我国耐火材料工业炉窑的技术进步

　　我国耐火材料工业炉窑经过五十年来的发展，技术水平有了较大提高。其间制定了耐火炉窑热平衡测定与计算方法的统一规定，调查监测了耐火炉窑污染环境的情况。本文重点介绍了主要耐火工业炉窑的技术进步；不富氧超高温燃烧技术的开发；轻型节能权利式窑的推广；提高炉窑自动化水平；开发电加热炉窑；推广应用适用于耐火炉窑的环境保护技术等。最后提出了今后推动我国耐火材料工业炉窑技术进步的建议。

　　1前言

　　耐火材料工业炉窑用于原料的干燥、原料的轻烧、原料的烧结、砖坯干燥、制品烧成及不烧制品的热处理等，是保证耐火材料产品质量的关键设备，同时也是生产中的耗能大户。由于炉窑种类繁多，本文重点阐述我国烧结原料的竖窑、回转窑及烧成制品的隧道窑、梭式窑的技术进步，并对今后工作提出建议。

　　2耐火材料工业炉窑技术现状

　　随着国内技术开发水平的提高和国际技术经济交流的扩大，耐火材料工业炉窑技术得到长足发展。

　　2.1不富氧超高温煅烧技术

　　耐火材料工业三大技术为：高纯原料、高压成型和高温烧成。在高温烧成方面，我国开发了不富氧超高温煅烧技术，并相继在超高温隧道窑、超高温竖窑、超高温回转窑中得到广泛应用。这类超高温炉窑的主要技术特征是，不富氧条件下，煅烧温度在1800℃以上。实现超高温的技术要点是：采用高热值燃料，如油、天然气等；利用各种窑型的各自特点，对助燃空气和煅烧制品进行强化预热；合理控制助燃空气系数等，最终实现炉窑的高温高效。

　　2.1.1超高温隧道窑

　　超高温隧道窑主要用于制品的烧成，烧成温度可达1800℃-1900℃，高温技术成熟、可靠，已广泛应用于高纯镁质、镁铬质、镁铝质及刚玉质等制品的烧成。

　　目前国内超高温隧道窑已建几下条，其主要技术性能是：窑长度：50m-130m；窑宽度：1.1m-3.2m；生产能力：5000t/a-32000t/a；单位产品热耗：6600kJ/kg-6900kJ/kg。

　　超高温隧道窑多采用双层拱顶预热助燃空气，使其温度可达1000℃左右，从而有利于提高烧成温度，也有延长拱顶窑衬寿命的作用。

　　2.1.2超高温竖窑

　　超高温竖窑用于煅烧高纯耐火材料原料，且以碱性材料居多，窑温可达

　　1900℃-2000℃。现国内已投入使用的超高温竖窑主要性能：有效容积：3.5m3-19m3；窑内径：φ700mm-φ1600mm；生产能力：700t/a-50000t/a；单位产品热耗：2000kJ/kg-2500kJ/kg。

　　超高温竖窑利用系数大，生产率高。实际生产中，炉窑利用系数可达5t/m3-7t/m3d，部分炉窑可达7t/m3d-10t/m3d。实现超高温的主要技术措施是：使窑内二次空气与物料良好接触，充分吸收物料的物理热，在进入煅烧带前温度已达到1500℃以上。同时燃料通过烧嘴喷入窑内，直接在炽热的物料上汽化燃烧，燃烧效率高，炉窑高温系数可达0.9以上。

　　2.1.3超高温回转窑

　　超高温回转窑窑内温度可达1800℃-1950℃。主要用于煅烧烧结刚玉、合成莫来石、镁铝尖晶石、镁铬砂和镁钙砂等耐火原料，适应范围广，煅烧质量均匀。

　　国内现有的高温回转窑有两种规格：φ1.7m×40m和φ2m×60m，生产能力为

　　6000t/a-20000t/a，单位产品热耗为9900kJ/kg左右。为达到超高温煅烧，采取了以下几点措施：1）煅烧带内衬为高档耐火材料，外层为隔热材料，控制筒体的表面温度低于普通回转窑，有利于提高煅烧温度，同时也节省了能源；2）通过回收窑尾烟气的余热，预热一次空气，并对二次空气入窑进行调控，从而在不用富氧的条件下，实现煅烧温度大于1850℃；3）通过对一次风系统的调节，可以有效改变烧嘴火焰的直径和长度，从而达到调节煅烧带的长度和火焰温度；4）通过对窑内压力和煅烧系统压力的自动调节，确保燃烧的稳定，并具有调节灵活可靠的特点。

