我国耐火材料工业节能降耗技术及发展方向

刘俊光 魏同

中冶焦耐工程技术有限公司

1. 我国耐火材料能耗现状

耐火材料的生产能耗由于产品品种不同而有很大差别，即是生产同一生产品种，也会因原料性质、生产工艺、窑炉类型、燃料种类以及其它种种条件不同，而使单位产品能耗波动也很大。其中窑炉能耗对耐火材料生产工序能耗有重大影响。

2013年全国耐火材料工业能耗，经作者与业内专业人士调查测算值为16595kt，其中耐火原料为9097kt，制品为7498kt，可以看出我国的耐火原料能源消耗高于制品。从2013年统计来看，我国不定型产品已占产量39%，用后耐火材料回收再利用发展很快。

近年来，受工信部委托，中国耐火材料协会组织编写《耐火原料及制品准入条件》(草稿)，对能源消耗等做了详尽规定，提出了单位产品综合源消耗限额。单位产品综合能耗是指统计期内，生产单位合格产品时的工序能耗和公辅能耗之和，以每吨产品消耗折算为公斤标煤来表示。综合能耗包括了生产工序中单位产品燃料消耗、电等直接消耗的能源量，也包括了分摊到该产品的辅助生产系统和生产管理和福利设施的能耗量。限额是我国耐火材料生产的平均先进水平，也反映了耐火材料窑炉的能耗。

耐火材料生产工序能耗中主要是窑炉能源消耗。近年来，我国耐火材料窑炉中能耗高、劳动条件恶劣、污染严重的倒焰窑、土窑大部分已淘汰，一些新型节能的原料煅烧窑炉和制品烧成窑炉得以推广应用。

表1 部分原料和制品窑炉今年热耗情况对比

生产品种	窑型	单位产品热耗 标煤kg.t-1
		十年前	近年
轻烧氧化镁	反射炉	250-330	250-300
	悬浮炉	~166	158
	多层炉		182-212
重烧镁砂	焦炭竖窑	320	290
高纯镁砂	超高层竖窑	54-82	45-60
高纯镁砖	高温隧道窑	~350	315

从表1可看出，近年来我国耐火材料窑炉能耗在进步。

2. 耐火材料窑炉新动向

2.1 高温竖窑的改进和提高

高温竖窑生产效率高，能耗低，窑容积利用系数可达5~10t·m-3·d-1，单位产品热耗在1 700~3 300 kJ·kg-1。目前，辽南地区已有70余座燃油高温竖窑，用于生产高纯镁砂。近年来高温竖窑在多个方面在持续改进中：

扩大生产品种：近年高温竖窑不仅生产中档镁砂、高纯镁砂，还成功尝试用于生产镁钙砂、镁铝尖晶石、莫来石砂和烧结刚玉，取代回转窑煅烧原料，节能效果显著。

大型化：如煅烧刚玉高温竖窑，内径从Φ400增至Φ1200。

近年引进了国外更为先进的镁砂高温竖窑。

2.2 高温隧道窑

高温隧道窑一般是指烧成温度达到1700 ℃以上的耐火制品烧成窑炉，可采用燃料油、天然气、液化气等高热值燃料。

近二十年来的高温隧道窑的主要技术特征是烧成带采用双层拱顶结构。进入双层拱的空气被加热到1000 ℃左右后，通过窑墙上的气道送到各烧嘴作为一次空气。这种型式的隧道窑在大量使用中，近年高温隧道窑的节能技术发展主要体现在如下几个方面：

a) 双层拱的热空气采用高温风机送各烧嘴，避免了引射配风不匀问题。

b) 调整一二次风送配比例，采用新型烧嘴，加强窑内对流传热，提高传热效果。

c) 通过加强控制窑体散热，诸如：加厚窑顶保温层、窑顶钢壳保护、窑内涂绝热保护层等方式，使单位产品热耗明显降低。

d) 实现先进的智能化操作。

新近引进的高温隧道窑，采用新型平吊顶结构，解决了窑顶保温问题，使窑内温度更均匀。一家耐火材料厂使用表明，采用双层拱隧道窑单位产品燃油消耗最好为140kg·t-1,而采用新型平吊顶隧道窑单位产品燃油消耗可达到120kg·t-1,能耗明显降低。

2.3 轻型节能梭式窑

梭式窑是用于制品烧成、取代倒焰窑的新型间歇式窑炉，也是我国近20年来发展最为迅速的窑型之一，特别适合于小批量制品的煅烧。

现代轻型节能梭式窑的主要特点是采用轻型薄壁窑衬结构(窑衬采用轻质材料，壁厚减少到460 mm以下)及高速对流的窑内传热，使窑升温快，窑体蓄热少，达到节能降耗的目的。我国现有梭式窑多在10~80 m3，烧成温度在1000~1800℃之间。也有一些厂采用更大型的梭式窑，如中钢集团耐火材料公司采用300m3梭式窑用于硅砖的烧成。轻型节能梭式窑的燃料消耗仅是普通倒焰窑的30%~40%，但比隧道窑要高。

