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耐火材料行业知识

石灰窑

  工业用于石灰生产的石灰窑设备主要有:套筒窑、双膛窑、双梁窑、回转窑、混料式立窑等,各种类型的石灰窑有其独特的结构特点及应用领域。
  (1)套筒石灰窑由分成上下两段的内套筒和砌有耐火材料的窑壳组成,窑壳与内套筒同心布置,矿石在窑体和内套筒之间的环形空间内利于气流穿透。上内套筒悬挂于窑项部;下内套筒在竖窑的下部,结构为双层钢壳,钢壳间形成环隙,环隙内外侧砌耐火砖,其衬内通空气冷却。上下内套筒有不同功能,上内筒主要将高温废气抽出用于预热喷射空气;下内筒用于产生循环气流使窑内形成并流缎烧,而且起到保证气流均匀分布的作用。套筒窑的结构特点是通过设置内套筒在一个窑身内形成了并流煅烧。
  套筒窑设有两层燃烧室,燃烧室由耐火材料砌筑的拱桥与内套筒相联。套筒窑使用天然气、电石炉气、焦炉煤气、转炉煤气、高焦混合煤气(发热值在1600kcal/Nm3以上)、煤粉、重油、轻油等流体燃料为燃料,在上述燃料不足的情况下,也可添加少量小块焦炭作为燃料旧。。
  整个窑体采用负压操作,对窑体密封要求不高,可以通过在线观察窑内缎烧过程、取样检测产品质量及维修设备,在所有竖窑中套筒窑作业率最高。
  (2)并流蓄热式双膛竖窑(NAERZ窑)有两个窑身,煅烧和预热矿石在两个窑身交替轮换进行,在两个窑身煅烧区底部之间通过连接通道互相连通,每间隔一定时间换向一次来变换窑身的工作状态。在正常运行时,两个窑身交替装入石灰石,燃料分别从两个窑身上部通过埋设在预热区底部的多支喷枪将燃料均匀地分布在整个窑的断面上,使燃料得到均匀的燃烧。助燃空气用罗茨风机从竖窑的上部送入,助燃空气在预热区先被预热后与燃料混合,然后煅烧火焰气流通过煅烧区与矿石并流运动(在所有竖窑中,双膛窑的并流带最长),使矿石得到煅烧。煅烧后的废气通过联接两个窑身的通道经过另一窑体的预热区后向窑顶排出,使废气直接预热石灰石,热量得到了较充分的利用,所以在所有竖窑中单位热耗是最低的。并流蓄热式双膛竖窑由于长行程的并流缎烧,石灰质量很好。
  (3)双膛窑使用的燃料也是燃气、燃油、煤粉等流体燃料。窑采用密封正压操作,工作压力在40kPa左右。双膛窑的操作控制(如换向、装料等)可采用DCS系统自动控制,稳定石灰窑的煅烧工况,并减轻工人的劳动强度。
  双梁窑的断面一般为方形或矩形,该种石灰窑采用了两层烧咀粱,梁内通过若干燃料管把燃料供给分布在梁两侧的烧咀,将燃料均匀地分布在窑的断面上,保证了燃料在整个双梁窑的窑体断面上均匀燃烧。双梁窑的烧咀梁主要采用导热油进行冷却,导热油带出的热量通过热交换器用于预热燃烧一次空气,可以降低双梁窑的热耗。
  双梁窑使用的燃料也是流体燃料,主要是燃气、燃油、煤粉等。双梁窑窑内采用了在缎烧带以下为正压,在煅烧区以上为负压的双向压力系统。窑内燃烧所需的二次空气通过鼓风机由分布梁进入冷却区,使窑内的缎烧带以下保持正压;窑上部的废气通过废气引风机抽出,使窑内缎烧带以上保持负压。
  (4)回转窑分为长回转窑和短回转窑两种。长回转窑长度一般在80~152m之间,不带单独的预热器,最大能力不超过2000t/d,该窑可以煅烧粒度较小的石灰石(石灰石的块度一般为5~50mm),提高了原料的利用率。由于长回转窑的热耗比较高,一般在6270~8386/kg石灰之间,正在逐渐被短回转窑所取代。短回转窑一般长在20~60m之间,短回转窑需要设置预热器,一般采用篦式预热器、竖式预热器或旋流预热器,短回转窑装有预热器可以使石灰的热耗降低。短回转窑煅烧石灰石的块度一般为,热耗一般在4800~6960kJ/kg石灰之间(带旋流预热器的短回转窑的热耗仅为4590~544kJ/kg石灰)。短回转窑煅烧活性石灰的单位热耗比一般机械化竖窑低,但比并流蓄热式竖窑高15%~30%。