　　2.2轻型节能梭式窑

　　梭式窑是可取代倒焰窑的新型间歇式炉窑，是国内近十年来发展最为迅速的窑型之一。曲型的梭式窑以轻型、薄壁、节能为特征，其主要特点是：a）适用多品种小批量生产，组织生产灵活，满足以销定产要求；b）采用轻型薄壁式窑墙结构，内衬采用高温轻质材料，隔热好，蓄热量少；c）新型梭式窑采用高速等温烧嘴，高低错落布置，喷出高速气流，使窑内气流强烈地旋转，对流换热效果极大提高，高温阶段窑内各点温差可控制在5℃以内。在低温阶段，采用调温风增大烟气量，调节喷入窑内烟气温度，窑内温差在5℃~10℃之间。采用高速等温烧嘴后，升温、降温速度快，故烧成周期短，提高了窑的周转率，节约了燃料；d）装卸砖在窑外进行，生产劳动条件大大改善；e)可配置适宜的检控仪表，采用PLC控制，实现全自动化操作。

　　各种梭式窑都采用了适当的烟气余热回收措施。通过生产实践表明，轻型节能梭式窑燃料消砂仅是普通倒焰窑的30%-40%。

　　国内现有梭式窑容积一秀在10m3-80m3范围内，最近引进了300m3烧硅砖用大型梭式窑。梭式窑烧成温度1000℃-1800℃，可采用天然气、煤气、柴油、液化气等作燃料。梭式窑主要用于生产高档耐火材料，如镁质制品、滑板、水口、刚玉砖、窑具等耐火材料。

　　2.3炉窑自动化程度

　　随着自支化技术的发展，耐火材料工业炉窑的控制水平也在提高。近年来，国内一些耐火材料工业炉窑已实现自动化控制，其主要特点是：a）采用DCS或小系统控制站，通过检测和控制设备对炉窑生产过程进行监视、自动操作;b）采用燃料—空气比例燃烧，实现炉窑燃烧的合理和节能；c）采用分区控制温度技术，对不同炉窑制定相应的分区方案，以实现炉窑内温度的合理分布和控制。在隧道窑中根据烧成品种的烧成曲线温度分布，设置5—12个温度控制区进行控制。在梭式窑中，根据窑门、窑顶、窑底等各部位的传热差异，设4~9个温度控制区，实现全窑的自动控制。特别对梭式窑已可实现点火、升温、保温、冷却全过程度控制，减少操作中人为因素的影响，提高产品成品率。

　　2.4电加热炉窑

　　近年来电加热炉窑的应用在逐步增多，大多用于镁碳砖、长水口、滑板等制品的热处理，也用于滑板、长水口的焙烧及氮化硅等特种耐火材料的烧制。电加热炉生产录活，温度控制方便可靠，生产环境好。电加热炉窑中，用于热处理的炉窑大多以连续性炉窑为多，使用温度一般在200℃-350℃，装机功率150kw-300kw。焙烧炉窑多为间歇作业，使用温度大多在400℃-700℃，装机功率随产品品种和升温速率要求，差异较大，多在250kw-500kw。生产氮化硅结合碳化硅砖的电加热炉窑温度<1400℃。

　　2.5环保技术的应用与推广

　　耐火材料厂生产中存在的污染问题，使上海、北京、广州等大城市，对建在市区内的耐火材料厂，采取迁建或限停产措施。耐火材料工业炉窑是重点污染源，近年来着重推广的环境保护措施是：a）采用高效除尘器净化烟尘。烟尘净化重点推广高效布袋除尘器，由于受滤袋限制，要求进布袋除尘器的烟气温度小于260℃-300℃。炉窑烟气经过高效除尘器处理后，烟尘含量可控制在100mg/m3以内；b）沥青烟气的处理。滑板、镁碳砖等制品需要浸渍焦油，然后再在炉窑中焙烧，脱除挥发份，于是产生沥青烟气，对工作场所和周围环境产生污染。

