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对硅酸铝陶瓷纤维板用于水泥工业高温部位做隔热板的几点看法

点击:更新日期:2014-04-18 10:04:58【打印】【关闭】

对硅酸铝陶瓷纤维板用于水泥工业高温部位作隔热板的几点看法   天津水泥工业设计研究院    陈友德 中国建材院耐火所前所长    周季婻

对硅酸铝陶瓷纤维板用于水泥工业高温部位作隔热板的几点看法

 

天津水泥工业设计研究院    陈友德

中国建材院耐火所前所长    周季婻

 

上世纪九十年代以来,能源价格上涨,国内外的一些水泥企业为降低生产成本,采用价格相对低些的无烟煤和石油焦煅烧水泥,上述燃料的挥发份一般低于10%,燃烧时火焰相对集中,易在分解炉内燃烧部位产生局部高温,尤其在使用挥发份低于6%的无烟煤作燃料的初期,国外资料称分解炉内最高火焰温度在1400℃以上,炉内火砖热面最高温度接近1300℃,国内也遇到类似的工况,上述温度对分解炉内的耐火衬料增加了热应力,为解决这个问题,有些单位在分解炉、上升烟道、窑门罩和冷却机进料口高温部位的隔热层,采用硅酸铝陶瓷纤维板(简称陶瓷纤维板或硅酸铝纤维板),个别广告称硅酸铝纤维板和硅酸钙板,轻质隔热硅藻土砖相比,有着不可比拟的优越性,还具有非脆性材质、零破损率、耐压强度大、表面平整、导热系数低、规格大、接缝少,韧性好,施工可操作性强,抗风蚀、热容量小等一系列优良特性,上述宣传受到人们的怀疑,为弄清这个情况,查阅了一些资料和实际使用情况(没有查阅到硅酸铝纤维板的国家标准),按多年的设计、研究、实践经验和所掌握的资料来谈点看法,供有关单位使用时参考!

1.硅酸铝陶瓷纤维板物化性能:

水泥工业以往未使用过硅酸铝纤维板,一些工厂的样品也没有对使用温度作出明确表达,硅酸铝纤维板是有机粘结剂将硅酸铝纤维粘结而成,现就硅酸铝纤维的性能作一介绍:

1.1  耐火温度

硅酸铝纤维在温度上分为分类温度和最高使用温度,在考虑到窑炉气氛影响的情况下,国外对耐火纤维的分类温度及最高使用温度的规定见表1(1)。三者关系大致为:

在氧化性气氛中最高使用温度要分比类温度低100~150℃

在还原性气氛中最高使用温度要分比类温度低200~250℃

在真空气氛中最高使用温度要分比类温度低400~450℃

表1        硅酸铝纤维分类温度及最高使用温度

 

分类温度

纤维类型

最高使用温度,℃

氧化气氛

还原气氛

连续

短时

1260

高纯硅酸铝纤维,Al2O3 45~50%

1100

1260

有条件的用到1100

1400

高铝纤维,Al2O3 55~60%

1200

1400

1420

含铬硅酸铝纤维,Al2O3 55%

                Cr2O3 3.5%

1200

1400

1500

高纯氧化铝混合纤维

1400

1500

约比氧化气氛低200

1600

高铝氧化铝混合纤维

1500

1600

1600

氧化铝纤维95% Al2O3

1500

1600

比氧化气氛低100

在水泥窑烧成系统使用硅酸铝纤维时,预热器、分解炉处在氧化和还原气氛共存的工况,而窑门、冷却机、三次风管主要处在氧化气氛,必须注意使用部位的工况条件来分别对待,样本标明的分类温度并不代表最高使用温度,在使用时只能作参考。

