大型粉煤灰烧结砖生产线的设计优化

【摘要】生产粉煤灰烧结砖尤其是高掺量粉煤灰制砖是一个比较复杂的过程，必须根据原料、产品合理选择工艺、选型设备。塑性原料的粉碎、混合料的均化、干燥是高掺量粉煤灰制砖的要点；均化是正常生产的基础和瓶颈；先进的工艺必须有优良的装备来支撑，采用一次码烧工艺生产高掺量粉煤灰砖必须要有严格的限制条件和保障措施。   

    【Abstract】Using fly ash in fired brick is a very complex process. Raw material and product are very important for choosing suitable process and equipment, especially, the raw material crushing and mixture homogenizing and drying. The best process is on the base of advanced equipment. Strict condition and measures is the precondition of one-setting-firing process.中

    图分类号：TU522.06文献标识码：A文章编号：1001-6945（2005）05-0061-03

    粉煤灰是最为常见的固体废弃物，粉煤灰烧结砖在墙体材料中占有较大比重，也是最彻底地消除粉煤灰污染的有效途径之一。但是由于粉煤灰的形态和制砖生产过程的不确定性，大多数粉煤灰烧结砖厂运行故障多，生产成本大。除了原料及设备因素外，设计不完善或重大设计失误也占有较大比重。下面就大型粉煤灰烧结砖厂的设计优化谈一下自己的心得体会。   

    1 技术要点

    1.1 技术要点

    a.均化：粉煤灰烧结砖中粉煤灰掺入量一般在20%～40%（重量比），与主要原料粘土或页岩相比，粉煤灰的容重小（600～1000kg/m3）、颗粒级配差、塑性极低甚至基本无塑性、高含水率（湿排灰30%～40%）。在设置陈化库的前提下工艺设备配置轮碾机、搅拌挤出机、圆盘筛式喂料机等，其使粉煤灰与其他粘土类物料充分均化。

    b.干燥：由于坯体含水率高、抗变形能力差，一般采用小断面隧道干燥室采取多层或分隔支架干燥；配有自动上下架系统的大断面隧道干燥室能有效提高干燥合格率，大幅度降低残余含水率，是今后粉煤灰或干燥难度大物料干燥室的发展方向。

    c.焙烧：粉煤灰砖中Al2O3 含量一般在20%以上、孔隙率大于30%，因此，烧结温度在1000℃以上，保温时间、烧成周期相应延长，以降低吸水率，提高强度。

    1.2 技术指标

    混合料塑性指数≥9（陈化72 h以上）；

    成型含水率18%～21%；

    砖机真空度－0.092MPa；

    挤出压力2.0 MPa；

    干燥后残余含水率3%～6%；

    干燥敏感性系数0.9～1.1；

    干燥合格率95%～98%；

    干燥室码坯高度750㎜(小断面)/2350㎜(大断面单层)；

    烧结范围1000～1100℃；

    烧成合格率98%；

    隧道窑码坯高度1580㎜(90高度16层)；

    干燥周期24～32h；

    焙烧周期36～46h。

    2 目前存在的问题或误区

    2.1 盲目追求高掺量

    在保证混合均匀，物料塑性指数、砖机真空度、挤出压力均达标的前提下，粉煤灰的极限掺配比例为60%(重量比)。一般分为以下三个档次：

    掺配比例10%～15%容易达到；

    掺配比例15%～35%较难达到；

    掺配比例35%～50%很难达到；

    掺配比例50%～60%大规模工业化生产极难实现。

    在有一定环境效益的前提下，追求经济效益的最大化是建厂的宗旨。但盲目追求高掺量，增加投资，增加装机容量，增加生产成本，给生产过程带来更多不确定性是不切实际的。西方国家火电厂极少，粉煤灰烧结砖生产及管理经验不足，其装备在生产粉煤灰烧结砖的生产中也存在诸多问题。实践证明中国设备未能达标，西方设备同样不能达标。西安墙体材料研究设计院40年的经验表明，粉煤灰掺入量以20%～40%为宜，产品应定位在多孔砖或实心砖，既消耗了粉煤灰，又降低了生产难度。

    2.2 大型化

    根据目前国产装备及引进装备能力，单线产量以4000～8000万块为宜。能够体现装备能力、管理水平、规模效益。制约年产8000万块以上生产线的主要设备是双轴搅拌机、轮碾机、搅拌挤出机、挤出机以及切、码、运（装卸载）系统的能力和可靠性。此外，砖的销售有明显的季节性，冬季或销售淡季会过多占用流动资金。

