炭素回转窑沉灰室设计缺陷分析及改进
回转窑是炭素生产中的重要煅烧设备.其尾气中携带了大量炭质颗粒和可燃挥发分。这些成分一方面对后续设备管路造成磨损、堵塞;另一方面，若接触漏入的空气后燃烧.则会对系统设备造成极大的损害。因此，一般在回转窑后布置沉灰室，作为沉降焚烧设备来解决这个问题。经过对西北地区炭素企业调研发现，传统沉灰室普遍存在隔墙坍塌、内壁脱落等现象，该问题自引进回转窑的20世纪70年代起至今一直未能得到有效解决。本文尝试从设计角度进行分析，并对沉灰室设计提出改进意见。
沉灰室结构及原理简述
如图1，传统沉灰室一般是由围墙、中间隔墙、拱顶和炉底组成。围墙分为侧墙和端墙，支撑拱顶的两墙称为侧墙，拱顶两端则称端墙。拱顶一般由楔形耐火砖砌筑而成。拱角多为90°。隔墙处于拱顶中段，又称折流墙，一般上部为实体墙。气流从前端墙上的进口进入前炉室，经隔墙折流向下，进入后炉室后向上，经后端墙上的出口流出。运行时.沉灰室利用重力沉降原理将气固分离。夹带固体微粒的气流进入前室，速度骤减后再被隔墙折流.部分微粒因自重和离心力在前室降落沉积;气体携带更细的粉尘在后室再次折流，微粒在后室再次与气流分离而沉积。
图 1 传统沉灰室结构示意图
气流中带有部分未燃挥发分和细微的可燃粉尘，为防止其对沉积设备造成危害，在沉灰室的前后都设有空气进口.以便挥发分在此燃烧.并力求燃尽。实际上，各炭素厂回转窑后的沉灰室都有剧烈燃烧发生，燃料成分大多为未燃挥发分，同时也存在少量的炭黑(粉)的燃烧。燃烧温度大多超过1300℃，个别接近或超过1400℃。
传统沉灰室常见问题
几年前。中铝集团委托贵阳铝镁设计研究院对西北地区炭素企业进行考察调研，考察发现，传统沉灰室普遍存在隔墙(折流墙)坍塌问题。
甘肃某炭素厂45m回转窑，沉灰室早期采用单墙折流结构，墙厚464mm。气流呈“V”形通过沉灰室，初期运行正常，但带余热锅炉运行后，室内温度偏高，出现折流墙垮塌现象。后来整改时在长度方向增加一倍空间，改为三道折流墙，气流“W”形通过，但运行后折流墙在一周内垮塌。
甘肃另一炭素厂58m回转窑，沉灰室采用三道折流墙，气流“W”形通过，运行一周垮塌，后来整改中将折流墙大幅度降低，维持几个月后仍垮塌。
甘肃又一炭素厂2台45m回转窑，沉灰室为改进型单墙折流结构.下部墙厚增加到696mm.数月后也出现垮塌现象。
青海某炭素厂3台45m回转窑.沉灰室为改进型单墙折流结构，折流墙一周垮塌，反复修反复垮，多次折腾后整改，采用水冷过梁结构，没有再出现整体垮塌的情况。但水冷过梁上的砌砖已有半数掉落，同时，水冷维护增加了额外费用。该厂另一台55m回转窑。沉灰室采用早期单墙折流结构，运行一周垮塌，至今未修复。
青海另一炭素厂3台60m回转窑.沉灰室为改进型单折流墙结构，运行数月后垮塌，后来整改时在折流墙拱El上方加浇注料过梁，仍然出现垮塌现象。
另外，该厂还出现侧墙垮塌、维护钢板烧红的现象。总之。国内设计的沉灰室普遍出现隔墙坍塌、内壁脱落等现象。这个问题直接影响了正常生产.不仅增加维修成本.还造成后续设备积灰磨损、频繁失火以及环境污染。
传统沉灰室结构模仿日本U型结构沉灰室，即在沉灰室中部布置U型结构将原炉室一分为二。这种U型结构起到了隔墙的折流作用(见图2)。为保温和保护炉壳，U型结构内壁敷设浇注料。当炉室实际运行时，由于室内温度较高，浇注料和钢外壳膨胀不一致，U型结构内壁浇注料逐渐裂缝并脱落，钢壳裸露面对高温，强度变软变弱，从而出现炉室烧穿泄漏事故。鉴于此，国内厂家在此基础上将U型结构改为上述的隔墙结构，但几乎所有厂家均出现隔墙垮塌的问题。
图2 早期日式沉灰室结构示意图
传统沉灰室实际上是简单的矩形结构型炉，是最为简单的炉窑之一.折流墙坍塌问题反复出现且延续几十年未能解决，不能不让业内人士困惑，思索究竟是什么原因造成这个问题。
传统沉灰室设计缺陷分析
材料、施工、烘炉、运行等环节都可能出现缺陷从而导致墙体坍塌，虽然各厂不断从以上诸方面进行整改但仍然收效甚微，如此普遍和反复发生的情况让我们不得不联系到设计上来。