　　在沥青烟气处理上曾采用“白土吸附”工艺，即用白土吸收沥青烟气，吸污后的白土进行焚烧处理。此工艺繁杂，运行成本高，并存在二次污染问题，实际运行效果并不理想。

　　一些企业根据自身条件，采取焚烧沥青烟的方法，工艺过程简单。现在有些产品使用有机结合剂，在热处理时排放有害物，也采取焚烧废气的方法，将废气在热风炉中焚烧，焚烧温度>750℃，燃烧容积热强度在1300GJ/m3h左右。

　　近年来，在部分油浸设施上采用了“洗油吸附”工艺。采用洗油吸收沥青烟气，其工艺流程如图1所示。洗油吸附沥青烟气饱和后，可作为其它炉窑的燃料使用，降低成本，投产后使用效果较好。

　　2.6先进炉窑和落后炉窑并存

　　80年代以来，耐火材料工业迅猛发展，中国已成为世界耐火材料生产大国、出口大国。一些国外合资或独资企业进入中国市场，它们一般都有较强的经济实力和先进生产技术，在国际市场上有良好的声誉，但其工业炉窑，大都采用我国的技术，从而反映出我国先进的炉窑已获得国外同行的认可。

　　民营企业在市场经济下发展迅速，有一些效益好的企业新建了较高标准的生产线，但从民营企业总体来看，起点较低，装备水平相对落后，还有相当数量的土竖窑和倒焰窑。这造成先进炉窑与落后炉窑并存局面，落后炉窑与节约能源和环境保护的要求不相适应，先进炉窑还应不断进步提高。

　　3推动耐火材料工业炉窑技术进步的建议

　　3.1全面调研耐火材料工业炉窑状况并制定相应对策

　　我国耐火材料生产厂集中度差，炉窑现状呈现多样化，一些先进的炉窑在发展推广，一些落后的炉窑也在生存和再建。

　　随着市场经济的发展，一些旧有企业的关停并转，新型企业的日渐兴起，耐火材料市场格局已发生重大变化。在此种局面下有必要对中国耐火材料工业炉窑的状况再作摸底调查，搞清炉窑的分布、炉型状况和能源消耗，制定耐火材料工业炉窑技术目录，鼓励发展高新技术，淘汰落后技术。这对全面提升耐火材料工业生产水平有积极意义。

　　3.2推动节能工作进步

　　加强耐火材料工业炉窑管理，降低炉窑燃料消耗，是耐火材料节能工作的重点。目前国内只有个别耐火材料企业，设有能源管理机构，相当多的企业，缺乏必要的计量手段和科学的统计分析方法，对有关能源消耗及其变化的真实情况难以掌握，更难以有计划有目标地针对性地开展能源管理。

　　建议补充完善“耐火材料工业炉窑热平衡测定计算方法统一规定”，制定耐炎材料工业炉窑“热效率”标准，将推荐性标准改为强制性标准，强制推动节能工作的进步。

　　3.3淘汰落后炉窑

　　各种不同炉窑燃料消耗有较大差异。根据统计，不同窑型煅烧粘土、高铝熟料的单位产品燃料消耗见表1，不同窑型煅烧制品的单位成品燃料消耗见表2。

　　表1不同窑型煅烧粘土、高铝熟料的单位产品燃料消耗表

　　标煤kg/t

　　产品窑型

　　回转窑竖窑土竖窑

　　粘土熟料140-16065-80250-300

　　高铝熟料200-280——400-500

　　由此可见，煅烧原料的土窑、烧成制品的倒焰窑都存在能源消耗高，且环境污染严重、操作环境恶劣的问题。目前这些落后炉窑在国内仍在重复建设，应坚决制止。对已建落后炉窑有必要进行改造或淘汰。

