回转窑耐火砖脱落的原因分析_李谈教.pdf

随着国内经济的快速发展和工业化水平的提高，工业固体废物的产量迅速增加。堆积存放和每年新产生的大量工业固废正在越来越多地侵占我国宝贵的土地资源，且在不同程度上污染了当地的土壤、水体和大气，严重影响并危害着人民的生存环境。危险废物1的危害更大，其特性通常包括急性毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、浸出毒性和疾病传染性。为进一步加快“无废城市”建设的进程，国务院办公厅专门印发了“无废城市”建设试点工作方案，要求持续推进固体废物源头减量和资源化利用，最大限度减少填埋量，将固体废物环境影响降至最低的城市发展模式。因此，对危险废物的规范化管理和处置的全面安全管控面临着巨大的挑战。目前，焚烧法处置危险废物已得到了国内外的一致认同。发达国家利用水泥窑焚烧危险废物、垃圾已有 20 余年的历史，这不仅使废物减量化、无害化，而且将废物作为燃料利用可节省燃料，做到废物的资源化。在国内，近几年以焚烧为主的危废集中处置中心在大多数化工园区已建设并投产，在建材工业向绿色功能产业转变的过程中，水泥窑协同处置危险废物作为一种新兴的危险废物无害化处置方式，得到大力鼓励和支持。采用焚烧法处置危险废物，回转窑或水泥窑和二次燃烧室的组合是彻底焚毁危险废物中有毒有害物质的核心设备。回转窑中的耐火砖衬里质量又是决定回转窑或者整个焚烧处置中心是否能够正常工作的重要因素。随着越来越多的回转窑被用于危废焚烧处置，对其耐火砖脱落的原因进行分析就显得尤为重要。本研究用某一案例进行详细说明。1回转窑耐火砖脱落的原因分析2022 年 7 月初，某厂回转窑危废处置中心在系统升温时，操作员从监视器中看到窑尾倒数第 2 环耐火砖中的一块耐火砖脱落，该脱落的耐火砖形态几乎完整。在后续的几个小时中，陆续有 70 多块耐火砖从回转窑的后 3 个耐火砖环上脱落，且形态均几乎完整。为了防止回转窑筒体在高温下发生变形，该厂当天下午停车，待系统冷却后进行检查并对耐火砖的脱落处进行维修。根据以上事件描述并考虑各种潜在的影响因素，主要从以下几个方面进行分析。1.1整块耐火砖脱落的条件及脱落方式耐火砖脱落条件：在砌筑好的某一耐火砖环中，如果一块耐火砖要脱落，必须满足 GiC，这样中间的那块耐火砖会以自由落体方式落下，如图 1 所示。其中：Gi为耐火砖环小端每隔一块耐火砖的间距，mm；C 为耐火砖大端尺寸，mm。耐火砖脱落方式：回转窑运行过程中，耐火砖脱落方式主要有自由落体和抛物线两种，且前者最为常见。耐火砖以自由落体方式脱落必须满足 GiC，且将会同时或先后发生在回转窑的每一个耐火砖环上。耐火砖以抛物线方式脱落，只会最先发生在回转窑窑尾倒数第 1 环耐火砖上，且必须先满足 GiC（即耐火砖具备自由落体的条件）。回转窑窑尾倒数回转窑耐火砖脱落的原因分析李谈教上海赤玄智能科技有限公司（上海201109）工作研究摘要从耐火砖的设计与制造质量、砖砌筑情况、火泥层与冷态转窑、窑尾护板松动和筒体变形等方面分析了其对回转窑耐火砖脱落的影响，并列举了耐火砖松动的一些异常现象，提出了回转窑运行中耐火砖脱落前的补救措施。每个回转窑每次耐火砖脱落的主要原因可能会不相同，需要有针对性地进行分析判断。关键字回转窑耐火砖脱落火泥层原因分析中图分类号TK 09作者简介：李谈教男1984 年生本科高级工程师从事危废焚烧行业的新技术研究与应用、技术咨询、设备成套供货、系统运营指导等方面的工作第 48 卷 第 1 期2023 年 2 月上 海 化 工Shanghai Chemical Industry23 DOI:10.16759/ki.issn.1004-017x.2023.01.038表 1两种规格楔形砖的数量计算项目A/mmC/mmD/mmR0/mmr0/mmK0/块回转窑工作内径 d/mm楔形砖数量取整/块原设计砖数/块设计值325250.0103.086.01544.11294.192.42840.067.96868425250.0103.090.02019.21769.2120.82840.032.03232实测值325250.0102.585.51536.81286.892.42840.066.466425250.0102.589.52009.61759.6120.82840.034.034楔形砖数量/块第 1 环上的个别耐火砖沿回转窑轴向中心线有翘头并在回转窑窑尾大块积渣的推力作用下，才有可能在回转窑旋转过程中以抛物线方式脱落，但这种情况很少发生。