隧道窑烧结砖热耗偏高原因的分析

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隧道窑烧结砖热耗偏高原因的分析
摘要：当前，烧结砖“一次码烧”隧道窑焙烧工艺中，多采用“内燃焙烧”方式，既在原料制备过程中，就掺配原煤，或者各种含残余发热量的工业废弃物，当掺配比例达到烧结所需热量的80%时，隧道窑热工控制较简便，但在隧道窑投煤孔处，仍然需要添加外投煤，保证制品在焙烧中的烧结程度，实现焙烧质量好，产量高的目标。但是，由于原料的化学成分和物料性能变化，成型水分增加，产品规格变化，干燥和隧道焙烧窑结构性能差异等因素，出现焙烧过程中产品热损失和废品率增加的情况，成为烧结砖产品热耗偏高，不能满足《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》行业标准指标的主要原因。
1、某烧结砖企业概况
贵州省习水县某烧结砖企业，采用页岩、原煤、煤矸石、粉煤灰为主要原料，生产烧结普通砖，原生产工艺中，主要设施为16条小型隧道式干燥室干燥，36门轮窑焙烧，构成干燥焙烧的“两次码烧”工艺，年生产规模为5000万块烧结页岩普通砖。轮窑两次码烧工艺，需要配备的岗位工人员数量较多，人工工资费用高，安全生产影响因素较多，产品外观质量存在影响，干燥车损耗较大。企业经考察后，确定在原轮窑厂址内，对原生产线进行撤除重新建设的技术改造，根据《贵州省墙体材料行业规范》条件要求，产品以烧结空心砌块墙体材料为主，采用自动化切码运的“一次码烧”隧道窑生产工艺升级改造工作。技术改造内容满足行业规范的大部分要求，企业生产规模提高，达到年产6000万块（折标砖）烧结空心砌块。技术改造内容包括，原料制备，自动配煤、混合料陈化，湿坯自动化切码运及干燥、焙烧隧道窑的建设，技术改造工程于2013年结束,并投入运行。自动配煤和机器人码坯、静停环节见图片1、2。投产以来，由于区域建设市场条件限制，建筑墙体材料仍然以烧结普通砖为主，生产中，隧道焙烧窑生产能力一直不能达到18万块(折标砖）/日的预期目标，配料过程中，混合料发热量长期维持在400千卡/kg，同时，隧道焙烧窑焙烧过程中仍然需要一定数量的外投煤，产品烧成所需发热值达到520千卡/kg原料（含外投煤），存在烧成热耗偏高的现象，对此现象，就生产工艺构成、产品规格和窑炉结构分析如下。



2、工艺流程简述
  页岩、原煤或煤矸石分别用汽车运输入厂，储存于简易堆棚中备用。
  页岩、原煤或煤矸石采用装载机分别送入板式给料机受料斗中（进料块度控制在80mm以下），两组分原料分别经板式给料机和箱式给料机下电子皮带秤计量连续给料，汇合进入皮带机，均匀喂入鄂式破碎机破碎，粗破碎后页岩、原煤混合料进入锤式破碎机破碎，破碎后送入回转筛进行筛分，筛上料（粗料）返回锤式破碎机，筛下料（细料）经双轴搅拌机搅拌，送入陈化库陈化。混合料经48～72小时的陈化，由多斗挖掘机出料送入箱式给料机中待用。箱式给料机均匀给料，经轮碾机进一步碾练补充加水，送入双级真空挤出机，挤出的泥条由全自动切条切坯机切割成型，经过编组，机械人码坯，码好湿坯的窑车，在静停段进行预干燥，随后再进入隧道干燥窑，干燥合格的砖坯，通过摆渡车，送入焙烧隧道窑入口，经顶车机送入隧道窑，砖坯在隧道窑里经预热、烧成、冷却等一系列热工过程，得到合格烧结普通砖或空心砖产品，出窑成品砖，人工转运到成品堆场，产品经检验分等后出厂。隧道焙烧窑烟气采用16号锅炉离心风机，送入隧道干燥窑对湿坯进行干燥，废气再经14号轴流风机送入直径3.0米脱硫塔进行除尘脱硫处理后排放。双级真空挤出机规格为60/60型，一台码坯机器人。采用3.72×3.6m窑车，干燥窑和焙烧窑规格均为截面宽3.6m，长度118.8m，干燥窑和焙烧窑容车数量均为33辆。
