試論當前陶瓷窯爐的結構能否改變

摘要 本文就當前陶瓷窯爐的結構特點提出了一些看法，例如能否解決預熱帶輻射份額低、燒成帶對流換熱份額低等現象。

關鍵詞 窯爐，節能減排，高溫空氣燃燒，輻射管，紅外輔助加熱，微波加熱

1前 言

隨著工業的發展，能源的節約利用和環境壓力成為世人矚目的兩大問題。在中國，目前煤還是我國的主要燃料，石油和天然氣次之。可這類化石燃料在全國、乃至全世界的儲量都是有限的，因此開發新能源和尋找有效充分利用當前能源的工藝成為熱工工作者和科研開發人員的兩大重要課題。相應地，當前化石燃料的使用是造成我國空氣污染的主要根源，據統計，全國70%以上的污染物來自這些化石燃料的燃燒產物。如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、未燃碳氫化合物和煙塵；而二氧化碳、一氧化氮和甲烷等溫室氣體更是引起全球氣候惡化的根本原因。

目前，燒成是陶瓷生產工藝中最重要的環節，因此窯爐是陶瓷生產中最重要的生產設備，被稱為陶瓷生產的心臟。在陶瓷工業生產中，燒成工序是保證生產質量、決定產量、降低成本、節約能耗的重要環節。因此，對其熱工過程進行研究，以求改進窯爐的設計和操作非常重要。

2熱工技術的新發展

最近幾年，熱工領域引進了諸多先進技術，如高溫空氣燃燒技術、紅外輔助燃燒技術、微波燃燒技術和輻射管加熱技術等。但據資料統計，這些先進技術應用在陶瓷熱工上少之甚少。因此筆者認為，陶瓷熱工還是有很大的發展空間。

3陶瓷窯爐熱工的特性

現在先從陶瓷燒成過程的熱工特性進行分析：（1）升降溫速度。即最快升溫曲線和最快降溫曲線滿足制品各部分溫差小的要求。從另一個角度說，要保證制品內外溫差所產生的熱應力必須小于制品熱強度的允許應力；（2）溫度均勻。如輥道窯和隧道窯等連續窯爐的斷面溫度均勻，抽屜窯窯內保證在每個時刻溫差都最小；（3）氣氛滿足產品的物理化學反應要求。如對于一些含鐵量高的產品，坯體要求還原氣氛燒成，在不同的燒成階段要求氣氛容度也不同。

根據陳功備的描述：日用陶瓷的燒成雖然已從原來的幾十小時縮短到了十幾個小時甚至幾小時，但并沒有達到極限。無論是理論還是實踐都證明，在燒成過程中必須保證完成一系列的物理化學反應，即在某些溫度范圍必要給予充足的反應時間，以免造成制品的缺陷和報廢，則其余時間就越少越好。研究表明，在2～3h內燒成的瓷器與長時間燒成的瓷器內部結構組成都是一樣，在幾分鐘內將瓷器從1300℃冷卻到100℃也不會影響其質量。也就是說，如果能夠保證制品快速和均勻加熱，完成所需的理化反應，短時間燒成也是可以實現的。此時燒成時間的長短只關系到窯爐的結構[1]。

我們可以把窯爐主要的結構分為三個部分：窯體、熱源和氣氛源等系統。這三者都是陶瓷燒成的必備因素，同時三者與熱工制度和節能密切相關。目前陶瓷窯爐大多都采用化石燃料作為熱源和氣氛源（除電窯外）。因此對于目前流行的連續窯爐可分為典型的三帶：預熱帶、燒成帶和冷卻帶。

因此，欲制造先進的陶瓷窯爐，必須滿足以上陶瓷燒成的熱工特性，再追求其他更好的熱工制度技術以滿足節能減排的目的。窯爐節能特性由窯爐結構、筑爐材料、施工質量、窯爐操作等許多因素決定。本文只針對窯爐結構介紹一些改進的意見。

