提高陶瓷窯爐熱效率的途徑

曾令可，李 治，李 萍， 王 慧， 程小蘇

提高陶瓷窯爐熱效率的途徑

曾令可1，李 治1，李 萍2， 王 慧1， 程小蘇1

(1. 華南理工大學，廣東 廣州 510640，2. 中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640)

窯爐是陶瓷企業最關鍵的熱工設備，也是耗能最大的設備。窯爐能耗的水平主要取決于窯爐的結構和燒成技術。本文通過對提高陶瓷窯爐熱效率的途徑進行分析，祈望能為行業的低碳環保發展之路提供借鑒。

陶瓷；窯爐；熱效率

0 引 言

近幾年來，陶瓷行業面臨著空前的環保壓力。2013年底，國家工信部公布《建筑衛生陶瓷行業準入門檻》，目的就是調整建陶產業發展方式，向節能環保方向轉變。尤其今年圍繞著《陶瓷工業污染物排放標準》(GB25464-2010)的激烈討論更是將陶瓷污染治理推到了風口浪尖，標準的實施與否直接關乎著建陶產業的“生死存亡”。由此可見，在當前節能減排形勢如此嚴峻的大環境之下，中國陶瓷行業必須走出一條屬于自身可持續發展的道路才能得以生存。然而在整個陶瓷生產制造過程中，干燥與燒成工序的能耗所占整個能耗的80%左右，顯然陶瓷窯爐的改造升級對陶瓷行業的節能減排起著至關重要的作用。本文通過對提高陶瓷窯爐熱效率的途徑進行分析，祈望能為行業的低碳環保發展之路提供借鑒。

1 窯爐結構的優化與先進的燒成技術

窯爐是陶瓷企業最關鍵的熱工設備，也是耗能最大的設備。但是，窯爐能耗的水平主要取決于窯爐的結構和燒成技術。其中，窯爐的結構是根本，燒成技術是保證。如果沒有一個良好的窯爐設計，要想提高燒成技術在某種程度上說是非常困難的，甚至無能為力。回顧陶瓷發展史，經歷了從倒焰窯到隧道窯再到輥道窯的過程，陶瓷燒成熱效率的提高無不是陶瓷窯爐結構的改進所為之。當然，良好的窯爐結構也需要先進的燒成技術與之匹配。

1.1 窯爐結構的優化

窯爐結構的優化主要指對窯爐內高、內寬、窯長、窯頂、窯體的結構及密封性、窯車、窯具等進行優化設計與組合，它們相互作用共同影響著窯爐的熱效率。

1.1.1 窯爐內高的優化

從燒成質量控制、節能降耗的角度分析，窯內高度越低越好。這主要是因為隨著窯爐內高的降低，單位制品熱耗和窯墻散熱就會減少。如當輥道窯內高由1.2 m降低0.2 m時，熱耗減少4.43%，窯壁散熱降低33.2%。窯內高度的增加會引起通道內溫度分層，增大窯內熱氣流的上、下分層，導致窯內上下溫差過大。

1.1.2 窯爐內寬的優化

隨著窯爐內寬的增大，單位制品耗熱和窯墻散熱減少。如當輥道窯內寬從1.2 m增大到2.4 m時，單位制品熱耗減少2.9%，窯墻散熱降低25%，內寬的增大還提高了燒成制品的產量。故在一定范圍內，窯越寬越好，越節能。寬體窯之所以節能，主要原因為隨著窯寬的增加，窯內拱上、拱下的距離拉長，使其燃料增加，但其煙氣并沒有增多，煙氣在窯內的流速變慢，熱交換充分。此外，由于煙氣流速降低，窯內空間變大，阻力隨之減小，風機抽煙氣的負壓減小，使得煙氣帶走的熱量均有所減少，從而達到了寬體窯節能的目的。

1.1.3 窯爐長度的優化

當窯爐內寬和內高一定的情況下，窯爐長度的增加會使單位制品熱耗以及窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。如當輥道窯的窯長由50 m增加到100 m時，單位制品熱耗降低1%，窯頭熱煙氣帶走熱量減少13.9%。輥道窯長度＜100 m，產量達5000 m2，窯長＞100 m時，產量達10000 m2，窯長在200-300 m，產量可達20000 m2，窯長＞300m，產量可達25000-30000 m2。最大窯產量已超40000 m2了。窯產量的成倍增加可大大地提升窯爐的熱效率。

