陶瓷輥道窯余熱綜合利用技術(shù)*

范新暉

(佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司 廣東 佛山 528031)

前言

建筑陶瓷行業(yè)是我國能源消耗大戶，節(jié)能減排、低碳環(huán)保是陶瓷行業(yè)永遠(yuǎn)的追求，技術(shù)節(jié)能具有廣闊的發(fā)展空間。目前在陶瓷工業(yè)中使用的窯爐主要有：隧道窯、輥道窯和梭式窯3大類。其中，輥道窯具有產(chǎn)量大、質(zhì)量好、能耗低、自動(dòng)化程度高、操作方便、勞動(dòng)強(qiáng)度低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今陶瓷窯爐的發(fā)展方向。因此，對(duì)陶瓷輥道窯的余熱進(jìn)行綜合利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，將智能控制技術(shù)及裝備技術(shù)應(yīng)用在陶瓷輥道窯和其它耗熱設(shè)備上，通過優(yōu)化工藝和設(shè)備改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)能源高效利用是非常有意義的。

國內(nèi)外對(duì)陶瓷窯爐余熱利用的研究有很多，余熱利用在國外也很受重視，視其為陶瓷工業(yè)節(jié)能的主要環(huán)節(jié)。目前窯爐余熱已利用的有高溫?zé)煔夂屠鋮s熱風(fēng)兩部分，國外對(duì)煙氣帶走的熱量和冷卻物料消耗的熱量(占總窯爐耗能的45%～70%)這一數(shù)量可觀的余熱利用較好。國外將余熱主要用于干燥和加熱助燃空氣，目前歐洲陶瓷企業(yè)普遍采用在窯爐上安裝附加余熱利用裝置，進(jìn)行余熱的再回收利用。對(duì)于排煙廢熱的余熱利用，亦采用換熱器進(jìn)行能量收集，并輸送到所需場所。其綜合節(jié)能的效果十分顯著(熱效率達(dá)到80%～90%)。

1 輥道窯余熱利用途徑

陶瓷行業(yè)是一個(gè)高能耗的行業(yè)，尤其是噴霧造粒，干燥和窯爐3個(gè)環(huán)節(jié)需要消耗大量的熱能。隨著燃料價(jià)格的不斷上漲，各個(gè)陶瓷廠的生產(chǎn)成本節(jié)節(jié)高升。據(jù)建筑陶瓷廠提供的綜合數(shù)據(jù)， 僅燃料成本一項(xiàng)差不多就占了整個(gè)陶瓷行業(yè)成本的 1/4～1/3，由于窯爐是高溫?zé)稍O(shè)備，其燃料消耗和排放居于首位。目前，國內(nèi)外窯爐余熱利用已經(jīng)取得很成功的經(jīng)驗(yàn)，窯爐余熱已利用的有高溫?zé)煔夂屠鋮s熱風(fēng)兩部分。高溫?zé)煔?，主要用在干燥器上，或者將其利用在噴霧塔中進(jìn)行噴霧干燥；冷卻熱風(fēng)，主要利用途徑有3種：用在干燥器上，用作窯爐助燃風(fēng)，把干燥器上用不完的余熱抽去噴霧塔使用(主要針對(duì)內(nèi)墻磚二次燒成)。窯爐冷卻熱風(fēng)、熱煙氣利用基本可滿足坯體干燥的零燃料消耗。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，現(xiàn)在各個(gè)陶瓷廠已經(jīng)進(jìn)行了各種各樣的節(jié)能改造，但主要措施仍然集中在將排煙和冷卻余熱用于干燥坯體方面。下面僅對(duì)輥道窯余熱利用的方案提出了幾種模式，僅供技術(shù)人員結(jié)合企業(yè)自身實(shí)際情況參考使用。

