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        水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶用集成模塊化節(jié)能窯襯研究

        2022-06-21 06:54:58翟鵬濤劉宗虎朱其川石珍明劉志強翟耀杰
        耐火材料 2022年3期
        關(guān)鍵詞:隔熱層托板回轉(zhuǎn)窯

        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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到1 450℃,物料流動對窯襯的工作面具有沖刷作用,當(dāng)前普遍選用耐高溫、抗侵蝕性能良好的鎂質(zhì)磚進(jìn)行窯襯砌筑。然而,鎂質(zhì)磚熱導(dǎo)率大,導(dǎo)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(dá)310~360℃[3-4]。降低窯襯的導(dǎo)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(jìn)一步降低水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯的導(dǎo)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(biāo)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(biāo)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(dǎo)率,更高的強度,能滿足高溫服役基礎(chǔ)上節(jié)能降耗的效果[8-9]。

        表1 各材質(zhì)的主要性能指標(biāo)

        1.2 節(jié)能窯襯的模塊化設(shè)計

        以某5 000 t·d-1水泥回轉(zhuǎn)窯(φ4.8 m×72 m)為例設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置內(nèi)表面熱源溫度為1 450℃,按熱對流和熱傳導(dǎo)方式對各模型中的筒體表面溫度和各層間溫度進(jìn)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??梢?,只進(jìn)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(shè)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(yīng)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(dá)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(yīng)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(shè)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(jìn)后的C6組合是較為科學(xué)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(yīng)用

        將改進(jìn)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(jìn)行應(yīng)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(jìn)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??梢钥闯觯褂脗鹘y(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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(dān)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(shè)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(yīng)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(jìn)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。

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