“双碳”背景下水泥窑耐火材料面临的挑战及发展探讨

水泥洛阳中联水泥有限公司何纪纲 2021-12-08

水泥窑用耐火材料的发展史就是随着水泥生产工艺的不断进步而在创新中持续自我提升、自我革命的发展史，也是水泥和耐火材料互相成就的发展史。

实现“碳达峰、碳中和”，是党中央、国务院作出的重大战略决策，是推动实现高质量发展的内在要求。高耗能行业是国民经济的重要组成部分，也是推动“双碳”工作的重点难点行业，在此背景和行业特点下，耐火材料企业和水泥企业在新产品研发、工艺的升级改造方面都在积极发力，也开发出了一系列节能降耗的新产品。那么，在水泥窑用新型耐火材料的研发、生产和使用上，水泥企业和耐火材料企业应该怎么应对，结合模块化节能窑衬技术在洛阳中联的应用情况，谈一下个人看法。

一、水泥窑用耐火材料的历史

水泥窑用耐火材料的发展史就是随着水泥生产工艺的不断进步而在创新中持续自我提升、自我革命的发展史，也是水泥和耐火材料互相成就的发展史。

传统水泥回转窑用耐火材料品种比较单一，最早全窑采用Al2O3含量30%~40%的粘土砖。自二十世纪三十年代以后，为了提高窑衬寿命，在烧成带开始配用Al2O3≥50%的高铝砖。随着窑炉规模逐渐增大和熟料产量、质量的不断提高，烧成带用高铝砖的使用寿命不能满足要求，1936年在瑞士试用了镁铝砖，1938年在意大利首先使用了镁铬砖，预热带用粘土砖、分解带热端及冷却带采用高铝砖、烧成带采用镁铬砖，这种配套方案基本满足了传统水泥窑的使用需求。

八十年代初，我国开始引进国外大型预分解水泥生产成套装备，随着水泥回转窑向大型化预分解窑的方向发展，传统的普通镁铬砖已不能适应，直接结合镁铬砖应运而生。在八十年代研制成功的适用于水泥回转窑过渡带的镁铝尖晶石砖，解决了过渡带窑衬寿命低于烧成带内衬寿命的一大难题，使其烧成带和过渡带的使用寿命相匹配。实现了我国大型预分解水泥窑配套用耐火材料国产化。

二、水泥窑用耐火材料面对的挑战及新产品的探索应用

我国水泥工业发展迅速，从1985年起年产量及消费量均稳居世界第一，2020年全国累计生产水泥23.77亿吨。但是，我国水泥行业业面临的形势也很严峻，一是熟料产能过剩，水泥企业的运转率低，2020年，全国11省市产量绝对量同比出现下滑，二是国家对“两高”企业管控越来越严格，2021年11月15日国家发展改革委等5部门印发《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平（2021年版）》通知，明确要求，水泥熟料单位产品综合能耗基准水平是117Kg标准煤，标杆水平为100Kg标准煤。依据能效标杆水平和基准水平，限期分批（一般不超过3年）实施改造升级和淘汰，对于不能按期改造完毕的项目进行淘汰。产能严重过剩和“双碳”背景下出台的一系列的管控政策对水泥窑用耐火材料提出了三个挑战：

1.在国家“双碳”背景下，对耐火材料的保温、节能、环保功能提出了更高要求；

2.产能严重过剩，因市场需求疲软导致水泥窑开停频繁，对窑用耐火材料的稳定性及使用寿命是一个严峻的考验；

3.水泥企业积极开展智能化改造，耐火材料企业怎么从产品的施工及生产运行检测方面提高综合服务能力以满足用户智能化升级的需要；

面对新的发展形势，为积极贯彻落实国家节能降碳及创新发展的理念，中国建筑材料联合会提出了水泥工业应大力发展“第二代新型干法水泥技术”，耐火材料作为水泥烧成过程中不可或缺的内衬材料，是第二代新型干法水泥技术重要的支撑条件。为满足第二代干法水泥技术的要求，耐火材料应具有节能降耗、绿色环保、长寿高效、安全稳定等多种功能。各耐火材料研究单位和耐火材料生产厂家做了大量研发推广工作，研发了不同种类的效果稳定、寿命长、低导热复合砖，开发出了各类新型耐火材料产品。在进一步提高耐火材料节能效果和适应频繁协同停窑方面取得了较好效果。

