1 前言
耐火材料工業(yè)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(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設備，同時(shí)也是生產(chǎn)中的耗能大戶(hù)。由于爐窯種類(lèi)繁多，本文重點(diǎn)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(shù)進(jìn)步，并對今后工作提出建議。
2 耐火材料工業(yè)爐窯技術(shù)現狀
隨著(zhù)國內技術(shù)開(kāi)發(fā)水平的提高和國際技術(shù)經(jīng)濟交流的擴大，耐火材料工業(yè)爐窯技術(shù)得到長(cháng)足發(fā)展。
2.1 不富氧超高溫煅燒技術(shù)
耐火材料工業(yè)三大技術(shù)為：高純原料、高壓成型和高溫燒成。在高溫燒成方面，我國開(kāi)發(fā)了不富氧超高溫煅燒技術(shù)，并相繼在超高溫隧道窯、超高溫豎窯、超高溫回轉窯中得到廣泛應用。這類(lèi)超高溫爐窯的主要技術(shù)特征是，不富氧條件下，煅燒溫度在1800℃以上。實(shí)現超高溫的技術(shù)要點(diǎn)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(diǎn)，對助燃空氣和煅燒制品進(jìn)行強化預熱；合理控制助燃空氣系數等，最終實(shí)現爐窯的高溫高效。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
2.1.1超高溫隧道窯
超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(shù)成熟、可靠，已廣泛應用于高純鎂質(zhì)、鎂鉻質(zhì)、鎂鋁質(zhì)及剛玉質(zhì)等制品的燒成。
目前國內超高溫隧道窯已建幾十條，其主要技術(shù)性能是：窯長(cháng)度：50m~130m；窯寬度：1.1m~3.2m；生產(chǎn)能力：5000t/a~32000t/a；單位產(chǎn)品熱耗：6600kJ/kg~6900kJ/kg。
超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(cháng)拱頂窯襯壽命的作用。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
2.1.2 超高溫豎窯
超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超高溫豎窯主要性能：有效容積：3.5m3~19m3；窯內徑：φ700mm~φ1600mm；生產(chǎn)能力：7000t/a~50000t/a；單位產(chǎn)品熱耗：2000kJ/kg~2500kJ/kg。
超高溫豎窯利用系數大，生產(chǎn)率高。實(shí)際生產(chǎn)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(shí)現超高溫的主要技術(shù)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(jìn)入煅燒帶前溫度已達到1500℃以上。同時(shí)燃料通過(guò)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 超高溫回轉窯中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
超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(lái)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(zhì)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(chǎn)能力為6000t/a~20000t/a，單位產(chǎn)品熱耗為9900kJ/kg左右。為達到超高溫煅燒，采取了以下幾點(diǎn)措施：1）煅燒帶內襯為高檔耐火材料，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(shí)也節省了能源；2）通過(guò)回收窯尾煙氣的余熱，預熱一次空氣，并對二次空氣入窯進(jìn)行調控，從而在不用富氧的條件下，實(shí)現煅燒溫度大于1850℃；3）通過(guò)對一次風(fēng)系統的調節，可以有效改變燒嘴火焰的直徑和長(cháng)度，從而達到調節煅燒帶的長(cháng)度和火焰溫度；4）通過(guò)對窯內壓力和燃燒系統壓力的自動(dòng)調節，確保燃燒的穩定，并具有調節靈活可靠的特點(diǎn)。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
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(lái)發(fā)展最為迅速的窯型之一。典型的梭式窯以輕型、薄壁、節能為特征，其主要特點(diǎn)是：a)適應多品種小批量生產(chǎn)，組織生產(chǎn)靈活，滿(mǎn)足以銷(xiāo)定產(chǎn)要求；b)采用輕型薄壁式窯墻結構，內襯采用高溫輕質(zhì)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，對流換熱效果極大提高，高溫階段窯內各點(diǎn)溫差可控制在5℃以?xún)取Ｔ诘蜏仉A段，采用調溫風(fēng)增大煙氣量，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(jìn)行，生產(chǎn)勞動(dòng)條件大大改善；e)可配置適宜的檢控儀表，采用PLC控制，實(shí)現全自動(dòng)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(guò)生產(chǎn)實(shí)踐表明，輕型節能梭式窯燃料消耗僅是普通倒焰窯的30％~40％。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
