衛生潔具輥道窯熱平衡測試與節能分析

歐儉平，魏永春，馬愛純，陳宗威，賈金鵬

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

衛生潔具輥道窯熱平衡測試與節能分析

歐儉平，魏永春，馬愛純，陳宗威，賈金鵬

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

摘 要：為提高某陶瓷廠衛生潔具輥道窯熱技術水平，解決實際生產中產量達不到設計要求、熱效率低等問題，對該輥道窯實際生產數據進行了測試和采集，以此為基礎進行了熱平衡計算，并對計算結果進行了分析。結果表明：輥道窯熱效率為65.4%，能源利用效率一般，節能潛力較大。可通過合理組織燃燒、降低煙氣抽出量、優化排煙方式、選用薄托板等措施來進一步提高輥道窯熱效率。

關鍵詞：衛生潔具；輥道窯；熱平衡測試；節能

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0　引 言

目前，我國共有建筑衛生陶瓷廠3000多家，大小窯爐上萬座，年耗標準煤近500萬噸，但能源利用效率普遍較低，僅為歐美先進窯爐的一半[1]。在陶瓷生產中，窯爐燒成能耗占到企業綜合能耗的60%-80%[2]，其能源利用效率決定著整個陶瓷行業的能耗水平。國內相關學者在陶瓷窯爐節能方面做了一些研究，在輥道窯燒嘴布置方面，劉明等[3]采用VB軟件編制輥道窯能耗分配通用軟件；陳功備等[4]模擬陶瓷窯爐溫度分布特點，測試不同溫度下不同耐火材料的導熱系數，為窯爐耐火材料的選取提供了參考。但如何根據窯爐實際運行狀況進行有針對性的節能改造，仍是急需解決的生產實際問題。目前熱平衡測試是對熱工設備進行診斷分析的重要方法，是加強 能源管理、提高能源利用水平、降低能源消耗的重要基礎工作[5]。湖南臨澧某陶瓷廠一座設計產能為25 t/d的衛生潔具輥道窯在生產中存在產量達不到設計要求、排煙溫度高、熱效率低等問題，為掌握其熱工狀況，解決相關熱工問題，提高能源利用效率，對其進行熱平衡測試分析。

1　測試對象

測試針對湖南臨澧某陶瓷廠25 t/d的衛生潔具輥道窯的全窯系統進行。該輥道窯為單層、明焰、氣燒輥道窯，主要生產蹲便器、洗面器、欄桿柱等衛生潔具產品。采用兩塊托板并排立裝燒成，通過輥棒的轉動帶動制品完成整個燒制過程。窯內空寬1.22 m，窯內空高0.78 m，有效長度44 m，共22節，其結構示意圖如圖1所示。輥道窯燃料采用天然氣，燃料低位發熱量35934 kJ/ m3。產品燒成溫度約1183 ℃，燒成周期約6.3 h，測試期間，其實際產量為18 t/d，環境溫度30.3 ℃。

圖1　輥道窯結構示意圖Fig.1 Diagram of roller kiln structure

2　測試方案

熱平衡計算體系為整個窯爐，只考慮窯體本身熱量收入和支出的平衡。基準溫度為測試期間正常生產的平均環境溫度。測試期間生產工藝過程穩定，測試過程不影響正常生產，測試持續時間大于燒成周期。測試包括現場既有儀表數據采集、現場熱工參數測試和實驗室測定分析三部分。

實驗室測定分析主要包括粘土含量、坯體吸附水和結晶水含量的測定；現場既有儀表數據采集主要包括燃料溫度、成分以及實際消耗量數據的收集；現場熱工參數測試主要包括①環境溫度的測定；②助燃風及冷卻空氣溫度和動壓的測定；③抽熱風成分、溫度和動壓的測定；④煙氣成分、溫度和動壓的測定；⑤生坯入窯溫度和質量的測定；⑥成品出窯溫度、質量和最高燒成溫度的測定；⑦托板質量、實際運行速度以及入窯和出窯溫度的測定；⑧窯墻、窯頂和窯底外表面溫度以及爐膛內溫度的測定。

