隧道窑设计与操作中应重视的问题01
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隧道窑设计与操作中应重视的问题01
隧道窑设计与操作中应重视的问题；湛轩业；[摘要]本文对目前我国砖瓦行业使用的隧道窑存在的；1、隧道窑设计时应重视的事项；1.1关于燃料的种类与组成；1.2原材料的焙烧特性与矿物组成；1.3最高允许烧成温度及烧成温度范围的测定；1.4合理焙烧曲线的制定；1.5预热带增设循环系统装置；1.6增设隧道窑顶部中间排烟管道；1.7加强窑体及车下密封；1.8加强窑体的保
隧道窑设计与操作中应重视的问题湛轩业[摘要]本文对目前我国砖瓦行业使用的隧道窑存在的某些缺陷从设计与操作方面进行了阐述。文中着重强调了隧道窑设计思想上需要转变的概念和应重视的八个问题；对隧道窑的实际操作方面重点提出了环流焙烧和穿流焙烧概念上的区别，提出了隧道窑操作中“最小边隙”的概念与数据；合理坯垛形式对烧成过程的重要性；零压位的正确控制和根据实际情况的调节等。1、隧道窑设计时应重视的事项1.1关于燃料的种类与组成1.2原材料的焙烧特性与矿物组成1.3最高允许烧成温度及烧成温度范围的测定1.4合理焙烧曲线的制定1.5预热带增设循环系统装置1.6增设隧道窑顶部中间排烟管道1.7加强窑体及车下密封1.8加强窑体的保温2.隧道窑操作中应重视的问题2.1合理的码坯形式2.2边隙对坯垛穿流和传热的影响（或是对产量和质量的影响）2.3码坯形式对隧道窑内气流分布的影响2.4坯体形状对加热和冷却速率的影响2.5坯体本身传热性能对加热和冷却速率的影响2.6正确控制隧道窑焙烧过程中的零压位2.7正确选用窑车车面垫层材料2.8窑车上下密封的重要性随着人们经济与生活水平的提高，用轮窑焙烧的砖瓦厂中，笨重的体力劳动岗位，如人工装出窑的劳动力越来越少。虽说现在有不少地方使用了内燃机或电瓶车等的拖动机械，但是仍然没有彻底改变在窑内高温下操作的状态，因此要求建造隧道窑的厂家愈来愈多。但是由于我国烧结砖瓦产品的隧道窑，在过去建设物质短缺及砖瓦产品售价低廉的影响下，为了降低造价，设计或建造的隧道窑绝大多数都过于简化，在有的地方还出现了所谓的“土隧道窑”。这些“土法上马”的“土隧道窑”，在很多方面不完善，或因窑的总长度太短，或因坯体码垛太高，或因隔热保温性能不好、温差过大等问题，造成产品质量差，热耗高，窑车或砂封损坏严重，维修费用高等，使某些人们对隧道窑形成了望而却步的感觉。然而，经合理设计及严格按要求建造的隧道窑，确实有很多优点，隧道窑将会逐步取代轮窑，这也是历史发展的必然。在我国用于烧结砖瓦产品的隧道窑，就目前情况讲，仍然有许多方面存在着这样或那样的缺陷或不足。例如不同原材料的坯体(煤矸石、页岩、粘土或粉煤灰)、不同工艺方法（一次码烧与二次码烧）、不同的燃烧方式（有无内燃及内燃料发热量的高低）等，都涉及到隧道窑的基本结构及尺寸，乃至操作方法。本文就目前烧结砖隧道窑设计、建造及操作中存在的某些方面的问题，结合个人实际工作中的体会，谈几点看法如下：1、隧道窑设计时应重视的事项众所周知，隧道窑设计前应具备的基本数据和资料是：产品纲领、年工作日、成品率、燃料的种类及组成（内燃或外燃、内燃料发热量的高低、气体或液体燃料）、坯体入窑水分、原材料的矿物组成（焙烧特性）、烧成制度、码垛形式及码坯密度、排烟方式（烟囱或机械以及排放烟气中是否有对环境构成影响的有害物质，烟气是否需经过净化后排放等）、生产工艺对隧道窑机械化程度及热工测量控制的要求、建设场地的地质、水文和气象资料等。