分类温度只是表明,当硅酸铝等主要成份达到要求时才具有表1标明的温度,事实上,相当部份的企业产品,难于完全满足产品质量标准要求,其最高使用温度要比表1所标明的温度要低些,正如表1标明的在分类温度1260、1400、1420℃三种类型的硅酸铝纤维板,在还原气氛下若扣除200-250℃为1060-1010、1200-1150、1220-1170℃,但表上明确有条件的用到1100℃,实际上可能最高使用温度还要低,这要视现场使用条件和产品质量来定。

有人(1)提出国产的的玻璃态纤维长期使用温度为:普通硅酸铝纤维1000℃、高纯硅酸铝纤维1100℃、高铝和含铬硅酸铝纤维1150℃,但在窑炉内与托砖板接触部位,则需另行考虑温度,上述使用温度并未注明是氧化还是还原工况。

1.2  强度

所有的硅酸铝纤维板都靠有机结合剂来增加其冷态强度,冷态强度较高,为0.5~0.6MPa,有机结合剂含量为5%~8%,样本上明确表明在200℃~300℃时有机结合剂就被烧掉,高温烧掉后板的强度很低,用手就可瓣开,经国家级检查单位检测后的耐压强度约为原强度的1/3左右,分别为0.188MP-0.217MP。

1.3  导热系数(2)(3)

体积密度220kg/m3硅酸铝纤维板的理论导热系数热面为800℃时≤0.116w/m°k,而体积密度为220~280kg/m3的硅酸铝纤维板热面为1000℃时为≤0.135w/m.k°,而分类温度为1260℃,体积密度为300kg/m3的硅酸铝纤维板在平均600℃时,为0.145-0.165 w/m.k°。

1.4  密度(2)(3)

有机物烧掉后,体积密度有所变化。样品为220kg/m3,烧后检测的密度为244kg/m3,样品为300kg/m3,烧后为280kg/m3。

2.对人体影响

2004年海军工程大学动力工程学院杨自春博士等人在文章中明确提出硅酸铝耐火纤维材料高温粉化后对人体皮肤和呼吸系统有严重损害,在国外被定为2B类致癌物质(4)。

90年代上海市劳动卫生职业病防治研究所  王美琳等人在文章中明确指出,国内生产的耐纤直径为2~3μm。测定结果表明生产场所空气中呼吸性石棉纤维和耐纤分别占总纤维数的70%和80%。因此认为耐火纤维具有类似石棉纤维的空气动力学性质,同样可随气流深入肺泡,并产生类似石棉的病理学反应的可能性(5)。需说明的石棉制品国内已禁用。

3.硅酸铝纤维板在窑炉内损坏情况

资料所示,硅酸铝纤维板在不含粉尘的高温窑炉内的损坏情况如下:(1)

硅酸铝晶体纤微微观组织的收缩必然导致制品在宏观上出现体积收缩。纤维在体积上的收缩表现为制品单元间缝隙的增大,这样的缝隙可以使火焰通过,使锚固件、炉顶钢板产生严重的氧化烧损,如图1所示。

图1    晶体纤维炉衬收缩损坏机理示意图

高温工作面长时间受热后,先从纤维工作面单元接触处裂开锥形缝,火焰经缝隙窜入接触缝内的两侧纤维,将工作面垂直的两侧纤维变成了工作面。由于纤维的收缩方向总是垂直于纤维与火焰的接触面并且向内,因此收缩缝会越来越大,最终会由于以下几种原因使纤维脱落:

    (1)火焰接触钢板时钢板被烧红变形,钢板变形造成的应力足以使纤维结构受到致命的破坏。

    (2)火焰接触到内层纤维后,会使纤维制品粉化,再加上纤维重力的作用,最终会导致纤维脱落。

    (3)火焰接触到金属锚固件时,锚固件的变形和氧化也足以使纤维脱落。

    以上3种破坏形式也适用于玻璃态纤维的炉衬结构,因此说,纤维收缩造成的损坏是多方面的。大面积的全纤维炉衬,只要有一处出现施工错误,所造成的恶性循环将波及整个结构(1)。

