翟鵬濤 劉宗虎 朱其川 石珍明 劉志強 翟耀杰

1）河南瑞泰耐火材料科技有限公司 河南鄭州451100

2）中國建材股份有限公司 北京100036

3）河南瑞泰節(jié)能新技術(shù)有限公司 河南鄭州452370

水泥工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色發(fā)展對“碳達峰、碳中和”具有良好的推動作用。據(jù)統(tǒng)計，新型干法水泥生產(chǎn)線每噸水泥熟料的生產(chǎn)過程中燃料和電力消耗產(chǎn)生的CO2排放量約為0.3 t，其中每噸水泥熟料標準煤耗均值大于3.31 MJ，能源、資源消耗量偏高［1-2］。在水泥回轉(zhuǎn)窯中，物料溫度達到1 450℃，物料流動對窯襯的工作面具有沖刷作用，當前普遍選用耐高溫、抗侵蝕性能良好的鎂質(zhì)磚進行窯襯砌筑。然而，鎂質(zhì)磚熱導率大，導致窯爐熱量散失較快，燒成帶和過渡帶的窯筒體外表面溫度可達310～360℃［3-4］。降低窯襯的導熱量和筒體表面溫度是減少窯系統(tǒng)熱量散失的有效途徑。因此，窯襯材料不僅要耐高溫、耐物料的侵蝕和沖刷，還要節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長壽高效、安全穩(wěn)定等［5-7］。

為進一步降低水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯的導熱量，通過材料的集成模塊化和輕量化，研發(fā)了水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶用節(jié)能窯襯，并探索了不同集成模塊化結(jié)構(gòu)對節(jié)能窯襯的保溫效果。

1 試驗

1.1 節(jié)能窯襯的選材

水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶用節(jié)能窯襯由工作層、功能托板、保溫層和隔熱層組成，分別標記為H1、H2、H3和H4，其選材分別為輕量化方鎂石-鎂鋁尖晶石材料、氮化硅結(jié)合碳化硅質(zhì)材料、鋁硅質(zhì)陶瓷保溫材料和納米微孔隔熱材料，各材質(zhì)的主要性能指標如表1所示。由表1可知，輕量化方鎂石-鎂鋁尖晶石材料因引入了微孔多孔方鎂石-鎂鋁尖晶石骨料，與傳統(tǒng)的致密鎂鋁尖晶石磚相比，具有更低的體積密度和熱導率，更高的強度，能滿足高溫服役基礎上節(jié)能降耗的效果［8-9］。

表1 各材質(zhì)的主要性能指標

1.2 節(jié)能窯襯的模塊化設計

以某5 000 t·d-1水泥回轉(zhuǎn)窯（φ4.8 m×72 m）為例設計節(jié)能窯襯的單元尺寸，確定集成模塊的長度為497 mm，厚度為220 mm，寬度內(nèi)弧長為450 mm，寬度外弧長為500 mm。即每環(huán)設置30個單元模塊，并在厚度方向上從熱面到窯筒體按工作層—功能托板—保溫層—隔熱層的順序變換各層厚度，但總厚度保持220 mm不變。

使用模擬軟件FloEFD，對水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶的使用工況做了簡化，設置邊界條件如下：物料溫度恒定為1 450℃；單元體周圍是吸熱散熱平衡的隔熱壁面；爐殼外部空氣溫度為25℃，對流換熱系數(shù)為25 W·m-2·℃-1。固定窯筒體鋼材的厚度為25 mm，不同組合方式的各層厚度見表2，依據(jù)表2分別建立模型，并設置內(nèi)表面熱源溫度為1 450℃，按熱對流和熱傳導方式對各模型中的筒體表面溫度和各層間溫度進行模擬計算，依此選擇合適的集成模塊化結(jié)構(gòu)。

表2 節(jié)能窯襯不同組合方式的各層厚度

2 結(jié)果與討論

在不同組合方式下沿厚度方向距熱面不同距離的模擬溫度見圖1。可見，只進行磚砌筑的C1組合方式下窯筒體模擬溫度為309℃，C3和C6組合方式下窯筒體模擬溫度在150～200℃，而在C2、C4和C5的組合方式下，窯筒體模擬溫度在60～90℃。對于增設保溫層和／或隔熱層的C2～C6組合，窯筒體模擬溫度均能夠控制在200℃以下。因此，保溫類材料的引入可以有效降低窯筒體溫度及熱量散失。

