水泥窯燒成系統內襯砌隔熱板與冶金等工業窯爐不同之處在于:
1.水泥窯燒成系統內不僅氣流溫度較高,而且煙氣含塵濃度高,氣體風速大,此外煙氣和粉塵均含有一些鉀、氯、硫等化合物。易對襯料產生化學侵蝕。
2.隔熱襯料一般設置在工作層和金屬筒體之間,受金屬托磚板受熱變形的熱機械損壞,也受含塵煙氣透過耐火磚磚縫、耐火澆注料的錨固件溫差應力產生的縫隙、膨脹縫和結構縫的熱化學侵蝕和磨蝕作用。
3.水泥窯內既有氧化氣氛的裝備,如冷卻機、三次風管和窯門又有氧化和還原氣氛同時共存的裝備,如預熱器、分解爐,在生產過程中,上述各裝備之間溫差較大,氧化氣氛的裝備中,高溫部位的是窯門和冷卻機進料口,氧化和還原氣氛的裝備較高溫度是燒無煙煤的分解爐和上升煙道。此外,近年來為降低NOx排放,采用還原氣氛條件下的分級煅燒,則分解爐內燃燒部位基本上是還原氣氛,溫度也低些。
在生產過程中的二級、一級預熱器和冷卻機低溫部位因氣流溫度低,隔熱層溫度可能接近300℃,硅酸鋁纖維板內有機結合劑有可能不會完全被燒壞,其余的不動裝備內因隔熱層溫度超過300℃存在全部被燒掉的可能,其結果將出現如下情況:
①5%~8%的有機物燒掉后,硅酸鋁纖維板的強度大幅下降,基本失去強度,且表面特別粗糙,體積密度有所變化,原有體積相應增加5%~8%的空隙。在預熱器、分解爐系統結皮部位的硅酸鋁纖維板,因強度太低,人工或空氣炮清理造成震動,很易坍塌。
②硅酸鋁纖維板內呈現大量空隙,高溫含塵氣流經托磚板和隔熱層之間的間隙,耐火磚內的磚縫、耐火澆注料的膨脹、結構縫進入,粉塵則沉積在含有大量空隙的硅酸鋁纖維板內,增大了板的密度,致使隔熱板的導熱系數增大,傳熱量增加,勢必造成金屬筒體表面溫度上升,散熱損失增大,對生產不利,增加熱耗。若氣流溫度超過最高使用溫度,則硅酸鋁晶化變成粉末,易造成隔熱層整體坍塌。此外含有堿、氯、硫化合物的含塵煙氣會對硅酸鋁產生化學侵蝕。
③工作層在長期生產中磨蝕或脫落,沒有多大強度的且表面粗糙的硅酸鋁纖維板很難直接與高溫含塵氣流接觸,一方面受高溫作用粉化,另一方面旋風筒、分解爐內的氣流速度很高,勢必將強度很低的硅酸鋁纖維磨蝕或大片坍落。
④硅酸鋁纖維板與金屬托板和錨固件接觸部位,由于金屬易傳熱很易使接觸面的硅酸鋁纖維粉化,另一方面金屬受熱變形,又易使板受力損壞。
⑤在生產過程中,硅酸鋁纖維板內粉塵量增多,導熱系數增大,則最外層的筒體表面溫度上升,此時筒體受熱膨脹向外,所留的膨脹間隙內大量沉積粉塵,生產中若出現事故停窯時,筒體接觸空氣冷卻,體積減小,此時金屬筒體向隔熱層施力,隔熱層又向工作層施力,多次反覆的結果是工作層向外坍倒或者金屬外殼變型,這個現象隨生產時間增加而加重。
⑥若高溫熱氣流內富集含堿硫氯粉塵,必將與Al2O3作用,形成導熱系數極差,強度低且體積膨脹的的化合物,使其失去隔熱功能,這是Al2O3的致命缺點之一。
上述情況表明,硅酸鋁纖維板在冷態時具有較好的表面平整度,且強度較高易施工,在生產線投產初期具有一定效果,但有機粘結劑燒掉后強度大幅下降,高溫粉塵易沉積,導熱系數增加,筒體表面溫度相應增加,且易損壞,不適合用于水泥燒成裝備上。
70年代,國內水泥生產裝備上曾使用過硅酸鋁纖維制品,其效果較差,半年至一年時間,大多粉化,由于上述原因再加粉末對人體有害,沒有推廣應用。
國內大量使用硅酸鈣板的情況是這樣的:80年代引進的IHI公司的冀東、MHI公司的寧國、寶鋼、FLS公司的珠江、柳州、順昌以及我們掌握的KHD的新疆、Polysius公司的大宇燒成裝備的耐火磚圖,均使用硅酸鈣板,在原國家建材局直接關懷下,中國建筑材料研究院耐火材料研究所開發了此產品,獲得國家級、部級科技獎在國內開始大量應用。進入21世紀,雖引進裝備不多,但海螺的4條10000t/d生產線、一條8000t/d生產線以及國際上的一些跨國水泥集團,在我國江西亞東、都江堰等興建的生產線均明確使用硅酸鈣板,近年來查閱到的多份國外雜志上的資料,一般條件及高溫條件仍然使用的硅酸鈣板,在煅燒工業廢棄物出現嚴重的堿氯硫侵蝕時,采用抗堿氯硫鹽化學侵蝕的耐火澆注隔熱襯料,尚未查到國外用硅酸鋁纖維板的資料。
