陶瓷窯爐節能減排的探討

摘要:本文從窯爐燒成的角度，對陶瓷生產的節能減排進行了探討，從窯爐結構、生產調試與生產工藝等方面提出了窯爐節能的具體措施，并對窯爐余熱的綜合利用提出了建議。

關鍵詞:窯爐;陶瓷燒成;節能

1引 言

節能減排是一個不老的話題，尤其是對于“高能耗、高資源消耗、高污染”的陶瓷行業，更是迫在眉睫。在陶瓷生產中，燒成能耗約占生產總能耗的30%，窯爐是否節能，它不單是一條窯爐是否先進的標志，也與企業的經濟效益直接相關。下面根據科達公司多年設計制作窯爐的經驗，從各方面總結窯爐的節能途徑。

2陶瓷燒成的節能減排途徑

2.1燃燒系統方面

2.1.1合理選用燃料。

目前，先進的輥道窯一般都選用氣體燃料，因為氣體燃料燃燒完全，熱利用率高，有利于自動控制溫度。用煤作燃料雖然成本低一些，但無論是在熱能利用率，還是在產品質量和環保方面均不如氣體燃料。目前，我國的陶瓷窯爐已很少用煤作燃料，即使是天然氣、液化石油氣供給不方便的地理位置，也是將煤轉化成煤氣使用。液體燃料也很少使用，因為液體燃料需充分霧化才能燃燒完全，這不僅增加了霧化設備的成本，且燃料的利用率也不高。

2.1.2合理選擇燃燒設備

窯爐中的燒嘴是燃料燃燒的關鍵設備，也是決定輥道窯橫斷面溫度是否均勻的重要設備，燒嘴結構不好會造成火焰不穩定，產品易出現變形和色差。一個好的燒嘴能在助燃空氣過剩系數較低的情況下，使燃料燃燒充分，火焰穩定、易于調節，達到節能之目的。

國內的一些燒嘴供應商由于缺乏對燒嘴的理論基礎研究，主要靠在實踐中摸索總結經驗，從而得出一些數據，因此有一定的局限性。當條件發生變化時，往往易因缺乏調試經驗而出現技術問題，如燒嘴出現熱功率不合適、燃氣噴孔和助燃風噴孔的面積比相差大等問題。科達公司在每次訂購燒嘴時，都要進行詳細的計算，對助燃風和燃氣開孔的具體尺寸和數量提出要求，以確保燒嘴運行良好。

2.1.3合理調整空氣過剩系數

每一種燃料，在保證充分燃燒時，其所需的助燃空氣量不同。在窯爐調試時，應將過剩空氣量控制在最小，否則，超過一定范圍，就會增大燃料的耗用量。

2.1.4提高助燃風的溫度

將助燃風預熱有助于節能，據測算，助燃風預熱到100℃時，可節能4%，另外也能使燃燒速度加快、穩定燃燒過程、提高燃燒效率。助燃風的預熱可嘗試以下幾方面的措施:

(1) 將助燃風管埋在窯爐四角，通過吸收窯墻所散的熱來提高助燃風的溫度，大約可達到60℃;

(2) 將冷卻帶的余熱風作為助燃風用，溫度可達200℃;

(3) 在窯爐的急冷帶設熱交換器，將助燃風管通過熱交換器，換取一部分熱以提高溫度，溫度可達120℃。

以上三種措施中，利用第1種方法所得的助燃風的溫度較穩定，但溫度較低，節能不明顯;第2種方法所得助燃風的溫度高，節能明顯，但需增加穩定措施;第3種方法會影響磚的正常冷卻，還有可能引起緩冷區的炸磚。

2.1.5降低產品的出窯溫度

降低產品的出窯溫度是節能減排的一種新理念，它有兩個好處:一是優化工人的操作環境，這也是提高工作效率的重要保障;二是它可以將盡量多的熱量交換出來再利用。當然，要降低產品的出窯溫度，需要一定的設備投入，要縮短緩冷區長度，加長尾冷區的長度，這樣才能加強緩冷區的冷卻效果，從而降低產品的出窯溫度。科達窯爐采取這個措施之后，產品的出窯溫度比一般窯爐可降低50℃左右。

