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摘要：建设时间较早的小型 “一次码烧”隧道窑烧结砖工艺，基本都是窑炉公司或设备企业提出工艺设计和计算，此类建设方式，存在较大的技术方案失误的风险，生产线投产后，因干燥焙烧窑炉系统固有技术缺陷，成为引起产品质量弊病的主要原因。如果在“一次码烧”工艺中，又采用一条干燥隧道窑、两条焙烧隧道窑的“不平衡干燥焙烧”方式，则产品质量和产量风险就更高。此外，建设过程中业主因资金限制，往往又选择性的分为一期建设或二期建设，使得建成后生产线工艺、设备性能、窑炉结构，不能很顺畅的实现日产量要求、不能满足预期目标，质量也不能达到国家标准指标，出现生产成本高，企业效益低下。 随着烧结砖大气污染物治理要求的严格限制，干燥窑不能无组织排放，需要增加脱硫塔设施，对烟气进行集中治理，窑炉热工系统因此发生改变，干燥和焙烧受到影响，在此状况下，企业又不得不补齐资金，进行分步技术改造。回头评价建设过程和技术改造决策，此类简易设计、分步技术改造的方式，效果不佳，得失不成比例。更为严重的是，企业通过技术改造后形成的工艺，对其年产普通砖生产规模和产品档次等方面的技术评价，仍然不能达到相关省级(江西省)新型墙体材料目录中、县（市）行政区域范围内“鼓励发展类”层次，企业年生产能力远远小于8000万块（折标准砖）的规定要求，使得企业规模仍然处于落后技术水平的范畴。
工艺概况 江西省某烧结砖企业于2011年建成，计划年产规模达到5000万块烧结普通砖，采用“一次码烧”隧道窑工艺，主要原料为厂区附近的丘陵山土和煤矸石或页岩，原料制备后，进行开敞式堆放，经搅拌加水，送入50型双级真空挤砖机成型，切条切坯后，输坯机输送，人工捡码窑车。码好湿坯的窑车在2条静停线静停，2条静停线最多能够停放约65辆窑车。由于采用2条焙烧隧道窑，1条干燥隧道窑的“不平衡干燥焙烧”方式，湿坯静停时间有限。 干燥工艺中，设置一条干燥隧道窑，截面宽度为2.8米，混凝土预制板平顶，长度约99米，容纳窑车34辆，与焙烧窑长度相同。干燥窑由两台16号离心风机将焙烧隧道窑的全部烟气送入，热风经干燥窑两侧底支烟道、21对哈风闸、21对哈风孔进入干燥窑内。进入干燥窑内的热风量多少，需要调节哈风闸。热风进入干燥窑内的路径较长，直角弯道增加，阻力加大，热风流速降低。 干燥窑内，窑车与窑直墙之间，仅依靠直墙曲封，没有设置窑车沙封槽密封。干燥窑两端，虽然设置密闭门，然而，没有砂封槽，对于干燥窑外冷空气进入窑内、99米长度的干燥窑截面温度分布、干燥介质热交换效率、潮湿烟气排放、排潮风机抽力等方面均存在不利影响，没有砂封槽，干燥制度不易保证。 干燥介质热交换后，烟气由窑顶混凝土预制板平顶上设置的8个不等距排潮烟囱，形成正压分散排潮。 焙烧采用2条焙烧隧道窑，焙烧窑截面宽度为2.8米、窑顶结构为60°微弧拱，拱顶高度为500mm。隧道窑长度约为99米。焙烧窑进车端窑顶，各设置一台16号离心风机，将全部烟气送入一条干燥窑窑内，作为干燥介质。 该企业1条干燥隧道窑、2条焙烧隧道窑的“不平衡干燥焙烧”方式，干燥窑和焙烧隧道窑的截面示意见图1。 ▲图1. 2条焙烧隧道窑与1条干燥隧道窑窑顶结构示意图 图1截面显示，湿坯砖垛在平顶干燥窑内，平顶与砖垛上部轮廓构成的空隙面积达到0.902㎡；而砖垛在干燥窑内，边部间隙及砖垛之间间隙的全部空隙面积，仅为2.204㎡，砖垛顶部空隙面积达到41%。