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回转窑 — 窑衬设计与保温节能
《2013年联合国际耐火材料技术会议》
摘要：
回转窑被广泛的应用在原材料的干燥、烧结和煅烧等工艺过程中。本文将主要关注回转窑在矿物加工行业中的应用，特别是通过双层衬砌保温设计的理念，探讨如何提高窑炉的能源使用效能，延长耐火材料内衬的服役寿命，以及相应的辅助机械设备。随着能源价格的飙升，效益在全球竞争日益激烈的商业环境中正日渐成为一个重要影响因素。CO2，NOX,SOX以及其他有害气体的排放控制在政策上也越来越受到重视。因此，寻找替代的解决方案和优化回转窑内衬设计是必要的。通过回转窑内衬的优化施工和高效保温耐火材料的应用，可以节约大量的能源成本。
本文内容还包括轻质骨料砌筑回转窑内衬的热力学模拟，阐述说明双层衬砌筑设计的优缺点，以及面临选择何种耐火材料设计时，回转窑所有者该如何考量和做出决策。此外，本文还将对安装方法进行实例说明。

双层衬砌筑设计的背景
直到上世纪五十年代，单层炉衬设计一直都是回转窑内衬施工设计的首选。通常在窑内的烧成带使用镁质耐火材料或镁铬砖，而在窑炉的其它部分应用浇注料和粘土砖。这种方法在上世纪50到60年代由FL. Smith做出了改变。FL. Smith选择一种硅藻泥质保温砖安装在回转窑炉中，这是一种能在900℃温度下服役，并且常温耐压强度能达到5.5MPa的保温砖，正是这种性能的提升使双层衬砌的设计能被使用在直径为2米的回转窑上。目前，更为优质的保温材料在上世纪八十年代早期被开发出来，这种材料具有能在1000℃下服役且常温耐压强度能达到18 MPa。这种材料研发的成功使双层衬砌的设计能被使用在直径达4米的回转窑上。
热力学计算模拟
节约能源是考虑选择双层衬砌设计的主要因素。生产中日益增加的能源成本是可以显著节省的。在一些国家，以及在美国有免税激励的各州，能源改进产生的全部或部分费用是可享受减免税的。这使得双层衬砌设计相比只需低劳动成本的单层衬砌设计反而更具竞争优势。下面的计算参数采用的是某轻质骨料制造商在斯堪的纳维亚半岛上的一个实际生产项目。
该回转窑入口区的直径为2.75米，具有锥形出口且窑炉的其他区域直径为3.4米，窑炉总长度为60.5米，烧成带的最高工作温度为1175℃。燃气窑总的能源消耗是每年1680万KWh。

初始条件
如下表Ⅰ所示，入口处、干燥区域和布料装置的内衬材料都是使用的浇注料，窑炉的其他区域使用高铝耐火砖（50%）。在Fig. 1(ii)中我们可以看出：在钢质外壳与内衬层间存在着一个明显的温降。在烧成带（高温端），高铝砖的冷端与热端大约也会存在一个900℃的温差，且外部温度为275℃，这会导致外部6.5 kW/m2的热损失。

表Ⅰ
初始条件
区域
工作面热面用砖
保温砖
入口处(窑头)
120mm传统浇注料1300℃
无
干燥带
120mm传统浇注料1300℃
无
布料装置
120mm传统浇注料1300℃
无
预热带
180mm高铝砖50%
无
烧成带
180mm高铝砖50%
无
冷却带
180mm高铝砖50%
无
出口区（窑尾）
180mm高铝砖50%
无

在图1和图2中，磨损后的窑炉内衬和新砌内衬间能量损失比较的结果差异很明显。随着耐火材料的磨损程度增大，钢壳外部的温度也随之升高；在本实验示例中，高铝砖由于磨损厚度减少了45mm。窑炉内衬厚度变薄导致外部温度上升了14%，而外部的热损失却由6.5 kW/m2升高到 8.4 kW/m2，增幅大约为30%。该计算结果表明：内衬材料的磨损会极大地影响窑炉的能量消耗。