國內現有梭式窯容積一般在10m3~80m3范圍內，最近引進(jìn)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(chǎn)高檔耐火材料，如鎂質(zhì)制品、滑板、水口、剛玉磚、窯具等耐火材料。
2.3 爐窯自動(dòng)化程度
隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，耐火材料工業(yè)爐窯的控制水平也在提高。近年來(lái)，國內一些耐火材料工業(yè)爐窯已實(shí)現自動(dòng)化控制，其主要特點(diǎn)是：a)采用DCS或小系統控制站，通過(guò)檢測和控制設備對爐窯生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監視、自動(dòng)操作；b)采用燃料-空氣比例燃燒，實(shí)現爐窯燃燒的合理和節能；c)采用分區控制溫度技術(shù)，對不同爐窯制定相應的分區方案，以實(shí)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(xiàn)溫度分布，設置5-12個(gè)溫度控制區進(jìn)行控制。在梭式窯中，根據窯門(mén)、窯頂、窯底等各部位的傳熱差異，設4-9個(gè)溫度控制區，實(shí)現全窯的自動(dòng)控制；d)對爐窯的升溫、保溫、降溫過(guò)程實(shí)行自動(dòng)控制。特別對梭式窯已可實(shí)現點(diǎn)火、升溫、保溫、冷卻全過(guò)程控制，減少操作中人為因素的影響，提高產(chǎn)品成品率。
2.4 電加熱爐窯中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
近年來(lái)電加熱爐窯的應用在逐步增多，大多用于鎂碳磚、長(cháng)水口、滑板等制品的熱處理，也用于滑板、長(cháng)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(chǎn)靈活，溫度控制方便可靠，生產(chǎn)環(huán)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(yè)，使用溫度大多在400℃~700℃，裝機功率隨產(chǎn)品品種和升溫速率要求，差異較大，多在250kw~500kw。生產(chǎn)氮化硅結合碳化硅磚的電加熱爐窯溫度<1400℃。
2.5 環(huán)保技術(shù)的應用與推廣
耐火材料廠(chǎng)生產(chǎn)中存在的污染問(wèn)題，使上海、北京、廣州等大城市，對建在市區內的耐火材料廠(chǎng)，采取遷建或限停產(chǎn)措施。耐火材料工業(yè)爐窯是重點(diǎn)污染源，近年來(lái)著(zhù)重推廣的環(huán)境保護措施是：a)采用高效除塵器凈化煙塵。煙塵凈化重點(diǎn)推廣高效布袋除塵器，由于受濾袋限制，要求進(jìn)布袋除塵器的煙氣溫度小于260℃～300℃。爐窯煙氣經(jīng)過(guò)高效除塵器處理后，煙塵含量可控制在100 mg/m3以?xún)龋籦)瀝青煙氣的處理。滑板、鎂碳磚等制品需要浸漬焦油，然后再在爐窯中焙燒，脫除揮發(fā)份，于是產(chǎn)生瀝青煙氣，對工作場(chǎng)所和周?chē)h(huán)境產(chǎn)生污染。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
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(jìn)行焚燒處理。此工藝繁雜，運行成本高，并存在二次污染問(wèn)題，實(shí)際運行效果并不理想。
一些企業(yè)根據自身條件，采取焚燒瀝青煙的方法，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。現在有些產(chǎn)品使用有機結合劑，在熱處理時(shí)排放有害物，也采取焚燒廢氣的方法，將廢氣在熱風(fēng)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(lái)，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(chǎn)后使用效果較好。
2.6 先進(jìn)爐窯和落后爐窯并存
80年代以來(lái)，耐火材料工業(yè)迅猛發(fā)展，中國已成為世界耐火材料生產(chǎn)大國、出口大國。一些國外合資或獨資企業(yè)進(jìn)入中國市場(chǎng)，它們一般都有較強的經(jīng)濟實(shí)力和先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，在國際市場(chǎng)上有良好的聲譽(yù)，但其工業(yè)爐窯，大都采用我國的技術(shù)，從而反映出我國先進(jìn)的爐窯已獲得國外同行的認可。
民營(yíng)企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟下發(fā)展迅速，有一些效益好的企業(yè)新建了較高標準的生產(chǎn)線(xiàn)，但從民營(yíng)企業(yè)總體來(lái)看，起點(diǎn)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(jìn)爐窯與落后爐窯并存局面，落后爐窯與節約能源和環(huán)境保護的要求不相適應，先進(jìn)爐窯還應不斷進(jìn)步提高。
3 推動(dòng)耐火材料工業(yè)爐窯技術(shù)進(jìn)步的建議
3.1 全面調研耐火材料工業(yè)爐窯狀況并制定相應對策
我國耐火材料生產(chǎn)廠(chǎng)集中度差，爐窯現狀呈現多樣化，一些先進(jìn)的爐窯在發(fā)展推廣，一些落后的爐窯也在生存和再建。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