经过对各厂设计图纸进行深入比对分析发现，传统沉灰室虽然结构简单，但其单体尺寸较大，均大于炭素行业其他典型的炉型，如焙烧炉、罐式炉等。因此结构稳定性较差。这可能是隔墙坍塌的重要原因。进一步研究分析发现，以下这些设计缺陷可能会导致问题的发生：
气体流通截面太小，流速过高
如前所述。含尘烟气进入沉灰室后，由于流通截面突然增大，烟气流速随之急剧降低，烟气夹带的颗粒才能在自重作用下沉降脱离。因此，烟气流速是沉灰室流通截面设计的重要指标。一般要求流通截面流速为1m/s。经复核计算，目前国内运行的绝大多数沉灰室截面流速为4～5m/s，隔墙拱口处实际流速为8～10m/s，出口处甚至接近20m/s，速度值明显偏高。
如此高的截面速度不但降低了沉降效率，同时使得气流冲击更加剧烈，墙体(尤其是隔墙)要承受较大的冲击力。事实上，折流隔墙的作用是强制气流折转，使大颗粒携带料沉积，因而折流墙必然遭到来自气流的反作用力。同时，如果折流墙下部流通孔收缩过急过大。还会在折流墙上下游两侧形成压力差.使整面折流墙受到扭矩作用，从而导致折流墙垮塌。尤其是那些折流墙没有嵌入拱顶的设计炉型。整个墙体独立面对气流.这个影响因素更为突出。
对于简单“V”形结构的沉灰室，流通截面的主要计算尺寸是沉灰室的宽度和长度.一般沉灰室的宽度等于炉顶拱的跨度。而长度则和炉顶拱的长度相当。就是说，加大流通截面实际上就是要加大炉顶拱的跨度和长度，在现有的炉室结构形式下，这种改动是有一定困难和风险的，此问题下文将提到。
容积热负荷高 炉膛温度过高
由于种种原因，目前的回转窑排出大量挥发分甚至炭粒到沉灰室燃烧。这些可燃成分的发热值相当高。如果不进行控制，室内温度很容易达到1400℃甚至更高。通常耐火材料正常使用温度一般不超过1350℃，在如此高的温度下，折流墙下部流通孔拱砖可能出现软化，从而导致折流墙垮塌。笔者曾对几台回转窑沉灰室容积热负荷作过验算，现有炉型一般容积热负荷在(3.3～4.5)xlOkJ/fm·h)，而比照一般室式炉，容积热负荷为(1.3～1.7)xlOkJ/(m。·h)，即便是台车式炉也仅为(2.0～2.5)×10kJ/(m·h)t。这么高的容积热负荷使得炉室具有较高的炉温系数，在理论计算温度相同的情况下，实际炉温较高。
容积热负荷过高，表明沉灰室小，这必然导致炉内衬温度过高.耐火材料高温力学负荷过重，砌体寿命过短。而一旦遇到耐火材料品质问题，必然出现墙体裂纹、剥落、熔融等现象，从而出现隔墙垮塌和侧墙烧穿事故。
同时。太小的炉室空间使得气流速度大，夹带的固态炭粒的数量更多，这不但使分离效率降低，也使更多炭粉参与燃烧.可燃物的当量发热值更大，这又造成炉室内燃烧温度的提高，从而加剧耐火材料的高温力学负荷增大。
炉内衬结构稳定性差
传统沉灰室的侧墙、拱顶和隔墙是分割分离各自为阵的，这种结构稳定性较差.特别不耐高速气流冲击。
侧墙炉膛大多采用非砖浇注料砌筑。耐火纤维作背衬.浇注料条块分割各有锚固件固定。条块间缝作为膨胀缝。这种结构容易使高温气流贯通，烧损钢壳和锚固件，从而导致侧墙垮塌;同时，浇注料块自重完全靠水平悬臂布置的锚固件支撑。高温状态下金属锚固件刚度强度减弱，浇注料块下垂，影响炉墙的结构稳定。同时，这种结构使得侧墙与端墙之间完全被问缝分割，炉墙转角部位加强结构稳定性的惯常做法无法实施。
由于侧墙的这种结构，拱顶无法支撑在侧墙上.原有沉灰室重量一般支撑在立柱上，即在立柱的对应高度位置焊接横梁，让拱脚放置在横梁上。
该结构既使立柱负担加重，又使拱顶重量受限，尤其对于大跨度高炉室，这种结构极其危险。这又限制了炉室容积和流通截面的增加。如前文所提到的。这也是目前结构形式的炉室不敢改大的原因。
传统沉灰室隔墙为砖砌独立结构.隔墙两端嵌入侧墙，但留有10～25mm膨胀缝，墙顶与拱弧虚接触，或在墙顶与拱弧之间填塞耐火纤维，墙下部布置有孔洞折流烟气，如图3所示。
图3 隔墙结构示意图