我們都知道，熱量按傳遞的性質可分為輻射傳熱、對流換熱和熱傳導傳熱三種傳遞方式。在燃燒燃料的窯爐中，熱量通常大部分由輻射和對流來傳遞。熱量的輻射包括窯壁輻射和窯內氣體的輻射兩部分。低溫區以對流為主，而高溫區則以輻射傳熱起決定作用。由于當前窯爐低溫區的熱量主要由煙氣通過燒成帶流經預熱帶，產生對流換熱而得來，不能過多依賴燃料在此區燃燒，這是由化石燃料必須在一定的溫度下才能穩定燃燒的機理決定的（目前在陶瓷連續窯爐的低溫區布置高速燒嘴只是為了調節該區溫度而設置的）。其傳熱方式的份額分布為：氣體對流占53%、氣體輻射占14%、窯內壁輻射占33%。可見氣體對流和窯內壁輻射在該區是制品升溫的主要來源。同時對于窯內壁的熱量來源來看，氣體對流換熱占67.89%、氣體輻射占31.21%；而在熱量去向中，輻射給坯體占了87.86%，通過窯墻散熱占12.41%。在燒成帶，制品熱量53%來源于氣體輻射，窯內壁的輻射占44%、氣體對流占3%，可見燒成帶氣體輻射和窯墻輻射傳熱起決定作用。對于窯墻來看，在其熱量來源中，氣體輻射占94.6%，氣體對流占5.4%，在其熱量去向中，輻射熱量占77.8%，通過窯墻散熱占22.2%，故輻射是此帶的主要傳熱方式[2]。

4陶瓷窯爐能否引進新技術

通過傳統的窯爐傳熱熱工特性能否增加預熱帶的輻射傳熱，增加燒成帶的對流換熱來提高制品在窯爐內的加熱速度，從而達到快速燒成的目的？答案是肯定的。

假如提高預熱帶的排煙量和排煙溫度，并過多地把燒成帶的熱煙氣流經預熱帶來提高燒成帶的輻射成分。這樣做單單從對制品加熱方面是可行的，但勢必會增加燒成帶的燃料消耗，并導致燒成帶溫度提得不夠高；提高了預熱帶的窯外壁溫度，增加散熱量；提高了預熱帶排煙熱量支出總量；同時無法避免火焰噴射的地方產生過熱現象，更有甚者，火焰會飛濺到制品上造成制品釉面局部提前玻化，產生缺陷，這樣顯然得不償失。在傳統的窯爐中欲提高燒成帶的對流傳熱比例，通常的做法是采用高速燒嘴，使得在該區域的氣體產生強烈擾動，可只是平均氣體流速增加（很難超過5m/s），但在制品表面附近的氣體流速卻很低；再者，該帶燃料燃燒使氣體產生強烈擾動，該流速產生的對流換熱的份額相對于輻射換熱幾乎甚微。

那么該怎樣才能達到上述假設呢？筆者認為可以在預熱帶應用輔助輻射加熱裝置，在燒成帶裝設強烈對流裝置。下面介紹當前應用在熱工上的新技術。

4.1 高溫空氣燃燒技術

高溫空氣燃燒技術是二十世紀九十年代發展起來的一種新型燃燒技術，它的特征是煙氣余熱被最大限度地回收，助燃空氣被預熱到1000℃以上的同時把高溫煙氣的溫度降到200℃以下，更有人提到可以把煙氣溫度降低到60℃以下（即煙氣酸的露點以下）[3]。燃料在高溫低氧混合氣體的環境下與混合氣體強烈快速混合燃燒，使得火焰迅速充滿整個燃燒空間；從而避免了傳統火焰易產生局部高溫峰值及大量熱力型氮氧化物的可能。高溫空氣燃燒技術可以實現燃料化學能的高效利用和有效控制燃燒主要污染物的排放，達到節能與環保的雙目的，被世人評為理想的黃金燃燒技術。

不過這項技術的具體裝置設計仍存在很多困難，如燃料燃燒所產生的實際煙氣量遠遠大于所需的實際空氣量，煙氣的平均比熱在相同的條件下遠比空氣大，因此煙氣攜帶的熱量遠比空氣升溫需加熱的熱量多，這樣就使換熱裝置的余熱回收效果并不能達到最理想的狀態。筆者曾經計算過以發生爐煤氣作燃料產生煙氣來預熱空氣，此時回收余熱效率只有75%。不過采用煙氣循環利用，可能會提高煙氣余熱的回收效率。這樣就無法避免要大大提高換熱體的體積，目前此項技術仍存在很多問題有待解決。

