1、前言
　　水泥窯機(jī)體表面散熱損失很大，其中部分熱損失是可以減少的，切實可行的辦法是在水泥窯的各個系統(tǒng)鑲砌隔熱耐火磚。實踐證明，使用隔熱磚的水泥窯胴體表面的熱流量減少、溫度降低，有利于窯體的維護(hù)和工人勞動條件的改善。節(jié)能則是設(shè)計部門和使用單位普遍關(guān)心的問題，這表現(xiàn)在兩個方面：一是使用隔熱磚后，在保持原有窯溫的前提下，由于各個系統(tǒng)機(jī)體表面散熱損失的減少而節(jié)省了燃料；另一是由于窯內(nèi)熱工制度變化，在保持原有燃料消耗的水平上，窯溫增高，加速了水泥生料的預(yù)熱分解和燃料的煅燒，從而提高了熟料的質(zhì)量和產(chǎn)量，使熟料熱耗降低，減少了煤耗。實際上這兩者是不能截然分開的，只是所占的比例不同而已。對施工部門來說，采用輕質(zhì)的襯料可以加快施工進(jìn)度，減輕窯體重量，節(jié)省窯的電耗。正因為有這樣的功能，國內(nèi)外的水泥窯都普遍使用隔熱磚。各種各樣的隔熱磚基本上可以分為2種類型：用作隔熱層的不直接接觸窯內(nèi)熱氣流或火焰的隔熱磚；用作工作層的單層或復(fù)合隔熱耐火磚。研制工作的難點集中在用作工作層的隔熱耐火磚上，必須保持隔熱磚有較高的氣孔率，以降低導(dǎo)熱系數(shù)，而為了確保使用效果又要求它具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。對新型干法窯和使用高堿含量原料的回轉(zhuǎn)窯來說，最重要的是使它們對堿性窯料有高抗蝕性和足夠的耐堿性。
2、水泥窯簡易熱平衡計算
　　根據(jù)原西德專家B.Scheubel，Gottingen等人的資料，可以簡易地計算水泥窯的熱平衡，借以判明各種水泥窯鑲砌隔熱磚后的節(jié)能結(jié)果。水泥窯所需熱量的簡易算法：輸入“平衡系統(tǒng)”(熟料煅燒)的熱量由燃料提供，支出熱量主要有：(1)系統(tǒng)內(nèi)部熱損失，包括：1)熟料形成熱；2)蒸發(fā)水分消耗的潛熱；3)熟料冷卻機(jī)帶走熱；4)通過傳導(dǎo)和輻射產(chǎn)生的窯體散熱損失。(2)系統(tǒng)外部熱損失。系統(tǒng)所需熱能等于系統(tǒng)內(nèi)部損失乘以f。由于廢氣溫度與窯型密切相關(guān)，水泥煅燒系統(tǒng)的外部熱損失主要取決于廢氣溫度，而且當(dāng)溫度高時該熱損失會增大，所以系統(tǒng)所需熱能可以簡便地計算出來。如已知系統(tǒng)內(nèi)部的熱損失，則系統(tǒng)所需熱能為內(nèi)部損失乘以系數(shù)f0例如，Φ3.85×96m(800t/d)干法窯的系統(tǒng)內(nèi)部熱損失為2876kJ/kg熟料，該系統(tǒng)所需熱能為2876×1.48=4256kJ/kg熟料，Φ4.7×62m(1800t/d)預(yù)熱器窯系統(tǒng)所需熱能為2662×1.28=3407kJ/kg；Φ4.7×62m(3000t/d)預(yù)分解窯系統(tǒng)所需熱能為2625×1.31=3439kJ/kg熟料。由此可見，完善水泥窯的隔熱程度所得到的節(jié)能效果并不與窯體散熱損失的絕對值相當(dāng)，而是與對應(yīng)于倍增系數(shù)f的比窯體散熱損失絕對值更大的數(shù)值相當(dāng)?shù)摹?br> 3、水泥窯節(jié)能的有效措施
　　水泥窯是一種高能耗的熱工設(shè)備，近代發(fā)展起來的各種新型干法窯的主要特色是產(chǎn)量高和熱耗低。即使這些低熱耗的水泥窯的能源消耗也要占到水泥生產(chǎn)成本的40%～60%，其中機(jī)體表面散熱損失占燃料輸入熱能的10%～14%。而傳統(tǒng)窯幾乎1/3的機(jī)體表面散熱集中在預(yù)熱分解帶，因為這一帶的散熱面積可達(dá)全窯的50%～70%。而部分機(jī)體表面散熱損失是可以通過采用隔熱窯襯而減少的。