此种结构，在采用低烟囱正压分散排潮方式时，由于窑内负压较低，抽力小，干燥介质流速慢，虽然存在部分热损失，但湿坯能够均匀干燥，砖垛整体残余水分和干燥缺陷数量还能够满足进入焙烧工艺的要求。但是，采用风机集中排潮后，随着窑内负压的增加，此种结构中，上部空隙面积达到0.902㎡，如同一条直通烟道，加上负压顶排潮作用，干燥介质率先进入排潮系统，不仅热量流失，重要的是湿坯垛中部截面热烟气流量降低，对中部湿坯干燥脱水不利。同时，热烟气流量低，缺乏对水蒸气的携带作用，中部潮气滞留。这种平顶圆弧垛结构，出现有利于干燥窑内上部烟气的气流流动，气流分层严重，不利于窑截面温度均匀提高，不利于湿坯的整体均匀干燥，坯垛中部易垮坯。 由于干燥窑截面与焙烧窑截面的窑顶结构形式不同，同时，干燥窑缺少砂封槽，成为该企业生产运行中，湿坯残余水分不均、易垮坯、焙烧易开裂、产量低等等弊端的根本原因。 该企业窑车规格为长×宽×高=2.9×3.1×0.8米。 由于一烘二烧的“不平衡干燥焙烧”方式特性，当焙烧进车时间为60分钟进1车时，干燥窑进车时间需为30分钟进1车，干燥周期仅为焙烧周期的一半。此类方式，需要保证混合料具备优越的干燥性能、较长的静停预干燥时间和较好的干燥设备等条件。 在此工艺基础上，由于生产线运行效果不能达到原先的投资目标，该企业陆续进行了2次技术改造。 第一次，取消了原采用的50双级真空挤砖机，改为国内著名设备企业的75型双级真空挤砖机，下级电动机为250kw，真空度0.07mpa，同时，采用机械码坯机代替人工码坯方式，提高生产线效率。 第二次技术改造，则因烧结砖大气污染物治理要求，干燥窑废气需要有组织排放，增加脱硫塔设施，对烟气进行集中治理后排放。具体措施为，在干燥窑顶板上，将8个正压排潮烟囱出风口封堵，而在7个烟囱之间，修建总烟道，与7个烟囱侧墙相连，干燥后的烟气经原烟囱底孔进入总烟道，再进入新增的18号离心风机，烟气由风机送入脱硫塔进行处理后排放。 技改后采用机械码坯机码放窑车，普通烧结砖采用二压7的形式，共计4×4=16垛，两侧边垛第13层开始减少码坯，使得砖垛上部轮廓与焙烧窑微弧拱拱形尽量拟合，减少砖垛与窑顶之间的间隙。避免焙烧窑内上部气流分层。每辆窑车普通砖码坯容量为3028块。 两次技术改造过程，没有涉及窑炉顶截面不一致的改造，仍然保留了干燥窑为平顶，焙烧窑为拱顶的形式。 增加集中排潮和烟气治理后的干燥焙烧窑炉系统见图2。 ▲图2. 2条焙烧隧道窑与1条干燥隧道窑平剖面图结构示意图 图2显示，第二次技术改造后，焙烧烟气作为干燥介质，由2台16号风机全部送入干燥窑，而干燥过程中热交换后的废气，不再通过原来的烟囱正压排放，而是由1台18号离心风机强制排出干燥窑。此种条件下，2台16号风机首先需要保证焙烧隧道窑的火行速度、焙烧质量，调节16号风机的原则需要体现“先焙烧、后干燥”，而18号风机，则首先需要保证出口动压能够克服脱硫塔系统阻力，风机转速不能过低，否则潮气无法离开干燥窑内。因此，技改后运行中，18号离心风机产生的负压，要远远高于原来的8个正压排潮烟囱抽力，砖垛与窑平顶空隙太大，使得干燥窑内气流分层现象要比没有改造前严重得多，如窑内热工系统调整控制不好，干燥缺陷必然增加。
▲图3 丘陵山土的开采及配料