筆者認為，如果能夠在陶瓷窯爐成功應用此項技術，將大大提高燃料的利用率，并且可以完全解決目前陶瓷窯爐燃料排煙溫度高、污染嚴重、余熱利用率低等缺點。

4.2 輻射管技術

燃氣輻射管加熱裝置采用在密封套管內燃燒的方式，受熱的套管表面通過熱輻射為主的形式把熱量傳遞到被加熱物體，燃燒產物不與被加熱物體直接接觸，不會造成燃燒氣氛污化或者影響產品質量的情況，爐內氣氛及加熱溫度便于控制和調節，非常適用于產品質量要求高的場合。輻射管加熱裝置主要由管體、燒嘴和廢熱回收裝置等組成[4]。

由于管體是將燃料燃燒釋放的熱能輻射給被加熱物體的關鍵部件。目前此技術還不完全成熟，存在很多難題，如沿輻射管長度方向溫差大，輻射套管抗氧化性能差等。可喜的是，最近相關工作者在結構設計和選擇材料上都作出了努力，在一定程度上克服了這些缺點[5]。

這項技術可以彌補預熱帶輻射強度不足的問題。增加的輻射不會引起其他問題，如其燃料排煙系統獨立，避免了前面所述的利用增加煙氣的排放來提高預熱帶溫度從而導致燃料消耗增加等缺點。

4.3 紅外輔助加熱技術

遠紅外線輻射加熱方法與傳統加熱方法不同，它是以輻射為主，靠物體本身吸收紅外線光能達到內部升溫的目的。在升溫過程中，內外溫度比較均勻；這樣水分容度從外到內增加，達到方向的一致；而傳統的加熱方法是以熱氣體對流和傳導加熱為主，當被加熱物件較大時，容易出現物體內外溫差大、產品易變形等缺陷。傳統的加熱方式能耗大、熱效率低，而遠紅外輻射加熱的熱效率相對較高。

此項技術可以在陶瓷窯爐低溫段使用或在生產坯體濕度大的窯爐內預熱帶前段使用，這樣對增加輻射量有利，同時對均勻快速升溫有利。

4.4 微波加熱技術

微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在300～300000MHz之間(相應的波長為100～0.1cm)。它具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。加熱原理是其能夠使含氫鍵、疏水鍵的偶極矩分子以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運動，導致熱量的產生。陶瓷原料具有諸多成分，完全可以使用該項技術。

目前該項技術只使用在干燥器上，在陶瓷窯爐高溫區上能否明顯提高加熱速度還有待于證明。不過可以相信的是，該項技術完全可以應用在陶瓷窯爐低溫區，以彌補陶瓷窯爐低溫區輻射份額和增加該區的溫度均勻性。

4.5 其他技術

在燒成帶裝設類似冷卻帶的伸入高速高溫氣體，來提高坯體表面的氣體流速和制品的對流換熱份額。如可以引入高速氣膜等概念性設備，類似于在玻璃加工行業中使用的高速高溫氣槍來加工不符合的玻璃坯體。這個概念的引入，筆者認為是可行的。很多資料都顯示，高溫耐火材料的發展，應用在高溫環境的噴射管完全可以實現市場化。在設計合理的情況下，在陶瓷坯體形成氣膜完全可以實現。

5結 束 語

目前我國陶瓷行業已擴容至位居世界第一，同時全世界面臨能源緊缺的時期，而我國陶瓷窯爐節能減排方面及性能方面還遠低于發達國家，尋求有效解決節能和減排雙目的是當前熱工的重中之重。本文僅就當前燃料燃燒窯爐的結構方面提出意見，希望能給熱工工作者起到參考作用。

參考文獻

1 陳功備.論快速燒成與燃燒器的關系[J].陶瓷研究，1998，13(4):23～25

2 曾令可，孫宇彤，童曉濂，賀海洋.輥道窯內傳熱及影響熱耗因素分析[J]．佛山陶瓷，1998，4

3 徐 華，高溫空氣燃燒技術的研究[D]．北京：北京工業大學，2002

4 歐儉平，彭好義，吳道洪，蔣紹堅，蕭澤強.蓄熱式高溫空氣燃燒技術在燃氣輻射管中的應用[J]．加熱設備，2003，32(3)

5 陳仰鑫．高效節能內燃燒式熱管的創新設計[J]．佛山陶瓷，2008，2