盡管采用隔熱窯襯首先是為了節(jié)能，但是其技術(shù)效果是多方面的。窯胴體表面散熱損失減少后帶來了窯內(nèi)熱工制度的變化，而只要操作適應(yīng)這一變化，就可獲得不少的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。早在50年代，國際上就開始研制水泥窯用隔熱磚，并且十分重視其推廣應(yīng)用工作。時至今日，在水泥窯的各個系統(tǒng)采用隔熱耐火襯里已是世界各國普遍采用的做法，成效顯著。
　　我國濕法窯胴體散熱損失甚為可觀，平均占熟料熱耗的12%～14%，而大面積采用了隔熱材料的峨眉水泥廠濕法長窯的胴體散熱損失僅占熟料熱耗的7%。另據(jù)資料介紹，國內(nèi)一臺預(yù)分解窯，其預(yù)熱器系統(tǒng)的總表面積約為2000m2，與同直徑的濕法窯預(yù)熱分解帶胴體表面積(989m2)相比，散熱面積增加一倍，而其散熱損失只為后者的45%～60%，此系預(yù)分解窯大量采用高效隔熱材料所致。當(dāng)前我國水泥窯的能耗偏高，與國外先進(jìn)水平比較差距較大，而且高能耗已經(jīng)成為制約水泥企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提高的重要因素。因此，采用各種措施來實現(xiàn)水泥窯的節(jié)能降耗目標(biāo)是推動水泥工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要任務(wù)。其中簡單易行，所需資金又少(且可在短期內(nèi)回收)的節(jié)能辦法就是采用隔熱材料。減少燃料消耗還有利于提高窯產(chǎn)量和降低煙氣排放量并可降低氣風(fēng)機(jī)電耗。在水泥窯的預(yù)熱分解帶大面積鑲砌隔熱材料后，該帶的胴體表面溫度降低了，但過渡帶和燒成帶的胴體表面溫度卻提高了。例如某Φ3.5×145m濕法窯在使用了70m左右的隔熱材料之后，過渡帶和燒成帶的胴體表面溫度提高了50～60℃，這主要是因為其窯內(nèi)溫度已升高造成的，這就為水泥窯的節(jié)能增產(chǎn)和提高熱料的質(zhì)量創(chuàng)造了條件。
4、CB20磚在水泥窯上的應(yīng)用
　　4.1、CB20磚的主要物理性能
　　對新型干法窯和使用堿含量高的回轉(zhuǎn)窯來說，隔熱磚的重要性能是對堿性窯料有高的抗蝕性和足夠的耐堿性。曾將10克K2CO3裝入Φ20×35mm試體內(nèi)，在1100℃下保溫48h后，觀察到試體無裂紋，不鼓脹，完好如初，可見其耐堿性良好。另外，對于窯筒部分磚的強(qiáng)度要求較高，因為它要承受較大的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，但是提高隔熱磚的力學(xué)強(qiáng)度勢必要損害磚的隔熱性能，所以應(yīng)實事求是地確定它應(yīng)具有的力學(xué)強(qiáng)度。根據(jù)國內(nèi)多年使用經(jīng)驗和參考國外資料，將CB20磚的耐壓強(qiáng)度確立為15MPa左右。實踐表明，這是合適的。導(dǎo)熱性是另一重要指標(biāo)，其影響困素主要有磚的礦物組成、氣孔率及使用溫度等。CB20磚的導(dǎo)熱系數(shù)(350±10℃)約為0.6W/(m·k)，低于粘土磚、高鋁磚或磷酸鹽磚，因此用CB20磚替代可使水泥窯預(yù)熱分解帶的胴體表面溫度降低50～80℃。
　　4.2、CB20磚在水泥窯上的鑲砌部位
　　CB20磚已在濕法窯、干法窯、立波爾窯以及預(yù)分解窯、預(yù)熱器窯上普遍使用，適用部位是窯內(nèi)1300℃以下的區(qū)段。
