1 前言

　　耐火材料工業爐窯用于原料的干燥、原料的輕燒、原料的燒結、磚坯干燥、制品燒成及不燒制品的熱處理等，是保證耐火材料產品質量的關鍵設備，同時也是生產中的耗能大戶。由于爐窯種類繁多，本文要點闡述我國燒結原料的豎窯、回轉窯及燒成制品的隧道窯、梭式窯的技術進步，并對今后工作提出建議。


　　2 耐火材料工業爐窯技術現狀


　　隨著國內技術開發水平的提高和全部技術經濟交流的擴大，耐火材料工業爐窯技術得到長足發展。
　　2.1 不富氧非常高溫煅燒技術


　　耐火材料工業三大技術為：高純原料、高壓成型和高溫燒成。在高溫燒成方面，我國開發了不富氧非常高溫煅燒技術，并相繼在非常高溫隧道窯、非常高溫豎窯、非常高溫回轉窯中得到廣泛應用。這類非常高溫爐窯的主要技術特征是，不富氧條件下，煅燒溫度在1800℃以上。實現非常高溫的技術要點是：采用高熱值燃料，如油、天然氣等；利用各種窯型的各自特點，對助燃空氣和煅燒制品進行強化預熱；合理控制助燃空氣系數等，較終實現爐窯的高溫效率高。


　　2.1.1非常高溫隧道窯


　　非常高溫隧道窯主要用于制品的燒成，燒成溫度可達1800℃~1900℃，高溫技術成熟、可靠，已廣泛應用于高純鎂質、鎂鉻質、鎂鋁質及剛玉質等制品的燒成。


　　目前國內非常高溫隧道窯已建幾十條，其主要技術性能是：窯長度：50m~130m；窯寬度：1.1m~3.2m；生產能力：5000t/a~32000t/a；單位產品熱耗：6600kJ/kg~6900kJ/kg。
非常高溫隧道窯多采用雙層拱頂預熱助燃空氣，使其溫度可達1000℃左右，從而有利于提高燒成溫度，也有延長拱頂窯襯壽命的作用。


　　2.1.2 非常高溫豎窯


　　非常高溫豎窯用于煅燒高純耐火材料原料，且以堿性材料居多，窯溫可達1900℃~2000℃。現國內已投入使用的非常高溫豎窯主要性能：有效容積：3.5m3~19m3；窯內徑：φ700mm~φ1600mm；生產能力：7000t/a~50000t/a；單位產品熱耗：2000kJ/kg~2500kJ/kg。

　　非常高溫豎窯利用系數大，生產率高。實際生產中，爐窯利用系數可達5t/m3 d~7t/m3 d，部分爐窯可達7t/m3 d~10t/m3 d。實現非常高溫的主要技術措施是：使窯內二次空氣與物料良好接觸，充分吸收物料的物理熱，在進入煅燒帶前溫度已達到1500℃以上。同時燃料通過燒嘴噴入窯內，直接在熾熱的物料上汽化燃燒，燃燒效率高，爐窯高溫系數可達0.9以上。

　　2.1.3 非常高溫回轉窯

　　非常高溫回轉窯窯內溫度可達1800℃~1950℃。主要用于煅燒燒結剛玉、合成莫來石、鎂鋁尖晶石、鎂鉻砂和鎂鈣砂等耐火原料，適應范圍廣，煅燒質量均勻。


　　國內現有的高溫回轉窯有兩種規格：φ1.7m×40m和φ2m×60m，生產能力為6000t/a~20000t/a，單位產品熱耗為9900kJ/kg左右。為達到非常高溫煅燒，采取了以下幾點措施：1）煅燒帶內襯為高等耐火材料，外層為隔熱材料，控制筒體的表面溫度低于普通回轉窯，有利于提高煅燒溫度，同時也節省了能源；2）通過回收窯尾煙氣的余熱，預熱一次空氣，并對二次空氣入窯進行調控，從而在不用富氧的條件下，實現煅燒溫度大于1850℃；3）通過對一次風系統的調節，可以有效改變燒嘴火焰的直徑和長度，從而達到調節煅燒帶的長度和火焰溫度；4）通過對窯內壓力和燃燒系統壓力的自動調節，確保燃燒的穩定，并具有調節靈活可靠的特點。