1.1 多層強(qiáng)制對(duì)流快速干燥方法

利用多層干燥窯采用強(qiáng)制對(duì)流快速干燥方式對(duì)坯體進(jìn)行干燥。其供熱系統(tǒng)包括有供熱風(fēng)盒組件、吹風(fēng)管、供熱調(diào)節(jié)閥、供熱連通管、熱電偶，其中供熱風(fēng)盒組件為多組左右對(duì)稱地安裝在輥道干燥通道的輥棒上和輥棒下，吹風(fēng)管裝配在左右兩邊的多組供熱風(fēng)盒組件之間，且分別與左右兩邊的供熱風(fēng)盒組件相接；吹風(fēng)管上設(shè)有均勻分布的吹風(fēng)孔，且吹風(fēng)孔覆蓋了干燥窯的整個(gè)斷面。熱風(fēng)通過吹風(fēng)管上的吹風(fēng)孔對(duì)磚坯上、下表面垂直噴射，實(shí)現(xiàn)磚坯的強(qiáng)制對(duì)流干燥和設(shè)備內(nèi)磚坯的連續(xù)均勻受熱、干燥。還有一邊的供熱風(fēng)盒組件通過供熱調(diào)節(jié)閥與供熱連通管相連，且在供熱連通管上安裝有熱電偶，用以反饋干燥窯溫度控制信號(hào)。圖1為多層干燥窯的供熱系統(tǒng)。

圖1 多層干燥窯的供熱系統(tǒng)

1.2 輥道窯熱風(fēng)增壓助燃技術(shù)

通過二級(jí)環(huán)回增壓燒嘴，在高溫?zé)蓞^(qū)或預(yù)熱區(qū)窯爐左右兩側(cè)單管燃?xì)鈬姌尩南路?，均設(shè)有一組相同的雙管組合噴槍，其由一支高壓噴槍和一支低壓噴槍橫向或縱向排列，穿過雙孔法蘭管的管孔組合而成，其中短噴槍與單管燃?xì)鈬姌尩臉尮荛L度相同。

高壓噴槍工作時(shí)，先進(jìn)入一次空氣(壓力為200 MPa)，與煤氣在一級(jí)混合區(qū)進(jìn)行初次混合；然后二級(jí)高壓助燃風(fēng)進(jìn)入(壓力為100 MPa)，在其高壓作用下，噴槍內(nèi)的氣流成為漩渦狀，在二次混合區(qū)內(nèi)和一次混合后的燃料進(jìn)行第二次混合，使助燃風(fēng)和燃料充分混合，其混合效果好，流速大。在窯爐寬度比較大時(shí)，增加一個(gè)低壓噴槍，低壓噴槍的流速約為30 m/s，而高壓噴槍的噴速則能達(dá)到80～90 m/s，低壓噴槍和高壓噴槍的配合使用，能大大減小寬體窯爐中部與兩邊的溫差。

二級(jí)環(huán)回增壓技術(shù)的使用，將窯爐急冷后300 ℃以上的高溫?zé)犸L(fēng)作為助燃風(fēng)使用，改善了煤氣與助燃風(fēng)混合效果，使燃料的燃燒效果得到了提高，達(dá)到余熱充分利用，而且避免了陶瓷磚產(chǎn)生色差和尺寸偏差，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品的燒成速度。

1.3 多層干燥窯余熱循環(huán)利用方法

在干燥窯磚坯與熱風(fēng)進(jìn)行熱交換，將坯體內(nèi)的自由水蒸發(fā)掉。熱交換后的潮濕低溫氣體通過干燥通道的輥棒上、下的排濕風(fēng)盒組件、排濕調(diào)節(jié)閥、排濕連通管排出。其中小部分潮濕低溫氣體通過連通的排濕主管、排濕風(fēng)機(jī)、排濕煙囪排到設(shè)備外，大部分潮濕低溫氣體通過與循環(huán)風(fēng)機(jī)入口連通的外來余熱主管道打入的外來高溫余熱混合，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)打入供熱連通管、供熱風(fēng)盒組件，熱風(fēng)通過吹風(fēng)管的吹風(fēng)孔對(duì)磚坯進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流干燥；并且循環(huán)熱風(fēng)在設(shè)備內(nèi)反復(fù)循環(huán)，保持恒溫、恒濕、定量小排放，充分利用能源，減少排放，實(shí)現(xiàn)陶瓷磚坯快速干燥。圖2為多層干燥窯的排濕系統(tǒng)和余熱循環(huán)利用示意圖。