1.1.4 拱頂和平頂結構的優化

對于輥道窯，早期一般預熱帶、燒成帶和冷卻帶都選用平頂、吊頂結構型式，平頂的選擇主要是考慮到吊頂容易、施工方便。而燒成帶選用拱頂主要是因為：拱頂結構提高了燒成帶橫截面積、增大了窯內空間，降低了窯道內煙氣的流速，增強了燃料二次燃燒的機會。此外，由于燒成帶傳熱方式以輻射為主，占燒成帶總傳熱的80%以上，輻射傳熱的關鍵是溫度和輻射層厚度。拱頂結構可增加輻射層厚度，界面中部獲得更多輻射傳熱，還可更有效地克服平頂存在的界面熱氣流死角，加強熱氣體在窯內的攪拌作用，使得截面溫度更加均勻。

為解決溫差問題，設計時，在高溫燒成帶窯頂可增加多道擋板(如圖1)，擋板雙面受熱，起到雙面幅射作用，擴大了幅射面積，提高了傳熱效率，使溫度更加均勻。與此同時，由于擋板下端貼近產品裝載面(尤其是窯車式裝載坯體)，氣流前移時受到擋板的阻擋，必然需改變流向，強迫熱氣流流向裝載面的深處，使燒成帶內上部的氣流成“≈”型氣流走向，加速熱氣流的攪動，達到溫度均勻的特別效果。

1.1.5 窯體的密封和窯車、窯具的優化

窯體的密封可減小窯內熱氣體的外流和冷空氣的滲入，既有利于降低窯內溫差，又有利于穩定窯內壓力分布，特別有利于氣氛控制。窯車應該選用輕質化、低蓄熱窯車，先進的窯車節能可達17%。窯墻、窯具等應使用納米孔等新型保溫材料。

1.2 先進的燒成技術

目前應用于陶瓷行業的節能燒成技術主要有：低溫快燒技術、一次燒成技術、裸裝明焰燒成技術、清潔燃燒技術、富氧燃燒技術、高溫空氣燃燒技術、微波輔助氣體燒成技術以及預混式二次燃燒技術。

圖1 燒成帶的擋板結構及熱氣流的流向圖Fig.1 Damper structure and hot air flow direction for the firing zone

1.2.1 低溫快燒技術

陶瓷生產中燒成溫度越低，能耗就越低。根據熱平衡計算，燒成溫度每降低100 ℃，單位產品熱耗可降低10%以上，縮短了燒成時間，產量增加10%，熱耗降低4%。由此可見，應用低溫快燒技術不但可以增加產量、節約能源，而且還可以降低成本，實現低碳目標。如佛山某企業和華南理工大學合作，采用超低溫配方燒成，燒成溫度在1000 ℃以下，比當前建陶產品燒成溫度降低約200 ℃。該單位制品能耗降低了25%，能耗僅為3-5 MJ/kg，為普通燒成技術的75%左右，陶瓷窯爐的熱效率則大大地提高了。

1.2.2 一次燒成技術

一次燒成技術是指將陶瓷制品經過窯爐一次燒成成品的工藝過程。二次燒成需經過低溫(900℃左右)素燒、高溫釉燒，能源消耗高、增加企業成本。一次燒成技術相比二次燒成技術更節能、環保，綜合效果佳，解決了制品后期龜裂等問題，延長制品的使用壽命，合格率也大大提高。

1.2.3 裸裝明焰燒成技術

目前，陶瓷窯爐燒成方式主要有明焰缽裝、隔焰裸裝和明焰裸裝。明焰缽裝采用傳統的煤作為燃料，由于匣缽的加入占用了大量有效空間，使得燒成成本增加、熱穩定性差、能耗大、燒成周期長；隔焰裸裝采用重油為燃料，由于火焰所產生的熱不能直接與制品作用，以致窯內溫度不均勻，能耗高；明焰裸燒是最合理、最先進的燒成方式，因為明焰裸燒不用匣缽和隔焰板，最大限度地簡化了傳熱和傳質過程，使熱氣體與制品之間直接傳熱、傳質，可大大地提高燒成窯爐的熱效率。

