大面积风口区流态化焙烧炉组合炉衬研究 - 中国有色设备信息网

大面积风口区流态化焙烧炉组合炉衬研究

洛阳市洛华粉体工程特种耐火材料李朝侠洛阳洛华窑业黄河1、制酸用流态化焙烧炉衬的开展我国是一个硫酸生产大国，流态化焙烧炉是最常用的制酸设备。各种型号的流态化焙烧炉的炉衬一般在钢壳内依次用保温砖加高铝砖分两层砖错缝砌筑，炉衬厚度400~500mm。力学结构为连体多层砌块结构，构造比较简单，抗损毁能力差，环保品质不高。一般使用1~2年后便开始向大气中泄漏含SO2的烟气并侵蚀钢壳，最后以炉子变形、泄漏烟气严重，炉衬和炉体钢壳强度急剧下降，无法修补而报废。在设备运行过程中，大量的烟气外泄对环境造成严重污染。从国外引进的大型流态化焙烧炉也采用砖砌炉衬结构，大于100m2流态化焙烧炉直径约17米，设备长径比大大压缩。可是炉墙结构变化不大，厚度也在500mm左右，内砌310mm厚的高铝砖，贴钢壳再砌一层185mm厚的粘土保温砖；球冠拱顶用带有凸凹槽、厚380mm的异形砖砌成，异形砖上部再砌一层粘土保温砖，保温砖上面留有一定炉盖膨胀空间，再覆盖炉顶钢壳。用这种结构砌筑的炉衬，由于受制砖工艺和砌筑工艺特点的限制，整个砌体的抗弯曲强度只有砌块强度的几十分之一；由于标准允许的砖体外形尺寸误差超出砌筑标准所允许误差范围，假设想到达国家规定的一类砌体标准，在砌筑中几乎每一块砖都需要挑选和磨砖后才能使用。这在现实砌筑中几乎是不可能的。所以砖砌炉墙中的砖缝变形非常普遍。按照国家制砖生产标准，在炉膛上部砖体砌块的弧线方向，允许的同向叠加误差可以到达300mm-700mm以上；按照国家的砌筑标准和验收标准，在炉膛上部砖体砌块的弧长方向，砌缝的同向叠加误差在200-400mm为合格砌体。如果再加上炉体外钢壳的椭圆变形造成的砌体变形和砌筑工人技能低的因素，在炉膛上部每环砌体和设计计算相差几块砖是普遍现象。这类砌体在设备运行初期依靠吸收设备运行中的热震动能量，先行在砌体内部进行自应力均衡变形，引发了砖缝疏松、炉衬各层间别离，也造成砌体与外钢壳的局部空腔和夹层。尤其在炉顶平坦区域扩大，砌体受力发生重大转折，又没有钢外壳的持护，砌体在自重力与生产运行中热膨胀力长期相互作用，加之受烟道牵引，炉盖力学结构的自稳定性和均匀性更加脆弱；炉盖外表积加大使砖缝变形更为严重，砖缝的变形直接导致了炉盖砌体疏松强度下降顶砖剥落掉块，也造成大量硫外泄，使设备的平安、环保生产受到极大影响。2、新型焙烧炉组合炉衬我公司在1993年就开始对此课题开展了研究。致力于开发使用新型的炉衬材料和砌筑技术，在保证流态化焙烧炉的各项工艺参数、不改变用户操作方法的条件下，以新型环保型流态化焙烧炉组合衬结构取代传统的单一砖砌炉衬，用现代化的筑(修)炉工艺理念改造传统筑炉方法，在加强炉衬自身的整体性和密闭性、躲避和控制砖缝变形，加强炉衬变构区的强度，增强和延长设备寿命，减少和杜绝杜绝硫的外泄作为开发研究的方向。经过近20年的开发和应用，以及从5-109平方米十几种炉型、70余座新建或大修炉衬的实例使用结果说明，此项技术已完全成熟，应该向所有制酸焙焙烧进行推广。这项技术的推广应用，是我国自行研发和创新，拥有自主知识产权的设备建造技术之一。它在使用过程中表现出来的稳定、平安、环保、抗灾害强、长寿命、操作简便、维修率低等诸多优点，使它必将在焙烧炉制酸设备的大型化的工艺进程中，使它在我国以节能环保为目标的产业化的更新改造过程中，使我国从传统单一的砖砌炉衬建造技术迅速与现代化的热钢筋混凝土框架炉衬组合建造技术转变和接轨，成为不可替代的一项重要的设备建造技术。新型焙烧炉组合炉衬简介：将砖砌结构改变为高温钢筋耐火混凝土的框架结构。炉顶采用耐火浇注料整体浇注炉顶，炉身各层变构区的钢托圈改造成高温钢构混凝土抱箍梁，在烟气出口加装浇注料和钢构骨架有效相连形成高温钢构耐火混凝土门柱，控制烟气出口变形，杜绝烟气出口掉砖现象。至此，传统砌块炉衬大量向外泄漏硫被得到有效抑制，炉顶砌块剥落给工人进炉操作带来的平安隐患被消除。在传统的砖砌炉衬中，炉衬靠自重稳定，既依附于钢外壳但又和钢外壳别离，钢外壳与砌块炉衬之间有大量的空腔和夹层，一旦炉衬损坏局部修复困难而且还要冒炉衬垮塌伤人的危险。而新型的组合炉衬在结构节点上设置了高温钢构混凝土梁将炉衬各局部已分隔开来，可以方便而又平安的随意变造和维修炉衬的某一局部。新型组合炉衬改变和简化了砌筑工艺，减少了隐蔽工程，使工程质量更加得到保证。大量的民建施工队伍被加以适当培训就可以很好的承担筑炉工程，有效的解决了专业砌筑工人短缺的问题。新型的组合炉衬使炉顶的整体强度成倍增加，炉顶拱脚作成高温钢筋耐火混凝土抱箍梁挂在炉壳上，使炉顶的重量和整体强度可以有效地控制炉墙上部变形，增强整个炉体的稳定性。新型的组合炉衬使传统简单的砌筑工艺直接被现代工业化建造技术工法所取代。使用新型的组合炉衬，炉子大修期可以提高到20年以上，炉子寿命可达30年以上。在使用中可以平安、根本无泄漏，长期稳定满负荷运行。可以长时间不用检修炉衬。真正做到环保、节能、延长设备使用寿命，提高设备使用率和抗灾害能力，提高硫酸产量和质量，降低设备维修率的效果。3.公司独创的耐火浇注料的研发表1沸腾炉不同部位的温度及损毁速度使用部位水套上方检修孔炉顶排烟口温度（℃）40080010001100损毁速度0.52.73.54.2为了进一步研究SO2烟气对耐火材料造成的侵蚀，我们在实验室对耐火材料的抗SO2烟气侵蚀性能进行了模拟。实验结果如图1所示。图1硫酸溶液对耐火材料的侵蚀注：系列2代表实验室中用1/10硫酸溶液做的抗侵蚀情况系列1代表实验室中用1/10硫酸溶液外加2g焦碳粉做的抗侵蚀情况

