新型耐火材料的应用对水泥行业节能减排的影响

新型耐火材料的应用对水泥行业节能减排的影响

杨雪琴 ,唐丽娟

单位:新疆米东天山水泥有限责任公司

摘要：随着时代的发展，水泥的种类越来越多，性能也不断被优化，它作为一种重要的胶凝材料被广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。根据国家统计局数据显示，2020年我国水泥产量239470.83万t，排放CO2约13.7亿t，约占全国碳排放总量的13.5%。因此，水泥行业的节能减排对我国实现“碳达峰、碳中和”至关重要，目前水泥行业的碳减排途径主要集中在预热器、回转窑及篦冷机部分，节能减排技术有余热回收、水泥生产线新型设备的研发、水泥回转窑富氧燃烧技术、CCUS及新型耐火材料的应用等。作为减排潜力最大的行业之一，水泥行业的碳减排可从多角度进行，而新型耐火材料的应用无疑是减排效率较高且投资较小的减排方式之一，对水泥行业的节能减排有较大的促进作用。

关键词：新型耐火材料；水泥；节能减排

引言

随着全球经济的进步，能源利用率日益增大，为了均匀资源分配，降低损耗，提高资源的循环利用，绿色发展的观念成为当今社会发展的必然趋势。绿色建筑主要是指在建筑工程建设过程中，充分利用自然资源，杜绝建筑施工、生产、运输以及拆除等方面对环境的危害，基于生态稳定状态所建造的建筑。鉴于我国城市化进程的加快，需要建设越来越多的高楼大厦，在这些建筑工程建设进程中，伴随着大量资源的消耗，还没有形成一种建筑与生态之间的平衡状态，对资源的节能减排控制远远不够。

1水泥回转窑耐火材料简介

水泥回转窑耐火材料（简称“耐材”）发展至今已有近200年历史，其随着水泥工业的发展和技术进步发生了较大的变化，从黏土砖到高铝砖，再到按工艺要求分带选用不同性能的耐火材料，使之出现了碱性砖，再随着对导热率的不断研究发展出了镁铬砖、白云石砖、镁铁尖晶石砖、镁铝尖晶石砖、硅莫砖等。NANDA等探索了MgO-C耐火材料的性能及以应用场景；PIVINSKII等研究了AlO-SiO-SiC耐材体系中基于HCBS的试样经长时间热处理对其指标的影响；刘仁德在前人研究的基础上将水泥回转窑耐火材料按施工工艺和形态分为定型、不定型和隔热材料三大类，并详细列举了主要耐材的性质及使用部位。袁林等对水泥回转窑耐火材料的发展和现状进行了深入研究，对常用的耐火材料进行了细致分类和性能详解，同时也介绍了新型干法水泥回转窑不同部位耐火材料的选择和对比分析，总结出了新型干法工艺下不同规模区间的水泥回转窑在不同部位耐材的配置。

2水泥回转窑不同部位耐火材料的典型配置

新型干法水泥回转窑窑体按温度的不同大致可以分为：窑头窑尾部分、预分解带、过渡带、烧成带和冷却带，若细分则还可包括前窑口和后窑口，过渡带亦可分为上过渡带和下过渡带，水泥回转窑由于各带的各种反应往往是同时进行的，所以划分各带的区间是模糊的，还未有人对水泥回转窑各带的划分做过专项研究。目前各大耐火材料厂商对水泥回转窑不同部位的耐材选择根据各厂商的自身产品略有不同，但都符合JC/T2196—2013《水泥回转窑用耐火材料使用规程》，苑金生、李波等均在研究中指出水泥回转窑应根据各部位的工况条件选择合理的耐火材料与之匹配，如此才能延长窑炉使用寿命和设备运转周期。李坤明等经过对水泥回转窑各带的运行条件研究后指出，前窑口部位由于热应力作用易使筒体产生变形，受到热化学侵蚀、热机械应力、温度急变及机械磨损比较严重，难以砌砖，宜选高铝含量低水泥耐火浇注料；下过渡带筒体温度较高且温度变化频繁，应选用抗高热化学、抗热机械应力好且能挂窑皮的碱性砖；在温度高的烧成带和上过渡带前端应选用热态和冷态下均有较高强度、热震稳定性好且易挂窑皮的碱性砖；上过渡带后端宜选抗腐蚀、抗剥落、耐高温的镁系尖晶石砖；在温度相对较低的分解带宜选用抗剥落、耐碱砖；温度较低的后窑口宜选用硬质浇注料。

通过对多家大型耐材厂商耐火材料产品的调研分析，并结合上述前人研究成果，将目前水泥回转窑各部位的典型耐火材料的选择配置，可以看出，在温度较高的烧成带和过渡带多选用镁系尖晶石复合转；在前后窑口传统配置以浇注料居多，新型材料则有多功能组合挂砖、预制件系列；在分解带传统配置以硅莫系砖、高铝砖居多，新型材料则有低导热复合转莫来石砖。但无论如何总的趋势及典型配置都是以提高耐火材料的使用寿命和节能效率为原则，同时有效提高回转窑的使用寿命为出发点，遵循水泥产品、工艺、燃料、设备乃至考虑协同处理固废垃圾等情况下的优化选材。

4水泥企业节能减排措施

4.1应用低温余热发电技术

为了降低水泥企业环境成本，实现水泥企业节能减排目的，首先水泥企业需要大力推广和应用低温余热发电技术。传统生产技术所消耗的电能较多，所使用的生产技术比较落后，而低温余热发电技术是在水泥生产过程中，利用余热锅炉等设备将水泥窑头两侧排出的余热进行充分利用。通过循环和再利用水泥窑头两侧的废气余热，带动水泥生产中的汽轮机转动，在该过程中无需再使用电能代用设备运转，将废气热能转化为带动水泥生产的机械能，供水泥生产过程使用。该技术不仅可以降低水泥企业的用电量，提高燃料资源利用率，有利于环境保护，而且还可以节约能源。

4.2使用替代燃料

水泥企业现有的生产工艺在实践操作中会排放大量的污染物，比如一氧化氮、一氧化硫、二氧化碳等，这些污染物如果不经过严格的处理会带来严重的空气污染问题。因此水泥企业可以使用代替燃料，将其他燃料代替煤炭燃料，这样不仅可以减少二氧化碳、二氧化硫、一氧化硫等污染物的排放，还能降低水泥企业生产成本。目前应用比较广泛的替代燃料有废旧轮胎、城市生活垃圾、工业废电解池、肉骨粉、农作物、废油和废溶剂以及干燥污泥等，这几类常见的替代燃料优缺点不同，水泥企业在选择上需要结合多个指标，比如发热量、可利用率、污染物排放以及最大替代率等，下表为替代燃料选择标准。

结束语

新型耐火材料的开发与应用作为水泥行业节能减排效率较高且投资较小的手段，对水泥行业的节能减排具有较大贡献。

参考文献

[1]刘仁德.水泥工业用耐火材料的发展趋势与无铬化应用[J].新世纪水泥导报,2015,21(2):2-9.

[2]袁林,王杰曾.水泥工业用耐火材料的现状与发展[C]//《耐火材料》编辑部.耐火材料杂志社创刊四十周年暨耐火材料科技发展研讨会.洛阳:冶金工业出版社,2006:197-204.

[3]华占刚.系统分析水泥回转窑耐火材料[J].四川水泥,2018(5):11-12.

[4]史宏硕.镁钙质耐火材料的使用现状与发展[J].智慧中国,2022(8):46-47.