1.2.4 清潔燃燒技術

清潔燃燒技術是指以天然氣、液化氣、二甲醚等為燃料對陶瓷制品進行燒成的技術，此燒成技術對中國陶瓷工業的可持續發展起著至關重要的作用，該技術所用燃料熱效高、能耗低、污染少、燃料儲備充足，具有天然優勢，應大力推廣此技術，且理應全面替代現有以發生爐煤氣為燃料等落后燒成技術。采用清潔燃料不僅是裸燒明焰快速燒成的保證，而且提高了陶瓷質量，大大節約了能源，減少了對環境污染。表1列出了印度與中國陶瓷窯爐單位熱耗的對比，可以看出，采用天然氣為燃料的清潔燃燒技術，陶瓷制品單位能耗降低了28%左右。

1.2.5 富氧燃燒技術

富氧燃燒技術是指助燃空氣中的氧氣含量大于21%所采取的燃燒技術。燃料在富氧狀態下能降低燃點溫度，燃燒速度加快、燃燒充分，火焰強度提高，獲得較好的熱傳導。此外采用富氧燃燒技術，火焰長度相對縮短，火焰上部溫度降低，減輕了窯爐、蓄熱室的熱負荷，窯爐壽命得以延長。此外，采用富氧空氣后可以適當減少二次助燃風量，從而減少了廢氣排放量、也就減少了廢氣帶走的熱量，提高了陶瓷窯爐熱效率。

1.2.6 高溫空氣燃燒技術

高溫空氣燃燒技術(HTAC)是一種將回收煙氣余熱與高效燃燒、降低NOx排放等技術有機結合起來，實現余熱極限回收和極限降低NOx排放量的燃燒技術。陶瓷窯爐采用高溫空氣燃燒技術可以擴展火焰燃燒區域，使爐膛內溫度均勻，從而爐膛的平均溫度增加，加強了爐內傳熱，導致在同樣長度的爐子上其產品的產量可以提20%以上；由于燃燒過程在爐膛空間內才開始出現，降低了燃燒噪音，同時加熱了助燃空氣，使得煙氣中NOx含量大大減少，熱效率可提高25%以上，燃料節約率可達50%-60%。

表1 中國與印度陶瓷窯爐單位熱耗對比Tab.1 Unit heat loss comparison between Chinese and Indian ceramic kilns

1.2.7 微波輔助氣體燃燒技術

微波輔助氣體燒成技術(MAGF)是一種較實用、合理的燒成方法。微波被用來加熱制品，使制品從內到外快速升溫，燃氣產生輻射熱源，使坯體表面升溫，防止表面熱損失而使溫度偏低，減少制品中不均勻性溫度分布的產生。采用微波輔助氣體燒成技術，制品的熱應力和非均質性比普通工藝要低得多，溫度分布均勻，而且由于坯體內外溫差小，可快速燒成，故能耗低。據資料報道，采用該燒成技術可增產4倍產能，節能70%以上，能源成本下降40%，有害物質的揮發量大大減少，而且由于燒成中的熱應力小，產品的機械性能亦有所改善。

圖2 預混式二次燃燒系統結構示意圖Fig.2 Structure of the premixed secondary combustor

1.2.8 預混式燃燒技術

預混式二次燃燒技術的混氣過程(如圖2所示)是將空氣與燃氣通過兩條不同的輸氣管道采用分流、旋流輸入預混合裝置的混合管腔體，在混合管腔體內造成可燃氣體分子與助燃氣體分子強制碰撞混合，再通過送氣管道輸送到燃燒裝置，撞擊混合管腔體出口噴頭內端后，從噴頭分流、旋流口中噴出，此時的可燃氣體已含有一定比例的空氣，燃燒產生紫紅色的短火焰，短火焰在爐膛中形成爐氣，爐氣再與二次空氣分流旋流碰撞燃燒。同時二次助燃空氣可利用墻磚內的熱能提高助燃空氣溫度(預熱助燃風)及降低燃燒器噴火頭溫度，可有效防止回火、脫火和燒損燃燒器；受二次空氣噴射的推力，提高了爐氣的噴射速度，并形成旋流，使煙氣在爐膛中螺旋式推進，延長了煙氣在爐膛中停留的時間，從而降低了排煙溫度和減少煙氣量，達到降低排煙熱損失的目的。表2為某企業采用預混式二次燃燒系統前后能耗統計結果，由表2中可以發現，采用預混式二次燃燒系統可明顯使能耗降低，提高了陶瓷窯爐的熱效率。