图1.使用原来单层衬砌设计时烧成带的热量损失 图2. 使用磨损后烧成带的热量损失（单层衬砌设计）

推荐的双层衬砌设计
推荐使用的双层衬砌设计方案如表Ⅱ所示，施工图如图3所示。在具有双层保温材料的窑炉设计中，烧成带使用高铝砖的热冷端存在更低的温度梯度。外壳温度相比单层衬砌设计时低了94℃。同时我们也应该注意到：在相同的使用条件和位置上，此时的外部热损失相比单层衬砌设计时降低了52%的热量损失。
我们对新砌双层保温设计的炉衬做相似的比较，如图3（新砌筑）和图4（磨损后）所示。研究结果表明：磨损后温度增加6％，且外部的热量损失增加11%。相比于单层衬砌设计，使用双层衬砌设计的回转窑炉磨损后，外部的热量损失大约只有单层衬砌的1/3。

表Ⅱ
推荐使用方案
区域
工作面热面用砖
保温砖
入口处(窑头)
100mm传统浇注料1300℃
38 mm
干燥带
100mm传统浇注料1300℃
38 mm
补料装置
100mm传统浇注料1300℃
38 mm
预热带
150mm高铝砖50%
50 mm
烧成带
150mm高铝砖50%
50 mm
冷却带
150mm高铝砖50%
50 mm
出口区（窑尾）
150mm高铝砖50%
50 mm

使用双层衬砌设计后总的节能量
如表III所示，相比原先单层衬砌的设计，选用双层衬砌设计后，节能总量可达57.8%。其中热损失的计算是通过WDurch软件程序执行的。总的节能效果十分显著，根据所提出的设计，重新砌筑回转窑炉后，该轻质骨料生产商在这个项目中能够节约870,000标准立方米的天然气，按该地区的天然气市场标准价格计算，每一年的能源节约产生的经济效率是38万美元。

图3.使用双层衬砌设计时烧成带的热量损失
图4. 磨损后烧成带的热量损失（双层衬砌设计）

外部的热量损失与磨损的关系
如上述所得出的结论，当耐火材料的热面被磨损，相比于采用双层衬砌设计的回转窑，使用单层衬砌设计的回转窑的热量损失会明显增大。根据单层衬砌的设计参数，当热面的耐火材料厚度磨损降低到原厚度的75%至50%时，设备制造商会建议更换耐火材料。如图5所示，采用单层衬砌的设计的窑炉的外部热损失量与磨损厚度之间的呈现指数关系。相比之下，采用双层衬砌的设计的窑炉保持着相对低的外部热损失量，这是因为其中的保温层基本不会受到磨损的影响。

表 III

面积
总的热流量
降低的热流量
区域
原始设计
推荐内衬设计
每个区域
m
KW
KW
%
1 :入口处(窑头)
131
132
53
59.7%
2 :干燥带
52
62
26
58.0%
3 :补料装置
130
304
139
54.4%
4 :预热带
73
388
162
58.2%
5 :烧成带
92
628
261
58.5%
6 :冷却带
73
469
197
58.0%
7 :出口区（窑尾）
41
146
60
58.6%
总计
591
2130
899
57.8%

采用双层衬砌的设计的优缺点
较低的重量的影响
得益于具有更低体积密度的保温材料，相比单层衬砌设计，本文中通过双层衬砌设计的热力学计算证明其具有更低的总重量。在这种特定的情况下，质量整体降低了6吨（或者下降3.5%）。更轻的重量会缓解回转窑在使用过程中的椭形形变，并且使齿轮和轴承承受更小的重力。更轻的重量也会同样影响机械结构，如推力滚子，这就意味着只需要较少的能量就能提供滚子所需的推力。