隨著(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，一些舊有企業(yè)的關(guān)停并轉，新型企業(yè)的日漸興起，耐火材料市場(chǎng)格局已發(fā)生重大變化。在此種局面下有必要對中國耐火材料工業(yè)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(yè)爐窯技術(shù)目錄，鼓勵發(fā)展高新技術(shù)，淘汰落后技術(shù)。這對全面提升耐火材料工業(yè)生產(chǎn)水平有積極意義。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
3.2 推動(dòng)節能工作進(jìn)步
加強耐火材料工業(yè)爐窯管理，降低爐窯燃料消耗，是耐火材料節能工作的重點(diǎn)。目前國內只有個(gè)別耐火材料企業(yè)，設有能源管理機構，相當多的企業(yè)，缺乏必要的計量手段和科學(xué)的統計分析方法，對有關(guān)能源消耗及其變化的真實(shí)情況難以掌握，更難以有計劃有目標地針對性地開(kāi)展能源管理。
建議補充完善“耐火材料工業(yè)爐窯熱平衡測定計算方法統一規定”，制定耐火材料工業(yè)爐窯“熱效率”標準，將推薦性標準改為強制性標準，強制推動(dòng)節能工作的進(jìn)步。
3.3 淘汰落后爐窯中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
各種不同爐窯燃料消耗有較大差異。根據統計，不同窯型煅燒粘土、高鋁熟料的單位產(chǎn)品燃料消耗見(jiàn)表1，不同窯型煅燒制品的單位成品燃料消耗見(jiàn)表2。
由此可見(jiàn)，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(huán)境污染嚴重、操作環(huán)境惡劣的問(wèn)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(jìn)行改造或淘汰。
3.4 開(kāi)發(fā)新型適用爐窯
在對爐窯正確評價(jià)的基礎上，推廣節能環(huán)保型爐窯，開(kāi)發(fā)適合我國市場(chǎng)的爐窯。根據目前國內耐火材料生產(chǎn)企業(yè)規模小、市場(chǎng)多變的特點(diǎn)，建議開(kāi)發(fā)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(yōu)點(diǎn)，間歇式隧道窯特點(diǎn)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(diǎn)；2) 降低排煙溫度,為煙氣凈化提供條件；3) 可實(shí)現窯外裝卸磚，改善操作人員勞動(dòng)條件；4) 具有間歇窯靈活生產(chǎn)的特點(diǎn)，方便組織生產(chǎn)。
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(shù)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(jīng)濟回收CO2創(chuàng )造條件。
3.5 燃料結構合理化
燃料燃燒后的產(chǎn)物，應不污染產(chǎn)品，或者污染程度在產(chǎn)品質(zhì)量允許范圍內。因此煅燒精料和燒成優(yōu)質(zhì)制品時(shí)，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(chǎn)總值占用燃料過(guò)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(shí)際情況出發(fā)，開(kāi)展的重點(diǎn)工作有：1）開(kāi)發(fā)高效煤粉制備設備，應用無(wú)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(kāi)發(fā)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(shù)。
3.6 推廣耐火爐窯采用富氧助燃技術(shù)
采用空氣助燃時(shí)，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(chǎn)生NOX量隨溫度呈指數級增加，在高溫、超高溫條件下，煙氣含NOX量高，增加了治理難度。中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
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(zhù)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(shí)現超高溫燒成的節能和減少排放NOX均有顯著(zhù)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(fā)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(shù)進(jìn)步較大，采用富氧助燃在經(jīng)濟上已可行，因此推廣耐火爐窯采用富氧助燃技術(shù)，條件已經(jīng)成熟。
3.7 提高爐窯自動(dòng)化控制水平中國熱加工網(wǎng)——鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、工業(yè)爐、檢測儀器
我國耐火材料工業(yè)爐窯總體自動(dòng)化控制水平較低，有相當部分爐窯對操作人員的依賴(lài)性很大，直接關(guān)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(dòng)化控制的關(guān)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(jìn)行監控，對操作趨勢進(jìn)行預測調節，實(shí)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(fā)展的方向。