3、工艺参数
该厂页岩原料，分布于习水县东皇镇羊九等地，系侏罗系地层，外观紫红色，硬度为普氏硬度4左右，经分析，页岩含铝高，水泥厂将其作为生产水泥的配料，砖厂用其生产建筑用砖。
习水羊九页岩及煤矸石主要化学成分见表1。



习水原煤，一般发热量为27214～33494焦耳/kg（6500～8000千卡/kg），含水量2～3%、挥发份7～13%、含硫0.3～3%。煤矸石发热量为4180～6270焦耳/kg（1000～1500千卡/kg）。分布于东皇、羊九等地的侏罗系地层中页岩，经挖掘机开采后，由汽车运输到厂，堆棚存放，与烧结砖传统原料化学成分相比，该厂所用页岩中，虽然二氧化硅和三氧化二铝含量偏高，三氧化铁含量偏低，但是该页岩化学成分处于允许适用范围内。
该厂采用的煤矸石，发热量达到1500～2000千卡/kg ，同样，煤矸石中三氧化二铝含量偏高，三氧化铁含量偏低。
页岩、原煤的控制配比
投产运行后的生产实践，焙烧过程所需热耗，页岩、原煤配比热耗需要满足：热耗：520千卡/kg原料（含外投煤）；
煤粉掺配：540千卡/kg原料；实测：510千卡/kg；
产品规格
  普通砖：240×115×53mm；2.5kg/块；市场需求以烧结普通砖为主，因此计划安排生产数量较多。  空心砖：240×115×190mm；折标砖：3.58；孔洞率：40%；密度等级：≤1000kg/m³；190块/m³，5.26kg/块；空心砖的生产以销定产，生产数量较少。
  生产现状
机械人码坯，3.6×3.6m窑车，普通砖湿坯采用4压10的码坯形式，砖垛规格为1×1米，窑车平面码放3×3=9垛砖坯，普通砖120mm高度方向码高14层，每车码放湿坯容量为5040块（普通砖），隧道焙烧窑平均产量为白班6～7车、晚班9车，合计约为15～16车，烧结砖日产量约为9万块左右，与18万块/日的预期产量目标，存在较大的差异。如果分析原料内燃掺配比例，焙烧过程所需热耗，一直维持在520千卡/kg原料（含外投煤），远远超出2015年1月1日颁布实施的GB 30526-2014《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》行业标准指标，该标准规定了烧结墙体材料单位产品能源消耗限额的技术要求、统计范围和计算方法、修正办法。适用于生产烧结多孔砖和多孔砌块、烧结空心砖和空心砌块、烧结保温砖和保温砌块、烧结实心制品的能耗计算、考核，以及对新建项目的能耗控制。该标准中单位产品能耗限定值和单位产品能耗准入值是强制性条款，强制性标准和条文，是企业生产经营的基本依据，也是用户和政府相关部门评价、监督检验的依据。
产品生产过程中，企业只有严格按照标准指标组织和完成生产过程，实现依法生产经营、保障产品安全质量、降低生产消耗、促进清洁生产。
根据该标准，计算标准能耗指标见表2、3。



