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水泥窑耐火材料优化配置对水泥窑节能降耗的作用

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水泥窑耐火材料优化配置对水泥窑节能降耗的作用
摘要:本文介绍了我国水泥工业的能源消耗现状，分析了新型干法水泥窑在工艺运转过程中的新特点以及耐火材料在使用过程中暴露的一些问题，通过优化预分解水泥窑耐火材料的配置，最终达到水泥窑节能降耗的作用。
关键词：耐火材料 水泥窑 节能
前  言
随着我国经济的快速增长，国家对基础建设项目的开发力度不断加大，“十五”期间，我国全社会固定资产投资保持年均20%以上的高速增长，强劲拉动了水泥的生产和消费。2005年全国水泥产量10.6亿吨，较2000年净增4.6亿多吨，5年平均年增长12%。一些大型的新型干法预分解窑相继建成投产，截止到2005年共投产622条新型干法水泥窑。伴随着水泥工业的快速发展，其能源消耗量也大幅度提高。据有关数据显示，水泥行业能源耗量占建材工业总能耗的50%左右，可见搞好水泥工业的节能是建材工业节能降耗的关键。
水泥工业到2010年的能耗目标是：新型干法水泥吨熟料热耗由130千克下降到110千克标准煤，采用余热发电生产线达40%，水泥单位产品综合能耗下降25%。另外，我们的能耗和国外先进水平相比，还存在着一定的差距。由此可见，水泥窑节能降耗存在着巨大的发展空间。
一、我国水泥工业能源消耗的现状及其与世界先进水平的比较
1.1我国水泥生产工业的结构现状
目前，我国水泥生产的窑型较多（如：机立窑、湿法生产线、预分解窑等），从目前整个水泥工业的窑型组成来看，各种窑型的水泥熟料生产能力见下图1

从上图可以看出，截止到2005年底，机立窑的熟料生产能力达到了56.9%，仍然占有很大的比重，大型干法预分解水泥生产技术虽然得到了快速的发展，但其发展潜力巨大。
根据《水泥工业产业发展政策》确定的目标，2010年新型干法水泥的比重要达到70%以上。实现这一目标，必须在发展新型干法水泥的同时，加大淘汰落后生产能力的力度。届时，新型干法水泥产量达到8.5亿吨左右，国内市场可以保持供需基本平衡。
1.2各种窑型的能源消耗情况
　　我国水泥窑的窑型较多，其能源消耗的水平差别较大，一般来说，湿法窑比预分解窑多耗能近一倍，机立窑比预分解窑多耗能近三成，而普通机立窑比预分解窑多耗能近七成。
新型干法水泥窑与上世纪90年代初期国内外相近规模的生产线相比，热耗下降了5%～10%，电耗下降10%～15%，系统运转率由不到80%提高到92%；与立窑相比，综合能耗下降20%以上。
通过对比可以清晰的看出，水泥生产工艺技术的不断进步，不仅大大提高了水泥生产的效率和生产能力,而且大大减低了整个水泥工业的能源消耗量。
　　从水泥窑用耐火材料的角度出发，水泥生产工艺技术的不断进步，生产每吨水泥消耗耐火材料从过去的1.2千克降到目前的058千克，一些高档的低水泥耐火浇注料取得了较好的使用效果，其应用范围也在不断的扩展。
1.3新型干法能耗和国外水平比较
对于新型干法水泥生产线而言，其能源消耗量受其生产规模、设备选型、工艺状况、原料差异、管理水平等因素的影响，其能源的消耗量也有所不同；国内的一般水平和国外的先进水平差距较大，具体对比情况见下表：