1.2回转窑耐火砖设计及制造质量回转窑原设计中倒数第 2 环耐火砖布置如图 2所示。与回转窑壳体紧挨的是保温砖，与烟气接触的是热面砖。本案例主要分析热面砖脱落的原因。该环热面砖共采用 2 种楔形砖68 块 325 型号和 32块 425 型号。这两种楔形砖的梯形截面尺寸如图 3所示。单楔形砖砖环的半径计算2：外半径 R0=CAC-D(mm)；内半径 r0=DAC-D(mm)；每环楔形砖的极限块数2K0=2AC-D（块）。在等大端尺寸双楔形砖砖环（中心角=360）内，小半径楔形砖数量 Kx及大半径楔形砖数量 Kd分别按下面的公式计算2：Kx=Rd-()R KxRd-Rx（块）；Kd=R-Rx()KdRd-Rx（块）。其中：C 为楔形砖的大端尺寸，mm；D为楔形砖的小端尺寸，mm；A为楔形砖的大小端距离，mm。根据以上公式，分别利用这两种型号楔形砖的尺寸进行计算，结果如表 1 所示。原设计的楔形砖尺寸及砖的数量满足理论设计要求，但从现场实测的备用砖尺寸计算得出 325 型耐火砖的数量应该为 66 块，不是原设计的 68 块；425 型耐火砖应该采用 34 块，而不是原设计的 32块。由于 425 型耐火砖的小端尺寸大于 325 型砖的小端尺寸，因此如果这两种型号的耐火砖仍按照原设计进行砌筑，将增大每隔一块耐火砖小端间隙 Gi，也就增大了耐火砖脱落的概率。另外，从回转窑正常运行工况进行分析，同时考图 1耐火砖脱落条件图 2回转窑倒数第 2 环耐火砖布置图 3耐火砖梯形截面尺寸（mm）上 海 化 工第 48 卷24 mm虑耐火砖的膨胀量和火泥厚度。耐火砖厂家提供的有关参数如下：耐火砖的布置、不同型号砖的外形尺寸及数量如前所述，耐火砖材质的平均线膨胀系数为 8.510-6/、火泥吸收耐火砖膨胀量按照 30%考虑。回转窑工况参数具体如下：回转窑窑尾倒数第2 环耐火砖的工作内径为 2840 mm，窑尾处最高平均工作温度为 1100，室温按照 20 考虑。回转窑窑尾倒数第 2 环耐火砖膨胀量及相关计算结果如表2，表 3（P 为中间尺寸）所示。表 2按照设计值计算耐火砖圆周方向上的膨胀量耐火砖单块砖膨胀量耐火砖数量/块总膨胀量火泥吸收的耐火砖膨胀量砖大端圆周长考虑最大膨胀量后差值假设火泥全部存在，与大端尺寸比较假设无火泥，与大端尺寸比较325 型（C1=103.0，0.96864.319.3192.970.0-33.0-4.6D1=86.0，0.86853.716.1194.190.04.028.0P1=94.5）0.96859.017.790.0-13.013.2425 型（C2=103.0，0.93230.39.1D2=90.0，0.83226.47.9P2=96.5）0.93228.38.5通过表 2 可知，该环耐火砖大端尺寸圆周上耐火砖间有挤压，小端尺寸圆周上耐火砖间无挤压。耐火砖之间有火泥层时不会掉砖，无火泥层时有掉砖的可能。考虑到火泥层一般不会全部从耐火砖之间脱离，因此耐火砖的原设计没有问题。通过表 3 可知，该环耐火砖大端尺寸圆周上耐火砖间无挤压，小端尺寸圆周上耐火砖间也无挤压。因此，耐火砖之间不论有无火泥层均会掉砖。耐火砖质量方面：脱落的耐火砖形态几乎保持完整；窑内倒数第 3 环中一块耐火砖中间有裂纹，宽度约为 0.5 mm；窑内耐火砖没有大面积的破碎、裂缝或被化学侵蚀。以上均说明耐火砖材料质量没有问题。