　　2.2 輕型節能梭式窯


　　梭式窯是可取代倒焰窯的新型間歇式爐窯，是國內近十年來發展較為迅速的窯型之一。典型的梭式窯以輕型、薄壁、節能為特征，其主要特點是：a)適應多品種小批量生產，籌備生產靈活，滿足以銷定產要求；b)采用輕型薄壁式窯墻結構，內襯采用高溫輕質材料，隔熱好，蓄熱量少；c)新型梭式窯采用高速等溫燒嘴,高低錯落布置，噴出高速氣流，使窯內氣流強烈地旋轉，對流換熱效果非常大提高，高溫階段窯內各點溫差可控制在5℃以內。在低溫階段，采用調溫風加大煙氣量，調節噴入窯內煙氣溫度，窯內溫差在5℃~10℃之間。采用高速等溫燒嘴后，升溫、降溫速度快，故燒成周期短，提高了窯的周轉率，節約了燃料；d)裝卸磚在窯外進行，生產勞動條件大大改善；e)可配置適宜的檢控儀表，采用PLC控制，實現全自動化操作。


　　各種梭式窯都采用了適當的煙氣余熱回收措施。通過生產實踐表明，輕型節能梭式窯燃料消耗僅是普通倒焰窯的30％~40％。


　　國內現有梭式窯容積一般在10m3~80m3范圍內，較近引進了300m3燒硅磚用大型梭式窯。梭式窯燒成溫度1000℃~1800℃，可采用天然氣、煤氣、柴油、液化氣等作燃料。梭式窯主要用于生產高等耐火材料，如鎂質制品、滑板、水口、剛玉磚、窯具等耐火材料。


　　2.3 爐窯自動化程度


　　隨著自動化技術的發展，耐火材料工業重慶爐窯的控制水平也在提高。近年來，國內一些耐火材料工業爐窯已實現自動化控制，其主要特點是：a)采用DCS或小系統控制站，通過檢驗和控制設備對爐窯生產過程進行監視、自動操作；b)采用燃料-空氣比例燃燒，實現爐窯燃燒的合理和節能；c)采用分區控制溫度技術，對不同爐窯制定相應的分區方案，以實現爐窯內溫度的合理分布和控制。在隧道窯中根據燒成品種的燒成曲線溫度分布，設置5-12個溫度控制區進行控制。在梭式窯中，根據窯門、窯頂、窯底等各部位的傳熱差異，設4-9個溫度控制區，實現全窯的自動控制；d)對爐窯的升溫、保溫、降溫過程實行自動控制。特別對梭式窯已可實現點火、升溫、保溫、冷卻全過程控制，減少操作中人為因素的影響，提高產品成品率。


　　2.4 電加熱爐窯


　　近年來電加熱重慶爐窯的應用在逐步增多，大多用于鎂碳磚、長水口、滑板等制品的熱處理，也用于滑板、長水口的焙燒及氮化硅等特種耐火材料的燒制。電加熱爐生產靈活，溫度控制方便可靠，生產環境好。電加熱爐窯中，用于熱處理的爐窯大多以連續性爐窯為多，使用溫度一般在200℃~350℃，裝機功率150kw~300kw。焙燒爐窯多為間歇作業，使用溫度大多在400℃~700℃，裝機功率隨產品品種和升溫速率要求，差異非常大，多在250kw~500kw。生產氮化硅結合碳化硅磚的電加熱爐窯溫度<1400℃。