根据实验结果及现场采集的数据，可以得出如下结论：1〕炉衬损毁和温度、荷重及炉衬之间的强度搭配有关；2〕10-15%的含硫烟气在400℃-800℃之间对炉衬损坏最大；3〕10-15%的含硫烟气在C的参加下将使炉体损毁更加严重，尤其在1000℃后更强烈。3.1.耐火材料的性能要求材料的研究方向：1〕材料应具有长期稳定抵抗8-15%SO2含量、温度从常温~1300℃含硫烟气而不剥落也很少侵蚀的优良品质。2〕材料能耐受反复屡次急冷急热的工作环境，以适应流态化焙烧炉使用寿命长，要经历屡次开停炉的工艺特点。3〕材料的组分应能使SO2烟气侵蚀最严重的工作段400℃~1200℃之间产生1--2cm的挂渣变质层，保护使其不再向炉衬材料纵深开展造成炉衬损毁。材料的价格本钱要低，要与中、低档耐火材料浇注料相当，要根本等同于砖砌炉衬。4〕解决各种炉体各部位施工工法，合理设置炉衬膨胀缝。经研究和试用，洛华特耐公司已成功地对流态化焙烧炉各部位用耐火浇注料进行了优化设计，优化结果见表2。表2流态化焙烧炉各部位用耐火浇注料序号材料名称规格使用部位1轻质浇注料LH-807炉顶轻质保温层2流态化焙烧炉专用浇注料LH-903沸腾床工作层LH-902-2沸腾床以上的工作层3钢纤维增强浇注料LH-1103-2大型流态化焙烧炉拱脚圈梁及炉顶3.2.耐火材料的研发及性能检测为了详细了解所研制的耐火材料的结构和性能之间的关系，将试样制成光片，并对其进行显微结构分析。1、LH-902试样的显微结构图2LH-902试样低倍显微结构图2为LH-902试样低倍时的显微结构照片。图中，浅灰色的物质是浇注料中的颗粒，细小的圆形亮色物质为基质中的Cr2O3微粉；从图2中可以看出，Cr2O3微粉的分布均匀。此外，从图中还可以看出，基质的结构十分致密，气孔分布均匀，且多为微米级的封闭气孔。