现场测量同型号的备用砖后发现，耐火砖大端尺寸和小端尺寸均与原设计尺寸有-0.5 mm 的偏差（整环砖累积偏差量达到-50 mm），导致这两种型号耐火砖应该采用的数量发生了变化（具体见表 1），且其对膨胀量计算影响很大，直接导致耐火砖脱落成为大概率事件。1.3回转窑耐火砖砌筑本次回转窑新换耐火砖（耐火砖的材质、砖型和数量都与之前相同）是由同一家经验丰富的耐火砖砌筑公司按照两种砖型搭配比例砌筑，施工过程仔细认真。在施工后期，发现 425 型的耐火砖数量不够，经与耐火砖厂家沟通后用多出来的 325 型耐火砖替代（425 型砖的小端尺寸比 325 型砖大 4 mm）。后期烘炉完成后进窑检查，仅发现窑尾段有几处火泥层间隙有点大，耐火砖表面都完好无损，无松动，整体平整。1.4冷态转窑无论回转窑是处于耐火砖刚砌筑好的状态，还是烘炉干燥后，还是系统运行一段时间停车后的冷态，都不建议冷态下持续转窑。如果长时间停窑，为防窑中心线发生弯曲变形，需要根据回转窑厂家提供的使用说明书，间隔一定时间进行缓慢转窑，每次mm表 3按照实测值计算耐火砖圆周方向上的膨胀量耐火砖单块砖膨胀量耐火砖数量/块总膨胀量火泥吸收的耐火砖膨胀量砖大端圆周长考虑最大膨胀量后差值假设火泥全部存在，与大端尺寸比较假设无火泥，与大端尺寸比较325 型（C1=102.5，0.96864.019.2242.9120.618.146.3D1=85.5，0.86853.416.0244.1140.655.179.0P1=94.0）0.96858.717.6140.638.164.1425 型（C2=102.5，0.93230.19.0D2=89.5，0.83226.37.9P2=96.0）0.93228.28.5李谈教：回转窑耐火砖脱落的原因分析第 1 期25 转 1/3 圈。原因是如果回转窑刚砌筑好耐火砖就在冷态下连续转窑，那么在转动过程中，耐火砖由于惯性对湿的火泥层进行挤压。如果回转窑的转速时快时慢，将导致耐火砖来回挤压左右两侧的湿火泥层，使其变薄。如果持续时间很长，火泥层会从相邻两块耐火砖之间以薄片状脱落。当相隔一块耐火砖的两砖小端距离 Gi大于其中间耐火砖的大端尺寸 C 时，中间的耐火砖就会脱落。在 400 下完成烘炉后，耐火砖和火泥层中的自由水等均被蒸发，火泥层已固化在耐火砖侧面（即耐火砖受热膨胀时挤压火泥，火泥脱水变干后固化在耐火砖侧面）。冷却过程中，粘在耐火砖侧面的火泥层在耐火砖低温收缩过程中会被撕裂，火泥层与两侧的耐火砖侧面之间会出现一些细小的缝隙（有时较大，肉眼可见）；但只要火泥层不完全脱离两侧的耐火砖侧面，这些缝隙不会导致耐火砖脱落。系统升温（升至 1100 ）过程中，随着温度不断升高，耐火砖的膨胀量越来越大，已经固化在耐火砖侧面的火泥层又将被进一步挤压；由于这时火泥层已干燥，像固化后的水泥层，因此受到挤压后会破碎，甚至变成粉末。高温运行下，耐火砖之间因其膨胀量相对较大和变碎的火泥层存在，不满足脱落条件。回转窑从高温运行状态冷却到室温时，耐火砖会因温度降低而收缩，相邻两砖之间的间隙变大，已被挤压碎裂的火泥层在重力或震动下会逐渐掉落，使得两耐火砖侧面间隙变大。如果这时在冷态下持续转窑，增加耐火砖的震动，将加快火泥层碎块或粉末的掉落。转窑速度变化越频繁，火泥层掉落得就越快。当火泥层大部分已掉落，相邻耐火砖的间隙增大到符合脱落条件时，就会发生耐火砖脱落现象。相邻两块耐火砖之间的火泥层看似很薄，但整环耐火砖上火泥层的累加厚度对耐火砖脱落的影响不容忽视。1.5回转窑窑尾护板松动该回转窑窑尾护板上固定螺栓孔直径为 42mm，固定螺栓直径为 30 mm，且每块护板上的 3 颗固定螺栓已被浇注料层固定。因此，护板可在热面砖大端下方浇注料层下运动的极值分布为：沿圆周方向的极值为 12 mm，其对每环耐火砖无影响；沿回转窑轴线方向的极值为 12 mm，将导致整环耐火砖与相连环耐火砖之间的间隙变大，对同一环中的耐火砖影响甚微。因此，回转窑护板松动对耐火砖以自由落体方式脱落的影响很小。1.6回转窑筒体变形从回转窑结构可知，其筒体被紧紧地安装在轮带