水泥生产的技术进展和耐火材料的发展趋势(上)

20世纪水泥工业有两次重大的技术突破，第一次是回转窑在本世纪初得到全面推广，第二次是窑外分解技术的出现，大大提高了水泥窑的热效率和单机生产能力，促进了水泥工业向大型化、现代化的发展，而与水泥工业配套的耐火衬料，也反映出此发展趋势。简略地说，20世纪初至50年代是以粘土、高铝质耐火材料来满足以湿法窑为主的传统回转窑的生产需求。50年代以后，上述材料的性能进一步完善和提高，出现了以镁质耐火材料来适应悬浮预热、窑外分解窑技术的发展。
　　

本文就水泥熟料生产的技术进展，尤其是窑外分解窑出现后的技术完善和进展对配套的耐火材料的发展作一探讨。

1　水泥生产技术的进展对耐火材料的需求

1.1　传统回转窑对耐火材料的需求
　　

早期的传统回转窑是料浆煅烧的湿法窑和料粉煅烧的干法长窑、余热锅炉窑，一般配用单筒和多筒冷却机。窑的热耗均在6500kJ/kg熟料以上，熟料在窑内煅烧温度一般低于1350℃，烧成带用普通高铝砖，其余部份使用粘土砖，此后，出现了利用窑尾废气的立波尔加热机以及配套的篦冷机，热耗降低至5000kJ/kg熟料左右，熟料煅烧温度超过1350℃，要求具有较高的耐火度和抗熟料化学侵蚀及抗震性能强的新品种耐火砖，此时，出现了特种高铝砖、磷酸盐砖及普通镁质碱性砖，这些耐火砖满足了生产需求，还进一步提高了一般的传统窑衬料的使用周期，得以广泛推广应用。

1.2　预热器窑对耐火材料的需求

1.2.1　衬砌部位的不同
　　

传统窑衬料主要用在回转窑，冷却筒和窑门罩，材质、砖型砌筑主要按回转设备要求考虑的，立波尔窑除了回转窑使用的衬砖外，增加了加热机和篦冷机的衬砌，而预热器窑的衬料只有部分用在回转窑内，大部分用在形状复杂的预热器系统的设备内，所需衬料的材质、砖型、砌筑要求与回转窑内衬料是不同的。

1.2.2　窑温及其影响
　　

预热器窑的配料率值中的硅酸率SM、铝氧率IM较传统窑高，熟料煅烧温度高，再加上多风道燃烧器形成的高温，使整个窑内气流和物料温度远远超过传统窑相似部位的温度，国外的大型预热器窑内熟料煅烧温度超过1400℃，热耗低于3500kJ/kg熟料，在此高温情况下，熟料中的钙硅融熔物和碱硫化合物与Al2O3形成低温共熔体，在工况苛刻的窑上，几天之内可将高铝质衬砖损坏，只得在窑内大量使用碱性砖，窑内碱性砖的长度约（7～10）D。

1.2.3　碱硫挥发性组分的侵蚀及影响
　　

预热器系统内，碱硫氯等化合物组分挥发凝聚，反复循环导致窑料中这些组分的富集，在系统下部的预热器、进料室、上升烟道等温度较高的部位易结皮阻塞、干扰正常生产。此外，衬料受碱氯硫化合物的气体和结皮物的侵蚀，形成膨胀性碱裂损坏，在上述易结皮部位，采用系列耐碱侵蚀的半酸性粘土砖和耐火浇注料。
　　

另一差别在回转窑内，部分富集的碱氯硫化合物随窑料从预热器进入窑内，在熟料煅烧过程中，部分化合物挥发，侵蚀窑内未结皮的衬砖，而熟料内的化合物因熔融温度较低，在高温煅烧部位以液相形式存在熟料内，侵蚀烧成带和上下过滤带的衬砖，给上述部位的窑内衬砖提出了较高的抗碱氯硫化合物的侵蚀功能的需求。

1.2.4　窑速的影响
　　

常规窑的窑速为1r/min，而预热器窑的窑速为2r/min，窑速高，窑内火焰和窑料之间温差对衬砖造成的热震破坏次数增大，遭受的轴向挤压和向下的推力增强，对衬砖的强度和衬砌缝隙以及胶泥的性能均提出了要求。

1.2.5　材质的差别
　　

预热器窑内的衬砖不论从窑温、窑在回转过程中造成的机械应力，以及碱氯硫化合物的化学侵蚀均提出了比立波尔窑更高的要求，在此期间出现了半直接接合镁铬砖、直接接合镁铬砖和白云石砖等产品。此类产品耐火度高、抗熟料和碱氯硫等化学侵蚀，抗热震等机械性能强，挂窑皮性能优良，进一步满足了各种不同生产方式窑型的需求。

1.2.6　系统内不动设备结构复杂的影响
　　

预热器系统内不动设备多而形状复杂，为简化砖型，一方面制定标准化的砖型，在圆形和圆锥部位采用配砖设计，简化砖形数量，另一方面在形状复杂的部位使用耐火浇注料，相应减少砖形数量，通过上述措施，一套预热器窑的砖型数量由原来的120种减少至20余种，由于不同部位对耐火浇注料的需求，促进了它的发展。

