預熱器內筒的使用周期，特別是C4、C5內筒的使用壽命，與生產工藝、溫度、煤和石灰石等原材料有直接關聯。中國干法旋窯生產水泥熟料的快速發展已有超20年的歷史，生產工藝和人員操作水平已經很成熟，能夠滿足預熱器的正常運行。溫度最高的預熱器C5內筒溫度在850~900℃之間，只要避免煤粉在內筒壁產生二次燃燒（焚燒無煙煤時偶爾會有此現象），這種溫度區間不會對預熱器內筒的運行周期產生影響。由于受市場價格波動的影響和區域的限制，有些水泥廠不得不使用含氯（Cl）、硫（S）較高的煤和石灰石，特別是優質石灰石日趨減少，有的石灰石氯、硫的含量比常規高十幾倍，高溫下使用這些煤和石灰石，預熱器內筒加速了氯化腐蝕，使用壽命大大縮短。

隨著人民生活質量的提高，環保意識的增強，為保護青山綠水，現在和將來，旋窯水泥生產線將逐步作為處置工業垃圾、生活垃圾和建筑垃圾的主要渠道之一，這些垃圾在高溫下處置時會釋放出大量的氯、硫等有害氣體，同時產生大量的飛灰，嚴重影響了預熱器內筒的正常使用壽命，這些惡劣工況為預熱器內筒正常運行周期、為資源和人力成本的節約提出了新的課題。

預熱器內筒有分片式和整體式，分片式內筒一般采用分片式耐熱鋼內筒；也有采用分片式陶瓷掛板內筒，分片式陶瓷掛板內筒運行的穩定性還需進一步提高，本文暫不探討，本文主要討論分片式耐熱鋼內筒和整體式內筒。以下就分片式內筒在非正常工況下的運行和對策先舉幾個案例。

2.1 案例1

某公司2007年起焚燒工業垃圾——電鍍污泥，電鍍污泥中含大量的氯、硫等有害元素，預熱器C5內筒從正常使用兩年縮短為使用10個月，有時僅使用7~8個月。該公司通過優化內筒結構和調整耐熱鋼鑄件材質，從而使得預熱器C5內筒能夠在焚燒電鍍污泥的工況下正常運行18個月。原先該公司預熱器C5內筒是由四圈的內掛式掛板組合而成，即上下掛板是通過兩個掛鉤聯接，掛鉤朝向內筒內，由于焚燒電鍍污泥，在高溫下，氯、硫首先腐蝕掛板的掛鉤，然后腐蝕掛板本體，經過8~9個月的氧化腐蝕，在使用10個月左右后不得不更換C5內筒；電鍍污泥來自不同的工業企業，且氯、硫含量不確定，有時C5內筒僅使用7～8個月就更換了，嚴重影響生產。鑒于這種工況，該公司從結構上進行改進，把內掛式掛板（掛鉤朝內筒方向）改為外掛且掛鉤隱藏式掛板（掛鉤在內筒外），改進后的掛板頂部呈三角形，掛鉤在掛板上部外側三角形下（見圖1）。

預熱器內筒運行時部分料落在掛鉤上面使三角形覆蓋添平，這部分料保護了掛鉤；頂掛板壁厚由20mm增加至25mm，同時對掛板材質進行優化；在ZG40Cr25Ni20Si2材質的基礎上，適當降低鎳（Ni）的含量，添加了抗腐蝕的鉬（Mo）、鈮（Nb）、鈷（Co）、氮（N）、稀土等金屬元素，材料成本基本與ZG40Cr25Ni20Si2材質成本等同。既增加了內筒掛板的抗腐蝕性能，同時又增加了內筒掛板的強度，經過結構和材質的優化，該公司的C5內筒的運行已正常達18個月以上。

2.2 案例2

某公司2017年開始焚燒城市垃圾（包括生活垃圾和建筑垃圾），由于氯（Cl）元素的腐蝕和飛砂的沖刷，預熱器C5內筒從正常使用兩年縮短為使用8～10個月。

2018年初對C5內筒結構進行了改進和材質優化，（1）結構改進：不改變原聯接方式，將頂掛板的上部與固定座相連的部分從壁厚20mm增厚至25mm （如圖2、3），以增強耐飛料的沖刷；（2）材質優化：在ZG40Cr25Ni20Si2材質的基礎上，增加鉬（Mo）、鈷（Co）、氮（N）等金屬元素。既增加了內筒掛板的抗腐蝕性能，同時也增強了內筒掛板的抗沖刷，C5內筒已穩定地使用12個月以上。

2.3 案例3

某公司石灰石中的氯元素含量0.18（國外一般控制在＜0.015），氯含量是正常的12倍。原機C5內筒只運行5~6個月，C5內筒失效原因是整體變形，經腐蝕后磨薄磨穿，且部分掛板脫落。