圖2 多層干燥窯的排濕系統(tǒng)和余熱循環(huán)利用示意圖

1.4 快冷區(qū)余熱回收技術(shù)

目前，輥道窯窯尾快冷區(qū)爐內(nèi)熱氣溫度一般為200～300 ℃，余熱通常被浪費(fèi)掉未能有效地加以利用，而在熱風(fēng)爐和干燥器煤氣燃燒的過程中，都需要熱風(fēng)進(jìn)行增氧助燃，但該領(lǐng)域的余熱利用在行業(yè)中仍處于探索階段。

現(xiàn)今有部分企業(yè)在快冷區(qū)內(nèi)的風(fēng)機(jī)設(shè)置了2條風(fēng)管，一條吸入窯內(nèi)的熱風(fēng)，然后通過另一條風(fēng)管將煙氣噴回窯內(nèi)，在風(fēng)機(jī)的吸力和推力作用下，窯內(nèi)的氣體形成了一股攪拌的回旋風(fēng)在窯內(nèi)左右回旋。通過回旋風(fēng)不斷與磚坯接觸，使空氣與磚坯得到進(jìn)一步的熱交換，待煙氣和磚坯得到充分的熱交換后，使空氣能將磚坯的熱量帶出，然后通過風(fēng)機(jī)將煙氣抽到干燥器中加以利用。磚坯余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，可使產(chǎn)品出窯溫度控制在150 ℃以下，不但讓磚坯的余熱得到進(jìn)一步的利用，而且減少了產(chǎn)品的后期變形，改善了窯爐操作的工作環(huán)境。

余熱回收技術(shù)的原理為：陶瓷窯爐依次包括預(yù)熱區(qū)、燒成區(qū)、急冷區(qū)、緩冷區(qū)、真空區(qū)和窯尾快冷區(qū)，其中緩冷區(qū)窯爐的上方設(shè)有2臺(tái)串接的A風(fēng)機(jī)，貫穿于緩冷區(qū)窯爐的上部(設(shè)有一條進(jìn)氣管)，每臺(tái)A風(fēng)機(jī)的下方進(jìn)氣口與進(jìn)氣管相通，每臺(tái)A風(fēng)機(jī)的上方排氣口與一條排風(fēng)管相通，排風(fēng)管與燒成區(qū)窯爐相通，窯尾快冷區(qū)窯爐的上方橫向設(shè)有一條熱氣進(jìn)氣總管，與窯尾快冷區(qū)窯爐相通，并經(jīng)過2臺(tái)串接的B風(fēng)機(jī)后與緩冷區(qū)窯爐爐底的若干條下輸氣管垂直相連，所有下輸氣管均沿緩冷區(qū)窯爐爐底至預(yù)熱區(qū)窯爐爐底的方向橫向延伸；燒成區(qū)窯爐的上方設(shè)有一條與陶瓷干燥器相通的一級(jí)輸出管，其下部與經(jīng)過燒成區(qū)窯爐爐底的所有下輸氣管垂直相連；一級(jí)輸出管上經(jīng)過燒成區(qū)窯爐爐頂?shù)牟课?，與若干條上輸氣管垂直相連，所有上輸氣管均沿?zé)蓞^(qū)窯爐爐頂至預(yù)熱區(qū)窯爐爐頂?shù)姆较驒M向延伸；預(yù)熱區(qū)窯爐起始處，設(shè)有一條二級(jí)輸出管，其下部與所有下輸氣管的尾端垂直相連，其上部與所有上輸氣管垂直相連，所有上輸氣管的尾端經(jīng)過串接的2組風(fēng)機(jī)與陶瓷熱風(fēng)爐相通，每組風(fēng)機(jī)包括2臺(tái)并聯(lián)的流量和壓力相等的C 風(fēng)機(jī)。由于可將窯尾快冷區(qū)及緩冷區(qū)窯爐的熱氣，通過若干條下輸氣管和上輸氣管，分別在爐底和爐頂進(jìn)行輸送，最后經(jīng)一級(jí)輸出管和二級(jí)輸出管，分別輸送到陶瓷干燥器和熱風(fēng)爐中增氧助燃，從而實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能效果，熱利用率可達(dá)60%～70%，整體節(jié)能率達(dá)15%～25%。