1.2.7　节能要求
　　

预热器窑不动设备的表面散热面积>1m2/d.t熟料，筒体散热损失较大。减少衬体散热损失，不仅降低能耗，更重要的是维持系统内的温度，提高入窑物料分解率，有利于保持窑内热工制度正常和稳定。在此需求下，出现了导热系数低，工况温度高，容重轻的硬质硅酸钙板隔热材料和性能优良的隔热砖。

1.3　窑外分解窑对耐火衬料的需求
　　

70年代中期，在预热器窑生产的基础上，出现了窑外分解窑，在窑尾预热器系统内增设分解炉，从冷却机抽热风通过三次风管入分解炉内作燃烧空气。分解炉内燃料提供的热量供生料分解用，煅烧熟料的热量由窑头燃烧器提供。由于生料分解所需的热量较熟料煅烧的热量多，在生产过程中，约60％的燃料由分解炉提供，而40％的燃料由窑头燃烧器供应，因而在同一直径的窑，产量几乎增加了1倍以上，热耗相应降低。窑外分解窑出现后，就成为水泥生产技术发展的主流，在世界各国广为发展。窑外分解窑是从预热器窑技术发展的，耐火材料的技术要求基本和预热器窑接近，差别在于：
　　

(1)在相同产量的情况下，窑外分解窑在烧成带的热力强度较预热器窑有较大程度的下降，入窑物料分解率提高，烧成带的窑皮长度较预热器窑有所增长，窑内同一部位使用相同材质的耐火砖，则砖的使用周期有所提高。
　　

(2)窑尾物料分解率提高，窑尾废气温度增加，窑料内所含的碱氯硫相同的情况下，窑外分解窑在预热器系统下部设备内的衬砖所遭受的碱氯硫侵蚀较预热器窑重些。
　　

(3)窑速加快至3r/min，对窑内衬砖的热震破坏和机械应力增大。

2　窑外分解窑生产技术的进展
　　

窑外分解窑出现以来，窑的热效率和单机生产能力大幅度提高，促进了水泥工业向大型化、现代化的发展，与耐火材料有关的主要表现在：

2.1　生产能力大型化
　　

70年代水泥熟料生产线主要规模为1000～4000t/d，80年代为3000～5000t/d，90年代为4000～10000t/d。世界上已投产的日产5000t熟料以上规模的生产线超过80条，7000t以上生产线接近30条，9000～10000t生产线为4条，正在兴建的最大规格窑为Φ6.2m×105m，日产12000t熟料生产线。

2.2　先进的水泥熟料生产技术

2.2.1　生料均化技术
　　

生料均化技术主要包括矿山计算机三维开采、预均化堆场、在线测试控制、精度高的计量秤、均化库，确保了入窑生料成分和数量的均匀，保持了窑的稳定生产和产品质量优良。

2.2.2　熟料煅烧技术
　　

熟料煅烧装备由预热器、分解炉系统、回转窑、篦冷机、燃烧器等项装备组成，主要技术进展为：
　　

(1)预热器、分解炉系统的性能和效率进一步完善与提高，预热器由4级逐步增加到6级，分解炉能使不同性能的原燃料分解和燃烧。系统的入窑物料分解率已增至95％，窑尾废气温度提高至1200℃以上。
　　

(2)入窑物料分解率逐步增加，窑的长度逐步缩短，长径比从 >15下降到10～11，转速从3r/min，逐渐提高到4r/min以上，窑的容积产量从2.5t熟料/m3.d，提高至5t熟料/m3.d以上。
　　

(3)高效率的充气梁篦冷机逐步取代厚层篦冷机，热效率从68％～70％提高至76％以上，入窑二次风温提高至1200℃，入分解炉三次风温接近900℃。(4)多风道燃烧器广泛应用，此类燃烧器不仅用于烧油，更多的适用于烧煤和工业废燃料，做到不同燃料混烧，燃烧器火焰集中，气温高，还可减少NOx的排放。
　　

上述装备组成的烧成系统热耗，70年代一般为3350～3550kJ/kg熟料，筒体散热损失为450kJ/kg熟料，窑运转率85％左右，

90年代技术先进的大型窑外分解窑6级预热器的热耗低于2900kJ/kg熟料，筒体散装损失低于200kJ/kg熟料，窑运转率提高至95％以上。

2.3　生态化水泥生产技术

2.3.1　燃料结构的变化
　　

早期的窑外分解窑所用的燃料主要为燃油，70年代的石油危机造成燃油价格上涨，价格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的挥发分、灰分、热值、硫含量变化较大，燃烧较燃油困难，总的说来，在生料设计中，必须考虑燃煤灰分沉积在窑料内作为熟料成分，而分解炉设计时，必须考虑足够的燃烧时间，确保燃料燃烬，燃烧器设计必须考虑火焰有利于熟料煅烧。在烧煤的基础上，一些工业化国家从80年代中期开始，逐步使用价格更为便宜的工业废燃料，如石油焦、废轮胎、废机油、废塑料及有毒有害工业废弃物等，且愈来愈多。

2.3.2　污染物排放控制
　　

从80年代起，工业化国家在水泥生产过程中，加强了有害物排放的控制，主要为CO2、NOX、SOX、粉尘以及六价铬造成的水污染等，上述物质的排放制定了严格的控制指标，在水泥熟料生产控制过程中，一些技术先进的水泥熟料生产线均能满足环保控制的需求.