陶瓷工業窯節能技術分析

陳功備，胡國林，林海濱，易文雄

（景德鎮陶瓷學院科技藝術學院，江西 景德鎮 333000）

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陶瓷工業窯節能技術分析

陳功備，胡國林，林海濱，易文雄

（景德鎮陶瓷學院科技藝術學院，江西 景德鎮 333000）

摘要：用VB軟件編程對富氧燃燒、窯體散熱、余熱回收進行了計算，根據計算結果對陶瓷工業窯在燃燒、窯體散熱、冷卻帶的制品余熱及預熱帶的煙氣余熱回收等方面進行了節能分析，從而對窯爐設計及使用提出了有意義的建議。

關鍵詞：陶瓷工業；窯爐；節能技術分析

E-mail：jxcqb@163.com

0　引　言

我國陶瓷工業的能源利用率與國外相比差距較大，發達國家的能源利用率一般高達50%以上，如美國達57%。盡管近幾十年來隨著我國經濟的崛起，我國陶瓷工業的生產及其陶瓷窯爐的技術也有了巨大的進步，但我國陶瓷窯爐的熱利用率仍與世界先進國家有較大的差距，僅達到28%-30%。陶瓷工業所消耗的能源主要是在燒制與干燥的工序上，燒制與干燥工序的耗能量達到陶瓷產品總耗能量的80%以上［1］。本文從窯爐的保溫技術、燃燒技術、余熱利用技術等方面來分析我國陶瓷窯爐進一步節能的可能。

1　從采用先進燃燒技術看節能

首先，燃料的進步帶來了明顯的節能效果。從二十世紀90年代后，我國的陶瓷企業的燒成從燒煤和重油逐步過渡到以氣體燃料和輕柴油為主的潔凈燃料，采用了小流量多燒嘴的燃燒系統，大大改善了窯內溫度均勻性，促進了快速燒成，并且可以明焰裸燒，普遍地使燃耗下降了50%。

隨著潔凈燃料的使用，我國開始著手研究高速調溫燒嘴燃燒技術、脈沖燃燒技術，高溫空氣燃燒技術、富氧燃燒技術等一些現代的燃燒技術，并逐步成為工業窯爐應用的重點，也逐漸地將這些先進燃燒技術應用到陶瓷工業窯爐上。這些現代燃燒技術都有各自的特點和優勢，已為我國的節能降耗和環保減排方面作出了貢獻。

脈沖燃燒控制采用的是間斷燃燒的方式，使用脈寬調制技術，通過調節燃燒時間來實現窯爐的溫度控制。這種燃燒技術傳熱效率高，大大降低能耗，還可增強爐內溫度場的均勻性，并可實現燃燒氣氛的精確控制；還可減少氮氧化物的生成。北京神霧噴嘴技術開發有限責任公司在陶瓷行業中普及脈沖燃燒控制技術，將高速燃燒器和脈沖控制技術結合起來，研制開發出了“神霧脈沖燃燒系統”，將這一系統應用于陶瓷窯爐的升溫、控溫，對于燃氣窯爐內部溫度場和溫度波動為士2 ℃，在陶瓷窯爐上取得了良好效果［2］。脈沖燃燒技術尤其適合大型梭式窯及寬體連續性窯爐，達到節能與促進窯內溫度均勻的目的。

高溫空氣燃燒技術（HTAC），是二十世紀90年代以來發達國家普遍推廣應用的一種新燃燒技術。高溫空氣燃燒的兩項基本燃燒手段：其一是最大限度的回收燃燒產物顯熱；其二是在低氧的氣氛下進行燃料燃燒。燃料在高溫下和低氧空氣燃燒，燃燒和體系內的熱工條件與傳統的燃燒過程有明顯區別。據統計，窯爐能耗占全國總能耗的1/4，而窯爐大部分能量歸結為排煙損失，估計全國每年這部分的能量超過5000萬噸標準煤。就目前我國的陶瓷工業來看，陶瓷產量遙遙領先其他國家，但能源利用率與國外相比差距較大，陶瓷梭式窯的能源利用率低至15%-20%，煙氣帶走余熱是熱量損失的主要部分。高溫燃燒技術采用高效回收煙氣余熱的蓄熱設備和高頻換向設備，能大大降低排煙溫度，燃料能量利用率達到90%。且由于燃料在高溫低氧的環境下燃燒，燃料緩慢放熱，不存在傳統的局部高溫區，也能有效降低CO2和氮氧化物的排放［3］。