    2.3 仅局限于和粘土掺配

    粘土是一种不可再生资源，消耗粉煤灰的同时又消耗更多的粘土，不符合可持续发展的要求。合理掺配页岩、煤矸石、淤泥也能生产出优质的烧结制品。决不可因为利废、节能、环保的同时又浪费资源，产生新的污染。

    3 生产工艺

    3.1 成型方法

    依成型设备粉煤灰砖按以下三种方法成型。

    a.挤出：效率高、掺量少、工艺复杂、投资大、质量好；

    b.压制：效率低、掺量高、工艺简单、投资少、质量一般；

    c.振动：效率低、掺量少、工艺简单、投资少、质量差；

    目前国内粉煤灰烧结砖厂普遍采用挤出成型工艺，虽存在诸多问题，但总体运行平稳，产品质量普遍达标。压制成型只能生产承重盲孔砖，虽可将掺灰量增至60%甚至80%，取消了陈化库及干燥室，降低造价300～500万元，但对于外加物料的塑性及颗粒级配有很高的要求，弹性后效产生的层裂是产品的致命缺陷之一。振动成型可取消陈化库，但振动所赋予坯体的强度比较低，必须添加足够的粘结剂和脱模剂，一般须配备自动装卸载系统及单层干燥室，技术上有待进一步完善。

    3.2 工艺

    a.工艺流程 (塑性成型)

    b.技术要点

    加大粉煤灰掺量、提高混合料塑性、改善干燥均匀性的最有效途径就是粘土物料的粉碎和陈化，目前大型烧结砖生产线都配有陈化库，虽陈化库结构、布料、取料方式及增温、保湿水平有待进一步完善，但陈化系统的设计已达到了较高水平，因此，在搅拌均匀的前提下，粘土物料（包括页岩煤矸石）的粉碎增塑是高掺量的关键。采用摆式磨粉机（雷蒙磨）可使掺灰量达到50%（重量比），工艺过程也比较简单。在秦皇岛晨砻建材股份有限公司和山西交城义望铁合金有限责任公司烧结砖生产线均已得到成功运用，工艺及装备达到国内最高水平。

    考虑到粉煤灰物料的特殊性，一般采用两次码烧工艺。干燥采用人工码坯的小断面隧道干燥室或带有自动装卸载系统的大断面隧道干燥室。混练设备选用搅拌挤出机或圆盘筛式喂料机。由于轮碾机投资大、混练效果差、电耗高，在设计中谨慎选用。设计中一定要考核关键设备对粉煤灰物料的处理能力，尤其是搅拌和混练设备。圆盘筛式喂料机对中软物料有极好的均化和碾练作用，在欧洲得到普遍使用，在中国的引进生产线砖机前一般都配置该种设备。

    3.3 装备

    a、陈化设备

    可逆配仓胶带输送机：采用横向水平、连续布料或分仓布料，最大限度地提高陈化库的容积率。

    液压多斗挖掘机：采用纵向挖掘、连续卸料至胶带输送机。

    b.混练设备

    轮碾机：利用滚轮的碾压和剪切作用使两种容重差异较大的物料均匀混合，通过底版孔径出料。比较适合于松软物料。是比较笨重而古典的混练设备。

    搅拌挤出机：相当于砖机的上级，径向挤出、切片，适用于各种物料。是国内技术比较成熟，采用最多、最为实用的的混练设备。

    圆盘筛式喂料机：在搅拌臂作用下，侧板孔径出料;出料面积大、揉搓效果好、工效高，是比较现代的混练设备。

    3.4 成型设备

    采用双级或一体式真空挤砖机成型。对真空度有较高的要求，一般在－0.085～0.092MPa，挤出压力在1.2～2.0 MPa，大多工厂在1.2～1.5 MPa运行。

    3.5 切、码、运设备

    通过切条机、切坯机、编运系统、码坯机、步进机、运转系统将干燥车顶入隧道干燥室。由于粉煤灰砖湿坯抗变形能力较差，大型砖厂普遍采用大断面单层干燥室或少层小断面干燥室。必须相应增加编运系统、码坯机、干燥车的投资。

    3.6 干燥

    a.粉煤灰砖干燥敏感性系数的推算

    纯粘土物料挤出成型含水率一般在17%～19%，干燥临界含水率在11%～13%；当逐渐用粉煤灰取代粘土，混合料的成型含水率上升，临界含水率下降。如当粉煤灰掺至重量比30%时，混合料的成型含水率增至20%～21%，临界含水率降至9%～10%。实验室纯粘土与混合料的干敏系数计算如下；