2 余熱回收利用

在陶瓷生產工藝過程中，窯爐所需能耗占陶瓷總能耗的80%，由于陶瓷磚在燒成中會產生晶型轉換，在瓷磚生產中需要在高溫后段燒成后(1000℃左右)對制品進行強吹冷風進行急冷，故陶瓷窯爐能耗50%-60%用于煙氣的排放和冷卻，所以通過余熱回收利用來提高陶瓷窯爐熱效率應重點研究冷卻帶余熱利用和煙氣余熱利用。

2.1 冷卻帶余熱利用

目前，冷卻帶余熱在三方面可以進行回收利用：第一，將余熱回收到干燥器中，對生坯磚進行干燥，由于生坯含水分不高，磚對溫度的要求不大，用冷卻時帶走的余熱進行干燥基本能滿足要求；第二，將余熱對助燃風進行預熱，一般可以將助燃風加熱到200 ℃左右，加熱過的助燃風可以使得窯爐內燃燒更加充分；第三，可以輸送到噴霧塔中加熱漿料，有明顯的節能、減排，提高窯爐熱效率的效果。

表2 采用預混式二次燃燒系統前后能單耗對比結果Tab.2 Unit energy consumption before and after the use of the premixed secondary combustor

2.2 煙氣的余熱利用

陶瓷制品燒成的好壞與否跟燒成溫度是否均勻以及升溫速率高低有關。溫度不均勻，磚容易開裂；而燒成速率過快，水分揮發的也快，會導致制品開裂，尤其對于現在盛行的大規格瓷質磚更甚。一般情況下，冷卻帶的熱風溫度約300-400 ℃，此溫度用于干燥生坯會使得干燥速率過快，制品呈網絡開裂。經過實驗，此問題可以采用含水分較高的廢氣來抑制瓷磚過快的干燥速率。但是這里的廢氣應該是燒天然氣等清潔能源所產生的氣體。某企業通過此技術可以實現廢氣100%應用，甚至取消排煙煙囪。不過此方法不適用于對白度要求高的產品，如白瓷片，因為廢氣中的雜質會使瓷片中產生黑點，影響產品表面質量。煙氣利用有第二種方法，即在煙囪中裝熱交換器，通過熱交換管加熱流通的空氣，以此用于干燥、助燃或預熱帶及窯門的熱氣幕。

3 自動化控制技術的采用

利用計算機對陶瓷制品的燒成過程進行模擬，可以對窯爐結構、燒嘴結構等進行優化，還可對在不同燒成制度以及不同窯爐保溫性能等條件下的窯內傳熱過程情況進行模擬。可以找出它們對窯內傳熱過程影響的定量關系，加強對陶瓷燒成過程的精確控制。利用智能模糊控制及計算機一體化控制技術做到有的放矢，可以大大提高生產效率，減少能源的消耗和浪費，而且可以達到控制有害氣體排放的目的。在陶瓷窯爐中采用多變量模糊控制技術，為現場操作工人的操作起到了較好的指導作用。同時為生產車間的管理提供了科學的手段，大大加強了車間生產管理水平，還能夠降低窯爐的燃料消耗，提高產品質量和合格率，給企業帶來顯著的經濟效益。生產實踐證明，理想的控制系統可以節能5%-10%。