　　2.5 環保技術的應用與推廣


　　耐火材料廠生產中存在的污染問題，使上海、北京、廣州等大城市，對建在市區內的耐火材料廠，采取遷建或限停產措施。耐火材料工業爐窯是要點污染源，近年來著重推廣的環境保護措施是：a)采用效率高除塵器凈化煙塵。煙塵凈化要點推廣效率高布袋除塵器，由于受濾袋限制，要求進布袋除塵器的煙氣溫度小于260℃～300℃。爐窯煙氣經過效率高除塵器處理后，煙塵含量可控制在100 mg/m3以內；b)瀝青煙氣的處理。滑板、鎂碳磚等制品需要浸漬焦油，然后再在重慶爐窯中焙燒，脫除揮發份，于是產生瀝青煙氣，對工作場所和周圍環境產生污染。


　　在瀝青煙氣處理上曾采用“白土吸附” 工藝，即用白土吸收瀝青煙氣，吸污后的白土進行焚燒處理。此工藝繁雜，運行成本高，并存在二次污染問題，實際運行效果并不理想。


　　一些企業根據自身條件，采取焚燒瀝青煙的方法，工藝過程簡單。現在有些產品使用農業生產體系結合劑，在熱處理時排放有害物，也采取焚燒廢氣的方法，將廢氣在熱風爐中焚燒，焚燒溫度>750℃，燃燒容積熱強度在1300 GJ/m3h左右。


　　近年來，在部分油浸設施上采用了“洗油吸附”工藝。采用洗油吸收瀝青煙氣，其工藝流程如圖1所示。洗油吸附瀝青煙氣飽和后，可作為其它爐窯的燃料使用，降低成本，投產后使用效果較好。




　　2.6 先進爐窯和落后爐窯并存


　　80年代以來，耐火材料工業迅猛發展，中國已成為世界耐火材料生產大國、出口大國。一些國外合資或獨資企業進入中國市場，它們一般都有較強的經濟實力和先進生產技術，在全部市場上有良好的聲譽，但其工業爐窯，大都采用我國的技術，從而反映出我國先進的爐窯已獲得國外同行的認可。

　　民營企業在市場經濟下發展迅速，有一些效益好的企業新建了較高標準的生產線，但從民營企業總體來看，起點較低，裝備水平相對落后，還有相當數量的土豎窯和倒焰窯。這造成先進爐窯與落后爐窯并存局面，落后爐窯與節約能源和環境保護的要求不相適應，先進爐窯還應不斷進步提高。


　　3 推動耐火材料工業爐窯技術進步的建議


　　3.1 一體調研耐火材料工業爐窯狀況并制定相應對策


　　我國耐火材料生產廠集中度差，爐窯現狀呈現多樣化，一些先進的爐窯在發展推廣，一些落后的爐窯也在生存和再建。


　　隨著市場經濟的發展，一些舊有企業的關停并轉，新型企業的日漸興起，耐火材料市場格局已發生重大變化。在此種局面下有必要對中國耐火材料工業爐窯的狀況再作摸底調查，搞清爐窯的分布、爐型狀況和能源消耗，制定耐火材料工業爐窯技術目錄，鼓勵發展高新技術，淘汰落后技術。這對一體提升耐火材料工業生產水平有積較意義。


　　3.2 推動節能工作進步


　　加強耐火材料工業爐窯管理，降低爐窯燃料消耗，是耐火材料節能工作的要點。目前國內只有個別耐火材料企業，設有能源管理機構，相當多的企業，缺乏必要的計量手段和科學的統計分析方法，對有關能源消耗及其變化的真實情況難以掌握，更難以有計劃有目標地針對性地開展能源管理。


　　建議補充完善“耐火材料工業爐窯熱平衡測定計算方法統一規定”，制定耐火材料工業爐窯“熱效率”標準，將推薦性標準改為強制性標準，強制推動節能工作的進步。


　　3.3 淘汰落后爐窯


　　各種不同爐窯燃料消耗有非常大差異。根據統計，不同窯型煅燒粘土、高鋁熟料的單位產品燃料消耗見表1，不同窯型煅燒制品的單位成品燃料消耗見表2。




　　由此可見，煅燒原料的土窯、燒成制品的倒焰窯都存在能源消耗高，且環境污染嚴重、操作環境惡劣的問題。目前這些落后爐窯在國內仍在重復建設，應堅決制止。對已建落后爐窯有必要進行改造或淘汰。
　　3.4 開發新型適用爐窯