其中容易被忽视的问题有：燃料的种类与组成、原材料的焙烧特性与矿物组成、码垛形式与产量、排放烟气中的有害物质。1.1关于燃料的种类与组成烧砖隧道窑使用的燃料有气体（发生炉煤气、天然气、焦炉煤气、高炉煤气等）燃料、液体（柴油、重油）燃料及固体燃料（各种煤等）。除了制造高档次产品如劈离砖、清水墙装饰砖、铺地（路）砖、烧结高档屋面瓦等使用气体或液体燃料外，绝大多数有隧道窑的厂家使用的是固体燃料。实际中在使用固体燃料的情况下遇到的问题较多。固体燃料又分为外燃（外投）和内燃两种情况。当外燃料使用量较大时，固体燃料在烧砖隧道窑上就显示出热耗大，热利用效率比轮窑低；且窑车车面上大量积灰的清除非常麻烦，操作困难。因而曾有说词：“隧道窑热耗比轮窑的高。”造成这种现象的原因有：一是隧道窑本身有于设计不合理造成结构上存在着缺陷；二是操作方法不当或是维修不到位使其散热大、跑风漏气严重等。鉴于上述问题的影响，现在使用隧道窑烧成的厂家，普遍都增大了内燃料的掺加量，在设计时，计算焙烧所需热量（燃料）时，也是将其几乎全部按内燃料来考虑，外投燃料仅是很少一部分或在正常焙烧时根本就不用外投燃料。这样一来，就不得不将坯体中所携带的热量带入最高焙烧温度范围内，也就是说最高焙烧温度的保持仍然要依靠坯体中携带的内燃料（热量）。这种设计指导思想或是焙烧方式，带来的直接后果就是对产品质量的损伤，增大了黑心、面包、压花砖出现的趋势，严重时会出现窑车上坯垛中下部的过烧；同时也增大了产品出现泛霜的几率。对产品的质量控制也带来了不少的困难，例如必须严格控制坯体中内燃料的发热量，一旦过高，则出现焦砖；一旦过小又会出现生砖。而且这种过大或过小的波动范围相对讲涉及到的产品数量都较大，会造成大量的废品。这种情况在煤矸石、粉煤灰烧结砖的实际生产中会经常见到。这种焙烧方式也不可能实现隧道窑烧成过程真正意义上的完全自动化控制，因坯体中内燃料的热量已在前道工序中加入好了，隧道窑中温度的高低与分布在很大程度上取决于内燃料所携带的热量。从砖瓦产品焙烧的原理上讲，这种全部或是几乎全部依赖于内燃料提供焙烧中所需的总热量，将坯体中的内燃料带入最高焙烧温度下的做法，是非常不利的。在用轮窑焙烧内燃砖过程中，长期总结的实际经验也表明：避免坯体表面过早烧结，以免液相出现后的烧结收缩使坯体表面的微孔或毛细孔道被堵塞，使坯体中部的可燃物反应后的气体释放及继续反应所需氧气的渗透受阻。如稍有不慎，就会引发黑心、压花、面包砖的出现，甚至于烧炼结成“大坨”，严重者还会出现烧塌倒窑。虽说大多数使用隧道窑的厂家均生产着多孔砖或空心砖，这种现象有所缓解，但也没有从根本上解决问题。例如很多生产煤矸石砖或高内燃砖的厂家，为了避免在条面上形成压花，而将多孔砖坯体的孔洞垂直向上，双坯叠码，将压花转移到座浆面上。这种码坯方式延长了焙烧的周期，对隧道窑的产量影响很大，也不符合传热原理，更与现代新的焙烧原理及概念相去甚远（后面在穿流与环流焙烧原理中还会谈到）。内燃法烧砖是我国上古时期先民的发明创造，距今已有6400年以上的历史。内燃烧砖也是一种节约能源、充分利用工业废料的重要措施。但是如何控制含有内燃料的坯体在焙烧过程中的燃烧反应？这种燃烧反应会带来什么样的负面效应？该燃烧反应必须在何时完成？怎样有效地利用内燃料的热量而不会影响到产品的质量？内燃料的组成或矿物成分是否会影响到产品的质量及对环境造成污染？ 