4.水泥烧成系统生产过程中可能出现的问题

水泥烧成系统不动装备中的预热器、分解炉、窑门、冷却机、三次风管的工作层厚度为114mm~124mm,隔热层根据工况温度不同,厚度为65m-115mm,用得最多的是100mm~115mm。

水泥窑烧成系统内衬砌隔热板与冶金等工业窑炉不同之处在于:

1.水泥窑烧成系统内不仅气流温度较高,而且烟气含尘浓度高,气体风速大,此外烟气和粉尘均含有一些钾、氯、硫等化合物。易对衬料产生化学侵蚀。

2.隔热衬料一般设置在工作层和金属筒体之间,受金属托砖板受热变形的热机械损坏,也受含尘烟气透过耐火砖砖缝、耐火浇注料的锚固件温差应力产生的缝隙、膨胀缝和结构缝的热化学侵蚀和磨蚀作用。

3.水泥窑内既有氧化气氛的装备,如冷却机、三次风管和窑门又有氧化和还原气氛同时共存的装备,如预热器、分解炉,在生产过程中,上述各装备之间温差较大,氧化气氛的装备中,高温部位的是窑门和冷却机进料口,氧化和还原气氛的装备最高温度是烧无烟煤的分解炉和上升烟道。此外,近年来为降低NOx排放,采用还原气氛条件下的分级煅烧,则分解炉内燃烧部位基本上是还原气氛,温度也低些。

在生产过程中的二级、一级预热器和冷却机低温部位因气流温度低,隔热层温度可能接近300℃,硅酸铝纤维板内有机结合剂有可能不会完全被烧坏,其余的不动装备内因隔热层温度超过300℃存在全部被烧掉的可能,其结果将出现如下情况:

①5%~8%的有机物烧掉后,硅酸铝纤维板的强度大幅下降,基本失去强度,且表面特别粗糙,体积密度有所变化,原有体积相应增加5%~8%的空隙。在预热器、分解炉系统结皮部位的硅酸铝纤维板,因强度太低,人工或空气炮清理造成震动,很易坍塌。

②硅酸铝纤维板内呈现大量空隙,高温含尘气流经托砖板和隔热层之间的间隙,耐火砖内的砖缝、耐火浇注料的膨胀、结构缝进入,粉尘则沉积在含有大量空隙的硅酸铝纤维板内,增大了板的密度,致使隔热板的导热系数增大,传热量增加,势必造成金属筒体表面温度上升,散热损失增大,对生产不利,增加热耗。若气流温度超过最高使用温度,则硅酸铝晶化变成粉末,易造成隔热层整体坍塌。此外含有碱、氯、硫化合物的含尘烟气会对硅酸铝产生化学侵蚀。

③工作层在长期生产中磨蚀或脱落,没有多大强度的且表面粗糙的硅酸铝纤维板很难直接与高温含尘气流接触,一方面受高温作用粉化,另一方面旋风筒、分解炉内的气流速度很高,势必将强度很低的硅酸铝纤维磨蚀或大片坍落。

④硅酸铝纤维板与金属托板和锚固件接触部位,由于金属易传热很易使接触面的硅酸铝纤维粉化,另一方面金属受热变形,又易使板受力损坏。

⑤在生产过程中,硅酸铝纤维板内粉尘量增多,导热系数增大,则最外层的筒体表面温度上升,此时筒体受热膨胀向外,所留的膨胀间隙内大量沉积粉尘,生产中若出现事故停窑时,筒体接触空气冷却,体积减小,此时金属筒体向隔热层施力,隔热层又向工作层施力,多次反覆的结果是工作层向外坍倒或者金属外壳变型,这个现象随生产时间增加而加重。

