保持窯筒體冷卻

保持窯筒體冷卻

水泥熟料在窯內(nèi)煅燒的過程中，火焰、煙氣和熟料、窯料的熱量經(jīng)窯皮和耐火磚傳達(dá)至金屬筒體。隨著金屬筒體的溫度增高，鋼板的許用應(yīng)力逐步下降（見表1）。當(dāng)筒體溫度增至460℃時(shí)，鋼板的許用應(yīng)力僅為316℃時(shí)的一半。為避免筒體因溫度過高而損壞，預(yù)分解窯系統(tǒng)均設(shè)置紅外線測溫裝置，并配置空氣冷卻。熟料煅燒過程中，為使窯安全運(yùn)轉(zhuǎn)，筒體溫度通常控制在370℃以下。

表1 普通鋼板的許用應(yīng)力

近年來，工業(yè)化國家逐漸增加代用燃料和低品位原料的應(yīng)用，窯內(nèi)工況波動(dòng)較大，窯皮長度變化頻繁，且經(jīng)常出現(xiàn)紅窯事故。雖然使用了空氣冷卻，但氣冷對溫度調(diào)節(jié)較慢，很難解決紅窯事故，且消耗電能較高。一種新的用水冷卻窯筒體熱點(diǎn)的裝置（Kiln Cooler Hot Spot Unit，本文稱KCHSU）兩年前在德國投入使用，取得較好效果。簡介如下：

1 系統(tǒng)裝置

KCHSU裝置由一套四噴頭的噴霧珠裝置和紅外線測溫裝置組成。通過紅外線測溫裝置測得筒體局部高溫，傳至噴頭將水霧化并噴至紅熱的高溫筒體部位，迅速將該部位的高溫冷卻至合適溫度，從而保持正常生產(chǎn)（圖1）。

圖1 水冷卻窯筒體熱點(diǎn)噴霧裝置

2 窯筒體噴水霧冷卻

窯內(nèi)熟料在煅燒過程中，窯料加熱成熟料。由于生料的成分率值和細(xì)度不一，窯料加熱的溫度和時(shí)間不一，窯內(nèi)出現(xiàn)的窯料熔融溫度也不一致，再加上耐火磚的材質(zhì)、磚厚以及結(jié)皮的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)不一致，造成筒體溫度也不一致。為使筒體溫度保持在合適的溫度內(nèi)，通常需空氣冷卻。

在長時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)窯的筒體溫度變化難以控制，尤其是窯徑增大和代用燃料量增多，耐火磚出現(xiàn)的問題越來越嚴(yán)重。其原因是，窯徑增大，筒體的橢圓度增加，相應(yīng)增加了耐火磚所承受的機(jī)械應(yīng)力。此外，窯內(nèi)耐火磚砌筑時(shí)，耐火磚的材質(zhì)性能和砌筑質(zhì)量也影響著耐火磚的使用壽命。代用燃料量增多，由于燃料的成分、水分及細(xì)度等因素變化，易造成窯內(nèi)煅燒溫度和窯皮的長度及厚度變化頻繁，從而造成筒體溫度變化。上述工況易使輪帶附近筒體和過渡帶、燒成帶內(nèi)的耐火磚產(chǎn)生局部損壞。

當(dāng)窯內(nèi)耐火磚出現(xiàn)局部損壞時(shí)，該部位的窯筒體溫度急速增加，當(dāng)溫度＞600℃時(shí)，筒體產(chǎn)生高溫紅熱點(diǎn)，風(fēng)冷很難降低其溫度，其結(jié)果是出現(xiàn)非計(jì)劃的緊急停窯。更換該部位的耐火磚需要6d或更多的時(shí)間，此過程減少了熟料產(chǎn)量，增加了單位熟料的熱耗及維修費(fèi)用。

國外一臺(tái)4 000t/d級窯緊急停窯的損失費(fèi)用估算見表2。

為避免因紅窯而緊急停窯所產(chǎn)生的損失和維修費(fèi)用，窯筒體需要快速冷卻。當(dāng)紅外線測溫儀發(fā)現(xiàn)筒體溫度局部上升時(shí)，為避免該部位筒體過熱停窯，通過向高溫部位筒體噴霧，快速將其降到合適的溫度，同時(shí)進(jìn)行操作控制，補(bǔ)掛窯皮并增加該部位窯皮厚度，避免筒體和耐火磚進(jìn)一步損壞，從而保持正常生產(chǎn)。

和空氣冷卻相比，使用水冷卻的優(yōu)點(diǎn)是冷卻速度快且電耗低。圖2為水霧噴射部位，圖3和圖4為窯筒體水冷和風(fēng)冷電耗對比值。

圖3和圖4表明，在一臺(tái)直徑5m、長度60m的窯筒體上，當(dāng)風(fēng)量為150 000m3/h，動(dòng)力消耗約2MW時(shí)，可以冷卻筒體40K。而同樣的2MW動(dòng)力消耗，需3.2m3/h的水量。