图3显示，该企业丘陵山土原料，属于较高塑性指数的粘土类原料，单独用来制砖，不适宜“一次码烧”工艺，更不适宜该企业1条干燥隧道窑、2条焙烧隧道窑的“不平衡干燥焙烧”方式，而且，该企业预设的静停线能够停放的湿坯窑车数量有限，不能预留足够的车位，湿坯的静停时间较短。因此，湿坯进入干燥窑之前，湿坯脱水和水分均化的作用不明显，不能满足快速干燥的要求，不能有效地减少湿坯开裂现象。B.垮坯现象该企业技术改造后，机械码坯垛型为二压7，共16垛，两侧边垛码高13层，中间两垛码高14层。经计算及测量，砖垛与窑顶间隙面积达到0.902㎡、两侧边垛与窑直墙间距各为240mm，局部间隙达到300mm。湿坯在干燥隧道窑内，出现坯垛垮坯现象，垮坯集中在坯垛中部，见图4。
▲图4 干燥窑砖垛中部垮坯现象
一般情况下，湿坯在干燥窑内垮坯的根本原因，在于干燥窑内局部位置干燥介质温度降低、湿度升高，形成饱和蒸汽后冷凝、坯垛下部湿坯吸潮后强度丧失致使坯垛垮塌。如图4显示，垮坯现象多集中在砖垛中下部，清理垮坯后，下部坯体湿度较高。结合图1干燥焙烧隧道窑结构，干燥介质在干燥窑内的对流传热过程中，由于坯垛轮廓与平顶之间的间隙较大，阻力小，坯垛两侧与直墙间隙较大，热烟气上浮，使得坯垛上部的干燥介质流速快，而坯垛中下部因阻力偏高使得干燥介质流速慢，湿坯垛相同截面出现介质流速不平衡现象。流速快的部位，介质能够持续提供热量与湿坯进行热交换，同时，能够接纳较多的水蒸气并及时携带排出。而介质流速慢的位置，介质流量低、介质携带的热量较少，不能满足湿坯升温的要求，介质携带水蒸气的能力较低。随着窑车的移动，介质内水蒸气含量增加，加上坯垛中下部阻力影响，水蒸气不能及时排出窑外，冷凝结露后湿坯强度降低出现垮坯。生产过程中，针对垮坯的老大难问题，曾经采取增加1台8号离心风机将余热烟气，直接送入干燥窑进车端第7车位，希望避免垮坯，然而该措施未能凑效；另外，在干燥窑上部总烟道内，分别设置3台5号轴流风机，直接对窑道内潮气进行搅拌干扰，虽然能够减缓湿坯，但不能避免残余水分的偏高和不均匀状况，存在额外电耗和风机叶片磨损，较难长期维持。垮坯现象，也与混合料中骨料细度有关，如粘土类混合料中骨料较少时，湿坯吸潮后，湿坯强度降低较多，极易垮坯。C.裂纹断砖湿坯裂纹断坯和焙烧窑制品裂纹断砖的产生，主要原因是湿坯干燥脱水速度偏快有关，这部分缺陷，数量较多的集中出现在砖垛的中下部，性质均为坯体升温过急、受热不均、脱水速度偏快造成。在焙烧隧道窑内，部分制品产生裂纹断砖，这是入窑窑车坯垛中下部，其残余水分要比坯垛其他部位偏高，在规定的进车时间和焙烧制度条件下，中下部坯体会因焙烧升温过急，出现新的制品裂纹或断裂。而大部分制品缺陷，则是入窑干坯在干燥过程中已经存在此类缺陷后，在随后的焙烧过程中进一步扩展的结果，缺陷产生具有连续性。干坯裂纹断坯与制品裂纹断砖此类缺陷产生的原因，比起垮坯原因，涉及混合料性能、成型质量、码坯及窑车等方面，影响因素更多，调整难度较大。该企业湿坯裂纹断坯与制品裂纹断砖见图5。
▲图5 干燥窑断砖和焙烧窑断砖
图5显示，砖坯和制品大面、条面裂纹较为普遍，出现断砖，废品率较高。