外部的热量损失与侵蚀厚度的关系

热面耐火材料的厚度（mm）
图5.单层衬砌设计与双层衬砌设计磨损厚度与热量损失的比较

较低的外壳温度的影响
由于外壳的温度显著降低，窑炉外壳与内衬能更好的匹配。相比安单层衬砌设计的炉衬，按照上述推荐的技术指标砌筑回转窑具有更低的线膨胀系数，使用下面的公式计算线性热膨胀。其值为5.3cm。
△L=α*△t *L
这也意味着，窑炉将承受更少的热膨胀应力，而窑炉承受的热膨胀应力对窑的服役寿命会有很大的影响。

其他的优势
当耐火材料需要大修时，规范测量钢壳温度的标准程序是十分必要的。在回转窑炉中，在工作层耐火材料后面安装双层保温结构的隔热砖，能够维持更好的抗侵蚀性能。这是因为保温材料在使用过程中具有更高的温度梯度。窑炉中较低的能量损失不仅减少能源消耗，且在恶劣的气候条件下，还能提供了更好的窑炉温度操控性。例如，在大雨的条件下，保温层可以防止窑炉的过度冷却。这也会影响产品质量的稳定性。

缺点
尽管保温砖具有相对较高的抗压强度，但是保温砖的安装与应用仍然受到窑炉大小的限制。Skamol等建议：当双层衬砌设计应用在直径超过4米的回转窑时要更谨慎，尽管保温砖已经成功在芬兰的一个直径为4.75米的回转窑上安装并且有效运转；同时也成功应用在美国一个直径为5.2米的回转窑上。但是双层衬砌设计与单层设计或者浇注料施工相比，需要更长的施工周期，这也是不利的。

双层衬砌设计施工
为了获得双层衬砌设计带来的最大效益，正确的安装方式是必不可少的。当窑炉停止运转后需要一段时间使窑体冷却。旧的耐火材料层需要被拆除和更换。保温砖的铺设需要通过适当的砂浆结合起来，通常会选用一种热固性的硅酸盐砂浆，将一层厚度适当光滑的硅酸盐砂浆涂抹在窑炉壳体表面。
保温砖通过砂浆的结合一环一环的堆砌起来，而单个的保温砖与钢壳炉体间也是通过砂浆结合起来。砌筑成环状的保温砖层必须通过支撑架的协助，这种支撑架可以使保温砖砌筑成环状并独立的在耐火材料层下面移动，这样设计可以在窑炉点火和操作时避免在保温层上产生堆积静态张力。在安装过程中，保温砖必须铺设在涂抹有砂浆结合剂的窑炉壳表面，这种结合剂是一种硅酸盐砂浆，也可由破碎的砖体废料来制备。用砂浆填满窑炉壳体与保温砖间所有空隙是十分必要的，否则，当施加应力时砖将会破裂，这种现象常发生在砖环的封闭施工和再加热的过程中。

图1. 窑炉保温材料的拉伸粘结

图.2耐火砖安装在表面光滑的隔热砖上

表IV (iii 和iv)

热膨胀系数
保温砖
3,0x 10-6K-1
耐火材料砖（63%铝）
6, 7x 10-6K-1

一个光滑的保温层表面是很重要的，因为这使得耐火砖更容易安装，并且允许内衬独立地移动。
由于耐火材料层与保温隔热层具有不同的热膨胀系数（见表IV），在窑炉点火和独立运转期间各层会产生热膨胀和移动，因此，在保温砖和耐火砖之间涂抹一层薄薄的砂浆是很有必要的，可确保窑体在第一次加热的时候不会破坏和开裂。
在安装过程中使用支撑架和安装钻机，可以确保在第一个半圈砌筑完成后旋转窑体时，固定好钢壳与已砌筑完成的部分，使已砌筑完成的半圈砖体不至于脱落。

图3. 应用扩张器进行安装 图4. 应用钻机进行安装

参考文献：略

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