对比表2和表3中，烧结实心制品的单位产品能耗，习水县该企业原料内燃掺配达到520千卡/kg热量消耗，当通过焙烧、出窑、转运和堆码后，其单位产品热耗计算值，还会升高，远远超过烧结墙体材料单位产品能耗标准中限定值357kcal/kg（现有厂）和准入值322kcal/kg。（新建厂）。该企业原生产工艺是传统的隧道干燥室干燥、轮窑焙烧的两次码烧工艺，此类工艺，控制难度较少，能耗较低，然而，技术改造后的隧道窑“一次码烧”工艺，要实现高产量、低能耗，不仅需要严格控制工艺参数，还需要加强重点岗位工技术培训，特别是对原料配比和干燥、焙烧、风机运行等岗位的技术培训。
4、烧结砖热耗偏高原因的分析
A、计量设备控制差异引起的焙烧能耗增加  
页岩电子秤与原煤电子秤的同步运行，工艺中，页岩消耗量较高，采用装载机给料，进入给料机和电子秤的页岩来料量，存在断续状况，而原煤斗内原煤，消耗量较低，原煤进入电子秤的来料量较稳定，因此，当页岩来料量空缺时，原煤给料仍然继续，造成混合料内燃掺配料数量增加。工艺中，两组分物料电子秤重量计量连续配料的方式，如果不能同步控制，就会出现其中一种原料空缺，而另一种原料继续进料的现象，内燃掺配出现误差。烧结砖生产工艺中内燃掺配采用的计量秤，其准确性对生产热耗影响较大，如果煤秤出现大的正偏差，则煤量计量偏大，煤耗上升。
图片1运行情况表明，由于原料和原煤给料不及时造成的电子秤不同步计量，误差较大，只能通过加强岗位工管理和工艺管理，减少此类误差，是确保烧成热耗准确和降低烧成热耗的基础。
B、原料化学成分中高铝，高硅的影响
页岩、煤矸石等烧结砖生产原料，主要由两类氧化物构成，一类是骨架氧化物SiO2和Al2O3，另一类是溶剂氧化物Fe2O3、GaO、MgO、NaO、TiO和SO3。原料物理性能中，存在不同可塑性、收缩性、比重、烧结性、耐火度等对高温影响等性质。随着氧化物含量不同，物理性能表现差异较大。其中，原料的烧结性，与原料中骨架氧化物SiO2和Al2O3化学成分的含量，联系紧密，随着SiO2和Al2O3含量提高，物料的烧结温度提高。原料中由于多种熔剂氧化物的存在，使得制砖原料没有固定的熔点温度，只有一个相当大烧结温度范围，随着温度升高，原料中液相逐渐增加而气孔率相应地有所降低，坯体结构愈趋致密，坯体气孔率降低、致密度提高、机械强度提高。对升高烧结温度存在影响的氧化物，主要是SiO2和Al2O3。SiO2有增加制品耐火度、提高烧成温度的作用。
Al2O3烧结制品具有较高力学强度，含量超过20%，烧成温度提高。
根据该企业页岩和煤矸石化学成分分析，该类制砖原料中属于高硅、高铝性质，导致生产中烧成热耗偏高。但是，制品强度普遍较高。
C、隧道焙烧窑规格及结构保温
该企业隧道焙烧窑采用厚度120mm的重质耐火混凝土预制板、耐火葫芦、耐热钢吊钩和35号工字钢，形成吊平顶隧道窑，高温带120mm耐火混凝土板上方铺设岩棉100mm及轻质保温混凝土60mm，厚度为160mm。窑直墙采用粘土质耐火砖砌筑，厚度为490mm。支烟道采用红砖砌筑，内宽为600mm，支烟道拱顶采用干粘土与炉渣混合填充保温层，表面一层铺设红砖，支烟道墙及隧道窑外墙之间填充50mm岩棉，支烟道墙、岩棉和隧道窑外墙三者之间总的厚度约为660mm。隧道焙烧窑内宽为3.6m，长度为118.8m。隧道窑内容车数量为33辆。窑车规格，宽×长为3.72×3.6米。
进车端设置9对哈风口。烟气由支烟道汇总到总烟道，经16号锅炉离心风机，送入隧道干燥窑。
隧道焙烧窑结构示意图见图1。