圖1 在不同組合方式下距熱面不同距離的模擬溫度

由圖1和表2及表1還可以看出，C2和C3組合采用了兩層結(jié)構(gòu)。C2組合是采用工作層H1和隔熱層H4，在距熱面190 mm處，H1／H4的界面溫度為1 193℃，高于隔熱材料的最高使用溫度1 000℃。C3組合是采用工作層H1和保溫層H3，在距熱面190 mm處，H1／H3的界面溫度為1 079℃，低于鋁硅質(zhì)保溫材料的最高使用溫度1 360℃，符合溫度的使用要求。但是，鋁硅質(zhì)材料的常溫耐壓強度最低僅為0.5 MPa，難以承受水泥回轉(zhuǎn)窯在運行過程中由窯襯軸向滑移和環(huán)向擠壓所產(chǎn)生的應力。因此，C2和C3組合均超出了隔熱層和保溫層所選材料的許用性能范圍。C4、C5和C6組合中采用了4層結(jié)構(gòu)，即工作層、功能托板、保溫層和隔熱層，在C4組合下距熱面距離為195 mm處，在C5組合下距熱面距離為205 mm處，即C4和C5組合下保溫層H3和隔熱層H4的界面溫度分別達到1 243和1 113℃，均高于隔熱層選用的納米隔熱材料的最高使用溫度1 000℃，可能造成材料的失效損毀。在C6組合下，在距熱面140、190、215 mm處，分別對應于工作層H1與功能托板H2、功能托板H2與保溫層H3、保溫層H3與隔熱層H4的界面溫度，為1 237、1 216、732℃，說明在C6組合中各層材質(zhì)均在許用溫度范圍內(nèi)。為避免強度較低的鋁硅質(zhì)保溫材料和納米隔熱材料因受壓變形而影響其保溫性能，為此設置了支撐結(jié)構(gòu)，其材料選用了功能托板的材質(zhì)，即氮化硅結(jié)合碳化硅質(zhì)材料，其示意圖見圖2。因此，改進后的C6組合是較為科學的組合方案。

圖2 含支撐結(jié)構(gòu)的C6組合下節(jié)能窯襯的示意圖

3 水泥回轉(zhuǎn)窯節(jié)能窯襯的應用

將改進后C6組合的模塊化節(jié)能窯襯在φ4.8 m×72 m的5 000 t·d-1新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯中進行應用，并與燒成帶、上下過渡帶采用傳統(tǒng)的致密鎂質(zhì)磚（鎂鐵尖晶石磚和鎂鋁尖晶石磚）砌筑的窯襯進行比較，模塊化節(jié)能窯襯正常運行5個月時水泥回轉(zhuǎn)窯的筒體表面溫度實測數(shù)據(jù)比較見表3。可以看出，使用傳統(tǒng)致密鎂質(zhì)磚砌筑的窯筒體燒成帶和過渡帶平均溫度在300℃以上，而使用節(jié)能窯襯后筒體溫度明顯降低，平均溫度在200℃左右。因此，節(jié)能窯襯有效降低了筒體的表面溫度，減少了窯爐的熱量散失，進而能夠降低噸水泥熟料的煤、電能源消耗，減少大氣污染物的排放量。

表3 回轉(zhuǎn)窯節(jié)能窯襯應用前后筒體表面溫度比較

在φ4.8 m×72 m干法水泥回轉(zhuǎn)窯上按照VDZ磚型進行配置，砌筑傳統(tǒng)的致密鎂鋁尖晶石磚，回轉(zhuǎn)窯每米需要砌1 005塊磚。而采用節(jié)能窯襯后，每米僅需要完成60個模塊的安裝。在提高施工效率的同時，也使得窯襯的總體質(zhì)量由傳統(tǒng)耐火磚砌筑時的650 t減少為節(jié)能窯襯配置時的528 t，整體窯襯質(zhì)量減輕了122 t，減輕18.7%，能夠減小窯筒體輪帶區(qū)所承擔的荷載，對防止筒體變形也起到了積極作用。

4 結(jié)論

（1）在6組集成模塊化結(jié)構(gòu)的模擬試驗中，C6組合方式下的各層材質(zhì)均能夠滿足其許用溫度，同時設置的支撐結(jié)構(gòu)保護了鋁硅質(zhì)保溫材料和納米隔熱材料，是較為合理的集成模塊化結(jié)構(gòu)。

（2）在φ4.8 m×72 m干法水泥回轉(zhuǎn)窯的應用中，與傳統(tǒng)磚砌筑的窯襯相比，節(jié)能窯襯能夠減輕窯襯質(zhì)量，有效降低窯筒體表面溫度，進而減少熱量散失及能源消耗，為水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯的節(jié)能配置提供了新方案。