这些问题对每一位烧砖隧道窑的热工设计人员来说，都是必须了解清楚的基本设计资料或是说必须具备的基本知识。按照西欧多家涉及烧结砖瓦窑炉公司多年的成熟经验及世界著名烧结砖瓦研究机构――德国艾森（Essen）砖瓦研究所在多年前的研究结论表明：“坯体中的内燃物质必须在液相出现前完全燃烧。”这一结论与我国用轮窑焙烧内燃砖总结出的避免坯体表面过早烧结的经验在一定程度上是吻合的。许多西欧的专家们在他们的研究文献中也提出在850℃前坯体中的可燃物必须燃尽，这样才能确实保证最终产品的质量。在我国有关项目的引进过程中，西欧有名的专家也曾向我们提出过这种建议。当然，850℃仅是一个参考数据，针对某种特定的原材料或坯体而言，应通过试验（例如热分析试验方法）来确定液相或收缩开始出现的温度。这一温度就成为了焙烧内燃或高内燃砖隧道窑设计和操作的工艺参数，也就是重要的控制边界值。在液相或收缩开始出现之前将坯体内的可燃物质燃尽，靠外加燃料来维持从这一温度开始到最高烧成温度。这样做似乎是浪费了热能，其实不然，因为焙烧所需的单位热耗是一定的。在850℃以上的窑内环境下的传热方式也发生了改变，以辐射传热为主，又因为温度较高，外加燃料能得到充分的燃烧，焙烧中的总热耗不会增大。最有说服力的例证是西欧国家多使用气体或液体燃料，但其单位产品热耗比我们国家的隧道窑低得多。如果我们承认这种以产品质量为核心焙烧方法的正确性时，这就得改变我们目前烧砖隧道窑的设计理念。也就是在隧道窑的结构设计上及操作方法上要能满足在液相或收缩开始出现之前将坯体内的可燃物质燃尽（850℃）。这种在设计思想上的改变，也会改变坯垛的码放方式，简化生产工艺及设备，如根本就没有必要进行翻坯，取消双坯叠码的形式，可大大改善隧道窑内的通风状态，减少坯垛阻力，缩短烧成周期，大幅度提高产量及质量。因为在进入最高烧成温度区间前，坯体中的可燃物已完全氧化，在最终产品中就不可能形成压花、黑心等缺陷。这种在设计概念上的转变，也可以是隧道窑的焙烧过程实现真正意义上的自动化控制，因焙烧的最高温度范围可人为地进行调节与控制。同时这种焙烧方法，如果原材料中含有硫化物（例如煤矸石或某些页岩中的黄铁矿、白铁矿）时，也可减少产品的泛白和泛霜趋势。因为有碳存在的情况下，黄铁矿在碳完全燃烧后才开始氧化。如果坯体内燃料中的碳在最终产品中没有燃尽，就必然在其中裹带着黄铁矿，而黄铁矿分解后，并能与产品中的碱金属或碱土金属物质反应，在产品出窑后遇水则会形成泛霜。另一种情况是在越过最高烧成温度区间后，在保温和冷却初期阶段的温度仍可使碳及黄铁矿继续氧化分解，所形成的SO2~SO3会吸附在硅酸盐或铝硅酸盐物质表面，在产品出窑后遇水时形成硫酸而溶蚀产品中的玻璃相或其它含金属离子的物质，最终形成泛霜盐。泛白出现的原因是在冷却带抽取的、用于干燥的热空气中混入了含硫气体。如果在到达最高温度之前坯体中的可燃物全部氧化时，在冷却带就不可能出现含硫的气体。在设计时还必须了解清楚所用燃料和坯体中的总含硫量及总含氟量。因国标GB90078――1996《工业窑炉大气污染物排放标准》中对烧结砖瓦工业窑炉烟气中含硫和氟化物的排放有着严格的规定。如果设计时计算超标，就必须考虑烟气净化的处理方法。顺便提及，由传统的化学分析方法测定的三氧化硫的数据在设计时毫无意义。因在传统的化学分析中，将试样干燥至恒重，在850℃左右的温度下灼烧后对其各种氧化物进行测定，其中的挥发分全部归结为烧失量。