2.2合理設計窯爐結構

2.2.1合理選擇耐火保溫材料

判斷窯爐是否節能的另一個標志是窯爐外表溫度，在窯壓一定的前提下，窯爐外表溫度低，說明窯爐散熱少。窯爐外表溫度與窯墻厚度和耐火保溫材料的導熱系數有關，窯爐窯墻厚度大，外表溫度可降低，但也不是窯墻越厚越好，因為窯墻厚了，輥棒的長度也要隨之增加，這會增加客戶的后期運行成本;同時輥棒長了，兩側的支點距離大了，磚坯的傳輸容易混亂，易使磚坯在燒成區產生變形。

在保證使用溫度的前提下，應盡量選擇導熱系數低的耐火材料，要根據窯墻從里到外的溫度梯度來合理配置耐火保溫材料，這樣既能減小窯墻厚度，又能保證窯墻的保溫性能。目前，國外先進窯爐的窯墻厚度一般為380mm左右，而國內的窯爐要達到同樣的保溫性能，有的窯墻需達到500mm厚，這顯示出我國在窯爐設計方面與國外還有一定的差距。表1是輥道窯常用的耐火保溫材料的導熱系數，供設計者參考。

在重視窯墻保溫性能的同時，也不能忽視了窯底和窯頂的散熱。有的窯爐公司沒有重視窯底的保溫，把窯底設計得很薄，選擇的保溫材料比重又大，從而造成大量的熱量從窯底散掉。如果按不同的工作溫度選擇一些低導熱系數的材料，如在低溫區使用體積密度為0.6g/cm3的硅藻土磚等砌筑窯底，則可大大提高窯爐的保溫性能。

2.2.2 事故處理孔的設計

事故處理孔的底面一般選擇的過橋磚為重質高鋁磚，但其它三面材料的選擇就有講究了，如果都選大塊的重質磚，勢必會導致散熱嚴重。一般觀點認為，既然是作為處理事故孔，應該越結實越好，但材料的比重越大，其熱耗也要相應增加，這是一對矛盾。由于現在的窯爐很少出現堵窯現象，事故處理孔使用的幾率非常小，因此在設計上還是應重點考慮其保溫性能。

2.2.3 觀察孔的設計

有的窯爐公司將觀察孔做成體積密度較大的一個整體磚，窯墻有多厚，它就有多長，這樣勢必導致其散熱嚴重。科達公司設計的觀察孔，是在砌好的窯墻上直接打孔，整體性好、散熱小。

另外，觀察孔的大小對窯爐的保溫也很重要，有的公司將觀察孔設計成很大，出現散熱大的不良效果。另外，因為燒成帶是微正壓運行，如果操作工使用觀察孔后忘記了放塞子或塞子壞了沒及時更換，則會有大量熱氣跑出窯外。

2.2.4 燒嘴磚的設計和選擇

圖1和圖2是碳化硅燒嘴磚和重質高鋁燒嘴磚的結構示意圖，相對于高鋁燒嘴磚，碳化硅燒嘴磚具有以下優點:

(1)重量輕、熱容量小。每個碳化硅燒嘴磚重1.75kg，僅相當于高鋁磚材質的十七分之一，由于耐火材料的熱容量與重量成正比，所以它的熱容量遠遠低于高鋁磚，保溫性能優勢明顯。

(2) 窯墻整體性好，窯墻保溫好。因為碳化硅燒嘴磚的安裝孔是用建筑用鉆頭直接在砌好的整體墻上打圓孔，所以砌筑時不用預留方孔和過橋磚，整體性很強，因此窯墻保溫性也好。

另外，碳化硅燒嘴磚由于安裝燒嘴磚的孔是圓孔，無需使用過橋磚，可減少因過橋磚斷裂而產生的維修量。而且碳化硅燒嘴磚更換容易、使用壽命長，并能快速調節窯爐溫差，提高產品質量。因此，無論是從節能減排還是生產工藝的角度考慮，都應優選碳化硅燒嘴磚。