2.4 轻烧设备

近年来，随着菱镁矿浮选技术的进步，菱镁矿粉煅烧窑炉应运而生。悬浮焙烧炉、多层炉就是辽南地区近年采用的粉料煅烧设备。

2.4.1 悬浮焙烧炉

悬浮焙烧炉特别适宜焙烧细料粉，与回转窑和多层炉相比，具有设备轻、占地小、投资省、热耗低的特点。

20世纪80年代引进的悬浮焙烧炉，生产能力5万t·a-1焙烧温度1100 ℃，单位产品热耗4600 kJ·kg-1，但由于采用重油做燃料，生产成本高，限制了推广。近期正在辽南建设的气态悬浮焙烧炉，移植于Al(OH)3的焙烧炉，用于菱镁石浮选精矿粉的焙烧，设计产量1500 t·d-1热耗4 715 kJ·kg-1, 实现了焙烧炉的大型化，将投入试运行。

2.4.2 多层炉

多层炉的基本特征是炉内有十余层上下叠置炉膛，炉中心有一可转动的轴，带动每层上的刮板一同转动。物料自炉顶加入，在每层刮板拨动下从上一层落到下一层，依次通过全窑各层，完成预热、煅烧、冷却全过程。燃料从多层炉中部的烧嘴喷入炉内。与传统反射炉相比，多层炉热耗低，环保效果好。多层炉的基本技术参数如下：炉层数，最高达18层，可依物料特性确定层数;煅烧物料粒度：≤40mm，即可煅烧小块，又适合粉料煅烧;单位产品热耗，5 400-6 200 kJ·kg-1。

3. 耐火材料工业能耗高原因分析

1)先进与落后窑型并存。我国是耐火生产大国，各生产企业发展过程中所采用的各种窑炉并存，虽然近年来对一些老旧的倒焰窑、土窑已经逐步淘汰，但一些老式原料煅烧竖窑、旧型梭式窑和隧道窑还在使用中。高铝矾土煅烧的土窑单位产品燃耗标煤约400kg·t-1，机械化竖窑约120kg·t-1，回转窑150kg·t-1。对轻烧氧化镁煅烧，单位产品标煤燃耗反射炉在250-300kg·t-1之间，多层炉在185-210kg·t-1之间，悬浮焙烧炉约162kg·t-1。

2)生产集中度低。由于生产集中度低，生产窑型难以大型化，单位产品生产的能耗势必加大。有生产实际统计反映，如高纯镁砂超高温竖窑，直径Φ1.0m、Φ1.4m和Φ1.8m窑型，单窑产能可达45-170t·d-1之间，单位产品油耗从60kg/t降到40kg·t-1;黏土砖隧道窑单窑年产能从2万t增加到5万t时，单位产品标煤燃耗从160kg·t-1降到80kg·t-1;硅砖隧道窑单窑年产能从1.8万吨增加到2.6万吨时，单位产品标煤燃耗从300kg·t-1降到240kg·t-1。

表2 部分耐火材料窑炉效率实测数据

序号	炉窑名称	排烟  热损失%	窑体表面 热损失%	窑车蓄热 热损失%	热效率%
1	Φ700超高温镁砂竖窑	35.44	28.24	—	—
2	Φ3m×60m冶金镁砂回转窑	26.23	15.27	—	39.90
3	Φ2m×60m合成砂回转窑	30.88	52.50	—	33.83
4	27.75m隧道干燥器	48.52	4.01	0.99	20.80
5	80.52m高温镁砖隧道窑	34.90	35.60	4.30	44.51
6	菱镁矿悬浮轻烧炉	42.83	10.45		44.22
7	三级预热悬浮轻烧炉	17.72	2.5		~58

窑炉热效率偏低。表2列出了部分典型耐火材料炉窑的热效率实测数据。从表我们可以看出，大部分窑炉的热效率在30-44%之间，窑炉的排烟损失和窑体表面散热损失是主要热损失，是影响窑炉热效率的重要因素。一般生产企业的窑炉在投产后多年不变，中大修前很少做节能改造策划，炉窑的热效率少有改进。与国外先进窑型比较，我们差距很大，如日本回转窑热效率约50%，隧道窑热效率60%，高出我国十余个百分点。

1) 新技术的开发和应用周期长。当前耐火材料工业窑炉多在十多年前甚至三十年前引进或开发的窑炉技术上推广应用，没有专业队伍进行针对性开发。一些窑炉公司在钢铁、陶瓷等行业中都有建树，但对耐火材料工业窑炉缺乏专业性。以超高温镁砂竖窑煅烧高纯镁砂为例，国内现新建的窑型多是在上世纪八十年代开发的窑型基础上推广，单位产品平均热耗水平约为2000-2500MJ·t-1，而国外先进指标已达到1500MJ·t-1，国内近年有引进，但转化推广受到诸多条件限制。

4. 耐材工业的节能措施和方向

4.1 实施能源全面管理是耐火材料节能工作的当务之急

目前国内耐火材料企业的能源管理工作还远不能适应形势的要求，设有能源管理机构的企业为数甚少，特别是缺乏必要的计量手段和科学的统计分析方法，因此有关能源消费及其变化的真实情况还难以掌握，建议中耐协在重点企业报表中增加能源消耗的相关填报。