该企业干燥窑平顶结构，使得干燥窑内介质流速不平衡，坯垛两侧和上部的流速快，坯垛中下部流速慢，这在一定长度的干燥窑内，意味着相同坯垛截面上出现不同的两种干燥温度曲线，在一定的进车时间规定条件下，坯垛中下部位置的湿坯，出现干燥周期缩短的现象，窑车运行到干燥窑高温带，势必出现坯体升温过急受热不均脱水速度偏快，加上混合料干燥性能、坯体规格和厚度因素、介质接触面积大小、介质流速快慢因素、传热传质和内外扩散不平衡因素，内外收缩率及坯体局部与其他部分不平衡因素，都会因升温过急受热不均导致变形、开裂和断坯。在焙烧过程中，由于中下部位置的湿坯因干燥周期缩短，入焙烧窑时干坯残余水分偏高，而坯垛两侧和顶部坯体，残余水分较低，采用相同的进车时间焙烧，中下部制品因较高残余水分的原因，同样会出现焙烧升温过急受热不均导致制品变形、开裂和断砖现象。比较而言，防止干燥和焙烧制品裂纹断砖的难度较高，需要结合混合料性能特征，干燥介质温度、流速，干燥阶段控制，干燥周期等因素整体考虑，才能取得较好的效果。D.生产能力一般条件下，烧结砖企业生产能力高低、效益好坏，基本由干燥能力确定，干燥能力越高，则红砖生产能力越高，企业效益越好。该企业两次技术改造，主要调整双级真空挤砖机和机械码坯，保留了干燥平顶窑和焙烧拱顶窑的不同结构形式，而不同窑顶结构在运行中，造成制品废品率较高。此外，现有丘陵山土塑性较高、静停车位较少、“不平衡干燥焙烧”方式决定了干燥周期较短，一条干燥窑不能满足原定生产规模。图1、2中，2条焙烧隧道窑与1条干燥隧道窑结构示意图显示，干燥窑的风机和支烟道、哈风闸形式，没有进行变动。由于支烟道内设置了21对哈风闸，使得干燥介质进入支烟道和干燥窑内阻力提高，流速降低，加上顶部集中排潮，介质分层严重，干燥产量不能提高，如果缩短进车时间，垮坯、裂纹等干燥缺陷增加，干燥效率降低。技术改造结束投产以来，生产线仅能实现年产3000万块烧结普通砖的产量要求，干燥进车时间约为45分钟，焙烧进车时间约为90分钟。技术改造提高产量的目标未能实现。
被忽视的重要环节 烧结砖“一次码烧”工艺生产线的建设，比起“二次码烧”工艺，涉及的限制条件更多，干燥焙烧窑炉性能要求更全面，才能实现预期的生产规模目标。当采用1条干燥隧道窑、2条焙烧隧道窑的“不平衡干燥焙烧”方式时，则要求混合料具备快速干燥性能、要求湿坯静停预干燥，否则，很难达到不开裂、不变形、均匀干燥的目标。A.干燥窑结构改造是重点该企业原正压分散排潮干燥窑，采用2台离心风机并联同时由两侧支烟道送入热风，送入干燥窑内的热风总量高于1台离心风机的额定流量、低于2台离心风机额定流量之和。进入支烟道后，热风经21对哈风闸的控制，通过干燥窑道内直墙21对散热孔，散热孔规格为500×100mm，对湿砖坯垛进行干燥。图1截面显示，闸阀和弯道对热烟气的流动具有一定的阻力，随着支烟道砖壁、阀体、直角弯道的阻力的增加，热风介质流速降低，流量减少。增加脱硫塔系统后，干燥窑内潮气的排出，通过原有7个烟囱底部排潮孔，经总烟道，进入离心风机，离心风机因安装方式失误，出口烟道经2次弯道进入脱硫塔，处理后排放。运行实践中，干燥质量及产量，均没有明显提高，却出现垮坯、中下部裂纹、断坯等现象。究其原因，除干燥窑平顶结构与坯垛弧形结构产生的间隙偏大、形成气流分层，影响了截面温度的均匀性外，干燥窑送热风系统本身的结构缺陷，也是干燥质量不能提高的原因。a.支烟道哈风闸图1截面图显示，干燥窑内置热风支烟道上21对热风哈风闸，当开启一半时，哈风闸曲面对热风存在阻碍作用，热风与哈风闸体之间出现紊流，降低了热风流速，使得窑直墙散热孔出口处热风不能达到砖坯中部，湿坯温度升高缓慢，坯垛截面温度产生不均匀状况。此外，内置下支烟道21对哈风闸，其调节难度较高，很难总结出闸阀与干燥窑内截面温度变化的对应关系，很难获得实用的和可操作的闸阀调节控制措施，其中一对闸或相邻的几对闸如何调节，对干燥效果的影响，很难把握。目前，为应对湿坯垮塌、裂纹等现象，岗位工只能将21对哈风闸全部开启，仍然不能避免产生垮坯和裂纹等缺陷。