洛阳中联水泥有限公司通过与河南中联节能工程有限公司、河南瑞泰耐火材料科技有限公司、武汉科技大学及郑州大学联合攻关，研制试用了模块化节能窑衬，该技术是轻量化耐火砖、功能型托板、陶瓷保温材料和纳米绝热材料的集合体，具有安全稳定的复合结构，实现了水泥回转窑窑衬的整体模块化施工，与传统窑衬结构相比，整体重量更轻，绝热性能更好，高温负荷条件下的结构稳定性更强；与传统的施工方式相比，投入人员数量更少，周期更短，效率更高，安全性更有保障。

模块化节能窑衬于2018年开始在洛阳中联试用，经过三年多的试用，产生了较好的节能效果，

1.模块化节能窑衬比原来使用镁铁尖晶石+硅莫砖，窑衬总重量减轻122 t，减轻比例为：18.7%。

洛阳中联ф4.8x72m回转窑轻量模块化节能窑衬配置方案

2.使用轻量模块化节能技术烧成带筒体温度平180--250℃，温度下降90-110℃左右，窑皮温度比较均匀稳定；过渡带筒体温度平均230--260℃，温度下降100-130℃左右。

窑筒体温度对比表

3、使用轻量模块化节能窑衬后回转窑主电机电流下降222--250A，吨熟料综合电耗降低1.5KWh左右。

4.使用轻量模块化节能技术吨熟料标煤耗降低1.5到2.5kg。

5.吨熟料减少氮氧化物排放0.0738kg，年减少氮氧化物排放133t；吨熟料减少二氧化碳排放14.514kg，年减少二氧化碳排放26125t。

通过试用，在满足节能降耗要求的同时，预热带、过渡带等部位稳定性和寿命都较传统耐火材料有明显优势，在烧成带的使用上，由于模块化节能窑衬与传统的低导热砖相比导热率更低，不同种类材料在使用过程中共同承受热负荷和荷载，导致在使用的过程中会出现停窑后砖缝过大的现象，对于此类情况，要从点火升温和停窑冷却的的过程加以控制，必须更加注重设计好升温曲线，严格遵守慢升温不回头的升温规定，停窑冷却过程中，尽量晚开窑门，自然降温，避免降温过程中因为各种材料的导热系数、收缩量不同而造成耐火材料的自我损伤。

面对耐火材料日新月异的创新发展，尤其是新型耐火材料的不断面世，作为水泥企业，在耐火材料的管理使用上要从三个方面加大力度：

一是要有统一的耐火材料管理理念，更加注重新型耐火性材料的性能和使用条件，将耐火材料的使用管理作为水泥窑工艺管理的重要环节，回转窑产质量的管理和耐火材料的使用要一体化管理，避免造成耐火材料的非正常损坏，

二是使用的原燃材料要保持稳定，尽量控制有害成分，防止结皮、副窑皮的产生；

三是处理危废垃圾的生产线要与耐火材料生产厂家及时沟通，在耐火材料的配置方案上及时调整。

同时，耐火材料生产厂家也要加强技术攻关，通过结构优化，形成科学温度梯度，将不同种类材料限定在其许用温度和强度范围内，在高温高负荷的使用条件下，各种材料能够发挥所长，绝热材料能够得到更好的保护，整体性能更加安全稳定。

总之，对于新型耐火材料的使用，水泥生产企业和耐火材料研发生产企业要同心同力，只有这样，新产品、新技术才能顺利使用，效果才能充分发挥。

三、窑用耐火材料的发展趋势

随着中国工业的高质量发展与国家十四五规划实施方案的落地，耐火材料工业必然为迎合工业发展需求而不断的创新；同时，国家对碳达峰、碳中和的高度重视，对“两高”企业的严格管控，下游企业节能降耗、智能制造的改革，必将使优质、节能、低碳、长寿、高效等新型耐火材料的需求不断的增加，也迫使耐火材料企业不断向高端产品及高精尖工艺的方向研究发展，所以耐火材料企业需要不断提高企业的综合实力，更重要的是提高研发创新能力，持续不断的开发低耗能、高寿命的新型耐火材料产品，提高综合服务能力以满足新工业时代下水泥用户的需求。

不仅仅是耐火材料需要持续不断的开发，在“双碳”目标下，水泥行业新一轮节能降耗的浪潮正席卷而来。

为应对未来严峻节能形式，不少水泥企业已经开始积极行动，探索节能降碳技术研发与应用，布局光伏等新能源领域，但依然面临众多未知困难。为此，中国水泥网将于2021年12月21-22日，在安徽芜湖海螺大酒店举办以“节能降碳创新增效绿色升级”为主题的“第九届中国水泥节能环保技术交流大会暨水泥‘双碳’大会”。诚邀政府主管领导、行业技术专家、科研单位、水泥生产企业和供应商等，共同探讨水泥行业节能减排新途径，加速实现绿色高质量发展。