但是对所用原材料而言，特别是煤矸石及某些页岩，所含的黄铁矿在这一温度下早就开始分解了，并已释放出了绝大部分二氧化硫。传统化学分析最终测定出的三氧化硫可能仅是硫酸盐矿物中所含的硫。所以对计算烧砖隧道窑排放烟气中的含硫气体的浓度时失去了参考价值。因此原材料和燃料中的总含硫量必须在常温下测定。为了进一步说明这一问题，表1给出了某地一烧结煤矸石砖厂实际使用的煤矸石硫含量两种方法测定分析的结果。表 由表1可看到,样品1用传统化学分析测定的硫含量,即便是在焙烧过程中全部以二氧化硫气体释放，经计算排放的烟气中SO2的浓度也不会超标。但是在常温下测定的SO3是传统化学分析测定的近20倍，无疑排放烟气中的SO2的浓度大大超标，设计时必须考虑使用烟气净化设备。值得一提的是某些产烟煤地区的煤矸石，或是用褐煤、劣质煤为内燃料时，或坯体中含有塑料等有机物时，由于这类内燃料的着火点较低，在隧道窑的预热带因干馏而产生CO气体（文献中常称为“低温碳气”）。这部分气体随烟气排放后对环境会造成一定的危害，因此如发生有这种情况，就必须将其复燃或是抽出后通过管道再输入窑内让其燃烧完全。1.2原材料的焙烧特性与矿物组成因烧结砖瓦是地方性建筑材料产品，加之其附加值较低，销售半径受到限制，因而烧结砖瓦产品所用原材料也受到地域性的限制，不可能像其它工业产品一样大范围的采用配料方式来组织生产。烧结砖瓦产品生产的显著特征就是要用不同性能的原材料来生产同样质量要求的产品，或是说同样用途的产品。由于烧结砖瓦生产所用材料的多样性，这就给高质量空心砖生产线设计时的工艺方案选择、设备选择、干燥和焙烧方式及干燥室和窑炉的结构形式等带来了诸多的需要在设计前解决的问题，这些问题中的关键问题之一就是原材料烧结性能的测定及合理的焙烧曲线的制定。因为这些工作涉及到焙烧制度的确定及窑炉的结构设计等。这一问题往往没有被重视，在生产线建起后的调试过程中问题频出，加长了调试期，造成了不应该有的损失，甚至有的与建设单位就此类问题搞的关系紧张，在很大程度上影响着项目的正常投产运转及投产后的产品质量和产量。那么，怎样确定原材料的烧结特性呢？在地壳中由各种地质作用所形成的天然化合物或单质叫做矿物。矿物具有相对稳定的化学成分、确定的内部结构及物理性质。因原材料是由各种矿物所组成，所以原材料中各种矿物组分称之为矿物成分。原材料中各矿物存在量的多少对焙烧性能的影响极大，在很大程度上决定着产品的性能。烧结过程改变了原材料中的矿物成分，形成了新的矿物相。反过来讲原材料中的矿物成分又在很大程度上影响着烧结过程，因而矿物成分的测定可定性的预示出烧结特性的趋势。矿物成分的测定常用X-射线衍射法，红外线光谱法，电子扫描显微镜，辅以化学分析和热分析方法等。在烧结砖瓦原材料中常见的矿物有：高岭石（Al2[Si2O5](OH)4）、伊利石（K0.6[Mg0.2Fe2+0.3Al1.5][Al0.6Si3.4O10](OH)2）、蒙脱石（X+0.3[Mg0.3Al1.8][Al0.3Si3.7O10](OH)2）、绿泥石（[Al,Fe2+,Mg]6[(Al,Fe3+,Si)4O10](OH)8）、石英（SiO2）、方解石（CaCO3）、包含各类专业文献、行业资料、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、中学教育、隧道窑设计与操作中应重视的问题01等内容。　
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