4.2 努力规范耐火材料行业节能标准管理

工业信息化部《关于促进耐火材料产业健康可持续发展的若干意见》(工信部原[2013]63号)中，在发展目标中提出了：“加大节能减排力度。到2015年，主要耗能设备能效水平达到一级，主要产品的综合能耗比2010年降低20%以上，二氧化硫、氮氧化物排放总量比2010年分别下降8%和10%以上”。具体如何规定“能效水平”和“主要产品的综合能耗”还需要进一步落实。2007年国家标准化管理委员会公布了铜、锌、铅、建筑卫生陶瓷、粗钢生产、水泥等第一批9项强制性单位产品能耗限额国家标准。耐火材料的单位产品能源消耗限额也应是行业节能管理的重要标准。笔者认为应与时俱进，加快修改制定耐火材料的单位产品能耗限额。

4.3 制定耐火材料窑炉的效能评定指标和热平衡方法标准。

耐火材料窑炉的种类繁杂，各窑炉的热效率差异很大，单位产品的燃料消耗也不尽相同。从行业传统上讲，耐火材料窑炉一般产品单位热耗作为热经济性能衡量的指标。但产品单位热耗仅能在同类产品之间对窑炉经济性作相对的比较，它并不能反映窑炉在热能利用方面的真实情况。没有一个对窑炉热利用情况的科学的衡量指标，势必会妨碍提高耐火窑炉热经济性能的努力。因此，根据耐火材料工业特性，制定适宜的耐火材料窑炉效能评定标准，有利于窑炉的更新换代，促进耐火材料生产的高效化。

建议采用“热效率”作为衡量耐火材料窑炉热能利用即效能的指标。热效率这一衡量指标还可以消除由于耐火原料性质不同而造成的不可比因素，对耐火材料窑炉具有相当的合理性。

耐火材料生产节能降耗应把重点放在窑炉燃料消耗的降低上。因此，制定窑炉热平衡方法标准，编制热平衡表，对热耗情况做出全面分析，找出降低热耗的对策，是提高窑炉热效率的有利措施。

4.4 攻关克难，瞄准耐火行业节能的老大难

由2013年全国耐火材料工业能耗调查测算值为16595kt，其中耐火原料为9097kt，制品为7498kt，可以看出我国的耐火原料能源消耗高于制品。因此节能降耗应侧重于原料制备，尤其电熔砂、重烧镁砂的生产。

a) 提高电熔技术水平

电熔镁砂生产能耗很大，能耗电量占总成本的60%左右。十一五国家科技支撑计划“菱镁矿制备镁砂综合节能技术开发与示范”项目，围绕降低生产过程的能源消耗和提高菱镁矿资源综合利用率的迫切要求，开展了菱镁矿制备镁砂综合节能技术研究，取得了一系列成果，但并未解决电熔镁熔砣的余热回收。有分析表明，电熔镁砂熔坨余热量巨大，余热能量比矿石加热到700℃所需的热量大的多，具有很大的回收利用价值。

b) 重烧镁砂混料煅烧

重烧镁砂是以三级矿石与焦炭或无烟烧混料煅烧的一种烧结镁砂，约占全国镁砂产量的50%。目前国内的重烧镁砂竖窑相对落后，单窑容积只有50m3或65m3，每吨产品能耗高达300kg标煤左右，操作环境差。积极开发新型重烧镁砂竖窑技术，是节能降耗的重要举措。

4.5 开发新型煅烧技术和节能窑炉

(1)采用新技术和新工艺，做好耐火原料煅烧和成品烧成窑炉的开发提高，降低生产工序能耗。要充分利用现代技术手段，前期做好窑炉的三维设计和仿真模拟，以缩短炉窑技术开发周期，提高开发的成功率。

(2)提升耐火材料烧结、电熔和氮化三大关键技术装备，开发5000 kVA以上的大型电炉和高效氮化炉，推广节能环保的悬浮焙烧等轻烧设备。

(3)积极开发清洁燃料燃烧技术，主动做好窑炉节能降耗的促进作用。部分耐火材料企业近年来燃料种类已经历了从重油焦炉煤气天然气的转换进程，如何积极性转换，是降耗增效的重要一环。

(4)推动耐火材料窑炉采用富氧助燃技术，降低燃料消耗，减少污染物排放。分析表明，高温隧道窑采用增氧技术改造后，综合燃料节省8-12%以上。

(5)提高炉窑自动化控制水平，实现智能化控制和品种自动调节控制。

4.6 继续扩大免烧砖和不定型材料应用比例，逐步提高用后耐火材料回收利用率

发展不定形耐火材料和免烧制品、逐步提高用后耐火材料回收利用率是工信部倡导的行业政策。2013年我国不定型耐火材料占比已达到39%，比2012年有明显提高，但应当看到这与国外先进国家相比还有很大的发展空间。据测算，2013年我国用后耐火材料回收率约为25%，工信部倡导到2015年用后耐火材料回收再利用率不低于50%。到2020年，用后耐火材料回收再利用率高于75%。