一種輥道窯冷卻帶余熱利用的新技術

付海丹 馮青 汪和平 吳衛兵

（1.景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西景德鎮333403；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院九江分院，江西九江332000）

0前言

近年來，我國陶瓷工業得到飛速發展。從2004年的建筑瓷磚年產量30億m2（約占世界總產量的50％），日用瓷產量130億件（約占世界總產量的6成）[1]，到2006年的建筑陶瓷磚年產量約為35億m2（約占世界總產量的55％），日用陶瓷產量高達170億件（約占世界總產量的65％）[2]。這些驚人的天文數字讓中國名副其實地成為世界陶瓷生產和消費的第一大國。而在我國建筑陶瓷企業的生產過程中，存在能源消耗大、污染較大、勞動生產率較低、集約化和科技含量較低、管理水平較低等問題，特別是能量利用效率有巨大的潛力可挖。據統計，我國現有建筑陶瓷企業4300余家，其中國有集體企業700余家，民營及外資企業3600多家，建筑陶瓷輥道窯約8000條，耗能巨大，熱能利用率僅25％左右[3]。窯爐余熱利用率也低，據國內外各種窯型窯爐的資料分析及計算，可回收的余熱大多數用于制品的干燥，有的也用于燒嘴的助燃，但經過配溫，助燃風溫度在70℃～150℃之間，余熱利用率很低，沒有將可回收的較高溫度余熱有效利用[4]。

近幾年來，由于廣大科技工作者的共同努力，采用新技術、新材料、新工藝，使其生產能耗有了大幅度的降低，有的已經接近國際水平。余熱利用方面也取得了突出的成績，進行了多項節能技術的研究，如輥道窯節能管屏余熱利用技術的應用、急冷區域預熱助燃風技術的應用、煙氣余熱干燥技術的應用、煙氣回助燃在建筑陶瓷工業窯爐上的應用、建筑陶瓷工業窯爐余熱發電技術的應用等。但是在實際生產應用中，有些節能技術的改造會影響窯內的燒成制度，很難實現窯爐各段之間的壓力平衡，未能達到預期的節能效果。

為了回收利用較高溫度余熱，穩定實現節能技術的改造，本文基于輥道窯冷卻帶，創新地提出一種余熱利用的新技術--急冷差壓補壓技術，消除或減輕窯爐冷卻帶各段之間、冷卻帶和燒成帶之間的壓力不平衡現象，提高助燃風溫度，提高燃料的燃燒效率，實現能量的高效高用，節約能源、減輕污染、降低生產成本以及提高經濟效益。

1 急冷差壓補壓技術簡介

以輥道窯、干燥窯組成的熱系統為研究對象，應用獨立自主技術改造輥道窯，開發應用窯爐冷卻帶余熱供至燒成帶助燃風系統，并通過對建陶耗能整線進行在線控制，將整套生產裝備作為一個系統，在最優工況下運行，提高助燃風溫度、燃料的燃燒溫度和速度，進而提高燃燒效率，從而實現能量的高效高用，達到節約資源、降低能耗的目的。

圖1 輥道窯急冷抽熱風做助燃風示意圖Fig.1 Extracting hotw ind from urgent cooling as combustion-assistance w ind in the roller kiln

本技術具體內容為：在輥道窯冷卻帶安裝急冷差壓補壓余熱利用系統，由輥道窯急冷段最末端抽出熱風至助燃風機入口，作為二次助燃空氣，直接與燃料進行混合燃燒，具體混合燃燒示意圖如圖1所示；由于抽熱風的緣故，急冷段壓力會出現下降，為了防止因急冷段的壓力減少導致燒成帶內的煙氣倒流至急冷段，保證窯爐的穩定運行，由緩冷抽熱風至急冷段，迅速補充急冷段的差壓。多余的緩冷熱風抽至干燥窯內，起干燥坯體作用。本技術不影響窯爐生產，更不消耗系統以外的能量，大大提高了燃料的熱利用率。輥道窯冷卻帶具體余熱利用系統，如圖2所示。

圖2 熱系統余熱利用示意圖Fig.2 Use ofwaste heat in the thermalsystem

2 急冷差壓補壓技術原理

窯爐冷卻帶余熱特點是數量比較大，純凈無雜質，不含水分，亦不含CO2、N2等阻礙燃燒的氣體，把它用作窯爐助燃風是比較合適的，也是非常簡單的。其根據有三點：（1）因為助燃風的需求量比較多，節能空間大；（2）對溫度的高低沒有特殊要求，多少都可以；（3）需用點相距較近，投資不大，便于利用[5]。

企業中有著豐富的余熱資源，按溫度水平可將余熱分為三個檔次：溫度高于650℃時為高溫余熱；溫度為230～650℃是為中溫余熱；溫度低于230℃時為低溫余熱。據有關部門統計，在建材工業中，來自高溫排煙、窯頂冷卻、高溫產品等余熱來源占部門燃料消耗量的40％左右[6]，而急冷差壓補壓技術所使用余熱來自急冷段，屬于高、中溫余熱，占部門燃料消耗量的20～30％左右。急冷差壓補壓技術是一個充分利用急冷風余熱，抽至助燃風機入口，作為二次助燃空氣，以緩冷抽熱風補充壓差做后盾，提高助燃風溫度，進而提高燃料的燃燒溫度和燃燒速度，穩定窯內燃燒，提高窯爐熱系統熱效率，達到節能效果的技術。在保證輥道窯的最高燒成溫度、產量、燃料消耗量基本不變的情況下，要實現此技術，必須要有窯體結構上的保證。