　　在對重慶爐窯正確評價的基礎上，推廣節能環保型爐窯，開發適合我國市場的爐窯。根據目前國內耐火材料生產企業規模小、市場多變的特點，建議開發新型爐窯：




　　a)
間歇式隧道窯
　　該窯型可以認為是在梭式窯的基礎上，前端增加了預熱帶，后端增加了冷卻帶，使梭式窯具有隧道窯的高“熱效率”優點，間歇式隧道窯特點可以概括為：1) 冷卻帶制品的余熱可以預熱二次空氣，燒成帶排出的余熱加熱磚坯，克服梭式窯能耗高的缺點；2) 降低排煙溫度,為煙氣凈化提供條件；3) 可實現窯外裝卸磚，改善操作人員勞動條件；4) 具有間歇窯靈活生產的特點，方便籌備生產。
　　b)
新型菱鎂石、白云石輕燒窯
　　新型菱鎂石、白云石輕燒窯的要求技術特征為：1）既適應輕燒小粒礦石，又能適應輕燒精礦粉；2）輕燒菱鎂石、白云石具有高活性度； 3）排放高濃度CO2煙氣，為經濟回收CO2創造條件。

　　3.5 燃料結構合理化


　　燃料燃燒后的產物，應不污染產品，或者污染程度在產品質量允許范圍內。因此煅燒精料和燒成制品時，必須堅持采用低灰分液體燃料或高熱值氣體燃料。

　　由于我國單位國民生產總值占用燃料過高，造成燃料資源緊缺，相對而言，煤多，燃油少，高爐、焦爐、轉爐等回收煤氣不敷使用。從我國實際情況出發，開展的要點工作有：1）開發效率高煤粉制備設備，應用無煙煤粉作為回轉窯燃料；2）綜合利用煤炭資源，采用水煤漿作為耐火爐窯的燃料（>1350℃）；3）開發兼顧使用氣體燃料和固體燃料，高熱值燃料和低熱值燃料以及富氧的二用或三用燒嘴技術。


　　3.6 推廣耐火爐窯采用富氧助燃技術


　　采用空氣助燃時，大量熱能被空氣中的N2氣帶走，幾乎占全部熱量的30％以上，致使熱利用率低，高溫煅燒困難且不穩定。當燃燒溫度>1300℃后，產生NOX量隨溫度呈指數級增加，在高溫、非常高溫條件下，煙氣含NOX量高，增加了治理難度。

　　富氧助燃，由于富氧空氣中N2減少，雖然煙氣比熱比空氣助燃略有提高，但隨著氧含量的增加，煙氣總量大幅度減少，使煙氣溫度迅速提高。這對于實現非常高溫燒成的節能和減少排放NOX均有顯著效果。富氧空氣助燃的煙氣溫度按下式計算：tr=Qy/CV。Qy——燃料的低發熱值，kJ/kg m3 ；C ——煙氣平均比熱，kJ/ m3℃；V——煙氣生成量， m3/kg。

以下富氧空氣燃油的熱工參數可供參考。



　　富氧空氣的O2含量一般為22％～30％。目前我國小型制氧技術進步非常大，采用富氧助燃在經濟上已可行，因此推廣耐火爐窯采用富氧助燃技術，條件已經成熟。


　　3.7 提高爐窯自動化控制水平


　　我國耐火材料工業爐窯總體自動化控制水平較低，有相當部分爐窯對操作人員的依賴性很大，直接關系到爐窯的消耗和成品率，因此很有必要逐步提高控制水平。

　　爐窯自動化控制的關鍵，在于解決好一次測溫儀表，其次是數據的傳輸與智能化控制。對爐窯的溫度、壓力等參數進行監控，對操作趨勢進行預測調節，實現爐窯數字化操作，從而達到提高成品率、降低能源消耗、增收節支的目的。爐窯的智能控制是現代爐窯發展的方向。