  回转窑的特点是煅烧出的石灰质量好、活度高(活性度一般可达到石灰、4NHCl、lOmin))。回转窑煅烧系统设备多,重量大,投资高,占地面积大,它比并流蓄热式竖窑单位产品耗钢材量大3~5倍,投资高出50%~80%,占地面积多出1倍。
  回转窑机械化程度高,易于控制,劳动条件好,产量大,适宜于冶金工业。回转窑对煅烧的石灰石强度有一定的要求,在煅烧过程中强度变低、易爆裂的石灰石不适合在回转窑中煅烧。回转窑煅烧使用燃料的范围较为广泛,可采用天然气、高炉煤气、焦炉煤气或混合煤气、重油和煤粉等。
  (5)混料式立窑又称为混料式机械化立窑,这种窑特点是结构简单、使用可靠,混料式立窑的生产能力在30~350t/d石灰之间,混料式立窑主要由窑体、物料升运设备、装料设备、卸灰装置等几部分组成。石灰在窑内的热工过程是:按加入石灰石和燃料的混合料至成品石灰出窑的过程,自上而下将窑内的整个空间分为三个区:预热区、煅烧区与冷却区。石灰窑的上段是预热区,它一方面将新加入的石灰石和燃料混合料逐步加热到分解温度(约900℃),另一方面则将上升的窑气逐步冷却到250~300℃;窑体的中段是分解区,一般最高温度是1100~1200℃;窑体的下段为冷却区,不但通过抽(鼓入冷空气使已烧好的石灰温度逐步冷却到50~100℃,然后通过卸灰装置从窑底卸出石灰,而又起到了预热空气的作用。助燃空气由下而上与炉料逆向运动,刚入炉的空气在冷却区冷却已煅烧好的石灰,同时空气自身预热:经预热的空气进入煅烧区助燃,提高煅烧区的温度,以利于煅烧吸热反应的正常、快速运行,使石灰石分解;由煅烧区流出的高温燃烧后空气与煅烧分解出的C0:一起组成的混合气,我们俗称窑气(CO2浓度一般在28~40%间),由煅烧区进入预热区,预热入炉的石灰石和燃料混合料,同时使自身温度降低,减少了出炉窑气带出的热损失,混料式立窑的热耗一般为3762~5616kJ/Kg石灰。
  该种窑有圆锥型和圆柱型两种形式,圆锥型混料式立窑的优点是能适应石灰石和燃料粒度的较大变动,因其窑体的上、下部均为圆台形,气体和空气可均匀分布于窑体整个截面上,可减少“窑壁效应”(即空气上升速度是窑壁快,窑中间较慢)的发生№。,其缺点是因其直径比同体积圆柱型的石灰窑要大,故高度较低,降低了窑的热效率,而且窑体砌砖较为困难;圆柱型混料式立窑的优点是结构简单、稳固,石灰石产生粘结的可能性较小,具有较小的容积表面积,向周围介质的散热损失也较小,热效率较高,物料在窑内容易分布均匀,而且窑体砌砖较为容易。圆柱型混料式立窑的缺点是:当混合料粒度发生变化时,物料下落和气流沿整个横断面分布的均匀性差。
  在我国,钢铁工业使用石灰需要较高的石灰活性度,活性石灰与普通石灰相比,用于氧气转炉炼钢,不但可缩短炼钢时间,减少石灰和萤石用量,而且可以提高钢水收得率、降低废钢比和延长炉衬寿命。而现用的各种类型石灰窑中,能生产出合格活性石灰的,只有回转窑、双膛窑、双梁窑、套筒窑,所以回转窑、双膛窑、双梁窑、套筒窑一般在大型的冶金行业中使用;而混料式立窑造价低,占地面积小,热经济性好、操作简便,并可直接使用较廉价的短焰固体燃料,所以目前纯碱工业和碳酸法的制糖企业广泛采用混料式立窑来生产石灰。
  在广西的5个碳酸法的甘蔗糖厂中,用于石灰和二氧化碳生产的都是采用负压操作的混料式立窑,窑体的有效容积在80m3~270m3之间,窑气中的二氧化碳浓度在30%以下;但目前北方的甜菜糖厂普遍采用了正压鼓风的混料式立窑,不但强化了立窑的生产能力,而且窑气的二氧化碳浓度有了较大的提高,一般均在36%以上。二氧化碳浓度的提高对强化碳酸法糖厂饱充过程,有利于提高清净效率,除去糖汁中更多的杂质,促进产品质量和产量的提高。
