不同的燃料，不同的耐火材料衬砌概念-中国和欧洲水泥回转窑之间的比较

简介
　　就第一印象，中国和欧洲的水泥回转窑看上去是非常类似的：外部整洁，转速慢且性能良好，停窑修理时，内部昏暗且灰尘飞扬。中国和欧洲窑生产的熟料在化学和矿物成分上基本上是类似的，特性也是基本类似的。
仔细考察可以发现在中国和欧洲的回转窑之间有一些差别。解释这种差别的原因之一是耐火原料的可用性，即商业方面的考虑，不过，更重要的是技术方面的原因：在欧洲用于制造水泥熟料的燃料和中国的燃料不同。下面的章节列出几个案例来说明在两个地区因燃料类型的差别而产生的耐火材料衬砌概念的差别。

中国水泥回转窑燃料

　　中国的水泥回转窑几乎只使用煤炭作为燃料。除少数特例外，基本都属于烟煤范畴（图1）。众所周知，因为煤炭火焰的高辐射率对窑内物料具有很高的热传递率，细度适宜的煤炭对于回转窑是最好的燃料。而且，富含氧化硅和氧化铝的煤灰颗粒在火焰温度作用下会转变成液滴，和窑内物料很容易形成熟料矿物。

图1：拣选的在水泥回转窑中使用的中国煤炭的热值与挥发份的函数关系

中国水泥回转窑的耐火材料衬砌的配置

　　以设计能力5000t/d 的预分解窑(. 4.8 x 72m)为例，其典型的耐火材料衬砌配置为，窑口使用高铝质浇注料，随后衬砌很短的一段碳化硅-莫来石砖，镁铬砖衬砌在具有稳定窑皮的区域，镁铁尖晶石砖或镁铝尖晶石砖衬砌在上过渡带（上过渡带一般是回转窑工况最为恶劣的区域），安全带衬砌镁铬砖，预热带衬砌高铝砖（见图2）。因而，（窑内的）碱性砖长度约为8,75 x 窑直径(D)。（窑内）稳定窑皮区段长度约x 5 窑直径(D)长。在第5-7 窑直径(D)区段，因频繁热震，火砖承受着严酷的热机械应力，火砖的寿命最短。

图2：现代中国预分解窑耐火材料衬砌配置。窑口（1），烧成带（2），上过渡带（3），安全带（4），预热带（5），碱性（砖衬砌）区域约8,75 D 长。
1. 选取的使用在中国水泥回转窑内的碱性耐火砖的特性在表1 中示出。

欧洲水泥回转窑燃料
　　二十五年前，欧洲水泥回转窑使用的燃料约90%为煤炭(1)。而后，欧洲水泥回转窑使用的燃料向两个方向发展：
　　中部和北部欧洲国家（如法国，德国，瑞士）持续地增加替代燃料的使用比例(2)。根据德国水泥厂协会(VDZ)的数据显示，在004 年总的燃料消耗量中，替代燃料的使用达42%。在过去的两年中，随着能源价格的急剧攀升，使用替代燃料的势头更猛，一家德国水泥集团最近宣布，在未来的三年内，增加替代燃料的比例到75%。地中海国家（如西班牙，希腊）具有便利的港口设施，几乎用自美国海岸沿线进口的石油焦完全替代了煤炭。
　　这两种类型的燃料，即替代燃料和石油焦，和煤炭相比较，含有很高的挥发性组分，（这些挥发性组分）会造成更严重的窑内循环。替代燃料倾向于把碱硫比(ASR)转向碱多的一侧(3)，而石油焦却有着相反的效果。显著而且持续地背离平衡的碱硫比ASR 会给耐火砖衬造成很高的热化学负荷，在此予以详述。

欧洲水泥回转窑耐火衬砌配置

　　欧洲（回转窑）使用的原料种类很多，下面讨论三条窑的情况：
　　窑A 是一条悬浮预热器窑(规格为5,2x78m)，设计产量为3000t/d，实际产量为2500t/d，原因在于使用替代燃料会产生更多体积的燃烧空气。（该窑）替代燃料的使用量达到70%的比例，为塑料，轮胎（自烟室喂入），动物肉类以及化学溶剂。传统燃料比例占30%，为烟煤和石油焦。
　　（该窑）窑口衬砌浇注料，随后在下过渡带使用镁铝尖晶石砖和镁锆砖衬砌。烧成带使用镁铁尖晶石砖衬砌（见表2，具代表性的欧洲碱性砖）。上过渡带使用镁铝尖晶石砖衬砌，安全带还是使用镁铁尖晶石砖衬砌。（该窑）总的碱性砖衬砌长度为10D（窑直径）。在预热带使用孔隙封闭的高铝砖衬砌，该型砖使用寿命的增加令人吃惊(4)。