3　測試結果及分析

3.1測試結果

窯爐熱平衡體系只取窯體本身。以1 t出窯成品的熱量消耗為計算基準，以現場測得環境溫度為基準溫度。根據《陶瓷工業窯爐熱平衡、熱效率測定與計算方法》 (GB/T 23459-2009)[6]進行計算。熱平衡計算結果如表1所示，由于坯體表面溫度、助燃空氣溫度以及冷卻帶吹冷風溫度均為環境溫度，故該部分顯熱未計入熱量收入項中。

3.2節能分析

由表1可以看出，該型輥道窯燒成產品的熱效率為65.4%，與國內某型輥道窯熱效率達85.87%[7]相比，該輥道窯熱效率指標處于中等水平，節能空間較大。通過對熱量收入和支出各項分析，深入挖掘輥道窯節能潛力，對提升窯爐技術水平具有重要意義。

3.2.1熱收入項分析

在熱量收入項中，燃料的燃燒熱占總收入熱量的99.81%，在總熱量收入不變情況下，提高托板帶入熱量，可減少燃料使用量，達到節能效果。測試中發現，托板出窯時溫度達66.5 ℃，而入窯時溫度為46.9 ℃，托板余熱損失約29.5%。由于現場備用托板數量較多，托板從窯尾運出后，工人多數將其擱置一旁自然冷卻。若科學組織生產，在窯尾運出的托板達到一定數量后立即送入窯頭進入窯內，則該部分余熱便可得到有效回收。按擺放冷卻及運輸過程中托板余熱不可避免損失10%進行估算，則年可減少0.28 億kJ的能量損失，即每年可節約780 m3的天然氣消耗量。

3.2.2熱支出項分析

(1)成品帶出熱量

由表1可知，成品帶出顯熱0.91%。降低出窯產品溫度不僅對提高窯爐能源利用效率具有重要意義，同時也有利于優化工人操作環境，提高工作效率。由于輥道窯尾冷區設置有吹冷風機，因此在窯體長度不變情況下，可通過縮短緩冷區長度、加長尾冷區長度來實現降低產品出窯溫度這一目的[8]。按出窯成品帶出顯熱降低40%進行估算，則采取措施后年可減少1.5 億kJ的能量損失，即每年可節約4205 m3的天然氣消耗量。

(2)化學不完全燃燒熱損失

生產1 t成品產生的化學不完全燃燒熱損失達3629 kJ，產生該類熱損失的原因主要與爐膛結構、空氣消耗量系數以及運行操作水平等因素有關。生產過程中為滿足烘房干燥需要，煙氣抽出量過大，煙氣行程變短，煙氣中的可燃氣體未來得及燃燒便已抽出爐膛。可從合理調整煙氣抽出量來降低化學不完全燃燒熱損失。

(3)煙氣帶出顯熱

煙氣帶出顯熱占熱量總支出值較高，達27.53%。現場測試中發現管道內煙氣溫度達184 ℃，采取有效措施對該部分熱量的回收具有重要意義。在實際生產中，該部分熱量被用于烘房干燥生坯，余熱得到有效利用，無需建設專門用于干燥生坯的熱風爐。但在煙氣余熱得到有效利用的前提下，仍存一些問題：一是為滿足烘房干燥需要，煙氣量僅憑經驗抽取。不合理的加大煙氣抽出量使得煙氣行程變短，高溫煙氣在預熱帶中未能與坯體充分換熱便已離開窯體，結果導致離窯煙氣溫度過高。同時也容易導致預熱帶上下溫差過大，預熱帶上下溫差超過100 ℃；二是該輥道窯在預熱帶底部分布7對共14個排煙口，為分散排煙方式，部分煙氣在預熱帶尚未與制品充分接觸便已被靠近燒成帶的排煙口提前抽出，從而使得煙道中煙氣溫度偏高，達到184 ℃。因此，為進一步提高窯爐技術水平，應合理降低煙氣抽出量，將輥道窯排煙結構改造為底部集中排煙方式。