富氧燃燒是指用比通常空氣（含氧21%）含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒，由于氧濃度提高使燃燒時產生的煙氣量減少，必然煙氣帶走的熱也就減少了，從而達到節能的效果。富氧燃燒相對正常燃燒煙氣帶走熱所減少的百分數（節能率）η為：式中，Bo、Bi分別為普通空氣和富氧空氣作助燃空氣時單位時間所需燃料用量（Nm3/h）；Vgo、Vn分別為普通空氣和富氧空氣作助燃空氣時單位燃氣燃燒產生的煙氣量（Nm3/Nm3）；tg，Cg分別為煙氣離窯時的溫度及其比熱。

因為Bi≈B0，所以有富氧燃燒相對正常燃燒煙氣帶走熱的減少產生的節能率可大約計算為：

圖1為以天然氣為例用VB編程進行燃燒計算富氧燃燒與普通燃燒所產生的煙氣量及節能率。

富氧燃燒不僅會因減少煙氣量的排放從而達到節能，而且由于盡管煙氣量減少但煙氣中具有輻射能力的CO2和H2O汽的相對含量增加從而增加了煙氣的黑度。圖2為以天然氣為例編程進行燃燒計算所得煙氣成分后按當前輥道窯煙道尺寸求出的當量直徑0.57 m運用式（3）計算而求得的煙氣黑度。從圖2可以看出，隨著富氧量的增加，煙氣中CO2和H2O汽的相對含量也會增加，煙氣中有輻射能力的CO2和H2O汽的黑度也增大，從而煙氣的黑度也增大（富氧量為25%時煙氣的黑度比普通空氣作助燃風時提高約6%）。因此，也就提高了煙氣對制品的傳熱速率，促進快燒的實現，從而可以更加節能。

富氧燃燒技術在小型試驗梭式窯上已經取得了成功，有數據顯示，用23%的富氧空氣助燃可以節能15%-25%；用25%的富氧空氣助燃可以節能20%-40%；而用27%的富氧空氣助燃可以節能35%-50%等［4］。

圖1　不同富氧量時天然氣燃燒產生的煙氣量及節能率Fig.1 Amounts of fue gas from the combustion of natural gas with different amounts of oxygen enrichment and energy saving rates

圖2　不同富氧量時天然氣燃燒煙氣中CO2和H2O汽的分壓及其黑度Fig.2 Partial pressures and degrees of blackness of CO2and H2O in fue gas from the combustion of natural gas with different amounts of oxygen

2　從窯體保溫技術看節能

早期國內傳統陶瓷工業窯爐的窯體砌筑材料大多為粘土質或高鋁質耐火磚與建筑紅磚，這些材料的特點是密度大、保溫性能差。用這些材料砌筑的窯墻厚，窯體散（蓄）熱損失大。因此，三十多年前，國內外就開始研究和開發新型的輕質耐高溫耐火材料并將它們應用到熱工設備上。

隨著耐火材料的發展，特別是陶瓷耐火纖維的出現，我國現代陶瓷窯爐也采用了新型輕質耐火材料，使窯體向墻薄、體輕、散熱損失小方向發展，即向輕體化、節能化方向發展。然而如何優化窯體砌筑方案，進一步減少窯體蓄散熱還是大有潛力的。本文選擇不同的窯體材料構成不同的砌體方案，通過用VB編寫的窯體散熱計算通用程序，對某新設計的137 m輥道窯進行了散熱計算。

表1為對該窯設計的三種窯體砌筑方案及計算所得的窯體散熱的熱流量。第1方案是采用傳統的砌筑材料，明顯可看出它窯體既厚且散熱熱流也最大，顯然是不可取的；對于后兩種方案，盡管都采用了現代砌筑材料，但第3方案比第1方案的散熱熱流要小25%左右。表2為該窯的預熱帶、燒成帶的各段砌體長度與散熱面積，按此算出三種砌體方案每年散熱量折算為散熱熱耗標準煤分別為：26.7、19.8、14.8噸標煤/年，采用第3方案每年僅窯體散熱一項就可節能5噸標煤（與第2方案比較）。因此，在設計新窯時，采用計算機進行優化設計計算，選擇一個散熱小的方案砌筑，對節能具有重要的意義。

表1　137m輥道窯窯體的三種砌體方案及其散熱熱流Tab.1 Three construction schemes and their heat dissipation for a 137 m roller kiln

3　從余熱回收看窯爐的節能

在陶瓷工業窯爐的熱支出項目上，煙氣帶走的顯熱、制品出燒成帶帶走顯熱占有很大的比例。因此如何充分利用這些余熱，是降低陶瓷窯爐能耗的又一重點。目前在陶瓷窯上一般是直接用廢煙氣干燥（如送噴霧干燥塔）或采用換熱器回收余熱，而在冷卻帶一般是用直接風冷或間壁冷卻抽出余熱風作干燥介質或作助燃風。

