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烧结砖瓦在生产过程中都必须经历焙烧的过程,在此过程中,物料随温度变化发生一系列的物理、化学变化,从而生成达到一定质量要求的产品。焙烧过程最直接决定产品的产量个质量,是砖瓦产业生产的关键工序,因此,人们常常把窑炉比作工厂的心脏,以喻其重要性。然而砖瓦坯体大多采用挤出成型,坯体含水率较高,且坯体体积和厚度较大,因此排除湿坯内水分的干燥过程对于制品的质量和产量亦同样重要,烧结砖瓦工厂热工设计便包含了坯体干燥和制品焙烧两个环节。干燥工序是焙烧的基础,对于烧结的质量和效率是非常重要的。烧结砖瓦热工设计包含干燥设备设计和焙烧窑炉设计两部分。
从内容上热工设计包含系统设计和结构设计两方面,系统设计是核心内容,直接决定产品是否达产达标,系统设计表现在结构设计上,结构设计是实现系统运行的工具和手段,是前者的保障,决定生产线的正常运行和生命周期。简言之,系统是热工体系的灵魂,结构是热工系统的载体,结构设计需要服从热工系统的要求。
1要以原料性能和制品要求为一句进行热工设计
热工系统设计的基础和依据是原料性能和制品的要求。砖瓦生产与陶瓷、水泥等生产线最大的区别就在于原料的繁杂行,经济因素决定砖瓦生产要因地制宜,国家发展循环经济的基本国策推进了砖瓦生产以传统的粘土原料转向充分利用生产地的各项现有资源和废弃物,使生产砖瓦的原料呈现出品种多元化、品质波动大的特点,各地区的原料性能差异很大,同时产品品种趋向多样化,要求热工系统要因材设计,决不可千篇一律、照抄照搬。砖瓦工厂热工设计的第一要素是按照原料和制品的特点与要求,加强对热工系统设计的重视,设置最佳干燥-焙烧系统,在此基础上进行有效的结构设计。
2要加强对干燥环节重要性的认识
干燥是坯体从干燥介质中获取能量从而实现排除坯体中水分的过程。坯体与热气体介质接触后被加热,当其表面水蒸气分压大于介质水蒸气分压时,坯体表面水分汽化向介质中扩散,被流动的介质带走,随着表面水分的蒸发,坯体内部和表面水分浓度平衡被破坏,内部水分浓度大于表面浓度,在这个浓度差的作用下,内部水分向表面迁移,在表面蒸发被介质带走,这个过程持续进行使无聊中水分慢慢减少,直至坯体表面的水蒸汽压与介质中的水蒸汽分压达到动态平衡时,坯体中的水分不再减少,此时坯体中的水分成为平衡水分,是干燥工序结束时干坯所含水分。平衡水分不是一个定值,它与干燥介质的温度、湿度有关,温度越高、湿度越低,坯体中的平衡水分越低。平衡水分过大时,干坯入窑后还需要排除水分,导致焙烧周期延长,同时焙烧窑能耗增加。
由于传统砖瓦生产工艺以自然晾晒干燥为主,近年来人工干燥技术逐渐普及,但干燥设备的建造成本远低于焙烧窑炉,因而造成很多业内人士(尤其是新建厂家的业主)重窑炉而轻干燥,对干燥的认识不足。有不少厂家因为干燥系统设置不合理或者管理不到位,致使坯体干燥的程度不足,干坯入窑水分过高,使窑炉能耗增大,降低了焙烧效率,严重时坯体在窑炉预热带炸裂,制品废品率非常高,甚至造成窑内倒坯的现象。
3热工系统的设计
热工系统设计就是根据坯体干燥、烧结性能的需要确定尺寸合适的窑体空间,并在窑体适当部位设置排烟口、抽(送)风口、烟(风)道、燃烧器(投煤孔)以及管路、通风设备等,引导窑内气体按既定轨迹流动。
目前国内常用的逆流式隧道干燥室的工作原理是一致的,气体与制品逆向而行,在行进过程中进行热交换而完成制品干燥、预热、烧结、冷却的过程,干燥室的热源介质取自窑炉余热,使干燥室和焙烧窑炉的热力系统通过管路相结合,同时制品运行通过窑车运转系统形成循环,因此系统设计时二者应统一设置、统筹考虑。
干燥室是必须设置送热系统和排潮系统,前者将干燥介质送入干燥室,后者将经过湿热交换后的高湿低温废气排出干燥室。干燥敏感性高的湿坯干燥速度不能太快,要保证足够的干燥周期,必要时设置循环装置,使隧道内温度和湿度的变化趋于平缓。