　　图3：欧洲悬浮预热器窑耐火衬砌配置。窑口（1），下过渡带（2），烧成带（3），上过渡带（4），安全带（5），预热带（6），碱性砖衬砌长度为10D（窑径）。
　　（在这条窑上），对于耐火砖衬工况最恶劣的区域是下过渡带，该区域衬砌了镁铝尖晶石和镁锆砖，尽管这些砖由高纯度人工合成的镁砂制成，在K2O 过量的情况下(ASR 1,85)，还是会被硫酸碱渗透。“游离的” K2O 侵蚀尖晶石颗粒并且破坏了在氧化镁和尖晶石之间的陶瓷结合。
　
　　图4：取自下过渡带的镁铝尖晶石砖的岩相照片，左侧照片：镁铝尖晶石颗粒被铝酸钾包围（黑色）。右侧：纯的镁铝尖晶石（1）被K2O（2）侵蚀并且转变为铝酸钾(S)。
　　窑B 是一条悬浮预热器窑(规格为. 4,6 x 78m)，设计能力3000t/d。因当地的水泥需求强劲，实际生产能力为3500t/d。该窑使用的燃料为石油焦(7% S)比例为90%，替代燃料为10%.
　　该窑的窑口护铁衬砌红柱石-SiC 砖，下过渡带衬砌由镁铝尖晶石含量很低，人工合成镁砂制成的镁铝尖晶石砖。烧成带和上过渡带也衬砌镁铝尖晶石含量低的镁铝尖晶石砖。整窑的碱性砖衬砌长度为9D（窑径）。

　　图5：某条欧洲的悬浮预热器窑的耐火砖衬配置。窑口（1），下过渡带（2），烧成带（3），上过渡带（4），安全带（5），预热带（6）。碱性砖区域为9D（窑径）长。
　　（在这条窑上），对于耐火砖衬工况最恶劣的区域是下过渡带和上过渡带，主要是造成窑筒体温度高。自下过渡带取得的砖样（图6）显示出明显的火焰影响效果，即热负荷很高。火砖的热面被熟料液相渗透到深层，并且出现许多因其微观结构软化而产生的小裂纹。朝着冷面方向，砖样的颜色变白，指示出还原（气氛）工况以及在明显硫过多(ASR 0,63)情况下硫碱的富集。在冷面部分，硫碱及氯化物的含量也很高(2,09% K2O, 0,93% Na2O, 0,70% Cl, 3,29% SO3; ASR 0,67)，这足以解释在过渡带观察到的窑筒体温度高的现象。
　　
　　图6：旧的镁铝尖晶石砖切面，在热面（1）熟料液相渗透，白色区域（2）表明还原（气氛）工况以及冷面（3）严重的（硫碱及氯化物）渗透。
　　窑C 是一条预分解窑(. 4,8 x 76m)，设计能力为5000t/d。替代燃料（塑料，旧轮胎，工业废物，动物肉类）比例占到69%，褐煤占到31%。仅当分解炉使用替代燃料时，窑产量会降低。
　　（该窑）窑口衬砌传统的高铝砖(80% Al2O3)。自窑点火以来，（该窑）碱性砖区域仅由一种砖构成，即镁铝尖晶石含量很低的，由人工合成镁砂制成的镁铝尖晶石砖。碱性砖区域长度为11,3 D（窑径）。预热带区域的下部衬砌经过特别孔隙封闭处理过的高铝砖，靠近窑尾的上部衬砌传统的高铝砖(50% Al2O3)。

　 　图7：某条欧洲预分解窑的衬砌配置。窑口（1），烧成带，上过渡带以及安全带（2）衬砌镁铝尖晶石砖，预热带（3）。碱性砖区域 长11,3 D（窑径）。
　　尽管该条窑使用很高比例的替代燃料，但该条窑的耐火材料使用寿命很长。火砖在3-4内不需要更换，回转窑的单位砖耗<50 g/t 熟料。

结论

　　在中国和欧洲的水泥回转窑上，耐火砖衬配置上的差别可解释为使用不同的燃料所致。在使用煤炭作为燃料的中国回转窑烧成带上，耐火材料处于“十分理想”的工况，使用天然烧结镁砂及铬铁矿，镁铝尖晶石以及镁铁尖晶石作为添加成分的中国火砖可达到所需的弹性及抗热震特性。
　　使用在欧洲的水泥回转窑上的耐火砖衬通常要承受更加恶劣的工况：传统燃料以很高的比例被各种替代燃料代替，并且石油焦加重了化学热负荷。安装在工况恶劣的下/上过渡带的火砖所以要用人工合成的烧结氧化镁制成以抵抗严酷的化学应力。碱性砖区域长度要比中国的回转窑长。在欧洲，在预热带，新型的特别孔隙封闭处理的高铝砖是专门为高碱/硫比环境研制的，在欧洲的回转窑上应用得十分成功。
　　如果严格控制了工艺参数并且仔细地选择了合适的耐火材料，即使使用很高比例的替代燃料，耐火材料的单位消耗依然可以达到很低的水平。

参考文献
(1) ROSEMANN,H.: Effect of the type and point of application of the fuel on the energy consumption, operating
behaviour and emission of rotary kiln plants. – ZEMENT-KALK-GIPS, Nr. 5/1988, pp. 231-236.
(2) CHANDELLE, J.-M.: Alternative fuels: The .valorisation“ of waste in the cement industry. – CEMENT
INTERNATIONAL, vol. 1, 4/2003, pp. 50-60.
(3) LUDWIG, H.-M.: Influence of the process technology on the manufacture of market-oriented cements, Part 2. –
CEMENT INTERNATIONAL, vol. 1, 6/2003, pp. 74-87.
(4) NIEVOLL, J. & MONSBERGER, G.: The Performance of Specially Impregnated Alumina Bricks. – RHI Bulletin,
2/2004, pp. 11-14.

附表：
2 表格

表1：拣选的中国水泥回转窑耐火砖的成分

表2：具有代表性的欧洲水泥回转窑耐火砖的成分