这种结构的稳定性也不好。首先，炉室内温度升高后，整个墙体将向两端膨胀，墙底向外滑动并将膨胀缝塞满。当炉室温度波动或其他原因造成温度降低时，墙体将出现冷却收缩的趋势。但由于较大的自重摩擦作用，墙体不可能整体回缩，而会出现砖缝拉裂的现象，这将造成下部折流孔的拱砖掉落，从而出现砖拱以上墙体相继垮塌。其次，由于隔墙顶与炉室拱弧之间虚接.当隔墙两侧受到压力差或单方向冲击时，隔墙顶部会出现波浪式摆动(共振)，振幅超出一定程度后就会出现墙体垮塌。炭素厂的实际情况已经印证了这两种垮塌方式。
耐火材料选择不合理
如前所述，由于可燃成分的发热值相当高，实际运行时沉灰室内温度很容易达到l400℃。而一直以来沉灰室拱顶为黏土砖，其荷重软化点为1300～1350℃，显然负担较重。有厂家为减重.在黏土砖拱顶之上直接覆盖耐火纤维保温，导致黏土砖层温度过高，出现拱砖软化掉落事故。同样，折流墙采用黏土砖砌筑，也可能导致温度过高软化现象。显然，这部分材质需要研究改进。侧墙和端墙多数采用耐火黏土浇注料分块施工.条块间缝采用耐火纤维填塞。黏土浇注料耐受温度一般低于1500℃，耐热钢锚固件耐受温度低于900℃.而直接面对火焰的耐火纤维耐受温度一般也低于1200℃，显然，这些耐火材料的选择很不合理。
值得一提的是，某些厂家在折流墙下部流通孔上布置跨越式水冷浇注料横梁，以回避隔墙拱砖掉落。这个办法且不论水冷系统的维护及费用如何，单是横梁内的配筋就容易因为高温软化而失去强度(大跨度浇注料块若不加配筋强度低)。
冷风配置不足
传统沉灰室的冷风配置严重不足。多数厂家的实践表明，从冷风口进入的空气严重不足。需要开启防爆门补充大量空气。同时，冷风口还不同程度存在开口数量少，位置不合理，进口管段长、阻力大等问题。因而燃烧出口温度高，且时有燃烧不完全的现象。
实际上，沉灰室下游设备(比如余热锅炉)并不适合如此高的出口温度，而是希望有一个稳定温度(比如1000～1200℃)的热源。因此，冷风口进入的空气既作为助燃空气.也应该作为出口温度调节用风。具体而言，在前室应该偏重于助燃，而在后室应该偏重于温度调节。
大量布置的冷风进口还可兼顾防爆门的作用，因而专用防爆门可基本取消。
沉灰室设计改进建议措施
针对前述的设计缺陷，建议做如下改进：
流通截面加大
(1)炉膛流通截面流速调整为1—2m/s。这样，原炉室长度需要调整到2—4倍，宽度(拱跨距)适当增加。
(2)隔墙拱口处流速调整为2～4m/s。这样，拱口尺寸需要加大加高。
(3)出口流速调整为4～8m/S。这样，出口直径应该调整到2-3倍，出口后部作渐缩处置。
墙体内衬材料和结构调整
(1)所有内衬材质改为一级高铝砖或莫来石砖，使耐受温度达到1400℃以上。
(2)内衬墙体从下到上采用全砖结构，拱砖重量直接由墙体承受，每隔一定距离采用立柱拉杆固定。
(3)侧墙和端墙均采用双层拉砖炉墙结构，加强墙体稳定性，每隔约2m留设膨胀缝。
隔墙结构改进
方案一：隔墙采用图3形式的下部流通孔，但两端头与侧墙必须砌筑成一体，拱顶支撑在该处外侧墙上，隔墙顶部与拱顶之间虚接，结合处用耐火纤维浸泥浆填塞。隔墙外侧需要留设立柱拉杆拉紧。
方案二：隔墙两端头与侧墙依然砌筑成一体.拱顶支撑在该处外侧墙上，隔墙顶部与拱顶之间虚接并填耐火纤维泥，但下部流通半圆孔取消，采用图4形式的栅格结构来流通烟气，各流通格顶部采用异型盖砖跨接过渡。隔墙外侧同样留设立柱拉杆拉紧。
上述两个方案中，方案一的优点是流通截面大，折流效果好，阻力小;方案二的优点是结构特别稳定，施工方便，寿命长。
增加冷风口数量
前室冷风口数量建议在原炉基础上调整到3倍左右。各进风管设手动调节阀自然抽吸进风，管段尽量短。进风主要用作助燃。
后室冷风口数量也建议设置3倍左右，主要作为温度调节用风，进风管尽量短。2/3数量的进风管手动调节;留1/3数量的进风管自动调节，以出口温度作为调节反馈信号。不设防爆孔，防爆功能由冷风口实现。
结 论
设计缺陷可能是造成传统沉灰室隔墙垮塌的重要原因，可通过加大流通截面、合理选择内衬材料、改善隔墙结构，以及调节室内过高温度来进行优化改进。