    λn=(18－12)/12=0.5

    λh=(20.5－9.5)/9.5=1.16

    从计算结果看出当粉煤灰加入30%后物料由很好干燥变的较难干燥。当然，实际生产操作过程中，物料干燥的难易程度与机械装备、热工设备、砖型、气候、操作水平均有较大的关系。

    b.采取措施

    细化粘土物料，提高其分散度；

    适当引入部分瘠性料，如煤矸石、硬质页岩，优化颗粒级配；

    加强陈化库的布料管理和温度、湿度控制，选用可靠的搅拌设备，最大限度地提高物料的均匀性；

    优化干燥室的系统与结构，合理选型送风、排风设备；

    采用单层干燥或小断面干燥室干燥，在小断面干燥室采用适合于制品干燥的码坯方式。如底层立码、立卧结合或干燥车上设置托架，利用托架将干燥车上部空间一分为二，以减少下层压力，加强中部通风。

    c.干燥室

    工作通道；

    小断面：长55～65 m、宽1.2～2.2 m、高0.75～1.0 m(石家庄兴汇、酒钢)

    大断面：长55～65 m、宽1.7～4.66 m、高1.7～2.4 m（哈一砖、山西交城）送风/排潮；分散底送风/集中上排潮控制；送热风机采用变频调节控制送风量；排潮风机采用变频调节控制排风量（湿度范围在75%～90%）

    隧道干燥室在制砖工业中得到最广泛的应用、技术上比较成熟。但是在具体生产中往往受原料、含水率、砖型、气候、设备、操作及管理水平影响，干燥缺陷较多、达产率较低是我国干燥室的宏观表现，粉煤灰砖厂尤为突出。设计中最应该反省的就是问题干燥室的整个热工系统缺乏最基本的物料平衡、能量平衡和工序平衡。有些干燥室送风口无法调节，送热风机和排潮风机从未调整过，没有严格的工作制度，90%以上的干燥室都未作过热平衡测试。

    3.7 焙烧

    粉煤灰砖的干坯强度较低，不宜码的过高，隧道窑可码1.6 m左右；为防止倒窑、缩短烧成周期，入窑含水率不得超过6%。由于混合料中Al2O3含量随粉煤灰含量增加而提高，应适当延长焙烧带至15～20 m；内燃可加至80 %～100 %；保温带也应适当延长，使产品的抗压强度和抗冻融性能满足国标要求。

    4 规模与投资

    4.1 不同产量对应投资

    不同产量对应投资见表1。

表1不同产量对应投资

    4.2 工程示例

    a.石家庄兴汇（7000万块/年）

    原料：软质页岩70%、粉煤灰30%；

    工艺：原料经破碎筛分后，进双轴搅拌加水，再进入圆盘筛式喂料机精细处理后进砖机成型，小断面隧道干燥室干燥（单道双车），4.6 m宽隧道窑烧成；

    特点：取消了陈化库，没有采用传统的搅拌挤出机或轮碾机；产品质量优异，超产25%以上（考核产量9000万块/年）；

    投资：固定资产投资1600万元。

    b.山西交城（6000万块/年）

    原料：粉煤灰50%、页岩50%；

    工艺：首先用摆式磨粉机（雷蒙磨）粉磨页岩，然后与粉煤灰进入双轴搅拌机加水搅拌，陈化后依次进入搅拌挤出机强力搅拌、砖机成型（双泥条）、切条、切坯、编组、码干燥车，大断面隧道干燥室（单道双车），隧道窑烧成；

    特点：物料精细处理，工艺及装备比较先进，自动化程度高，能耗低（1300 kJ/kg制品），产品质量好，投资合理。该生产线具备了装饰砖、保温砌块的生产能力；

    投资：固定资产投资1900万元。

    c.压制只成型一次码烧生产线（7000万块/年或10万m3/年）

    原料：粉煤灰50%～60%、煤矸石或页岩40%～50%；

    工艺：物料粗混，加水后强制搅拌，压制成型，机械码车，隧道窑烧成（设置干燥段）；

    特点：煤矸石、页岩或粘土不需要细碎处理；取消了陈化库、干燥室，隧道窑可码至18层，极大地简化了工艺，减少了塑性成型必不可少的环节，提高了装备效率（一条6.9 m宽隧道窑即可）；

    投资：固定资产投资1200万元。

    5 结论

    a.粉煤灰烧结砖，尤其是高掺量粉煤灰制砖过程是一个比较复杂的过程，必须根据原料、产品合理选择工艺、选型设备。

    b.塑性原料的粉碎、混合料的均化、干燥是高掺量粉煤灰制砖的要点；均化是正常生产的基础和瓶颈；先进的工艺必须有优良的装备来支撑。

    c.采用一次码烧工艺生产高掺量粉煤灰砖必须要有严格的限制条件和保障措施。