大截面日用陶瓷隧道窯的節(jié)能分析

郭俊平，曾令可

(1.潮州市窯爐窯具研究所，廣東 潮州 521000；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

大截面日用陶瓷隧道窯的節(jié)能分析

郭俊平1，曾令可2

(1.潮州市窯爐窯具研究所，廣東 潮州 521000；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

采用現(xiàn)代的設計理念，在長度相仿的基礎上擴寬隧道窯的可裝載截面，結(jié)合改進窯頂結(jié)構(gòu)、冷卻帶結(jié)構(gòu)、新型燒嘴的選配等。保證寬窯溫度均勻性好，上下溫差小，確保了燒成質(zhì)量，提高產(chǎn)量。與普通隧道窯相比，具有良好的節(jié)能效果。

日用陶瓷隧道窯；大截面；節(jié)能降耗

陶瓷生產(chǎn)是屬于能耗較高的產(chǎn)業(yè)，尤其是燒成工序，占整個陶瓷生產(chǎn)總能耗的65%以上。多年來，陶瓷行業(yè)為節(jié)能減排傾注了大量的心血，取得了一定的成果。這既符合我國的節(jié)能減排政策，又為企業(yè)降低成本發(fā)揮了積極的作用。當前，在日用陶瓷、陶瓷衛(wèi)生潔具、藝術(shù)陶瓷等多種陶瓷的生產(chǎn)中，隧道窯燒成占了重要的位置。研究隧道窯的節(jié)能措施意義重大，通過對近期投入運行的大截面日用陶瓷隧道窯進行測試，并與同長度不同斷面隧道窯進行比較，節(jié)能明顯。

1 基本參數(shù)

目前，在日用陶瓷燒成過程中，普遍使用的還是燃氣隧道窯，其可裝載寬度大多在1000mm左右，小規(guī)格隧道窯可裝寬度僅560mm左右，一般是900mm至1160mm，較大規(guī)格有1350mm。我們和四通集團股份有限公司合作設計建造的大截面隧道窯，內(nèi)寬為2380mm，可裝載寬度為2260mm。為了保證窯爐有更合理的可比性，選擇了同一陶瓷生產(chǎn)企業(yè)、燒成產(chǎn)品品種相同、使用燃料相同、裝截方法相同的、內(nèi)寬950mm的普通隧道窯，并由同一檢測單位進行熱平衡測試。

受測試兩窯的基本參數(shù)如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，大截面隧道窯的可裝載截面積是普通隧道窯可裝截面積的2．4倍。由于窯內(nèi)寬增大，如何保證窯內(nèi)溫度曲線的合理，以及每一斷面溫度的均勻性，即窯高度方向上溫差小，故在設計及制作中采取了如下技術(shù)措施：

(1)減小預熱帶的長度比例

大截面隧道窯的預熱帶長度為10．3m，占窯總長63．8m的16%。而小斷面隧道窯預熱帶長度為16．15m，占總窯長68．5m的24%，即寬斷面窯預熱帶長度減少了8%。為什么大截面隧道窯的預熱帶長度要比普通隧道窯比例小，因為在總長度不變（受車間埸地限制）的情況下，大截面隧道窯進窯物料量大（產(chǎn)品及窯具），吸熱量多，從燒成帶流過來的高溫煙氣向窯頭前移時容易被進窯物體吸收，造成窯頭溫度偏低。所以，必須提前布置燒嘴，給預熱帶補充足夠的熱量，以提高預熱帶溫度，為產(chǎn)品的氧化及燒成留出時間余地。

表1 所測試的兩窯的基本參數(shù)Tab.1 Main parameters of the two kilns

(2)加長冷卻帶的長度比例

冷卻帶長度為26．5m，占窯總長度的42%，比普通隧道窯冷卻帶長21．35m(占窯爐總長度的31%)，即減少了11%。因為大截面隧道窯的制品燒成后離開燒成帶時，由于窯車裝載量大，寬窯的單車裝載量為2m3，是普通隧道窯裝載量的兩倍。而推車速度（3．5－2．62／2．62＝1．34）提高了1．34倍，故帶出的熱量大，而且寬體窯窯車上堆積大體積的燒成制品更難散熱，需要更充足的冷卻時間。

(3)特殊的預熱帶結(jié)構(gòu)

由于推車速度比普通隧道窯大，考慮到大截面隧道窯的特點，在預熱帶作了相應的結(jié)構(gòu)處理。在預熱帶窯頂內(nèi)側(cè)，裝有多道送風氣幕，送風口的方向朝向燒成帶并向下傾斜約30°角，因為隧道窯的預熱帶垂直裝載面熱氣體會自動上浮使上層溫度高，下層溫度低，形成窯內(nèi)高度上的溫差，并引起上層窯壓增大。而燒成帶熱氣沿窯長流向窯頭，當設置窯頂氣幕后，氣幕的吹向與熱煙氣的流向相反，使熱煙氣產(chǎn)生前移阻力，降低了移動速度，有利于熱量充分交換，使進窯坯體干燥更充分、加熱更均勻。同時，上層氣體阻力增大后，迫使煙氣下行，降低上下溫差，增加了下層坯體的吸熱，由于氣幕送入的是常溫空氣，限制了上層坯體的急劇升溫。