⑥若高温热气流内富集含碱硫氯粉尘,必将与Al2O3作用,形成导热系数极差,强度低且体积膨胀的的化合物,使其失去隔热功能,这是Al2O3的致命缺点之一。

上述情况表明,硅酸铝纤维板在冷态时具有较好的表面平整度,且强度较高易施工,在生产线投产初期具有一定效果,但有机粘结剂烧掉后强度大幅下降,高温粉尘易沉积,导热系数增加,筒体表面温度相应增加,且易损坏,不适合用于水泥烧成装备上。

5.国际国内使用隔热材料的情况

70年代,国内水泥生产装备上曾使用过硅酸铝纤维制品,其效果较差,半年至一年时间,大多粉化,由于上述原因再加粉末对人体有害,没有推广应用。

国内大量使用硅酸钙板的情况是这样的:80年代引进的IHI公司的冀东、MHI公司的宁国、宝钢、FLS公司的珠江、柳州、顺昌以及我们掌握的KHD的新疆、Polysius公司的大宇烧成装备的耐火砖图,均使用硅酸钙板,在原国家建材局直接关怀下,中国建筑材料研究院耐火材料研究所开发了此产品,获得国家级、部级科技奖在国内开始大量应用。进入21世纪,虽引进装备不多,但海螺的4条10000t/d生产线、一条8000t/d生产线以及国际上最大的一些跨国水泥集团,在我国江西亚东、都江堰等兴建的生产线均明确使用硅酸钙板,近年来查阅到的多份国外杂志上的资料,一般条件及高温条件仍然使用的硅酸钙板,在煅烧工业废弃物出现严重的碱氯硫侵蚀时,采用抗碱氯硫盐化学侵蚀的耐火浇注隔热衬料,尚未查到国外用硅酸铝纤维板的资料。

国外在90年代遇到煅烧低挥发石油焦等燃料出现分解炉气体高温时,也遇到事故(图1)。详细地分析了事故的原因,主要为:①长时期以来,水泥煅烧使用挥发份较高的燃料,改用低挥发燃料后,性能尚未完全掌握,尤其是燃烧器的位置及工艺参数都需与低挥发燃料相适应,因而在燃烧火焰附近的部位,造成局部高温。②原有的托砖板设计方式有问题(图2),托砖板上垫硅酸铝纤维棉(个别公司图纸要求纤维棉用金属网包住),而纤维棉易受热和高温含尘气流冲刷损坏,当纤维棉损坏后,金属托砖板直接与高温含尘气流接触,受高温气流加热膨胀产生变形,极易使工作层和隔热层的材料受力损坏。③工作层和隔热层之间的界面温度超出隔热材料的最高使用温度,隔热层难于承受高温工况条件。

针对上述问题,作出了改进措施,主要有:①改善燃烧器燃烧性能,使低挥发份的燃料火焰均匀稳定,调整燃烧器的位置,使之更好的对生料加热,相应减少火焰的峰值温度。②设计密封型托砖板(图3),尽量防止含尘热气流与金属托砖板和硅酸钙板接触,事实上分解炉即使出现1200℃以上的温度,通过高铝质工作层衬料后,到达隔热层的表面温度一般均低于1100℃。高温硅酸钙板的最高使用温度是能承受的,此方法避免了金属托砖板受热变形造成缝隙,热气流经缝隙直接与硅酸钙板接触造成的损坏,解决的办法很成功,可惜国内没有看到应用。此外在窑门罩,采用顶部金属筒体提拉办法,避免筒体下沉造成火砖或耐火浇注料受压损坏等等措施。上述衬墙均未用硅酸铝纤维板,而是用硅酸钙板。③在硅酸钙板确实难于适应高出1100℃的隔热层表面温度时,在工作层和隔热层之间增加一层工况使用温度可达1300℃的隔热浇注料,通过隔热浇注料,温度下降至1100℃以下,然后使用硅酸钙板隔热,以达到较低的筒体表面温度,从而减少散热损失。