3 噴水存在的問題及解決途徑

當(dāng)筒體進(jìn)行水霧冷卻時(shí)，存在的問題是，若噴向金屬筒體水量過多，則筒體溫度下降過快，增加筒體自身的機(jī)械應(yīng)力，易使筒體產(chǎn)生局部應(yīng)力而損壞；若水量不足，則筒體溫度下降過慢，筒體溫度過高，也易使筒體變形損壞。窯筒體冷卻至設(shè)定的溫度，需快速穩(wěn)定的冷卻，冷卻水系統(tǒng)需要如下技術(shù)支持。

表24 000t/d生產(chǎn)線非計(jì)劃緊急停窯損失

圖2 窯筒體噴水霧位置

圖3 窯筒體風(fēng)冷卻時(shí)風(fēng)量和動(dòng)力消耗

（1）設(shè)置精確可靠的溫度監(jiān)視裝置，對易紅窯的筒體部位進(jìn)行連續(xù)溫度監(jiān)測。

（2）噴水裝置所噴出的水霧必須到達(dá)窯筒體表面，且能完全揮發(fā)。

（3）控制系統(tǒng)應(yīng)做到測試溫度與噴水量能自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保窯筒體溫度達(dá)到所需控制的溫度。

圖4 窯筒體水冷卻時(shí)水量和動(dòng)力消耗

圖5 窯筒體隨溫度的變化

（4）生產(chǎn)系統(tǒng)可連續(xù)自動(dòng)檢測，確保窯的安全操作，避免窯筒體損壞。

KCHSU裝置的紅外線測試溫度范圍為120~1 000℃。當(dāng)測得的溫度過高時(shí)，通過調(diào)節(jié)水量來控制筒體表面溫度。在噴口部位，噴吹壓縮空氣，防止粉塵堵塞噴口，影響水霧形狀。系統(tǒng)的4個(gè)噴射裝置可以調(diào)節(jié)移動(dòng)至合適的位置，做到在最短的時(shí)間內(nèi)通過噴霧對筒體溫度進(jìn)行調(diào)控。

KCHSU裝置安裝的固定架長度為10m，裝置上設(shè)置4個(gè)可以移動(dòng)的噴嘴，每個(gè)噴嘴的移動(dòng)距離為2.6m，確保易紅窯部位10m長的筒體得以冷卻。

回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過程中，影響窯筒體溫度的各種因素是變化的，往往是大面積筒體溫度正常，而局部筒體產(chǎn)生高溫，連續(xù)冷卻則效率低。風(fēng)冷受風(fēng)機(jī)開停的影響，必須連續(xù)對筒體進(jìn)行冷卻，耗電量高。而水可隨時(shí)開停，且噴水量易于調(diào)控，再加上4個(gè)移動(dòng)噴嘴可分別開啟，對窯筒體進(jìn)行局部冷卻十分方便，且能較快地將高溫部位的筒體降至低溫，使之和周邊筒體溫度一致。

局部冷卻能減少筒體溫度過高產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，但冷卻過程中冷卻速率過快也會(huì)對筒體產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。現(xiàn)場的實(shí)踐和計(jì)算顯示，當(dāng)筒體溫度＜600℃時(shí)，冷卻溫度控制在每分鐘2℃以內(nèi)降低1℃，對金屬筒體的微細(xì)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響（圖5）。

水冷系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是能耗低，最大功率需約50W。噴水量低，操作費(fèi)用也低，能使筒體溫度長期保持在控制溫度內(nèi)，有利于延長耐火磚的使用壽命。

使用KCHSU裝置兩年的經(jīng)驗(yàn)顯示，窯的運(yùn)行時(shí)間可延長數(shù)周或數(shù)月。其原因是窯在運(yùn)行時(shí)，通過噴水霧降低筒體溫度，使溫度達(dá)到設(shè)定的控制值。同時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)和穩(wěn)定窯皮，從而延長了運(yùn)行時(shí)間，有利于計(jì)劃停窯的耐火磚備料及其有關(guān)的準(zhǔn)備工作。

4 水中含有石灰對噴霧的影響

噴水冷卻的水中含有石灰，是否會(huì)產(chǎn)生問題，文中作了如下回答。

（1）石灰在生銹的筒體上產(chǎn)生白色長條是否影響熱傳遞：經(jīng)驗(yàn)顯示，筒體上石灰層的厚度從未達(dá)到臨界的厚度，其原因是，窯在運(yùn)行時(shí)筒體表面處于十分干燥的工況，在石灰層達(dá)到臨界厚度前已碎裂。

（2）白色條狀石灰層是否影響紅外線掃描的讀數(shù)：石灰石的發(fā)射率為0.95，較鐵銹的筒體發(fā)射率0.69高得多，對窯的紅外掃描不會(huì)產(chǎn)生影響。

（3）石灰是否在噴嘴或系統(tǒng)管道閥門產(chǎn)生結(jié)塊：水中含石灰是會(huì)產(chǎn)生結(jié)塊，系統(tǒng)可通過連續(xù)檢測和監(jiān)測水壓或流量以避免結(jié)塊，在運(yùn)行的幾個(gè)月中，至今未發(fā)現(xiàn)結(jié)塊。此外，當(dāng)出現(xiàn)堵塞和結(jié)塊事故前兆時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出信息，指出故障，維修人員在幾分鐘內(nèi)即可完成對閥和噴嘴的清洗，避免結(jié)塊。

陳友德編譯自

No.9/2016 International Cement Review