2.1 要有穩定的窯爐壓力檢測平衡系統、風量自動控制系統、

窯爐密封系統、管路保溫系統

對輥道窯急冷差壓補壓技術的改造是以輥道窯正常工作為前提的，為了保證輥道窯、干燥窯的穩定運行，必須保證上面四個系統穩定運行。

（1）設置窯爐壓力檢測平衡系統，定期地采集急冷段和緩冷段的壓力和溫度信號以及緩冷段和快冷段的壓力和溫度信號。因為急冷段抽熱風，會導致壓力下降，若還是保持以前的急冷風量，將會導致燒成帶內的煙氣倒流至急冷段，使產品熏黑。因此，當出現異常情況時，可以通過調節鼓入的急冷風量以及緩冷抽至急冷段的熱風量，以此消除或減少燒成帶和急冷段間的壓力不平衡現象。緩冷段的穩定運行可以通過保證緩冷段與快冷段間壓力值與改造前一致來實現。也就是只要保證急冷段和緩冷段的壓力與改造前一致，此系統將會穩定運行[6]。

（2）設置風量自動控制系統，與窯爐壓力檢測平衡系統組成聯動系統，采集輥道窯各段的壓力和溫度信號、干燥窯的熱風溫度和熱風流量信號，以此作為控制信號，調節風機的開度，輸出適當的風量，保證熱系統的穩定運行。

（3）設置窯爐密封系統。具體在急冷和燒成帶之間設置擋板和擋墻，并在擋墻上涂一層高溫耐火密封材料，防止因急冷段的壓力減少導致燒成帶內的煙氣倒流。

（4）設置管路保溫系統。急冷段熱風由于溫度比較高，當抽至助燃風機入口前，風管外面可以采用包裹多層低導熱性能的帶鋁箔的硅酸鋁纖維毯，降低熱風輸送過程中的熱損失。很多使用煙煤、重油等含硫量高的燃料，燃燒產生的煙氣對管道產生嚴重的腐蝕，因此，必須對管道采取防腐措施。在管道內涂抹一層3～5mm的防腐材料，這樣既可以起到防腐的作用，又可以加強對管路的保溫效果[5]。

2.2 選用供風量大、耐熱性能好的風機，加大助燃風機的供風能力

由于原來的系統是基于低溫設計的，能夠滿足室溫條件下的要求。然而急冷熱風溫度比較高，空氣體積膨脹，要保持空氣中的氧含量不變，熱風體積流量將會隨著急冷抽熱風的溫度增加而增加。若繼續用以前的風機，將會產生流量不足，一些耐熱性能不好的風機，會因此產生故障，妨礙熱系統的穩定運行。

2.3 改大助燃風的主送風管道及分支至每個噴槍的風管

Vt=V0[1+Av（t-t0）][7]

式中，Vt為溫度為t時的體積；V0為常溫t0時的體積；Av為體積膨脹系數（空氣=216）；t0為加熱前助燃風溫度；t為加熱后助燃風溫度。

從上式可以看出，助燃空氣體積隨溫度提高而提高，在不改變流速的情況下，空氣的流通面積也會增大。因此，為了減少壓力損失，使單位時間內流過的助燃空氣質量保持不變，必須提高空氣的流通面積，即增大助燃風的主送風管道直徑以及分支至各個噴槍的風管直徑。

2.4 選用專用的高溫助燃風燒嘴。

助燃風經預熱提高溫度后，空氣體積膨脹，動力粘性系數增大，流動阻力加大，若繼續采取以前的燒嘴，燒嘴的燃燒能力將會下降，達不到預期的提高燃燒效率的效果。所以應選用與助燃風特性相匹配的穩定可靠的高溫助燃風燒嘴，以提高燃燒效率。

此外，燒嘴助燃風調節閥門、連接軟管等也要用耐熱性能好一些的，防止不耐高溫的材質過早損壞。

3 結語

輥道窯急冷差壓補壓技術是一項先進的、具有創造性的余熱利用技術。它在不影響輥道窯運行的情況下，對窯爐的燒成帶助燃風系統、急冷段和緩冷段進行改造，通過窯爐壓力監測平衡系統、窯爐密封系統、風量自動控制系統和管道保溫系統四大技術系統來保證急冷差壓補壓技術的實現。通過這項技術，可以充分利用冷卻帶余熱，提高燃燒溫度，進而提高燃燒效率，節約能源，降低能耗，減輕污染，提高經濟效益。對于建陶行業這樣的第一耗能大戶，意義將是非常重大的。面對社會能源緊張和環境污染問題的嚴峻挑戰，陶瓷企業應大膽嘗試使用新技術、新工藝、新設備，為陶瓷企業節能減排引領方向，推動陶瓷行業向節能化、技術化、環保化方向發展，實現經濟利益和環境效益的雙贏[3]。

1曾令可，鄧偉強等.陶瓷工業能耗的現狀及節能技術措施.陶瓷學報，2006，27（1）：109～115

2曾令可，宋婧，稅安澤等.淺談噴霧干燥塔的節能措施.陶瓷，2008（2）：35～36

3汪和平，沈超群等.輥道窯節能管屏技術應用前景分析研究.中國陶瓷工業，2009.16（5）：8～10

4張根栓，劉振賢，楊托.氣燒輥道窯余熱利用的研究.實驗與研究，2009（6）：79～81

5徐景福，炊敬甫.輥道窯尾冷段余熱利用淺析.陶瓷，2007（2）：36～38

6馮青，羅強等.輥道窯節能管屏技術的原理分析研究.陶瓷學報，2009，30（4）：551～553

7謝炳豪，羅漢國.提高輥道窯助燃風溫度的探討.佛山陶瓷，2007（11）：11～14