如图所示，隧道焙烧窑采用内置烟道结构，支烟道与外直墙厚度和保温结构较薄。生产过程中，外墙温度超过60度，热损失较大，降低了送入隧道干燥窑的干燥介质温度，延长了干燥周期，产生入窑残余水分偏高的现象，废品率增加。参照图片3，隧道焙烧窑边部投煤孔位置，靠近窑直墙，使得外投煤不能落入坯垛内燃烧，燃烧效率降低，烧成热耗增加。



参照图片4，隧道焙烧窑烟道保温层总厚度仅为160mm，偏薄。隧道焙烧窑要实现高产和节能，首先确保满足保温要求。D、普通砖和空心砌块产品规格变化的影响
普通砖与空心砌块，密度差异较大，每立方米重量相差约500~700kg，因此，两类制品，在焙烧过程中，能耗指标不同。按照《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》标准中，每吨制品消耗的标准煤数量，空心砌块单位产品能耗应高于实心制品，然而，生产实践中，往往出现实心制品单位产品能耗超过标准要求，也比空心制品能耗要高的现象。此类现象，根本原因在于不同制品生产能力和废品率增加，这在“一次码烧”工艺中，最为显著。
该企业“一次码烧”工艺技改投产后，3.72×3.6米窑车的平面上，普通砖坯垛规格为1×1米时，可以码放3×3=9垛砖坯，容坯量为5040块，隧道窑横截面方向，坯垛与窑直墙形成4道纵向烟道，系统阻力较大，由于普通砖湿坯带入窑内水分总量较高，湿坯干燥过程时间长，特别是窑车上1×1米规格的湿坯垛内部的热烟气阻力较大，热交换慢、排潮困难，使得坯垛内部的坯体残余水分要比坯垛外部坯体高。造成入窑焙烧时，烧成周期延长，内部砖坯开裂、断砖等废品率增加，一级品率降低。在此种条件下，单位产品能耗必然超过标准要求。
生产空心砌块时，入干燥窑湿坯水分总量大幅度降低，隧道干燥窑内热烟气阻力较小，湿坯干燥效果良好，残余水分低，烧成周期短，合格品率较高，因此焙烧空心砌块时，单位产品能耗不仅满足标准要求，而且，能够实现低于实心制品的单位产品能耗。
因此，“一次码烧”工艺生产产品以普通砖为主时，烧成能耗偏高现象较为常见。
不同规格产品因合格品率差异引起能耗超标，在“一次码烧”工艺生产较为常见。图片5为普通砖，废品率较高，而图片6为空心砌块，其合格品率较高，折标砖生产能力也较高。
如果自动码坯机器人为2台时，可将普通砖砖垛规格改为0.75×0.75米，3压9时，可以码放4×4=16垛砖坯，码高13层，容坯量为5616块，容坯数量增加，但是，隧道窑横截面方向，坯垛与窑直墙形成5道纵向烟道，烟气通道增加，热烟气阻力低，坯垛规格减小，湿坯干燥条件得到改善。此时，烧成能耗也能够满足标准要求。
规格为0.75×0.75米的坯垛，如果仅仅采用一台码坯机器人，码坯速度较低，将制约双级真空挤出机的生产速度。



E、隧道窑附属设施
该企业“一次码烧”工艺中，隧道焙烧窑冷却带，设置了冷却带换热水箱（见图片7），该水箱处于长时间换热过程，开敞式水箱保温性能差，水温较高时蒸发严重，除需要不断补水外，水箱不断散热及热水不断吸热，使得余热烟气温度降低，影响湿坯干燥脱水，造成烘干燥后坯体残余水分偏高。笔者认为，工艺中，首先应满足湿坯干燥所需热量，其次才是换热热水的需要。因此，换热水箱的设置，因其热利用率比较低，实施前，需要精确计算热水换热所需的能耗，并且，在原料制备中的原煤掺配环节，需预先额外添加，成为单位产品热耗偏高的因素之一。从热利用效率评价，隧道焙烧窑应取消冷却带换热水箱，以保证坯体获得较充分的干燥。