圖1 冷卻帶馬福式窯墻結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The muff l e wall structure of the cooling zone

大家都知道，當預熱帶氣體分層時，為了照顧下層坯體的預熱時間，必須降低推車速度。所以，采取上述措施后，大大地縮小了預熱帶溫差，提高了熱交換效率，有利于提高車速，增加產(chǎn)量。

(4)波紋式耐熱金屬馬福板的應用

在冷卻帶結(jié)構(gòu)處理方面，除了采取延長冷卻段比例外，還在冷卻帶的窯體內(nèi)層墻和內(nèi)層頂部采用耐熱金屬波紋板，將窯爐內(nèi)腔和窯車制品隔離，形成馬福式窯墻（如圖1所示）。由于截面大，且車速快，從燒成段帶入冷卻段的熱量大，若得不到很好冷卻，會造成出窯產(chǎn)品溫度過高易產(chǎn)生產(chǎn)品風裂。如果冷卻得太快，即鼓冷風量太大，不符合燒成產(chǎn)品的冷卻要求，則會產(chǎn)生炸裂等缺陷。所以，一方面需延長冷卻帶長度，即延長了降溫周期；另一方面，要盡量減少鼓入的冷風對燒成產(chǎn)品的影響，故在冷卻段相當一部分長度采用耐熱波紋板做成的內(nèi)金屬墻的馬福壁板，把燒成的產(chǎn)品連窯車一起包封起來，波紋板和窯內(nèi)壁形成一空腔，冷卻風在空腔內(nèi)流動，通過波紋板間接冷卻燒成后的制品。既提高了熱交換效率，加快了降溫速度，又有利于提高推車速度。

(5)預混式燃燒器和空／燃比例調(diào)節(jié)閥的配合作用

在燒成帶安裝預混式燃燒器，燃燒完全，燃氣通道上設有用于檢測空氣通道中的空氣壓力并根據(jù)空氣壓力調(diào)節(jié)燃氣通道流量的空氣／燃氣比例閥。按比例調(diào)節(jié)燃氣量，加上配套PLC自動控制，可以對燃燒時的空氣過剩系數(shù)進行控制，有效地提高窯內(nèi)溫度、氣氛、壓力的穩(wěn)定，優(yōu)化燒成周期，提高余熱回收利用率。

表2 大截面與普通隧道窯熱平衡表(最高燒成溫度1270℃，計算基準：1h)Tab.2 The heat balances of the large cross-section and the ordinary tunnel kilns

表3 節(jié)能效果對比表Tab.3 Comparison of energy saving results

(6)平-拱頂結(jié)合及燒成帶擋火板的合理設置

寬斷面隧道窯窯頂?shù)脑O計采用平頂和拱頂相結(jié)合的方式，在預熱帶和冷卻帶的窯頂采用平頂，燒成帶窯頂則采用拱頂結(jié)構(gòu)。這樣，在預熱帶和冷卻帶的平頂結(jié)構(gòu)可降低窯頂空間使迫近窯車頂面，增大熱氣流的流阻，有利于兩帶溫度的均勻及窯外冷空氣的漏入。而燒成帶的拱頂有利于輻射傳熱及窯內(nèi)溫度的均勻，因在燒成帶的傳熱中以輻射傳熱為主，占80%以上，而輻射傳熱的效率與溫度的四次方成正比，與輻射層的厚度（即拱高度）成正比，故采用拱頂結(jié)構(gòu)可大大地提高傳熱效率和溫度的均勻性。同時在拱頂處設置一個以上的擋火板，檔火板的上端與拱頂連接，檔板的下端靠近隧道窯內(nèi)產(chǎn)品裝載的上平面，熱氣流沿著頂拱的內(nèi)高加速向前時受到擋板的阻檔會改變流向，使燒成帶內(nèi)上部的氣流成“≈”型氣流走向，加速熱氣流的攪動，達到溫度均勻的特別效果。

2 熱平衡測試結(jié)果分折

由廣東某省屬研究所對兩種窯型進行熱平衡測試，數(shù)據(jù)如表2所示。測試數(shù)據(jù)表中熱收入Q1只取燃料燃燒化學熱單項，其它物料進窯帶入的顯熱勿略不計。

從表2可以看出，大截面隧道窯由于產(chǎn)量的增加坯體水份蒸發(fā)及物化反應耗熱明顯增加。出窯產(chǎn)品及窯具帶出顯熱增加不大，窯車帶出顯熱、煙氣帶出顯熱、抽熱風帶出顯熱、窯體表面散熱4項相差不大。結(jié)合大截面隧道窯結(jié)構(gòu)特點，各項數(shù)據(jù)分析如下：