二、我国水泥工业开展节能降耗的几点途径
基于我国的基本国情以及水泥工业的整体发展现状，在水泥行业开展节能降耗可以从以下几个方面入手：
1、坚持水泥工业可持续发展的“四零一负”战略目标
具体内容如下：（其中的第二和第四条与节能降耗密切相关）
①水泥工业和生态环境和谐共存，水泥企业对其周围生态环境完全实现零污染；
②创新水泥工艺和余热回收技术，降低单位水泥电耗，提高单位熟料余热发电量，实现水泥企业对外界电能的零消耗；
③水泥企业完全实现废料、废渣、废水的零排放；
④降低单位熟料热耗，开发利用各种替代燃料，实现熟料生产对天然矿物燃料(煤、油、天然气)的零消耗；
⑤节约资源，扩大利废功能，销纳各种废物，减轻环境负荷，为全社会废渣、废料的负增长做出应有的贡献。
2、加快水泥工业的结构调整，促进新型干法预分解水泥窑的发展
水泥工业作为我国基础建设的几大支柱行业之一，近几十年，随着经济的快速增长新型干法生产线也得到了迅猛的发展，但目前在该行业所占比例只有32.5%，作为新型的低能耗的水泥生产工艺，其发展的潜力巨大。
3、加大水泥窑垃圾焚烧技术的开发力度，逐步加强推广和应用
随着我国城市化进程的加快，工业废弃物和城市垃圾势必大量增加，根据水泥窑运转的自身特点，利用废弃物和工业垃圾替代部分原燃料， 既处理了废物，又节约了能源，具有非常巨大的市场推广和应用价值。
4、优化新型预分解水泥窑的耐火材料的配套，降低单位水泥熟料产量的能耗
通过优化预分解水泥窑各部位的耐火材料的配套方案，提高回转窑的运转率和运转周期，降低水泥窑的维修次数，达到节能降耗的目的。
　　本文将着重从优化耐火材料的配套方案入手，深入剖析新型干法生产线在运转过程中暴露的一些问题，结合水泥工艺运转的特点，提供一整套完善的耐火材料的配套方案，提高运转率，最终达到节能降耗的目的。
三、国内的新型干法水泥生产线在工艺运转过程中的新特点以及耐火材料使用过程中暴露的一些问题
3.1新型预分解窑工艺运转过程中的新特点
3.1.1回转窑运转窑温普遍提高
　　预分解水泥窑生产操作中配料率值控制较高，入窑二次风温超过1200℃，燃烧器火焰温度也超过了2000℃，熟料的煅烧温度超过1430℃，前窑口部位普遍结窑皮，工况温度较传统的水泥窑有较大幅度的提高。
3.1.2 碱、氯、硫等挥发性组分对耐火浇注料的侵蚀加剧
低品位石灰石等生产原料的采用、无烟煤、劣质煤以及固体废弃物的煅烧，造成窑系统内各部位的挥发性组分碱、氯、硫等成分明显增加，它们的循环、富集对各部位的耐火浇注料的侵蚀也更突出，在一定程度上影响了浇注料的使用周期。
3.1.3窑径的加大、窑速的提高增加了周期性机械应力和热应力破坏
目前，预分解窑的转速为3～4r/min，窑径由2000t/d的 4m，到 5000t/d的 4.8m，再到10000t/d的6m。窑径加大、窑速提高，对耐火材料的机械应力和热应力加剧。
3.2不定型耐火材料在使用过程中暴露出的一些新问题
3.2.1水泥窑的一些关键部位（如：前窑口、燃烧器）耐火材料的使用寿命短，还不能满足生产的需要
前窑口部位的耐火浇注料一般的使用周期是4～8个月，比较普遍的问题是：浇注料存在剥落、掉块、耐碱侵蚀性能差等问题；燃烧器使用周期为3～5个月，主要是燃烧器前面一米部位的浇注料易出现脱落、掉块，具体情况可见下图2。

3．2．2窑门罩顶部易出现烧穿的情况，导致水泥窑被迫停窑维修
伴随着回转窑日产量的不断加大，窑门罩的体积更加庞大；同时由于窑门罩顶部施工难度大，施工质量难于得到保障，一些5000t/d以上大型的水泥窑出现窑门罩烧穿的现象，具体情况可见下图3。

3．2．3下料斜坡、烟室部位结皮严重，加速了耐材的损坏，造成壳体变形
低品位原料、无烟煤、劣质煤以及固体废弃物的煅烧，造成整个窑系统的碱、硫、氯等有害成分的含量增加，在下料斜坡、烟室部位结皮情况加重，导致频繁使用空气炮、水枪，加速了耐材的损坏，严重的致使壳体超温、变形。
3．3．4三次风管弯头、挡风阀部位耐磨料磨损严重，使用周期短
该部位的工况温度在800℃~1000℃，含粉尘的三次风速度达到20m/s以上。该部位损坏主要是弯头、挡风阀部位的耐火衬里磨损比较严重，使用周期短的只有2~3个月，长的也只有6个月左右，因此，该部位一直是制约着干法水泥窑正常生产。其损坏情况见下图4。

另外，一些水泥公司的生产线也暴露出篦冷机热段顶部、矮墙等部位的一些问题，本文在此不再一一阐述。
四、水泥窑用耐火材料优化配置方案及其带来的节能降耗的效果
针对大型干法水泥窑在生产过程中出现的问题，我公司结合自身的优势和多年的专业经验，在深入剖析耐火衬里损坏机理的基础上，开发出一系列可满足不同工况的新产品，取得了不错的使用效果，在此愿和大家一起分享。
4.1大型水泥窑用耐火材料优化配套方案
4.1.1一些关键部位（前窑口、燃烧器）耐火材料的配置
结合该部位运行的工况特点，通过采用复合骨料、引入高温膨胀剂、高温抗碱剂等技术手段开发出适用于2500t/d以上水泥窑前窑口、燃烧器部位的高性能浇注料G-17K、G-17P，该产品具有优异的抗剥落性能、高温耐碱性能以及抗水泥熟料侵蚀性能等，经在国内多家大型水泥公司使用，普遍的使用周期是6~10个月。
同时，针对目前国内窑口浇注料和窑内衬砖使用周期不同步的问题，以板状刚玉和非氧化物为主材质开发出长寿命的（12月以上）新型窑口浇注料GC-18，彻底解决了传统的刚玉质浇注料抗碱侵蚀性能差、热稳定性能差的缺点，其用于5000t/d以上的水泥窑前窑口部位可以达到12个月以上，燃烧器部位达到6个月以上。该产品2004年12月在海螺集团中国水泥公司的5000t/d水泥生产在线投入使用，其使用情况见下图5。