2.2.5 合理設計窯爐內空高度

內空太大會造成煙氣積聚于窯頂層空間內，不僅會造成上下溫差加大，還會使煙氣與產品熱交換量變小、熱效率降低，從而使能耗加大。

2.2.6窯爐長度的選擇

由于市場容量的持續增長，陶瓷企業單條窯的日產量越來越大，因而窯爐的長度也越來越長。2000年前后，單窯日產600mm×600mm拋光磚5000m²，窯長為130m左右;2006年前后，要求日產10000m²以上，窯長220m左右;而目前則要求日產15000～18000m²，窯長在320m左右;有的窯爐甚至達到了400m長，窯爐日產量達到25000m²。

窯爐真的越長越好嗎?答案是否定的。無論多長的窯爐，排煙風機都設置在窯頭，窯爐在燒成帶是微正壓運行，為了保證燒成帶的微正壓，越長的窯爐，其窯頭負壓就越大(見圖3)，預熱帶吸進冷風就越多，因此會造成預熱區升溫困難，從而使所耗燃料增多。

2.2.7合理施工

窯爐的砌筑施工同樣非常重要，即使是選用最好的材料，如果沒有一個好的施工隊伍，不能規范施工，窯爐的保溫效果也會大打折扣。

2.3 工藝配方方面

2.3.1開發低溫快燒工藝

節能不僅要在窯爐上挖潛力，制定合理的燒成制度同樣至關重要，采用低溫快燒工藝就是很重要的一環。目前，600mm×600mm拋光磚的燒成周期已縮短至40min，它的能耗遠遠低于以前55min燒成周期的能耗。

2.3.2 減小瓷磚的厚度

傳統觀念認為，600mm×600mm拋光磚的正常厚度是10mm，但如果能降到 8mm，就可以減少20%的用料，還可以縮短燒成時間10min左右，節能15%以上。

科達公司在蒙娜麗莎陶瓷有限公司承建的800mm×1800mm陶瓷大薄板生產線，成品磚的厚度僅約5mm，可節約原料50%以上，具有廣闊的節能推廣前景。

2.4 開發寬體窯爐

利用寬體窯增加產量，是節能的又一個途徑。幾年來對于開發寬體窯，尤其是燒拋光磚的寬體窯，企業欲進又止。有些陶瓷企業在使用寬體窯燒制拋光磚上遇到了不少難題，由于寬體窯是較為新型的燒成設備，有些技術尚不夠成熟，因此，面對生產上出現的難題沒有切實可行的解決措施。

寬體窯主要有兩大技術難點:一是寬體窯橫斷面溫差大，二是輥棒走磚容易出現問題。幾年來，科達在這方面做了大量研究，對解決這兩大難題都有了應對措施。

科達公司于2009年5月份在山東臨沂承建的一條內墻磚生產線，素燒窯內寬3.1m，釉燒窯內寬2.9m，燒成周期30min，燃料為發生爐煤氣，日產量25000m²，投產一個多月，產量已達到28000m²，并且窯爐斷面溫差小，產品質量很好，表2是該窯爐斷面溫差的測試數據。

3窯爐余熱的綜合利用方案

近年來，由于能源價格不斷上漲，國內陶瓷企業迫于成本的壓力，不斷尋求節約能源的新途徑，國家政策也不斷鼓勵節能產品的開發。窯爐的熱效率總體來說還是相當低的，據測算，窯爐總熱能的60%以煙氣和熱風的形式排入大氣，這些煙氣和熱風不僅帶走了熱能，也污染了空氣，如果能將這60%的熱能回收其中的60%，也就是回收窯爐總能耗的36%的熱能，其量是相當可觀的。

例如一條日產1.3萬m²拋光磚的輥道窯，日耗標煤40t，按36%的熱能回收計算，一天就可以回收近15t標煤的熱能，也即一天節約1.5萬元。目前，陶瓷行業有各種余熱綜合利用的節能設備投入使用，取得了一定的效果，但仍存在以下問題:

(1) 在急冷帶取熱，容易炸磚。某國外的大型陶瓷設備供應商對余熱利用提出了幾種方案，但幾種方案都有一個共同點，就是在急冷帶設換熱器，將余熱或室內自然風在此加熱后供助燃風。我們知道，在急冷帶取走了熱能，造成急冷風量自動減少，這樣勢必造成緩冷區溫度下降，當緩冷區達不到要求溫度時，磚坯就會在此區炸裂。另外，進入換熱器的風的溫度是不穩定的，溫度越低，在急冷帶取走的熱越多，急冷風量越少，緩冷區溫度就越低，越容易炸磚，尤其是在燒制瓷質磚時，此問題更為突出。

(2) 加熱后的助燃風的溫度和量不能保持恒定，使窯爐運行不穩定，造成產品質量不穩定。由于窯爐疏磚等原因，余熱風的溫度是不穩定的，造成助燃風的溫度和量都是變化的，雖然有自控閥控制窯溫，但是也會造成窯內氣氛的變化和零壓點的飄移，而這些都會影響產品質量。

(3) 將窯爐余熱送至干燥塔，而干燥塔并不是24小時工作制，當干燥塔停止工作時，余熱排空，系統發生變化，窯爐壓力也會隨之發生變化。

因此，目前國內煙氣直供干燥器的余熱利用方法有待進一步改進。在利用余熱的同時，一定要保證窯爐的穩定運行，如果因為余熱的利用而影響了窯爐的穩定和產品質量，就會得不償失。科達公司根據多年的經驗，在盡可能消除目前行業內余熱利用弊病的前提下，研究出以下兩種余熱利用方法:

3.1 瓷質磚產品余熱的利用方法

瓷質磚磚坯質地致密，水分較難排除，所用熱風量較大，窯爐余熱除一部分用作助燃風外，其余全部送往干燥器，基本沒有余量。

目前這種產品的干燥一般采用雙層干燥器，優點是供熱較集中、熱效率高。缺點是煙氣較臟，對鋼架腐蝕厲害，同時干燥器一般為大正壓操作，大量煙氣外溢，惡化工人的操作環境。解決的方法是加一個換熱器，讓煙氣通過熱交換器，保證用干凈的熱風供給雙層干燥器。干燥器排出的廢氣溫度大約在130℃左右，可再送往干燥塔，做配風用。熱交換器出來的廢氣溫度較低且臟，可經凈化處理后排空。

為了充分利用尾冷的余熱，我們可將尾冷區分為兩段，前段溫度大約100℃，這部分熱風也可以利用起來，將其混入緩冷區的余熱部分，供干燥塔用;尾冷后段溫度較低，沒有利用價值，可經凈化處理后直接排空。

以上方案的關鍵點之一是熱交換器的效率一定要高，我們使用的熱交換器的效率可達85%，當煙氣的溫度為350℃時，經過熱交換器后，干凈的熱風溫度可達230℃，完全可供干燥器正常工作。另一個關鍵點是窯爐疏磚時，如何保證助燃風的量在標準狀態下保持恒定，科達在這方面作了詳細研究，并設計了一套行之有效的方法。

3.2 兩次燒內墻磚產品余熱的利用方法

由于兩次燒內墻磚的生產需兩條窯爐，干燥器用熱量又較小，所以余熱的量較大，除本身干燥器和助燃風使用一部分外，其余可送往干燥塔。

素燒窯和釉燒窯的緩冷、抽熱的余熱可分三路，即供助燃風、窯前干燥兩路，剩余供干燥塔。兩條窯的煙氣可直接做干燥塔的二次風用，也可經脫硫和除塵后供干燥塔，但這樣會降低熱風溫度，最好直接供干燥塔用，從塔排出后的廢氣再進行脫硫除塵。

該系統的特點為:

(1) 余熱利用徹底，最大限度地利用了余熱。

(2) 不在急冷處取熱，不易炸磚。

(3) 加熱后的助燃風溫度和風量保持恒定，窯壓穩定。

(4) 煙氣可經高效率的熱交換器，用潔凈的熱風供給干燥器，既能使干燥器鋼架不受腐蝕，又能優化工人的操作環境。

(5) 窯壓自控，干燥塔的開停均不影響窯爐的正常運行，保證了產品質量穩定。