  石灰窑衬材料的选择
    窑衬是石灰窑内表面的保护材料,用来提高窑体内表面对煅烧物料和气体介质所引起的热力、化学和机械作用的抵抗强度。因此,砌筑石灰窑的窑衬采用耐火材料基本的要求是:耐高温,在长期高温作用下能体现出体积稳定性好,重烧收缩性小,机械强度高,并且应具有良好的耐磨性,结构要求致密,气孔率低,耐化学腐蚀性好等特点。
  窑衬选择的好坏,不仅关系到石灰窑能否长期连续地正常生产,而且直接影响到石灰产品的产量、质量和生产成本。要合理地选择好窑衬材料,就必须充分了解窑内各区的工作状态。因为窑内各区的料层压力和温度不同,物料与气体介质之间所发生的物理和化学作用亦不相同,所以各区采用的耐火材料就有所不同。现代窑一般采用多层复合窑衬,从里到外配置5层由不同耐火与绝热材料组成的窑衬,其中内层的煅烧区,一般选用耐热耐磨的高铝砖:中层材料,采用同时兼具耐热与绝热的粘土质耐火砖和硅藻土砖;而外层则主要是考虑绝热性能较好的保温材料。在窑衬的砌筑方法上,一般采用楔形耐火砖与直形耐火砖配砌的方法,在径向与环向均留有伸缩缝。
  预热区和冷却区:由于预热区和冷却区工作温度在100~900℃之间,温度较低,物料和耐火材料之间几乎不会发生化学反应。所以这两区需要承受的主要是物料对衬砖的冲击和磨擦而造成的机械损坏,一般要求衬砖有较高的耐压强度和耐磨性,多数石灰窑采用致密度较高的一般耐火材料就行。这两区与煅烧区接近的过渡段,由于邻近煅烧区,同时还由于操作上的因素影响,温度往往较高,而且物料下落过。
  煅烧区:石灰的煅烧温度一般控制在1100~1200℃左右。在煅烧区内,物料与衬砖之间在高温下将发生化学反应,内衬表面可能会被侵蚀软化,物料下落过程又对内衬产生磨损。因此,煅烧区的衬砖要求耐高温、耐磨损,并且有较高的耐压强度、耐侵蚀性和体积稳定性。以前多采用耐火度在1700℃以上的普通粘土质耐火砖,这种砖与强碱性的石灰接触后,侵蚀严重,耐磨性和抗冲击性显著下降,目前多采用了高铝砖作为窑衬,少数引进设备甚至还采用了镁铬砖等碱性耐火砖。
  用含MgO在55%~70%的镁铬砖,和采用高铝砖相比,可使立窑窑衬的使用寿命提高2~3倍,但是两种耐火砖价格比,却超过了3倍,在一次性投资上镁铬砖投资过大。目前有一些企业尝试用磷酸盐高铝砖作为立窑的窑衬,延长了石灰窑窑衬的使用寿命,取得了较好的效果。
  在贵糖新建的石灰窑中,我们考虑可以在最内层的窑衬材料使用一级高铝耐火砖,第二层使用粘土耐火砖,第三层使用实心红砖,第四层(绝热层)使用耐压高强度硅藻土砖,第五层(保温层)使用珍珠岩粉(配水泥)。
  不定形高铝粉是一种新型的耐火材料,属高铝质、低水泥用量型耐火浇注料,其性能在国际上处领先地位。其主要特点是强度高,耐磨性好,并在高温下(1300℃以上)具有优良的热稳定性、抗渣性及耐酸、碱侵蚀的性能。此种浇注料特别适用于糖厂石灰窑内壁的浇注及锅炉、干粕燃烧炉炉墙的浇注。该浇注料可取代进口耐火材料和各企业目前普遍使用的耐火砖,是一种经济实用的耐火材料,其价格略低于耐火砖的价格。由于石灰对窑衬的侵蚀和磨损,一般3~5年就要对窑衬进行大修,必要时对窑衬进行进行更换,为了延长窑衬的更换年限,减少更换窑衬的投资,目前贵糖尝试用不定形高铝粉材料对窑衬进行维护,经过三个榨季的使用证明,用不定形高铝粉材料进行补窑的方式减少了窑衬的磨损,可延长窑衬使用寿命3~5年。


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