隧道干燥窑中设置14号轴流风机（见图片8），将干燥后烟气全部送人直径3.0米脱硫塔，对烟气进行污染物治理，一般而言，由于脱硫塔内除雾器的作用，14号轴流风机需要克服脱硫系统阻力达到1200Pa，而轴流风机，随着系统阻力提高，输送能力降低，如14号轴流风机配置的电动机偏小，则无法克服脱硫系统阻力，干燥后的高湿烟气不能及时排出隧道干燥窑，干坯残余水分偏高。当生产普通砖时，由于湿坯带入水分总量较多，高湿烟气温度低，烟气密度大，不利因素叠加，造成湿坯难以脱水，干燥产量下降，隧道焙烧窑进车时间延长，致使日产量减少。低产必然高耗能，从造成单位产品能耗超标。F、“一次码烧”工艺控制及协调
该企业投产后，隧道焙烧窑平均产量为白班6～7车、晚班9车，全天产量为15～16车，烧结砖日产量约为9万块左右。晚班产量高于白班，分析原因，认为干燥环节中，晚上干燥介质、环境温度条件要比白天条件好，使得干燥产量提高，出车时间缩短。隧道窑“一次码烧”工艺将干燥和焙烧紧密联系在一起，而制砖工艺中，干燥环节中混合料的干燥特性，决定了干燥速度，而干燥产量决定烧成产量，干燥是基础已成为烧结工艺的基本共识。干燥与焙烧相互制约相互干扰的。干燥质量和产量，与原料性能、成型工艺、干燥介质技术参数、环境温度、干燥窑结构和干燥窑附属设备等因素有关。而焙烧过程，其烧成产量、质量和能耗，与内燃掺配比、码窑形式、隧道焙烧窑结构、附属设备性能和余热利用状况等相关。对此，“一次码烧”干燥和焙烧工艺协调及控制，应该从生产工艺源头抓起，包括原料选择和配比、制备、成型、窑车转运、卸砖等环节全过程着手，如果仅仅在干燥窑风机控制和调节着手，不能提高干燥速度和干燥质量，不能实现隧道焙烧窑的高产和低热耗。“一次码烧”干燥和焙烧工艺协调及控制还与生产节奏安排有关，工艺中，干燥和焙烧为三班制，因此，与此相关的成型和卸砖环节必须适应三班制节奏的需要，否则，必然对干燥和焙烧的整体运行效率造成影响，致使产量降低，热耗提高。
5、降低热耗的措施
针对该企业“一次码烧”工艺，为实现高产、优质和低耗的目标，需要采取的综合措施如下。
A、精确的配煤及低成型水分
精准配煤，减少不同步掺配造成的过高内燃消耗，减少外投煤用量，保证干燥介质温度。其中，避免给料及配煤的不同步掺配，是避免烧成热耗偏高的主要措施。其次，采用较高发热量原煤，适宜的原煤粒度，较低的原煤含水量，能够为原煤的充分燃烧，降低原煤消耗，提高烟气温度，创造好的条件。烧结砖企业行话说，“一硬遮百丑”，是指低成型水分挤出成型的泥条，湿坯强度较高时，能够避免砖坯裂纹等缺陷。低成型水分挤出能否实施，除与原料性能相关外，主要取决双级真空挤砖机的下级结构和电动机功率，当成型水分降低，泥条密实度增加，湿坯强度提高，挤砖机下级电动机负荷增加。工艺中，除了考虑较高湿坯强度要求，还需要考虑不同规格、不同孔洞率空心砌块的成型。因此，“一次码烧”隧道窑工艺中，应采用低成型水分挤出成型，确保湿砖坯强度要求。这也是提高合格品率，降低能耗的重要措施。
B、窑炉的保温措施和气密性
加强窑炉保温是降低烧成热耗的重要手段，隧道焙烧窑外墙，窑顶保温，应增加保温纤维材料厚度。窑顶保温层厚度160mm应增加到240mm并再敷设50mm厚岩棉板。窑直墙外应考虑增加保温纤维及外墙厚度，见图片9、10，提高外墙保温性能，提高外墙气密性，减少漏气，减少热损失。对热工管道设置可靠保温并定期检查，对脱落、松动的保温层应及时修复处理。