1.5 連續(xù)蓄熱燃燒技術(shù)

陶瓷行業(yè)是廣東省的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著陶瓷行業(yè)節(jié)能、環(huán)保壓力的增大，如何利用陶瓷窯爐的煙氣余熱、降低生產(chǎn)過程中氮氧化合物排放等問題也被陶瓷企業(yè)提上工作日程。

輥道窯在陶瓷行業(yè)中由于產(chǎn)量大、連續(xù)生產(chǎn)，從而能源消耗居首位。因此，在遵循其生產(chǎn)工藝要求的前提下，合理回收余熱，實(shí)現(xiàn)余熱的梯級(jí)利用，利用連續(xù)蓄熱燃燒技術(shù)優(yōu)化爐膛內(nèi)速度場、溫度場和壓力場，將有利于節(jié)能減排，提高產(chǎn)品的競爭力。采用連續(xù)蓄熱燃燒技術(shù)，在對(duì)燒成段余熱進(jìn)行部分利用的同時(shí)，還可以有效的改善其速度場、溫度場，提高爐膛的溫度均勻性。

連續(xù)蓄熱燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔庥酂岬臉O限回收，可以向燃燒器連續(xù)提供高溫空氣，且高溫?zé)煔饪梢猿掷m(xù)從爐膛的固定點(diǎn)排放。陶瓷生產(chǎn)過程中煙氣的從高溫段向低溫段有序流動(dòng)，在此過程中可將煙氣的余熱回收，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)熱，可提高生產(chǎn)效率及熱利用率。在輥道窯上應(yīng)用連續(xù)蓄熱燃燒技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔庥酂岬臉O限回收，可以向燃燒器連續(xù)提供高溫空氣，且高溫?zé)煔饪梢猿掷m(xù)從爐膛的固定點(diǎn)排放。通過利用窯內(nèi)煙氣流動(dòng)，改善爐膛內(nèi)溫度場分布，一方面從燒成段燃燒器對(duì)面的爐墻上抽取部分高溫?zé)煔?，可以使窯內(nèi)斷面溫度更加均勻，特別適用于寬體窯；另一方面通過連續(xù)蓄熱方式提高助燃空氣溫度，可以達(dá)到縮小溫差，提高熱效率的目的，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 結(jié)語

實(shí)踐證明,陶瓷窯爐余熱利用是可行的，充分利用陶瓷窯爐中的熱量，既節(jié)約了能源，也對(duì)地球環(huán)境做出了一份貢獻(xiàn)，上述幾種節(jié)能方式已經(jīng)在一些陶瓷企業(yè)采用，普遍反映取得了顯著的節(jié)能效益，其節(jié)能率為18%～35%，日耗燃煤可節(jié)約20%～30%，CO2、SO2、NOx及粉塵等污染物的排放總量分別減少16%、16%、16%和25%以上。

陶瓷行業(yè)作為高能耗、高消耗的行業(yè)，通過節(jié)能技術(shù)的實(shí)施、研發(fā)新型節(jié)能技術(shù)及設(shè)備、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和窯爐技術(shù)革新，都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，可為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)揮舉足輕重的作用。陶瓷輥道窯余熱綜合利用技術(shù)的運(yùn)用，將有力地推動(dòng)陶瓷行業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的步伐，從而為陶瓷企業(yè)建立節(jié)能、清潔、循環(huán)、低碳的新型生產(chǎn)方式提供強(qiáng)有力的科技支撐。