表2　137m輥道窯預熱帶、燒成帶窯體基本參數Tab.2 Basic parameters for the construction of preheating and fring zones of a 137 m roller kiln

表3　以某隧道窯緩冷帶間壁為例風速定為2Nm/s不同間壁材料及厚度的換熱計算結果Tab.3 Calculation results of heat exchange within the partition walls of different materials and thicknesses for the slow cooling zone in a tunnel kiln at the air velocity of 2 Nm/s

表4　煙氣換熱器的計算結果Tab.4 Calculation results for fue gas heat exchanger

本文通過使用VB（Visual Basic）軟件編程對陶瓷窯冷卻帶的間壁（含間壁管）冷卻的余熱回收和煙氣應用換熱器回收余熱進行了計算，以對比不同材質與尺寸的換熱效果。

表3是以某隧道窯緩冷帶間壁（窯內壁溫度為800-500 ℃）為例，風速定為2 Nm/s，對不同間壁材料及厚度所計算出的結果。從表中可看出，以不銹鋼和碳化硅作間壁材料的換熱效果較好；而減少碳化硅質的間壁厚度換熱效果并不明顯增加。從表3也可看出這是由于間壁的導熱熱阻相對于間壁內對流換熱熱阻要小一個數量級，導熱熱阻作用可忽略，增加換熱的途徑應是加快間壁內冷風的流速。

表4為對某輥道窯上煙氣換熱器［6］的計算結果，計算數據為煙氣流量：7 Nm3/s，冷空氣流量：2.34 Nm3/s，煙氣入口溫度：250 ℃，煙氣出口溫度：100 ℃，空氣入口溫度：25℃。從表中可以看出增加換熱管總長（即增加換熱器中換熱管的支數），可以提高換熱效率，但同時也增加了氣體的流動阻力，并不是可取的辦法，較有效的辦法是改進換熱器結構，如在熱管外加裝肋板，可較大地提高換熱器的換熱效率，每年相當于節約22.2噸標煤的發熱量［7］。

4　結　論

（1）運用富氧燃燒技術不僅減少煙氣量的排放量，而且可增加煙氣的黑度，從而強化了它對制品的輻射傳熱，對節能有明顯的作用。

（2）在設計窯爐時采用不同砌體結構作窯體散熱計算，然后采用散熱小的方案作最終設計方案，對窯爐的節能也會有一定的作用。

（3）余熱回收對陶瓷窯爐的節能有較大的貢獻，在冷卻帶使用間壁換熱時應將導熱系數大的材料作間壁，最好采用耐熱鋼板換熱，其效果最佳。而用換熱器對煙氣換熱也可促進節能，但要優化換熱器的結構設計，提高換熱效率。

參考文獻：

［1］ 曾令可， 鄧偉強等. 陶瓷工業能耗的現狀及節能技術措施［J］.陶瓷學報， 2006（1）.

［2］ 何壽生. 脈沖燃燒技術及其在陶瓷窯爐中的應用［J］. 陶瓷，1998（5）.

［3］ 徐婷. 高溫空氣燃燒技術在輥道窯中的應用［D］. 華南理工大學， 2011（6）.

［4］ 姚志會. 富氧燃燒是陶瓷燒成的重大節能措施［J］. 河北陶瓷，1993（4）.

［5］ 李杰， 胡國林. 某隧道窯煙氣換熱器換熱性能的研究［J］. 陶瓷學報， 2013（4）.

［6］ 李杰， 胡國林， 等. 某隧道窯煙氣換熱器肋板強化傳熱的數值研究［J］. 陶瓷學報， 2014（3）.

通信聯系人：陳功備，男，教授。

Received date：2015-10-18.Revised date： 2015-10-20.

Correspondent author：CHENG Gongbei， male， Professor.

Technical Analysis of Energy Saving for Ceramic Industrial Kiln

CHENG Gongbei， HU Guolin， LIN Haibin， YI Wenxiong

（College of Technology and Art， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333001， Jiangxi， China）

Abstract：Parameters relevant to oxygen-enriched combustion， kiln body heat dissipation and waste heat recovery are calculated using VB software. Then， energy saving analysis is conducted on the basis of these calculation results to fnd out about the recovery of waste heat from combustion， kiln body heat dissipation， fred products in the cooling zone and the fue gas in the preheating zone in order to make helpful suggestions on the design and use of ceramic industrial kiln.

Key words：Ceramic Industry； Kiln； technical analysis of energy saving

中圖分類號：TQ174.6+5

文獻標志碼：A

文章編號：1006-2874（2016）01-0039-05

收稿日期：2015-10-18。

修訂日期：2015-10-20。