(1)坯體水份蒸發(fā)及加熱水蒸氣耗熱、坯體燒成過程分解粘土耗熱兩項都比普通隧道窯大幅增加，因大截面隧道窯進窯坯體量大，蒸發(fā)、分解熱量是不能避免吸熱。

(2)出窯產(chǎn)品及窯具帶出顯熱略為增加，但未按產(chǎn)品比例量增加，因為設計中，考慮到大截面隧道窯產(chǎn)量大的特點，冷卻段窯墻及窯頂，內(nèi)襯采用耐熱波紋金屬墻，強化熱交換效率。同時，窯尾強制送風，使出窯產(chǎn)品、窯具溫度大為降低，使帶出的顯熱并未按產(chǎn)量增加的比例而增加。

(3)窯車是周期性加熱的窯爐附屬設備，為降低窯車的吸熱，設計中采用低吸熱材料砌筑。即下層輕質(zhì)耐火磚，上層耐火纖維，大大減少預熱帶的吸熱量，進入冷卻帶后大大減少帶入冷卻段的熱量及窯車出窯帶出的顯熱，所以，雖然增加了窯車的面積，但窯車帶出的顯熱增加不大。

(4)煙氣從燒成段往預熱段移動的過程中，煙氣的熱量交換傳給坯體及窯具。由于大截面隧道窯進窯的坯體及窯具量大，相應吸熱量也大，更有利于煙氣的熱量傳給坯體，從而降低了煙氣的排出溫度，減少了煙氣的離窯顯熱。

(5)大截面隧道窯產(chǎn)量大，帶入冷卻段的熱量也多，傳統(tǒng)的冷卻方法是不能滿足要求的，由于在窯墻、窯頂內(nèi)襯采用耐熱金屬墻，特別指出的是：該金屬墻是馬福壁式，即從爐膛外空腔抽熱，既達到快速換熱，又不影響窯內(nèi)氣流。而在普通隧道窯中，冷卻段抽熱風的風口大多都與窯內(nèi)相通，影響了窯內(nèi)的氣流，導致燒成段熱量后移。既增加了冷卻段的負擔，又增加了熱風的抽出量，導致能耗增加。所以，本窯爐雖然窯車中產(chǎn)品帶入冷卻帶的熱量增加，但抽熱風帶出的顯熱基本上沒增加。

(6)對于大截面隧道窯，裝載截面增加很大，但墻體表面積增加只有窯頂加寬部分，再加上對比中的大截面隧道窯長度略短。所以，窯體表面的散熱基本沒增加。

3 節(jié)能效果

在熱效率及產(chǎn)品單耗中，充分體現(xiàn)了大截面隧道窯的節(jié)能優(yōu)勢，計算數(shù)據(jù)見表3。從表3得知，普通隧道窯每公斤產(chǎn)品能耗0．468kg標煤，而大截面隧道窯每公斤產(chǎn)品能耗0．219kg標煤，下降了約50%，窯爐的熱效率提高了一倍多，達到了當前國內(nèi)外日用陶瓷燒成能耗的先進水平。這不僅是當前國家政策上需要的節(jié)能效果，也是企業(yè)迫切要求的經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

(1)大截面隧道窯，要得到好的燒成效果及提高推車速度，必須解決好截面的溫差問題，特別是預熱帶的上下溫差，在設計中可采用預熱段平衡氣幕。

(2)為解決大截面隧道窯帶入冷卻段的大量熱量，提高降溫速度，冷卻段內(nèi)墻可采用耐熱金屬波紋板制成的馬福壁結(jié)構(gòu)。

(3)采用平頂—拱頂結(jié)合的窯頂結(jié)構(gòu)有利于窯內(nèi)溫度的均勻，提高窯爐的熱效率。

(4)大截面隧道窯單位產(chǎn)量大，能耗低，節(jié)能顯著，在日用陶瓷生產(chǎn)中仍是推廣的方向之一。

Energy Conservation of Large Cross-Section Tunnel Kiln for Domestic Ceramic Production

GUO Jianping1, ZENG Lingke2
(1.Chaozhou Research Institute of Kilns and Furnaces, Chaozhou, Guangdong 521000; 2. South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640)

In this study, modern concepts have been introduced to improve the design of a tunnel kiln for domestic ceramic production. While the length of the kiln remains the same, the cross section for loading the kiln is broadened, the top of the kiln and the structure of the cooling zone are altered, and new types of burners are used. The changes in these aspects can produce the uniformly-distributed temperature prof i le on the wide cross section of the kiln and small top-bottom temperature difference, and consequently ensure better fi ring quality and larger output. Compared with an ordinary tunnel kiln, the larger cross-section option yields a higher energy saving result.

tunnel kiln for domestic ceramic production; large cross-section; energy conservation and cost reduction

TQ174.6+53

A

：1006-2874(2014)01-0043-04

2013-11-02 Received date: 2013-11-02

曾令可，教授Correspondent author: ZENG Lingke, Professor E-mail: lingke@scut.edu.cn