’末，全國水泥生產平均可比熟料綜合能耗小于114千克標準煤/噸，水泥綜合能耗小于93千克標準煤/噸。耐火材料作為水泥行業節能的原動力，如何推進耐火材料節能技術在水泥行業的應用成為廣大耐材企業的新課題。

2 水泥行業能源消耗現狀

對于新型干法水泥生產線而言，其能源消耗量受生產規模、設備選型、工藝狀況、原料差異、管理水平等因素的影響，能源消耗也有不同，目前國內和國外先進水平差距較大，具體對比情況如表1[1]。

表1 我國新型干法水泥技術能耗指標與國際水平比較

3 耐火材料節能的措施

耐火材料節能主要有直接節能和間接節能，直接節能主要通過降低耐火材料的導熱系數，從而提高耐火材料的保溫性能達到節能的效果，間接節能主要通過降低耐火襯體整體導熱系數和提高襯體使用壽命來達到節能的目的。水泥窯熱損失主要由三部分組成：窯系統表面散熱的熱損失；系統排出廢氣的熱損失；出冷卻機熟料的熱損失。由于立磨和低溫余熱發電技術的成熟，系統排出廢氣的熱損失已得到充分利用；由于第三代和第四代篦式冷卻機的出現，冷卻機的效率已得到顯著的提高。由此可見，降低窯系統表面散熱的熱損失就顯得尤為重要，也是耐火材料節能的切入點。

4 新型節能耐火材料

窯系統表面散熱的熱損失包括預熱器、回轉窯和冷卻機。其中回轉窯的散熱損失占總散熱損失的50%以上，因此開發和研制用于回轉窯的新型節能磚對于水泥行業節能尤為重要。新型節能耐火材料主要以輕質骨料以及輕質造孔劑為原料制成輕質耐磨磚，它通過降低材料的密度和提高材料的氣孔率來降低耐火材料的導熱系數，從而達到保溫節能的目的。這種輕質耐磨磚主要用于回轉窯的分解帶，其使用部位如圖1。

圖1 輕質耐磨磚在回轉窯的使用部位

輕質耐磨磚用于水泥回傳窯如窯最后面10-15m，對于4.8m×74m的5000噸級水泥窯一般用于56.2m-73.2m處，對于4.0m×60m的2500噸級水泥窯一般用于45.9m-59.1m的位置處，與其他磚種性能對比見表2。

表2 與其他分解帶用的耐火磚性能對比

從表2中可以看出，輕質耐磨磚有較低的導熱系數和較低的體積密度。荷重軟化溫度和耐壓強度也有所降低，但不影響輕質耐磨磚的使用，因為在這一區間，物料的熱負荷較小，固體物料的沖刷和磨損也較輕，因此在耐火材料配置上，主要考慮適抗堿侵蝕能力即可。

通過輕質耐磨磚在回轉窯的實際應用，起到了較好的保溫效果，在窯筒體外表風速為2.5m/s；室外平均溫度為25℃的情況下，使用輕質耐磨磚的筒體溫度為247℃，使用硅莫磚的筒體表面溫度為289℃，富陽南方水泥有限公司一條日產5000噸級熟料線通過使用輕質耐磨磚筒體溫度降低近42度，每天節約熱量為9010904.7大卡，每年可節約標煤390噸。具體的節能情況見表3數據。

5 新型襯體結構

利用新型襯體結構，通過對耐火材料安裝進行改造，可以提高耐火材料的使用壽命，從而達到節能的效果。下面介紹篦冷機通過襯體改造后的節能情況。

5.1 篦冷機頂部

篦冷機頂部施工難度大，尤其一段頂部環境溫度可達1100℃，熱氣流對耐火材料沖刷嚴重，因此經常出現剝落、燒塌現象，耐火材料使用壽命短。采用陶瓷錨固件整體澆注作的方法可以大幅度提高襯體的使用壽命，而且還可以降低耐火襯體的導熱系數。具體方法見圖2，工藝過程主要包括：焊接槽鋼-吊掛陶瓷錨固磚-貼鈣板-支模-澆注。這種襯體已經在蕪湖鐵道水泥廠使用達3年之久，目前該技術已經應用多個水泥廠，包括臺泥、重慶水泥有限公司、句容臺泥水泥有限公司等水泥廠使用效果良好，整體成型后，較好的解決了篦冷機頂沖刷剝落的問題，整體使用壽命可以達到3年之久。

由于陶瓷錨固件具有如下特點：1)使用溫度高，可以在1300℃長時間使用，非金屬材料具有很強的耐酸堿侵蝕性能，不會出現金屬錨固件在高溫下的氧化、開焊而引起耐火材料剝落的現象；2)與耐火材料有相近的導熱系數，減少由于不同材料間的體積變化差異產生的應力3)由于陶瓷錨固件代替金屬錨固件減少了熱橋效應，使整體導熱性能降低，因此節能效果也明顯增強。通過實際測量篦冷機各段溫度，平均降低10℃，節能情況見表4。

表3 輕質耐磨磚節能熱工計算

表4 新型篦冷機頂部節能熱工計算

圖2 篦冷機頂墻施工圖

5.2 篦冷機矮墻

篦冷機矮墻要長期承受300-1450℃的高溫熟料顆粒的沖刷，同時跟冷熱空氣交替接觸，使矮墻損壞較快。目前采用矮墻整體預制的方法進行制作，這種方法可以快速安裝、實現復雜形狀制作、免受水泥廠施工環境影響，而且制作過程給予充分的養護和烘烤可以達到最佳的耐火材料性能。可以大大提高砌墻的使用壽命。更重要的是矮墻砌塊采用了輕質和重質材料復合，因此降低了耐火襯體的導熱系數，達到了良好的節能效果，砌筑好的矮墻如圖3，這是2011年7月份狄港海螺2#施工時拍的砌筑照片，到目前為止，使用良好。

圖3 施工后的篦冷機矮墻

6 結 語

通過改變耐火材料合成工藝以及改變耐火材料襯體結構都能有效降低耐火材料導熱系數，從而降低熱損耗，達到節能保溫的效果。通過回轉窯和篦冷機兩項改造，每公斤熟料燒成熱耗可以節約3.9大卡，實現每噸熟料節約標煤0.56千克節能效果。當然，這對于促進水泥行業通過采取節能措施達到噸熟料消耗標煤101公斤的目標還有一定差距，但通過將耐火材料與應用技術不斷結合，作為節能原動力的耐火材料一定會為水泥窯節能作出新貢獻。

[1]李燕京，田江濤等.水泥窯耐火材料優化配置對水泥窯節能降耗的作用http://www.ccement.com/tech/detail/detail_1074.html