国外出现的另一情况是:大量燃烧工业废弃物后出现的碱硫氯侵蚀耐火衬料、金属锚固件和筒体,解决这个问题的方法是采用抗化学侵蚀的耐火浇注料作隔热材料取代硅酸钙板增加隔热层的导热系数,从而使金属筒体表面温度大于190℃,不使碱、氯、硫化合物冷凝沉积腐蚀金属筒体和耐火衬料。但此法增大了散热损失,且增加衬料重量,预计今后会有改进。由于我国煅烧工业废弃物刚起步,这个问题目前尚不突出,此处就不介绍:

图1  托砖板部位衬料损坏情况

图2  国内现用托砖板

 

brick lining

砖衬

special brick

特殊形状耐火砖

steel support

括砖板

expansion joint

膨胀缝

insulation

隔热

castable lining

浇注衬料

additional anchoring

附加锚钉

anchoring锚钉

 

图3  改进型托砖板

 

Special insulating brick with sealing effect

带隔热效率的特殊形状隔热砖

Steel support

托砖板

Additional angle iron

附加角铁

Insultion

隔热层

Anchoring

锚钉

Castable sealing

密封浇注料

Expansion joint

膨胀缝

Expansion joint brick

膨胀缝处耐火砖

Brick lining

耐火砖衬

 

 

 

6.硅酸钙板和硅酸铝板比较

国家制定了GB/T 10699-98硅酸钙绝热制品理化指标,硅酸铝纤维板没有查到标准,只能用工厂的样本及产品测示数据进行比较。

①最高使用温度

国外某耐火材料公司对常规的硅酸钙板进行了最高使用温度的测试(图4),测示的结果是此类产品在1100℃时能长期使用。

图4  硅酸钙板抗热应力测试

Calcium silicate plate硅酸钙板  REFRALITE® 30® 德国雷法耐火材料公司生产的耐火隔热混凝土制品

国内某厂硅酸钙板原来样本为1050℃-1100℃,后因国外企业大量订货,出口国外,产品在德国检测后,发现产品很难全部达到上述温度要求为确保出口质量改为1000℃,实际上温度要高些。而国内新的加硅灰的硅酸钙板产品已试制成功。其长期使用温度达到和超过1100℃,而硅酸铝纤维板工厂的样本,只标明分类温度,未标明最高使用温度,未见国家级检测单位出具的证明,估计使用最高温度至少比分类温度低250℃以上。正如表1-1说明的那样,符合条件的用到1100℃,实际上可能要低些。

②强度,国内某公司的硅酸钙板的冷态强度为:

170 200 220

0.4MPa 0.5MPa 0.6MPa

在最高使用温度内产品的强度变化不大。

硅酸铝纤维板的冷态强度为0.5MP和0.6MPa,当有机粘结剂烧掉后,在国家级检测中心测试强度仅为0.22-0.188MPa,多年前,为了进一步减少筒体幅射损失,进一步减轻预热器荷载,曾考虑用170kg/m3的硅酸钙板,由于强度只有0.4MPa,设计时慎之又慎,先少量用些,然后才大胆使用,而硅酸铝纤维板,有机物质烧掉后的强度仅为0.2MPa,在长期使用后将会出现什么情况呢?这个问题今后应客观作出分析,用实践作出回答。

③密度

硅酸钙板的密度为170kg、200kg、230kg/m3,而硅酸铝板为220kg、220-280kg、300kg/m3,常用的200硅酸钙板与之相比,至少轻20kg/m3以上,一条5000t/d级生产线使用的隔热衬料为700~800m3至少轻约15t以上。

④导热系数

硅酸钙板为:

170 200 230 kg/m3

(<0.048 <0.050 <0.056)×0.00011t w/mk 

500℃为0.103 0.109 0.111

硅酸铝纤维板样本标明平均800℃为<0.116w/m.k,与硅酸钙板的导热系数接近,二者差别不大,但在生产过程中,由于硅酸铝纤维板有机粘接剂烧掉后,出现空隙被粉尘填充后呈现密实状况,其导热系数必然增高,生产的时间愈长,废气中的粉尘沉积得愈多,导热系数愈差,筒体温度愈高,筒体散热损失愈大。

