保持窑筒体冷却

保持窑筒体冷却

水泥熟料在窑内煅烧的过程中，火焰、烟气和熟料、窑料的热量经窑皮和耐火砖传达至金属筒体。随着金属筒体的温度增高，钢板的许用应力逐步下降（见表1）。当筒体温度增至460℃时，钢板的许用应力仅为316℃时的一半。为避免筒体因温度过高而损坏，预分解窑系统均设置红外线测温装置，并配置空气冷却。熟料煅烧过程中，为使窑安全运转，筒体温度通常控制在370℃以下。

表1 普通钢板的许用应力

近年来，工业化国家逐渐增加代用燃料和低品位原料的应用，窑内工况波动较大，窑皮长度变化频繁，且经常出现红窑事故。虽然使用了空气冷却，但气冷对温度调节较慢，很难解决红窑事故，且消耗电能较高。一种新的用水冷却窑筒体热点的装置（Kiln Cooler Hot Spot Unit，本文称KCHSU）两年前在德国投入使用，取得较好效果。简介如下：

1 系统装置

KCHSU装置由一套四喷头的喷雾珠装置和红外线测温装置组成。通过红外线测温装置测得筒体局部高温，传至喷头将水雾化并喷至红热的高温筒体部位，迅速将该部位的高温冷却至合适温度，从而保持正常生产（图1）。

图1 水冷却窑筒体热点喷雾装置

2 窑筒体喷水雾冷却

窑内熟料在煅烧过程中，窑料加热成熟料。由于生料的成分率值和细度不一，窑料加热的温度和时间不一，窑内出现的窑料熔融温度也不一致，再加上耐火砖的材质、砖厚以及结皮的厚度及其导热系数不一致，造成筒体温度也不一致。为使筒体温度保持在合适的温度内，通常需空气冷却。

在长时间的生产运行中，发现窑的筒体温度变化难以控制，尤其是窑径增大和代用燃料量增多，耐火砖出现的问题越来越严重。其原因是，窑径增大，筒体的椭圆度增加，相应增加了耐火砖所承受的机械应力。此外，窑内耐火砖砌筑时，耐火砖的材质性能和砌筑质量也影响着耐火砖的使用寿命。代用燃料量增多，由于燃料的成分、水分及细度等因素变化，易造成窑内煅烧温度和窑皮的长度及厚度变化频繁，从而造成筒体温度变化。上述工况易使轮带附近筒体和过渡带、烧成带内的耐火砖产生局部损坏。

当窑内耐火砖出现局部损坏时，该部位的窑筒体温度急速增加，当温度＞600℃时，筒体产生高温红热点，风冷很难降低其温度，其结果是出现非计划的紧急停窑。更换该部位的耐火砖需要6d或更多的时间，此过程减少了熟料产量，增加了单位熟料的热耗及维修费用。

国外一台4 000t/d级窑紧急停窑的损失费用估算见表2。

为避免因红窑而紧急停窑所产生的损失和维修费用，窑筒体需要快速冷却。当红外线测温仪发现筒体温度局部上升时，为避免该部位筒体过热停窑，通过向高温部位筒体喷雾，快速将其降到合适的温度，同时进行操作控制，补挂窑皮并增加该部位窑皮厚度，避免筒体和耐火砖进一步损坏，从而保持正常生产。

和空气冷却相比，使用水冷却的优点是冷却速度快且电耗低。图2为水雾喷射部位，图3和图4为窑筒体水冷和风冷电耗对比值。

图3和图4表明，在一台直径5m、长度60m的窑筒体上，当风量为150 000m3/h，动力消耗约2MW时，可以冷却筒体40K。而同样的2MW动力消耗，需3.2m3/h的水量。

3 喷水存在的问题及解决途径

当筒体进行水雾冷却时，存在的问题是，若喷向金属筒体水量过多，则筒体温度下降过快，增加筒体自身的机械应力，易使筒体产生局部应力而损坏；若水量不足，则筒体温度下降过慢，筒体温度过高，也易使筒体变形损坏。窑筒体冷却至设定的温度，需快速稳定的冷却，冷却水系统需要如下技术支持。

表24 000t/d生产线非计划紧急停窑损失

图2 窑筒体喷水雾位置

图3 窑筒体风冷却时风量和动力消耗

（1）设置精确可靠的温度监视装置，对易红窑的筒体部位进行连续温度监测。

（2）喷水装置所喷出的水雾必须到达窑筒体表面，且能完全挥发。

（3）控制系统应做到测试温度与喷水量能自动调节，确保窑筒体温度达到所需控制的温度。

图4 窑筒体水冷却时水量和动力消耗

图5 窑筒体随温度的变化

（4）生产系统可连续自动检测，确保窑的安全操作，避免窑筒体损坏。

KCHSU装置的红外线测试温度范围为120~1 000℃。当测得的温度过高时，通过调节水量来控制筒体表面温度。在喷口部位，喷吹压缩空气，防止粉尘堵塞喷口，影响水雾形状。系统的4个喷射装置可以调节移动至合适的位置，做到在最短的时间内通过喷雾对筒体温度进行调控。

KCHSU装置安装的固定架长度为10m，装置上设置4个可以移动的喷嘴，每个喷嘴的移动距离为2.6m，确保易红窑部位10m长的筒体得以冷却。

回转窑在运行过程中，影响窑筒体温度的各种因素是变化的，往往是大面积筒体温度正常，而局部筒体产生高温，连续冷却则效率低。风冷受风机开停的影响，必须连续对筒体进行冷却，耗电量高。而水可随时开停，且喷水量易于调控，再加上4个移动喷嘴可分别开启，对窑筒体进行局部冷却十分方便，且能较快地将高温部位的筒体降至低温，使之和周边筒体温度一致。

局部冷却能减少筒体温度过高产生的机械应力，但冷却过程中冷却速率过快也会对筒体产生机械应力。现场的实践和计算显示，当筒体温度＜600℃时，冷却温度控制在每分钟2℃以内降低1℃，对金属筒体的微细结构不会产生负面影响（图5）。

水冷系统的另一优点是能耗低，最大功率需约50W。喷水量低，操作费用也低，能使筒体温度长期保持在控制温度内，有利于延长耐火砖的使用寿命。

使用KCHSU装置两年的经验显示，窑的运行时间可延长数周或数月。其原因是窑在运行时，通过喷水雾降低筒体温度，使温度达到设定的控制值。同时进行修补和稳定窑皮，从而延长了运行时间，有利于计划停窑的耐火砖备料及其有关的准备工作。

4 水中含有石灰对喷雾的影响

喷水冷却的水中含有石灰，是否会产生问题，文中作了如下回答。

（1）石灰在生锈的筒体上产生白色长条是否影响热传递：经验显示，筒体上石灰层的厚度从未达到临界的厚度，其原因是，窑在运行时筒体表面处于十分干燥的工况，在石灰层达到临界厚度前已碎裂。

（2）白色条状石灰层是否影响红外线扫描的读数：石灰石的发射率为0.95，较铁锈的筒体发射率0.69高得多，对窑的红外扫描不会产生影响。

（3）石灰是否在喷嘴或系统管道阀门产生结块：水中含石灰是会产生结块，系统可通过连续检测和监测水压或流量以避免结块，在运行的几个月中，至今未发现结块。此外，当出现堵塞和结块事故前兆时，系统将发出信息，指出故障，维修人员在几分钟内即可完成对阀和喷嘴的清洗，避免结块。

陈友德编译自

No.9/2016 International Cement Review