改進措施：

（1）優化結構：將頂掛板增加兩道立筋，在頂掛板以下每隔一層掛板加一圈卡環，共增加三圈固定卡環，這樣內筒在高溫下使用不易整體變形，提高了內筒整體強度，并將原來內筒掛板內掛式改為外掛式結構，工字型掛板的4個掛耳不易腐蝕、脫落（如圖4）。

（2）優化材質：添加鉬（Mo）、氮（N）、鈷（Co）等高溫下抗腐蝕且增加強度的元素。目前，該公司C5內筒在氯元素嚴重超標的環境中運行狀態較好，穩定運行超過18個月。

2.4 案例4

摩洛哥SETTAT水泥廠將廢輪胎作為主燃料，硫含量很高；預熱器內筒特別是C4、C5內筒原使用ZG40Cr25Ni20Si2材質3~4個月就已腐蝕磨穿，必須更換內筒掛板，后分別采用ZG40Cr28Ni16、ZG40Cr25Ni12材質，內筒使用壽命也只有5~6個月，最終將耐熱鋼的鎳含量進一步降低，同時添加鉬（Mo）、鈷（Co）、氮（N）、稀土等元素，以增加抗腐蝕性能、細化晶粒和內筒強度，現使用周期穩定運行24個月。

從以上案例可以看出原材料中氯、硫嚴重超標時，對預熱器內筒的正常運行破壞性極大，對內筒結構進行改良、材質進行優化后，實踐證明是可以適應預熱器內筒的正常運行的。

（1）直掛式預熱器掛板須將兩個連接掛鉤設置在內筒外，即從內掛式改為外掛式；設計時采用隱藏式掛鉤，工字型掛板的4個掛卡設計時也同樣，安裝后4個掛卡在內筒外，以便內筒運行不直接氧化腐蝕沖刷掛鉤（掛耳）。

（2）根據實際工況，內筒設置2~3圈固定卡環，以防高溫下因氧化腐蝕耐熱鋼內筒強度下降整體變形，而影響工藝。

（3）對于預熱器內筒運行時旋風滯留時間較長部位適當增加厚度。

（4）建議立筋布置在外側，以增加頂掛板的強度，防止頂掛板變形導致下掛板變形更大。

（5）適當增加掛板之間的熱膨脹間隙，以防因內筒變形，掛板之間相互擠壓而開裂和脫落，安裝時須調整好掛板之間的間隙。

（6）根據每條生產線的實際工況，采用上述相應的措施。

氯含量高，系統運行時，容易富集在內筒上，造成結皮、粘堵整體變形、嚴重腐蝕，磨損，甚至磨穿內筒掛板；硫含量高，在高溫下與鎳元素形成硫鎳化合物，內筒掛板腐蝕時間加快，極易產生化學反應腐蝕變薄變形。

鉬（Mo）高溫下具有一定的抗氯、硫的腐蝕性能，鉬（Mo）在合金中能夠細化金屬的晶粒，耐熱鋼中添加適量鉬（Mo）既耐氯、硫的腐蝕，又增加耐熱鋼的強度；合金中適量的鈮（Nb）在高溫下的抗腐蝕性能較強；合金中的適量鈷（Co）在高溫下增加內筒的強度；合金中適量的氮（N）在高溫下起到以氮代鎳的作用，耐高溫作用明顯；稀土在合金中極大減少耐熱鋼的熱脆性，高溫下有效提高耐熱鋼的物理和機械性能。

（1）氯含量高，硫含量不超標時，在原材質的基礎上添加適量的鉬（Mo）、鈷（Co）、氮（N）等元素，有效抗氯腐蝕，增加強度和耐磨性能。

（2）硫含量高，氯含量不超標時，降低耐熱鋼中的鎳含量，并添加適量鉬（Mo）、鈷（Co）、氮（N）、稀土等元素有效抗硫腐蝕，增加強度。

（3）氯、硫含量均較高時，降低耐熱鋼中的鎳含量同時添加適量的鉬（Mo）、鈮（Nb）、鈷（Co）、氮（N）、稀土等有效抗高溫、抗氯、硫腐蝕，增加強度和耐磨性能。

（4）鉬（Mo）、鈷（Co）的添加含量一定要適量，含量低不起作用；含量高，高溫下因強度過高掛板易開裂，故根據實際工況而確定添加量；鈮（Nb）一般在1.2%～1.8%為宜，N一般在0.2%～0.28%之間；稀土一般在2%左右。

為確保干法旋窯水泥熟料生產線預熱器內筒的正常運行，需要對原材料的煤、石灰石的氯、硫等有害元素進行檢測，非正常工況，依據實際情況選用合適的內筒結構和耐熱鋼材質以做到一廠一策、一線一策。