⑤毒性

硅酸钙板无毒,而硅酸铝板有毒,是致癌物质,检修时易吸入人体,对人体不利。

⑥表面平整度

硅酸铝纤维板是由有机粘结剂结合,冷态时有较高的表面平整度,但在200℃~300℃时有机物烧毁后,表面极为粗糙。

⑦抗化学侵蚀

硅酸铝纤维板主要成份为硅酸铝,在高温下与碱化物(K2O、Na2O)作用,生成KAS2、KAS4、KAS6、NaS2、3Na2O、CaSO4、β-Al2O3等化合物,容积增加7%~30%,易造成衬体损坏,而硅酸钙板也受碱化物侵蚀和硅酸铝相比,程度轻些。

有一点需说明的,硅酸铝纤维板中的精品,高纯氧化铝混合纤维和含95% Al2O3的氧化铝纤维,最高使用温度在1300℃以上,但板内Al2O3含量均超过80%,当温度超过1200℃时,Al2O3与碱作用,生成少量的KAS4(白榴石)和KAS2,体积增加17~20%,衬体膨胀损坏,且价格昂贵决非产量大、价值低的水泥工业大面积使用,就是常规的硅酸铝纤维板,据说价格也比硅酸钙板高。

7.预分解窑烧成系统装备

7.1  历年使用硅酸钙板的总体状况

预分解窑在煅烧水泥熟料时,为降低筒体散热温度,所有的不动装备均需设置隔热衬料。从上世纪九十年代以来,国内开始使用国产的硅酸钙板,从历年投产不同规模的30台预分解窑烧成系统的筒体散热损失测定情况来看:单位熟料不动装备的筒体散热损失从1000t/d级的36.67kcal/kg下降至10000t/d级的17.70kcal/kg(表2),总体来说效果是满意的,但还可进一步优化降低。

 

表2         预分解窑烧成系统装备的筒体散热损失  kcal/kg

 

产量

台数

回转装备

不动装备

不动装备

合计

全部合计

t/d

回转窑

窑门

预热器分解炉

三次风管

冷却机

1000

4

51.30

1.20

25.40

5.23

4.84

36.67

87.97

2000

15

41.62

1.13

21.72

5.40

3.93

32.18

73.80

3000

2

31.65

1.08

19.93

4.03

2.17

27.21

58.86

5000

8

25.82

1.02

17.03

3.01

2.44

23.50

49.32

10000

1

19.96

0.96

15.05

1.10

0.59

17.70

37.66

7.2  预热器、分解炉系统

7.2.1  煅烧挥发份烟煤

通过对数拾台煅烧挥发份烟煤的不同规模预热器、分解炉进行的温度测定,绝大多数的分解炉、5级预热器内的烟气温度低于900℃,个别分解炉和5级预热器的烟气温度超过900℃,一般低于920℃,在设计中采用114mm或124mm厚的特种高铝质耐火浇注料、耐火砖或高强耐碱砖后,工作层和隔热层的界面温度低于900℃,现有高温硅酸钙板的最高使用温度均能满足工况需求,所有装备的柱、锥体的筒体表面温度在70℃以上,顶盖超过100℃。

烟室及上升烟道的温度一般低于1050℃,该部工作层衬砖较厚,与隔热层界面温度一般低于1000℃,现有高温硅酸钙板能满足工况要求,测定的筒体表面温度一般大于100℃。

7.2.1  煅烧无烟煤

    从多台煅烧无烟煤预热器、分解炉测定的数值来看,各级预热器的烟气温度均低于900℃,而分解炉火焰附近局部范围在1200℃左右,其余部位低于1100℃,相当多的部位低于1000℃,上升烟道的温度一般低于1150℃,但也短期出现超过1200℃的不正常现象。