4 科學的操作方法

在實際生產中，對窯爐的科學操作更能直接的提高陶瓷窯爐熱效率，降低單位能耗。操作手法對窯爐的節能控制主要是通過如下方式來實現。

(1)通過對燒成制品工藝特性的掌握，進行適當的點噴槍控制，減少不必要的點槍；

(2)通過對產品氧化還原反應進行觀察，調整排煙風機的開度，減少排煙帶走過多的熱量；

(3)通過對燒成產品的性能分析，調整助燃風壓，控制窯內零壓位的合理性，采用納米保溫絕熱保溫材料降低窯壁散熱；

(4)通過對窯爐排煙、余熱的充分利用，減少排空帶走過多熱量；

(5)通過對水煤氣的凈化、減少過多酚水在窯內蒸發吸收熱量；

(6)通過輥棒口、事故處理口、擋火板口的陶瓷棉密封，減少過多的熱量散失或冷空氣進入窯內；

(7)通過噴槍火焰燃燒效果的調節，使燃燒呈“爆炸”式剛性燃燒，達到熱值最大化，降低排煙氣中的可燃成分比例。

以上操作手法都能夠提高窯爐熱效率，達到節能效果，但對于不同產品，燒成特性不同，具體的操作手法也不盡相同，需要靈活使用，保證節能效果。

5 測試方法與標準的適用性

對于同一條窯爐，測試方法對陶瓷窯爐熱效率的提高沒有直接影響，但會通過下面幾個因素影響陶瓷窯爐熱效率的測量結果。

(1)計量儀器儀表的選擇、精度大小、氣體壓力的波動性等勢必會影響陶瓷窯爐熱效率的測試與計算；

(2)助燃風、冷卻風、煙氣的測量、空氣過剩系數、排煙口數量、燃氣組分等；

(3)窯體表面散熱的測定：分段數、測點數、輥棒兩端部、溫度基準等；

(4)余熱利用測試計算方法，包括窯頭余熱、窯尾余熱如何測量等因素。

例如，使用先進的紅外熱像儀對高溫區窯墻外表溫度進行測試，不僅可以直觀的看到墻壁整體的溫度分布情況，還能獲得整體壁面的溫度平均值和所需的各點溫度值。為研究輥道窯保溫以及其他陶瓷窯爐高溫區域、外墻表面、溫度分布情況及窯墻材料選擇優劣，提供一種更直觀、更精確的方法。標準的適用性主要體現在陶瓷窯爐行業是一個非標行業，由于在實際生產中各企業的產品種類、規格大小、窯爐結構型式、燒成溫度等不同，導致企業對窯爐本身需求不同。同時熱效率的計算方法也不盡相同，目前沒有行業標準和國家標準，故計算的結果有異同，這就阻礙了行業專業化水平的提高。但是如果窯爐企業能夠同心協力，以某一典型的、具有代表性的、性價比高、節能效果突出的類型窯作為突破點，做廣泛的調研和科學處理，能夠最終解決這方面的問題，也就從間接可以推動陶瓷窯爐行業的進步，為提高陶瓷窯爐熱效率做出貢獻。

6 結 語

陶瓷工業始終帶有“三高”、低產值的帽子，欲使行業脫掉這頂帽子，陶瓷窯爐的進步是重中之重。而陶瓷窯爐熱效率的高低直接決定著陶瓷行業耗能的大小及企業的操作使用水平，也牽動著陶瓷工業能否真正走出一條綠色、節能的可持續發展道路。相信隨著技術不斷進步、行業不斷規范，針對性陶瓷窯爐熱工測試和熱效率計算標準的進一步落實，我國陶瓷工業定能再續輝煌。

Ways to Improving Thermal Efficiency for Ceramic Kilns

ZENG Lingke1, LI Zhi1, LI Ping2, WANG Hui1, CHENG Xiaosu1
(1. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

A ceramic kiln, the largest energy consumer, is the most important thermal equipment for ceramic enterprises. The level of a kiln’s energy consumption is determined by its structure and firing technology. This paper analyzes different approaches to improving thermal efficiency of a kiln in order to provide advice for the industry to secure green and low-carbon growth.

ceramics; kiln and furnace; thermal efficiency

TQ174.6+5

A

1006-2874(2015)01-0037-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.01.009

2014-10-10。

2014-10-15。

廣東省重大專項(編號：2011A080802007)；廣東省產學研項目(編號：2012B091000030）

曾令可，男，教授。

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

Correspondent author:ZENG Lingke, male, Professor.

E-mail:lingke@scut.edu.cn