除以上分片式耐熱鋼掛板的內筒方案外，還可采用整體內筒結構。預熱器內筒正常運行的有害元素，除氯、硫外還有其它若干有害元素，由于分片式掛板內筒留有熱膨脹間隙，實際工況與理論設計有一定的誤差，故分片式內筒掛板運行時普遍存在漏風現象，部分能源浪費。采用整體內筒結構可以彌補分片式內筒的不足，而且能有效地延長內筒的運行壽命。

（1）整體內筒確保與理論設計內筒的直徑和高度一致，以滿足水泥廠熟料生產的工藝要求。

（2）整體內筒的壁厚可為150mm，包括內外澆注料和中間不銹鋼板的厚度（見圖5），中間用10~120mmSUS310S的不銹鋼板制成的弧形掛板，弧形掛板的寬度依內筒的直徑而定，一般為27~30塊/圈為宜，弧形掛板的寬度在400～500mm之間，長度與內筒的理論高度一致，采用一掛式，弧形掛板從邊緣頂部至80~100mm處位置設置安裝連接孔，以便掛板安裝，弧形掛板兩側設置凹凸臺階，以便弧形掛板兩側鑲嵌連接。

圖5 整體內筒

弧形掛板內側、外側分別焊SUS310S的錨固件，在內筒的法蘭上，根據弧形掛板和連接孔的數量，分別焊上支撐連接板，將弧形掛板和支撐連接板通過護套和螺栓連接。螺栓需采用沉頭帶銷螺栓或扒釘螺栓，這種連接方式，中間掛板運行不移位、穩定性和牢固性較好，弧形掛板左右相連時留5~6mm間隙，選用與弧形掛板相等的焊條焊滿焊牢，滿焊率100%，弧形掛板兩側采用連續凹凸形狀鑲嵌式連接方式，可有效防止若干次熱脹冷縮后焊縫開裂，弧形掛板中間設4~6排腰形伸縮長孔，并縱向錯開，如此，既留有伸縮間隙，又便于弧形掛板與澆注料很好地粘合，使弧形掛板與澆注料一起熱脹冷縮。內筒由弧形掛板組成的鑲嵌對接無縫整內筒，內筒法蘭上部、弧形掛板的內外側均焊接錨固件。

將弧形掛板外、內側分別留出60~80mm空間制模板內筒內側空間比外側適當大10～20mm，模板采用碳鋼結構，模板左右、上下采用法蘭腰子孔螺栓連接，模板高度400～500mm，制模板時由下而上，每隔2~3圈模板打澆注料并振實，然后鋪上一層陶瓷纖維紙，再制2~3圈模板打澆注料并振實，再鋪一層陶瓷纖維紙，以此類推，直至將法蘭上部和支撐連接板、弧形掛板內外側澆注料全覆蓋，陶瓷纖維紙既耐高溫，又留有熱膨脹的間隙。澆注料選用耐高溫1500℃、防腐、耐磨、防爆、抗結皮澆注料，待澆注料灌漿24h粘固后，拆除模板，檢查澆注料有無缺肉、爆裂等情況，否則用含膠泥的澆注料修補，然后內筒緩慢升溫，烘干澆注料，烘干時間最好不低于72h，大修時可用莫來石澆注料修補。

采用整體內筒，有效解決高溫下各種復雜的工業、生活、建筑垃圾以及各種有害元素較高的石灰石對內筒的長期氧化、腐蝕、磨損，解決了分片式掛板的漏風現象，節約了能源，預熱器內筒運行時換熱效果好，不需要大的拉風。這種整體內筒使用壽命長，是分片式內筒使用壽命的3~4倍，經一些水泥廠使用后，實際每噸熟料節能0.25~0.4kWh電，節能降本效果顯著。缺點是更換較繁瑣。

整體式內筒采用澆注料與鋼板結合的方法，重量會大大增加，相同直徑、高度的條件下，整體式內筒重量大概是分片內筒的3倍左右，同時很難通過內筒掛板結構改良來徹底解決澆注料和鋼板熱膨脹不同步的問題，現場砌筑澆注料亦無法保證砌筑質量，系統運行后容易導致開裂脫落。不同直徑、長度的內筒，都需要定制，不能形成標準化系列化，安裝、拆除和更換都非常麻煩，很難大規模推廣。

綜上所述，隨著國內外建材機械裝備的發展，無論采用分片式耐熱鋼的內筒還是采用整體式內筒是能夠解決非正常工況下預熱器內筒正常運行的難題，根據每條生產線的實際工況采用以上不同的方法加以解決。

作者：瞿楷

來源：《中國中材國際工程股份有限公司（南京）》

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