表1　熱平衡計算結果Tab.1 Results of heat balance

(4)墻體表面散熱損失

墻體表面散熱損失較大，占熱量總支出的22.50%。通過測試發現，兩側窯墻、窯頂以及窯底的溫度最高處溫度分別為60.7 ℃、135.7 ℃以及183.5 ℃，表明窯墻保溫性能較好，但窯頂與窯底的保溫性能明顯偏低。根據現場測試狀況，窯頂溫度最高處位于燒成帶部分，窯底溫度最高處位于預熱帶前端(底部排煙口附近)，因此應加強底部排煙口附近和燒成帶頂端處保溫以進一步降低窯體表面散熱損失。有學者在窯底保溫上提供了新的思考角度，可考慮采用導熱系數較低的廢舊或質量不合格的大規格半成品或成品磚代替鋼板作為窯底底板[9]。

(5)托板帶出顯熱

托板帶走熱損失0.35%，比例較小，但出燒成帶時吸熱量大，影響熱耗，可通過進一步選用導熱率好、質輕、蓄熱量少的耐火材料等來減少托板帶走蓄熱。有研究表明，托板在長度和寬度不變的情況下，厚度由10.5 mm改為7.3 mm，窯爐的能耗下降了18.71%，熱效率提高近7%，且托板使用壽命變化不大[10]。這為提高窯爐熱技術水平提供了一個思路，可考慮通過采購或定制薄托板來進一步提高窯爐能源利用水平。托板在改薄的情況下應考慮抗折強度問題，目前有研究表明，一種以莫來石、剛玉為復合骨料，用鋁膠、α-氧化鋁微粉、無定型硅微粉合成莫來石作為結合基質制的高溫推板，其抗熱震穩定性能達到使用要求[11]。

(6)其他熱量損失

其他熱量損失主要為孔隙漏風。通過計算發現，煙道匯總處的空氣過剩系數值為8.4，而燒嘴空氣過剩系數按1.3運行，說明窯體存在漏風現象，有外界冷空氣通過縫隙進入窯內，導致匯總到煙道內的空氣過剩系數值偏高。有研究表明，煙道匯總處的空氣過剩系數由5減少到3時，在其他條件不變的情況下，煙氣帶走熱量從30%降為18%，節能12%[1]。因此應加強窯體密封性，尤其是窯體與輥棒之間的嚴密性，降低窯頭負壓、保證燒成帶處于微正壓，可減少冷空氣進入窯內，降低熱損失。

4　結 論

(1)排煙熱損失是主要的熱損失，占到總支出熱量的27.53%。其次是墻體表面散熱損失，占到總支出熱量的22.50%。系統熱效率為65.4%，處于國內中等水平，能源利用效率一般，節能潛力較大。

(2)加強窯爐的生產組織和運行管理。可減少出窯托板在環境中自然冷卻時間，降低托板余熱損失；合理組織燃燒，使燃燒完全，降低煙氣中可燃氣體帶出量；減少煙氣抽出量，使煙氣在窯內充分循環，降低排煙溫度。

(3)對窯爐結構進行優化。將分散排煙方式改造為集中排煙方式，可降低煙氣出窯溫度，提高預熱帶中煙氣與坯體換熱效果；選用導熱率好、質量輕、比熱低的薄托板可提高輥道窯熱效率；在冷卻帶總長度不變的情況下，縮短緩冷區長度，加長尾冷區長度，降低成品帶出顯熱；有利于提高系統熱效率。

(4)加強燒成帶頂端和預熱帶底部排煙口附近窯體保溫，改進孔磚結構或砌筑方式，以提高窯爐整體密封性效果。

參考文獻:

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通信聯系人：歐儉平(1970-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-08-10. Revised date: 2014-09-15.

Correspondent author:.OU Jianping(1970-), male, Ph . D., Associate professor.

Thermal Balance Test and Analysis of Sanitary Ware Roller Kiln

OU Jianping, WEI Yongchun, MA Aichun, CHEN Zongwei, JIA Jinpeng
(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Abstract:To improve the thermal performance of the roller kiln in a sanitary ware factory, thermal balance test and analysis of a roller kiln was carried out to solve the problems of lower production and thermal efficiency. Results show that the thermal efficiency of the roller kiln is 65.4%, which is relatively lower. It is necessary to be improved by some effective measures, such as sensible combustion organization, reducing the amount of the pumped flue gas, optimizing the way of flue gas exhausting, and using thinner supporting plate.

Key words:sanitary ware; roller kiln; thermal balance test; energy saving

中圖分類號：TQ174.6

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2015)01-0074-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.016

收稿日期：2014-08-10。

修訂日期：2014-09-15。