焙烧窑炉应设置排烟系统,将低温烟气抽出,净化处理后排放。高温烟气用作于干燥介质时,若烟气中有害成分超标,应对干燥室排出的湿气体进行处理后在排放。
焙烧窑的高温炎热系统和冷却带余热系统根据对窑炉余热利用的要求确定。冷却系统也是窑炉的重要系统,自窑出车端送入的低温空气首先要冷却烧成的制品,同时冷空气被加热,一部分进入烧成带作为助燃空气供制品焙烧,一部分可以抽出进行预热利用。窑车下设置冷却系统,冷却窑车金属件的同时使车上与下部通道内压力平衡,起到稳定气流、减小窑体断面温度差的作用。
附属系统—监测系统、窑车运转系统也是热工设备不可或缺的,监测系统式热工系统调节的依据,自动监控系统可以称得上是窑炉生产控制的指挥部。运转系统要保证载体有坯体的窑车按既定速率平稳地通过热工设备,生产中一定要有稳定的进出制度,才能保证坯体在热工过程中状态的稳定性,从而保证窑炉和干燥中气流、压力的稳定性。进出制度紊乱时,干燥工段会导致坯体残余水分不一致,焙烧窑炉内火头漂移,对于制品质量的稳定性以及窑炉结构材料、构件的稳定性都产生不良影响。
4热工设备的结构设计
热工设备的结构设计时提供一个适宜的密闭空间供砖瓦坯体完成干燥—预热—烧成—冷却全过程,这个过程决定热工设备必须具备耐热和隔热的功能,同时要稳定安全,有利于热工系统的实现,有利于窑内气流平稳、断面温度均匀。
干燥介质温度通常不会超过150℃,热负荷对结构稳定性的影响不大,因此干燥设备的结构相对较为简单,建造成本远远低于焙烧窑炉。目前常用的隧道式干燥室多采用砖混结构砌筑,砖砌墙体夹构造柱,顶部钢筋混凝土梁板,共同构成“隧道”,隧道两端窑门封闭,按照系统要求在墙和顶部适当的位置设有送风口和排风口。隧道通常设轨道,窑车沿轨道连续在干燥室内运行使坯体干燥。
干燥室墙和顶应设保温层,按照《烧结砖瓦工厂节能设计规范》(GB50528-2009)的要求,干燥室墙和顶传热系数不大于0.40W|m2·K。
干坯的余热—烧成—冷却时在焙烧窑炉中完成的,最高温度往往在1000℃左右,结构设计时要充分考虑热负荷对结构稳定性的影响。耐火、保温材料根据窑内温度选材,材料厚度需要计算确定,保证窑炉外表面温度符合国家标准的要求。
窑顶是窑炉结构设计的重点,从气体热力学的角度看,平顶更有利于实现最佳的热工系统。吊平顶结构目前已经得到普遍应用,吊顶材料和吊挂方式呈现多元化的局面,设计应从生产线寿命周期的角度选择设计安全、耐久性最佳的材料与方式。
拱顶结构式有局限的,拱心角越小拱顶约平,高温时拱角处的外推力越大,窑顶的安全系数越小,这种隐患窑炉断面宽度增大而增加。过高的拱顶不利于窑断面气流和温度的均匀性,为了消除这种不利影响,需要依拱形码坯,这是自动码坯无法实现的。
窑炉结构要围绕耐火、隔热、稳定、安全、密封、利于实现热工系统、耐久这些基本原则进行设计。需要说明的是,窑炉施工和生产管理对其使用性和耐久性同样重要。如窑炉的密封性能往往取决于施工质量,尤其是吊平顶结构的密封性,对窑顶的稳定性、耐久性起着至关重要的作用。结构设计时以窑体和系统均处于稳定态为基础的,生产管理不善会导致窑内气流温度与压力不稳定而破坏窑体的气密性,影响窑炉的工作效率。
砖瓦生产时系统化的操作过程,热工是最后一道工艺,固然对产品的质量和产量起着至关重要作用,但是前期工段(原料处理、陈华、成型)时热工工段的基础,哪一道工序处理不当,都会使坯体产生缺陷,最终在烧成过程中集中体现出来。因此,生产线设计时要以原料性能为基础来选择原料处理。陈华、坯体成型等各工段的生产工艺,为热工工段提供良好的坯体。

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