要加强隧道焙烧窑窑车、砂封槽、窑门等的气密性，这些因素对窑内热工参数稳定至关重要，也是焙烧环节中产品能耗能否达标，产品产量能否提高的关键。



C、产品空心化
烧结普通砖与空心砌块相比，产品密度每立方米相差近600kg，相同生产规模的企业，生产工艺过程需要处理的物料总量大幅度减少，随着物料总量的减少，在生产的各环节中，人为错误因素会随之减少，设备调试和运行影响因素降低，由于生产空心制品，坯体干燥条件有所改善，经干燥后残余水分比较低，隧道焙烧窑系统阻力得以降低等，生产能力必然提高，单位产品能耗达标的潜力大。因此，产品空心化是能耗达标工作中较为有利的措施。D、节奏协调及控制
烧结砖企业生产班制中，干燥和烧成是三班制连续生产，而原料制备、成型、卸砖等，往往安排二班制生产，在“一次码烧”工艺中，应协同处理好因班制不同而出现的矛盾。否则，产能降低。一般而言，成型环节后设置湿坯窑车静停和预干燥，可弥补干燥和烧成生产班制的要求。成品出窑后，需要有足够的成品窑车空车位，满足不能及时卸砖需要。同时，还需要有一定数量的空窑车，满足成型车间的生产安排。以干燥和烧成生产节奏为中心，协调成型和卸车，以满足“一次码烧”工艺的满负荷运行。人工卸砖，劳动强度较高，人员不易稳定，流动性较大，人员时多时少，对企业生产负荷有较大影响。
总之，“一次码烧”工艺的满负荷运行协调，需要由生产全过程着手，这是高产量、低能耗的重要条件。E、加强干燥窑的送热和排潮烧结砖“一次码烧”工艺中，最重要的环节是干燥，是实现高产低耗的基础。因“一次码烧”工艺特性，湿坯码放方式决定后，不能中途改变，因此，码坯方式必须按照焙烧工艺要求实施，但是在干燥过程中，往往坯垛阻力因素，使得内部砖坯与表面砖坯残余水分不一致，进入焙烧后制品易开裂。为保持制品的干燥质量，不变形，不开裂，干燥均匀充分，应努力提高进入干燥窑的送热烟气流速，增强热烟气与坯体的对流传热。F、充分发挥隧道焙烧窑预热带作用
“一次码烧”工艺的干燥特征，坯垛内外残余水分往往不一致，使得坯体在焙烧中出现裂纹、断砖，废品率增加，单位产品热耗上升。发生裂纹、断砖等现象，出现这些问题的根本原因在于砖坯残余水分和窑内升温速度不一致引起。因此，充分发挥隧道焙烧窑预热带的作用，尽可能多的使用隧道焙烧窑进车端预热带哈风闸，在预热带的有效长度内，减小坯垛横截面温差，让砖坯能够均匀升温，避免砖坯残余水分不一致造成的危害。
6、结束语2015年1月1日颁布实施的GB 30526-2014《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》，标准中单位产品能耗限定值和单位产品能耗准入值均是强制性条款，能耗达标要求已经成为烧结砖企业除大气污染物达标排放之外的另一个重要要求，热耗和产品重量相关，随着合格产品产量的提高，单位产品能耗相应降低。
“一次码烧”工艺中，最重要的环节是干燥，是实现高产低耗的基础。强调高产，必须紧紧抓住干燥这一环节。
确定最佳的干燥速率、介质温度、流速与流量，从而，可以实现干燥周期短，消耗热量少。
其次，“一次码烧”工艺中，需要围绕隧道焙烧窑焙烧环节，进行节能降耗的工作
生产实践经验表明，能够有效降低热耗的措施，应集中在4个方面，1、物料带走热量；
2、烟气带走热量；3、窑顶窑墙向外散失热量；
4、窑车蓄积热量内容来源于百度