b.散热孔内置下支烟道设置21对哈风闸，对应21对散热孔，散热孔规格为高500mm、宽100mm，间距2500mm，散热孔分布和数量在干燥窑内不同部位，规格完全相同，如此设置，对窑内热烟气的合理分布并不十分有利，根据在干燥窑内的出风量检查，靠近进车端送热风段，约有7个车位的6对散热孔，热烟气量较多的进入窑内，而靠近出车端（送热风风机位置），约4对散热孔，则热风量较少甚至无风。在干燥窑中部散热孔出口，检查热风偏弱、流量较低，需要增加散热孔数量，才能符合窑内干燥制度的需求。经检查，干燥窑内进车端第4到第10车位，干燥介质中水蒸气含量较高，认为缺乏热风的正压驱动和排潮风机的负压排出，容易出现冷凝后产生垮坯，此类缺陷，并且长时间保持在这个区段中。总体上评估，21对散热孔的规格、分布位置和设置数量，需要根据干燥窑长度、窑车规格等条件，重新进行技术调整。c.排潮孔布置干燥窑原采用分散正压排潮烟囱，第2次技改后，采用新建总烟道和18号离心风机集中排潮，总烟道与原7个烟囱侧墙贯通，排潮孔为7个烟囱底孔，按照烟囱结构，底孔宽约1.1米、长约2.8米，同时，根据烟囱间距不同，以及进车端无烟囱部位，在干燥窑顶、总烟道内新增加排潮孔若干，与风机一起形成顶排潮。18号离心风机进风口距干燥窑进车端为4米，由于湿坯垛型原因，加上热烟气上浮和顶排潮负压作用，干燥窑内各段排潮不能按照预定要求进行，水蒸气含量较高的区段，排潮能力不足，而进车端窑门漏风处及窑车车底，漏风量却较高。虽然采用不同截面总烟道来控制排潮区段流量，但在运行中，作用不大。需要重新设置排潮孔面积和位置，实现窑内合理排潮，避免垮坯。D.砂封槽建设初期，干燥窑没有设置窑车与窑直墙的砂封槽，在送热风正压较高、正压分散烟囱排潮的情况下，仅仅出现干燥介质热损耗偏高的现象，无砂封对干燥质量的影响较小。改为风机集中排潮后，窑内负压增加，窑内无砂封的情况，由于漏风，对窑内潮气的及时排出，影响较大。由于无砂封，窑内排潮位置不确定，而处于靠近风机进风口位置的区段，负压较强，漏风量较大，降低了窑内排潮能力。在正压分散排潮的干燥窑，采用无砂封槽的形式相当普遍，对干燥质量影响较小。当此类干燥窑增加脱硫系统，形成集中排潮后，无砂封槽对干燥制度的影响巨大，因此，设置砂封槽是必要的，能够加强干燥窑的气密性，是建立合理干燥制度的基础条件之一。e.顶送热风干燥窑采用2台16号离心风机送热风，热风进入干燥窑两侧支烟道，没有设置顶送热风的支烟道。当焙烧隧道窑改为平顶、机械码湿砖坯垛改为平顶后，以及调整码坯垛型，随着砖坯垛与窑顶间隙的减小、窑直墙与砖坯垛之间间隙的减小，设置顶送热风则是必要的，有利于砖坯垛截面的平衡升温，改善干燥介质分层，提高干燥质量。B.焙烧窑微弧拱改造该企业在建设中，使用了平顶干燥窑与拱形焙烧窑，为满足焙烧要求，迫使湿砖坯垛轮廓只能是弧形，湿坯上部轮廓与焙烧窑微弧拱拱形尽量拟合。技术改造后，干燥窑形成集中排潮，干燥运行中暴露出平顶与拱顶结构不一，产生干燥窑内存在顶部间隙较大的缺陷，加剧了干燥介质分层，使得湿坯裂纹、垮坯干燥缺陷增加。该企业技术改造中，忽略了窑炉结构差异存在带来的问题，特别是干燥窑烟气要求进行脱硫处理后，干燥系统中增加了脱硫塔，系统阻力升高，使得干燥窑内热工控制难度增加，极易出现干燥制品缺陷。