上述测定温度按目前高铝质特种耐火砖厚度124mm计算,则火砖与硅酸钙板的界面温度在1050~1070℃左右,使用加硅灰的硅酸钙板新产品(最高使用温度1100℃)是能满足工况要求的。

考虑到所测得的温度不完全是烟气的最高温度,而现场测试条件确实存在一定困难,为此按生产实际状况进行了数值模拟计算,其结果见图5,图上所示的最高火砖面温度为1562°K-273=1289℃,炉内其余部位温度在1270~1360°K(即997~1087℃)。

图5  烧无烟煤的分解炉内气体温度°K(K°+273°=℃)

按砖面最高温度1289°计算,若火砖厚度124mm,则火砖与硅板界面约为1150℃,若采用含SiC的耐火砖或浇注料,则界面温度还要高些,超过硅酸钙板最高使用温度,按国外的处理方式,增加一层50mm承使1300℃且抗碱侵蚀的隔热浇注料,将其温度降至1050℃以内,然后设置加硅灰的硅酸钙板,即可满足工况要求。

按分解炉内大部份部位的温度为997~1087℃,则硅板与火砖界面温度低于1000℃,则目前国内常规硅酸钙板能满足工况需求的。

在选用合适的隔热材料的同时,还应考虑设计密封式托砖板,阻止含尘热烟气通过缝隙对隔热硅酸钙板和耐火浇注料直接接触而造成的热、机械、化学侵蚀。

有一点必需说明的,国内在使用无烟煤作水泥燃料的初期,确实存在个别分解炉火焰温度过高,燃烧器位置不合适致使耐火衬料和硅酸钙过热损坏的事故,随着对无烟煤燃料性能的认识逐步深入,对分解炉的炉容及燃煤燃烧时间、燃烧器的工艺性能及燃烧器的位置均作了优化,确保了无烟炉的燃尽时间和生料加热均匀,避免了火焰接触耐火衬料,从而降低了烟气温度,相应降低了火砖热面温度,近年来,对煅烧无烟煤(挥发份4%~8%)的5000t/d级生产线缩口部位多次测定的烟气最高温度稍高于1200℃或稍低于1200℃。这个温度随着降低NOx采用分级煅烧技术的进展将逐步下降。

7.3  窑门罩、冷却机进料口

预分解窑熟料煅烧温度一般高于1400℃,入窑二次空气温度一般低于1100℃,三次风温低于1000℃,对16台2500t/d级至10000t/d级生产线实测温度列表3。

表3        大中型预分窑出窑熟料温度、入窑二次风温

 

生产线规模

测定台数

出窑熟料温度

入窑二次风温

入炉三次风温

备注

t/d级

2500t/d

10

1390.6

1054

891

 

5000t/d

5

1387

1050

958

 

10000t/d

1

1418

1150

910

小窑门罩

从测得的数据来看,特大型窑的小窑门罩在生产时入窑一次风温因气流内粉尘量较高,温度超过1150℃。

大窑门罩内热面火砖虽受火焰温度、熟料温度的热幅射影响,但距离均在6M以上,此外二次空气内含尘量较高,受火焰及熟料的影响相对少些,估计热面最高温度低于1180℃,而窑门罩内工作层的厚度一般≥230mm,与硅酸钙板的界面温度在低于1050℃,采用加硅灰的硅酸钙板是完全能胜任的。

必须说明的是:无烟煤的火焰虽然集中与高温,但一般伸入窑内,对窑门罩内的火砖幅射作用较低,反之挥发份较高的燃料,其火焰位置距窑门较近,从长期使用常规的I-200硅酸钙板后测定的情况来看,窑门的筒体表面温度很均匀,测定的温度在90~120℃左右,最大和最小温差约20~25℃,说明硅板起到隔热效应是能满足高温的工况需求。