　　4.2.1、預(yù)熱器窯窯尾，砌筑長度10～12m。
　　4.2.2、預(yù)分解窯窯尾，砌筑長度14～15m。
　　4.2.3、干法長窯預(yù)熱分解帶，砌筑長度40～45m。
　　4.2.4、濕法長窯預(yù)熱分解帶，砌筑長度70～75m。
　　4.2.5、立波爾窯分解帶，砌筑長度10～15m。
　　4.3、CB20磚在水泥窯上的應(yīng)用情況
　　CB20磚于20世紀(jì)90年代由中國建筑材料科學(xué)研究院研制成功，現(xiàn)由山東博山中科達(dá)耐火材料廠應(yīng)用其研究成果組織生產(chǎn)。由于設(shè)備更新，技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)量不斷增加，應(yīng)用面愈來愈廣。中國建筑材料科學(xué)研究院和天津水泥設(shè)計院、北京瑞泰高溫材料科技股份有限分司在研制開發(fā)水泥窯用隔熱耐火材料方面成績卓著；琉璃河水泥廠、小屯水泥廠、浩良河水泥廠、峨眉水泥廠、浙江三獅集團(tuán)、江油水泥廠、天津水泥廠、天津市振興水泥廠、江西豐城水泥廠、長春雙陽水泥廠和大連水泥廠等眾多水泥廠使用CB20磚均取得了成功經(jīng)驗，長城鋁業(yè)公司、中州鋁廠也在生產(chǎn)氧化鋁熟料的回轉(zhuǎn)窯上大量使用，由于該磚優(yōu)良的耐堿蝕性能，使用成效顯著，舉例為下：
　　4.3.1、浩良河水泥廠Φ3.98×56m2000t/d新型干法窯在距窯口38～43m間鑲砌3.5mCB20磚，1998年施工，運(yùn)行2年后檢查發(fā)現(xiàn)磚面平滑，無炸裂現(xiàn)象，胴體溫度與磷磚相比降低80℃以上。該廠于2000年將距窯口43m以后的區(qū)段換砌成CB20磚，至今仍在安全運(yùn)轉(zhuǎn)中。天津振興水泥廠新型干法窯的使用效果也甚為理想且使用壽命長達(dá)3～4年。
　　4.3.2、浙江三獅水泥公司的Φ3.5×145m濕法窯的預(yù)熱分解帶原來砌筑粉煤灰陶粒磚，由于炸裂、剝落嚴(yán)重，使用壽命短且胴體溫度不斷升高，改砌CB20磚后，情況明顯好轉(zhuǎn)。該公司每次停窯檢查發(fā)現(xiàn)磚面平整光滑，無爆裂、剝落現(xiàn)象，說明該磚具有良好的熱震穩(wěn)定性及耐磨性，抗化學(xué)侵蝕性比較強(qiáng)，壽命可達(dá)3～4年?，F(xiàn)該公司5條華新窯大面積使用CB20磚，節(jié)能頗為可觀。四川雙馬水泥公司(江油水泥廠)濕法窯的使用效果同樣令人滿意，明顯優(yōu)于陶粒磚。
　　4.3.3、長城鋁業(yè)公司的氧化鋁熟料窯的低中溫帶自1991年起即開始試用CB20磚，取得肯定效果后即推廣至所有4條熟料窯。CB20磚使用壽命明顯長于粘土磚和陶粒磚，其最短壽命為2年3個月，最長為4年11個月，平均壽命比粘土磚高出近一倍之多。該公司認(rèn)為CB20磚既隔熱耐火又耐堿侵蝕，系多功能耐火磚，最適合氧化鋁熟料窯使用。該磚與粘土磚相比，可降低窯胴體溫度58.3℃，加上因使用壽命延長，減少維修停窯時間而提高熟料產(chǎn)量，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。
5、結(jié)語
　　水泥窯預(yù)熱分解帶襯料受到的應(yīng)力不是主要的問題。從有利于熱平衡的角度出發(fā)，首要的問題是要在這一帶內(nèi)使用隔熱窯襯。CB20磚的研制成功雖然為解決這一問題創(chuàng)造了條件，但是要促進(jìn)水泥窯用耐火材料的技術(shù)進(jìn)步還需研究、生產(chǎn)和使用方面的密切配合和共同努力，以進(jìn)一步完善水泥窯的節(jié)能方案。 摘自《國際建材設(shè)備》