目前，该公司窑口浇注料经过修补后仍在使用中；燃烧器部位使用该产品达到了10个月，取得了令人满意的效果，见下图6。

4.1.2三次风管弯头、挡风阀的耐火材料配置
针对该部位耐火浇注料耐磨性能差的特点，通过优化产品的基质组成、采用中温烧结剂等技术手段开发出高耐磨产品G-17M，大幅度提升了产品的在900℃左右的耐磨性能，其在该温度下的耐磨对比情况可见下图7。

4.1.3预分解系统耐火材料的轻质化
针对整个预分解系统运转工况低，设备表面积大，能耗大的现状，开发出了应用于水泥窑旋风预热器的轻质隔热保温耐碱浇注料。与传统耐碱浇注料相比，该产品具有隔热保温效果好，耐碱侵蚀性能优异的特点，可大大降低设备的外表面温度，提高水泥窑旋风预热器的热能利用率，减少热量损失，降低能耗。同时，轻质耐碱浇注料密度小，可减少浇注料用量和设备的自重，节约建设成本。具有较大的市场应用和推广价值。
通过理论计算得出轻质耐碱料的保温性能。（环境温度：20℃）如表所示：

4.1.4大型水泥窑其它部位的耐火材料配置方案
改进施工方案，将原来的硅钙板、耐火浇注料双层结构改为轻质隔热和高耐磨双层喷涂料结构。采用喷涂方式施工方便快捷，彻底解决了这些部位施工困难的问题，杜绝了由于施工困难带来的浇注料脱落、掉块、烧塌等。
喷涂施工是未来耐火材料发展的方向之一，且新开发的喷涂料会大大降低材料容重，从而降低设备自重，降低建设成本，促进水泥工业的节能降耗。
4.1.5大型水泥窑典型耐火材料配置方案
部位
推荐
产品牌号
推荐
产品名称
1～3级预热器
GT-13NL或轻质耐碱料
高强耐碱耐火浇注料或轻质耐碱料
4～5级预热器
G-14N
高温高强耐碱耐火浇注料
分解炉下部
GC-13H
抗结皮、防堵塞浇注料
上升烟道
GC-13H
抗结皮、防堵塞浇注料
喂料室斜坡
GC-13H
抗结皮、防堵塞浇注料
分解炉
G-16K
高强耐碱低水泥浇注料
后窑口
G-16K
高热高铝低水泥耐火浇注料
窑门罩
G-16K
高热高铝低水泥耐火浇注料
前窑口
GC-18
G-17K
新型板状刚玉浇注料
高性能窑口专用浇注料
喷煤管
GC-18
G-17P
新型板状刚玉浇注料
高性能喷煤管专用浇注料
篦冷机喉部
G-16K
高热高铝低水泥耐火浇注料
篦冷机热端
G-16 K
高强耐碱低水泥浇注料
篦冷机裙边
GF-16K
高热高铝低水泥耐火浇注料
篦冷机冷端
G-16
高强耐碱耐火浇注料
三次风管入口处和拐弯处
G-17M
高热高铝低水泥耐火浇注料
三次风管其余部位
GB-16
高强耐碱低水泥浇注料
保温隔热层
LT-10
隔热浇注料
4.2耐火材料施工质量对上述配置方案使用效果的影响及解决方案
对于耐火材料水泥生产企业而言，一般耐火材料由一家单位提供，施工由另一家单位来进行。目前，国内的耐火材料施工专业素质整体参次不齐；同时，由于对耐火材料专业知识了解甚少，施工质量大打折扣，在一定程度上影响了产品设计性能的发挥，造成了产品使用寿命的缩减，从而不能达到预期效果。因此，水泥窑用耐火材料以及施工的整体承包是我国水泥工业维修的整体发展趋势。只有这样才能做到资源的优化配置，使各部位耐火材料的整体使用寿命同步，达到同步使用、同步检修的目的，提高回转窑的运转率，最终达到节能降耗、提高效益的目的。
我公司下属的通达工程技术有限公司具有二级炉窑工程总承包资质，保证了产品设计、开发、制造、施工、维护“服务链”的完整性，专业化的服务势必为我国各大水泥生产企业的高效、低能耗、长周期运转保驾护航。
五、节能降耗的初步效果
通过优化大型水泥窑耐火材料的整体配套方案和严格的施工，来提高耐火材料的整体使用寿命和回转窑的运转率，实现两年三修、一年一修的目的。降低了水泥窑的维修次数和维修时间，节约了频繁开、停窑带来的能源消耗；同时，通过在窑尾系统试用轻质耐火浇注料，降低金属壳体的外壁温度，减少能源的散热损失，最终达到降低生产单位水泥熟料的能源和耐火材料的消耗量，起到节能降耗的效果。
六、总结
随着我国干法水泥窑在整个水泥工业中的比例不断加大，水泥窑用耐火材料的开发、设计配置、施工、维护的一体化，必将大大提高回转窑的运转率，减少停窑检修次数，降低每生产单位水泥熟料的能耗量和耐材的消耗量，推动我国水泥工业良性、低能耗、快速发展！

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