2、LH-1103试样的显微结构图3LH-1103试样的显微结构

图3为LH-1103试样中钢纤维的显微结构以及钢纤维与基质之间的结合状态。图中，亮白色月牙形的物质是试样中的钢纤维，放大后发现，钢纤维与基质之间的结合较为紧密。图4LH-1103试样中Cr2O3显微结构图4为LH-1103试样中基质的显微结构以及基质中Cr2O3的分布状态。从图中可以看出，基质的结构较为致密，气孔分布均匀，且多为微米级的封闭气孔。图中，细小的圆形亮色物质为基质中的Cr2O3微粉，可以看出，Cr2O3微粉的分布均匀。4、炉衬结构设计4·1炉顶耐火炉衬设计及施工工法研究传统炉炉衬设置被分割成炉顶钢壳、炉顶保温层和炉顶砖衬三个力学结构，分别各自膨胀相互别离，强度差变形大漏烟严重，是最容易损坏维修的部位。从环保和设备改善角度出发，我公司优先解决炉顶结构和施工工法问题。1〕把传统的砖炉顶用整体浇注炉顶代替。找出炉顶对称中心位置，使炉顶对称中心和重心落在一条线上成中轴线，以中轴线为根底，根据炉顶椭圆变形状况计算和设置炉顶厚度和膨胀缝，用不均同厚度和没有通缝的膨胀以保证炉顶的稳定和高强度，阻断炉顶的漏烟通道，同时也可以对炉体的倾斜有抑制作用。2〕将原来炉顶钢壳、炉顶保温砖层、炉顶高铝砖层三个独立结构合三而一，将炉盖外部钢壳与浇注炉顶之间填充轻质保温层靠紧压实，炉顶工作层也能借力于外钢壳的强度，将炉顶造成一个整体部件。〔结构见图1〕图1炉顶结构示意图4·2排烟口结构及施工工艺的研究在流态化焙烧炉烟气泄漏中，除炉顶外，排烟口是最容易损坏和泄漏烟气的位置，直接影响到炉顶乃至整个炉体上部的结构损坏而且修复困难。我公司研制开发了排烟口烟气泄漏的外部柔性连接结构〔见图2〕，并对排烟口周围的结构进行了加强维护，取得了较好的效果。图2排烟口外部柔性连接结构示意图4·3炉墙结构设置及施工工法研究流态化焙烧炉炉衬分50平米以下和50平米以上两种情况分别设置炉身的炉衬。1〕50平米以下的焙烧炉一般采用靠钢壳设置保温层后，工作层用不同型号的耐火浇注料整体浇注而成。这样的好处是：避开了传统炉衬结构存在的多种异形砖的采购和复杂的砌筑，使整个炉衬浑然一体，彻底解决了炉衬漏烟问题。〔见结构示意图2〕图3侧墙结构示意图2〕50平米以上焙烧炉一般采用组合炉衬。在下部沸腾床局部孔洞比较多，磨损相对严重，要在每个孔洞周围制作高温钢筋混凝土的门柱，将沸腾床炉衬以各孔洞为界进行分割，以便将来方便检修。中部扩大段和上部直段之间有高温钢筋混凝土抱箍梁包裹钢托圈对各局部砖衬进行分隔，既保护了钢托圈，又把各局部砖衬重量通过抱箍梁挂在相对应的钢壳上，使将来假设需要检修或变造炉衬变得简单而又平安。〔见结构示意图3〕上述组合炉衬从1997年起，陆续在有色、黑色、化工、化肥多行业的焙烧炉上推广实施，逐渐从5至47平米焙烧炉推广到50平米以上，近几年更推广到多座109平米的大型焙烧炉上，共有50几座，均取得非常好的使用效果。

图4孔洞圈梁抱箍示意图5、应用效果总结：

1〕可以常年满负荷甚至超负荷生产。

2〕炉顶不再泄露含硫烟气，炉身烟气泄露得到很好控制。

3)整体炉顶强度好。

4〕检修率非常低。

5〕整体强度好，寿命长，抗灾害能力强，生产运行平安。附件：1.主要参考文献：1.齐焉，2005年全国硫酸生产情况，硫酸工业，2006〔2〕，1-42.周涛，叶红齐；国内粉末冶金中流态化技术的研究与应用，第五届海峡两岸粉末冶金技术研讨会论文集，59-633.?有色冶金炉设计手册?编委会，有色冶金炉设计手册[M]，北京：冶金工业出版社，2000，434-4734.陆志方，109m2流态化焙烧炉设计与生产实践，有色设备，2002(3)：1-45.黄江，50m2锌精矿沸腾焙烧炉设计的几点体会，有色金属设计，Vol.30，，2003，37-40附件2：洛华公司有关沸腾炉的成果和专利列表1、鉴定成果1.1中色协科〔鉴〕字【2001】第033号?流态化焙烧炉新型炉衬结构及采用不定形耐火材料全整浇技术?1.2中色协科〔鉴〕字【2007】第074号?硫化矿流态化焙烧炉〔炉盖〕整体浇注材料及应用技术?2、获奖资料1、二项并列中国有色金属工业科学技术奖一等奖中色协科