　　3.4开发新型适用炉窑

　　在对炉窑正确评价的基础上，推广节能环保型炉窑，开发适合我国市场的炉窑。根据目前国内耐火材料生产企业规模小、市场多变的特点，建议开发新型炉窑：

　　表2不同窑型煅烧制品的单位成品燃料消耗表

　　标煤kg/t

　　产品窑型

　　隧道窑梭式窑倒焰窑

　　粘土砖100—180——350—600

　　高铝砖200—250——540—750

　　硅砖180—300400—550500—650

　　中档镁砖180—330——550—750

　　铝碳制品1）500—850800—1100——

　　注1）埋炭烧成时

　　a）间歇式隧道窑

　　该窑型可以认为是在梭式窑的基础上，前端增加了预热带，后端增加了冷却带，使梭式窑具有隧道窑的高“热效率”优点，间歇式隧道窑特点可以概括为：1）冷却带制品的余热可以预热二次空气，烧成带排出的余热加热砖坯，克服梭式窑能耗高的缺点；2）降低排烟温度，为烟气净化提供条件；3）可实现窑外装卸砖，改善操作人员劳动条件；4）具有间歇窑灵活生产的特点，方便组织生产。

　　b）新型菱镁石、白云石轻烧窑

　　新型菱镁石、白云石轻烧窑的要求技术特征为：1）既适应轻烧小粒矿石，又能适应轻烧精矿粉；2）轻烧菱镁石、白云石具有高活性度；3）排放高浓度CO2烟气，为经济回收CO2创造条件。

　　3.5燃料结构合理化

　　燃料燃烧后的产物，应不污染产品，或者污染程度在产品质量允许范围内。因此煅烧精料和烧成优质制品时，必须坚持采用低灰分液体燃料或高热值气体燃料。

　　由于我国单位国民生产总值占用燃料过高，造成燃料资源紧缺，相对而言，煤多，燃油少，高炉、焦炉、转炉等回收煤气不敷使用。从我国实际情况出发，开展的重点工作有：1）开发高效煤粉制备设备，应用无烟煤粉作为回转窑燃料；2）综合利用煤炭资源，采用水煤浆作为耐火炉窑的燃料（>1350℃）；3）开发兼顾使用气体燃料和固体燃料，高热值烯料和低热值烯料以及富氧的二用或三用烧嘴技术。

　　3.6推广耐火炉窑采用富氧助燃技术

　　采用空气助燃时，大量热能被空气中的N2气带走，几乎占全部热量的30%以上，致使热利用率低，高温煅烧困难且不稳定。当燃烧温度>1300℃后，产生NOX量随温度呈指数级增加，在高温、超高温条件下，烟气含NOX量高，增加了治理难度。

　　富氧助燃，由于富氧空气中N2减少，虽然烟气比热比空气助燃略有提高，但随着氧含量的增加，烟气总量大幅度减少，使烟气温度迅速提高。这对于实现超高温烧成的节能和减少排放NOX均有显著效果。富氧空气助燃的烟气温度按下式计算：tr=Qy/CV。Qy——燃料的低发热值，kJ/kgm3；C——烟气平均比热，kJ/m3℃；V——烟气生成量，m3/kg。

　　以下富氧空气燃油的热工参数可供参考。

　　表3富氧空气燃油的热工参数（当a=1.15，富氧空气温度15℃时）

　　燃烧指标富氧空气的氧含量

　　含O2量20.67%含O2量25%含O2量30%

　　实际燃烧富氧空气量，m3/kg12.4410.298.58

　　烟气生成量，m3/kg12.99410.87559.1874

　　烟气平均比热C，kJ/m3℃1.65151.70541.7648

　　计算烟气温度，℃190222012518

　　富氧空气的O2含量一般为22%-30%。目前我国小型制氧技术进步较大，采用富氧助燃在经济上已可行，因此推广耐火炉窑采用富氧助燃技术，条件已经成熟。

　　3.7提高炉窑自动化控制水平

　　我国耐火材料工业炉窑总体自动化控制水平较低，有相当部分炉窑对操作人员的依赖性很大，直接关系到炉窑的消耗和成品率，因此很有必要逐步提高控制水平。

　　炉窑自动化控制的关键，在于解决好一次测温仪表，其次是数据的传输与智能化控制。对炉窑的温度、压力等参数进行监控，对操作趋势进行预测调节，实现炉窑数字化操作，从而达到提高成品率、降低能源消耗、增收节支的目的。炉窑的智能控制是现代炉窑发展的方向。

　　中兴窑炉技术中心