國外在90年代遇到煅燒低揮發石油焦等燃料出現分解爐氣體高溫時,也遇到事故(圖1)。詳細地分析了事故的原因,主要為:①長時期以來,水泥煅燒使用揮發份較高的燃料,改用低揮發燃料后,性能尚未完全掌握,尤其是燃燒器的位置及工藝參數都需與低揮發燃料相適應,因而在燃燒火焰附近的部位,造成局部高溫。②原有的托磚板設計方式有問題(圖2),托磚板上墊硅酸鋁纖維棉(個別公司圖紙要求纖維棉用金屬網包?。?,而纖維棉易受熱和高溫含塵氣流沖刷損壞,當纖維棉損壞后,金屬托磚板直接與高溫含塵氣流接觸,受高溫氣流加熱膨脹產生變形,極易使工作層和隔熱層的材料受力損壞。③工作層和隔熱層之間的界面溫度超出隔熱材料的最高使用溫度,隔熱層難于承受高溫工況條件。
針對上述問題,作出了改進措施,主要有:
①改善燃燒器燃燒性能,使低揮發份的燃料火焰均勻穩定,調整燃燒器的位置,使之更好的對生料加熱,相應減少火焰的峰值溫度。
②設計密封型托磚板,盡量防止含塵熱氣流與金屬托磚板和硅酸鈣板接觸,事實上分解爐即使出現1200℃以上的溫度,通過高鋁質工作層襯料后,到達隔熱層的表面溫度一般均低于1100℃。萊州凱發隔熱生產的高溫硅酸鈣板的最高使用溫度是能承受的,此方法避免了金屬托磚板受熱變形造成縫隙,熱氣流經縫隙直接與硅酸鈣板接觸造成的損壞,解決的辦法很成功,可惜國內沒有看到應用。此外在窯門罩,采用頂部金屬筒體提拉辦法,避免筒體下沉造成火磚或耐火澆注料受壓損壞等等措施。上述襯墻均未用硅酸鋁纖維板,而是用硅酸鈣板。③在硅酸鈣板確實難于適應高出1100℃的隔熱層表面溫度時,在工作層和隔熱層之間增加一層工況使用溫度可達1300℃的隔熱澆注料,通過隔熱澆注料,溫度下降至1100℃以下,然后使用凱發耐高溫硅酸鈣板隔熱,以達到較低的筒體表面溫度,從而減少散熱損失。
1.萊州凱發生產1050度硅酸鈣板和硅酸鋁板使用溫度:
國內凱發硅酸鈣板樣本為1050℃-1100℃,而硅酸鋁板實際使用溫度要比分類溫度低250℃左右。
2.硅酸鈣和硅酸鋁板使用密度:
硅酸鈣板的密度為170kg、200kg、230kg/m3,而硅酸鋁板為220kg、220-280kg、300kg/m3,
常用的200硅酸鈣板與之相比,至少輕20kg/m3以上,一條5000t/d級生產線使用的隔熱襯料為700~800m3
至少輕約15t以上。
3.導熱系數:
硅酸鋁纖維板樣本標明平均800℃為<0.116w/m.k,與硅酸鈣板的導熱系數接近,二者差別不大,
但在生產過程中,由于硅酸鋁纖維板有機粘接劑燒掉后,出現空隙被粉塵填充后呈現密實狀況,其導熱系數必然增高,
生產的時間愈長,廢氣中的粉塵沉積得愈多,導熱系數愈差,筒體溫度愈高,筒體散熱損失愈大。
4.毒性
硅酸鈣板無毒,而硅酸鋁板有毒,是致癌物質,檢修時易吸入人體,對人體不利。
5.表面平整度
硅酸鋁纖維板是由有機粘結劑結合,冷態時有較高的表面平整度,但在200℃~300℃時有機物燒毀后,表面極為粗糙。
6.抗化學侵蝕
硅酸鋁纖維板主要成份為硅酸鋁,在高溫下與堿化物(K2O、Na2O)作用,生成KAS2、KAS4、KAS6、NaS2、3Na2O、CaSO4、β-Al2O3
等化合物,容積增加7%~30%,易造成襯體損壞,而硅酸鈣板也受堿化物侵蝕和硅酸鋁相比,程度輕些。
有一點需說明的,硅酸鋁纖維板中的精品,高純氧化鋁混合纖維和含95% Al2O3的氧化鋁纖維,最高使用溫度在1300℃以上,但板內Al2O3
含量均超過80%,當溫度超過1200℃時,Al2O3與堿作用,生成少量的KAS4(白榴石)和KAS2,體積增加17~20%,襯體膨脹損壞,且價格
昂貴決非產量大、價值較低的水泥工業大面積使用,就是常規的硅酸鋁纖維板,據說價格也比硅酸鈣板高。
硅酸鋁板纖維板雖然具有使用溫度稍高的優點,但內部含有5%~8%的有機粘接劑,在預分解燒成系統裝備內,生產初期有機粘接劑燒毀,形成界
面粗糙、孔隙多、強度低的硅酸鋁纖維層,易使高溫煙氣內的粉塵沉塵,使其性能逐步變差,導熱系數增加,筒體散熱增加,使用壽命降低和硅酸
鈣板相比,長期使用后的強度、導熱系數、密度、表面平整度、抗化學侵蝕、價格以及對人體的毒性等均具劣勢,這可能是國外水泥工業為什么沒有采用的原因吧!
隨著預分解窯生產工藝性能的進一步提高,除了系統內煙氣溫度增加外,對筒體散熱損失要求愈來愈低,這對隔熱材料提出了新的技術要求。必須進一步
優化硅酸鈣板的性能才能滿足生產需求。①開發最高使用溫度為1200℃的新產品硅酸鈣板,以滿足溫度增高的需求。②開發導熱系數更低,且強度滿足生產使用的
輕質硅酸鈣板或其他品種隔熱板,以滿足降低筒體散熱損失的需求。從技術發展來看,是有必要的,也是迫切的。
 
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