为了减少干燥制品缺陷，必须减少干燥窑内顶部弧形砖坯垛与平顶之间的间隙，即采用平顶湿砖坯垛。因此，将焙烧隧道窑拱形结构与干燥窑的平顶结构作为技术改造的重点，统一为平顶窑，焙烧隧道窑只能进行平顶结构的改造，可利用纤维模块进行吊平顶，从而与干燥窑平顶结构一致，加上机械码坯的应用，湿砖坯平顶垛更容易实现，干燥焙烧窑统一为平顶结构，才是提高产量、提高制品质量的关键技术措施。C.静停线目前，生产线设置有2条停车线，按照“一烘两烧”的生产平衡需要，能够存放的码湿坯窑车数量有限，停车时间较短，对在静停过程中，湿坯整体脱水和湿坯内水分均匀性，作用小。因此，在条件允许情况下，有必要增加停车线，增加静停湿坯窑车数量。同时，在靠近干燥窑进车端，利用焙烧隧道窑冷却带制品余热或车底热风，在静停线设置预干燥段，除降低部分湿坯含水率外，还能提高湿坯坯体温度，有助于一条干燥窑的快速干燥。D.调整机械码坯的垛型目前生产中，普通砖垛型为二压7，共16垛，两侧边垛码高13层，中间两垛码高14层。测量出干燥窑砖坯垛与窑直墙间隙，两边间隙宽度达到240mm，边隙较大，热烟气上浮，也是热烟气不能进入砖垛中下部的原因。因此，需要调整机械码坯机，改为平顶垛型，将垛型改为三压9，中间三压7，形成9垛，全部码高均为14~15层时，能够有效地减小砖垛与窑直墙的间隙降低到60mm，码高14层时，码坯容量为2982块；码高为15层时，码坯容量增加为3195块。当全部砖坯垛均采用三压9、码高15层，此时码坯容量达到3645块.调整湿坯垛型后，码窑密度增加，有利于提高日产量。E.排潮离心风机位置采用集中排潮后，18号离心风机进风口正对干燥窑总烟道，而风机出风口为右0度，出风管道连续转两个90度弯，干燥废气才能进入脱硫塔，18号风机出风管道阻力增加，影响了风机的排潮效率。对长期运行不利，因此风机安装位置应进行调整，不仅能够加强排潮、有利干燥、防止垮坯，同时，能够降低风机运行电耗。
结束语
小型“一次码烧”隧道窑工艺生产线的建设和技术改造，业主受资金条件限制，常常采用分步进行的方式。生产线建成投产后，暴露出较多的不足，此时，提出技术改造是必要的。然而，技术改造内容和目标的确定决策，除根据轻重缓急外，应以提高产品质量、增加产量、降低运行成本为根本目标。该企业的基础条件采用了人工码窑车，干燥窑采用分散正压排潮烟囱，1条干燥隧道窑为预制板平顶结构，2条焙烧隧道窑为拱顶结构，随着情况发生变化，窑炉顶结构不一致成为制品出现质量问题的根本原因，技改方案本应围绕此原因提出解决措施，在此基础上，随后配套进行双级真空挤砖机、机械码坯机的改造，才能对提高产量和质量，发挥较大作用，技改的整体目标才能较快地实现，企业效益才能提高。由于该企业忽视了窑炉结构中存在的主要矛盾，技改重心放在了半成品价值较低的环节，而半成品形成较高价值环节的制约因素没有得到彻底解决，因此，即便通过两次技术改造，干燥质量缺陷不能彻底解决，生产成本较高，企业效益低下，无法达到江西省新型墙体材料目录中县（市）行政区域范围内“鼓励发展类”的层次规定要求。目前，该企业因技术改造决策不当，处于暂时停产状态，形成如此被动局面，值得同类企业引以为戒。 | 
发表于 2021-4-5 11:48:02
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发表于 2021-4-5 19:13:37