窑门罩火砖损坏的原因主要有以下方面:①大窑门罩面积大,且跨度大,工作层衬料的容重大,易下沉,造成缝隙,高温含尘气流透过缝隙与锚钉和隔热衬料接触,造成损坏(图6)。

图6  顶部衬墙自重下沉弯曲

Insulation隔热 gapwith dust penetration粉尘渗透间隙

Working lining工作层 crack裂纹

Tensile stress可伸展应力 weakened auchor锚钉薄弱处

②在碱、硫含量较高的 原燃料,在生产时,二次空气内含有较高的碱硫成份的细颗粒熟料,对工作层产生碱硫化合物侵蚀(图7),若工作层设计的缝隙处理不当,也会造成隔热层侵蚀。

图7  碱硫盐对窑门衬砖的侵蚀

③对于大型生产线采用从篦冷机抽风的小窑门罩,当粉尘量偏高时,二次空气温度可能出现1150℃以上的高温,由于窑门罩容积小,工作层衬料受火焰热幅射较大窑门罩高些,其砖面温度可能超过1200℃(图7),在拱脚处的工作层易受热应力和机械应力变型而损坏。热量经工作层后,与隔热层界面温度接近1100℃,此处应使用隔热耐火浇注料进一步降低界面温度,然后设置含硅灰的硅酸钙板。

图7  窑门拱脚受热损坏

Kiln hood vault窑门拱  Skewback拱座  Kiln hood side wall窑门侧墙

 

结束语

以上分析表明,硅酸铝板纤维板虽然具有使用温度稍高的优点,但内部含有5%~8%的有机粘接剂,在预分解烧成系统装备内,生产初期有机粘接剂烧毁,形成界面粗糙、孔隙多、强度低的硅酸铝纤维层,易使高温烟气内的粉尘沉尘,使其性能逐步变差,导热系数增加,筒体散热增加,使用寿命降低和硅酸钙板相比,长期使用后的强度、导热系数、密度、表面平整度、抗化学侵蚀、价格以及对人体的毒性等均具劣势,这可能是国外水泥工业为什么没有采用的原因吧!

·从数拾台使用烟煤煅烧的预分解窑热工测定来看,硅酸钙板长期使用后的筒体温度和散热损失总体之合理的,满足了设计需求,但个别部位有待优化提高,以进一步降低散热损失。

·当前一些预分解窑使用无烟煤产生的分解炉内、上升烟道局部高温,以及大型窑三次空气从冷却机抽取,窑门罩的局部高温状况,可采用工作层、使用温度1300℃的隔热浇注料、1100℃工况条件下长期使用含硅灰的硅酸钙板相结合来解决,同时采用密封性能的托砖板来减少含尘高温烟气对隔热层的侵蚀。

·从预分解烧成系统总体情况来看,热耗愈来愈低,系统内各部位的烟气温度愈来愈高,局部范围内因温度过高耐火衬料出现事故的情况也愈来愈多,分析事故原因,找出解决办法,必将提高使用周期,满足生产需求。

·随着预分解窑生产工艺性能的进一步提高,除了系统内烟气温度增加外,对筒体散热损失要求愈来愈低,这对隔热材料提出了新的技术要求。必须进一步优化硅酸钙板的性能才能满足生产需求。①开发最高使用温度为1200℃的新产品硅酸钙板,以满足温度增高的需求。②开发导热系数更低,且强度满足生产使用的轻质硅酸钙板或其他品种隔热板,以满足降低筒体散热损失的需求。从技术发展来看,是有必要的,也是迫切的。

以上看法供设计、科研、制造、应用单位参考!建议有关部门组织力量进一步对预热器、分解炉系统及窑门罩高温部位进行检测,通过计算,提出优化方法,进一步降低散热损失,提高耐火衬料和隔热衬料的使用周期。


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