雙間歇窯之煙氣余熱互用

馮長清， 吳 俊

（江西省陶瓷研究所， 景德鎮，333000）

0 引言

我國是生產瓷器的鼻祖，從商開始就開始制作瓷器，瓷器的發展過程，也是窯爐的發展過程，瓷器的生產工序繁雜多樣，而至關重要的一步“燒成”是決定產品成敗的關鍵因素，也是最后一步，一件完美的瓷器離不開一座性能達標的窯爐，而窯爐又離不開燃料，在古代燒制瓷器都是用上等的松柴作為燃料，至今仍然有少數作坊采用，但是現在松柴短缺，也不利自然環境保護政策，普遍都采用液化石油氣、天然氣作為現代窯爐的燃料，現代窯爐操作簡單，燒成時間短，可調節手段眾多，從古至今間歇窯爐的煙氣熱量并未得到合理的利用，或者是完全沒有利用，雙間歇窯采取最直接，最有效的手段來加熱坯體，從而降低公斤瓷的能耗，降低了瓷器的生產成本，非常有利于瓷器廠家的長期發展。

1 間歇窯爐燒成過程中的能源消耗分析

1.1 以一座5立方間歇窯爐為例：

⑴ 產品種類：陶瓷；

⑵ 裝載重量：1500 kg；

⑶ 天然氣熱值：35530 KJ/m3；

⑷ 最高燒成溫度：1330 ℃；

⑸ 燒成時間：9 h；

⑹ 燒成氣氛：前期氧化氣氛、高溫還原氣氛；

⑺ 燒成過程中理論能耗計算：該計算采用熱平衡計算為依據，以下計算采用1 小時為基準，0 ℃作為基準溫度。

1.1.1 熱收入項目

a.坯體帶入的顯熱Q1

取燒成灼減8 %，入窯干制品重量為G1= 1500×0.95 = 1425 kg，入窯制品自由水含量為3 %，濕制品重量G2= 1425×0.97 = 1382 kg，制品的比熱容C1= 0.88 + 26×10-5×25 = 0.09 KJ/(kg·℃)。

所以Q1= G2C1×25 = 1382×0.09×25 = 3109 （KJ）

b.燃料帶入的化學顯熱Q2

天然氣的熱值為QDW= 35530 KJ / m3,入窯天然氣溫度Tf= 25 ℃，25 ℃時天然氣的比熱容為Cf= 1.86 KJ/(m3·℃)，燒制1500 kg坯體所需的天然氣量設為Y（m3），所以Q2= Y（QDW+ TfCf） = Y（35530 + 1.86×25 = 35576Y（KJ）。

c.助燃空氣帶入的顯熱Q3

助燃空氣溫度為T3= 25 ℃，25 ℃時空氣的比熱容為1.36 KJ/(m3·℃)，助燃空氣實際總量V3= 1.3 Y（m3），所以Q3= V3C3T3= 1.3 Y×1.36×25 = 44.2 Y （KJ）

d.外界漏入空氣所帶的顯熱Q4

取空氣的過剩系數a4= 2.0，漏入的空氣溫度T4= 25 ℃，此溫度空氣的比熱容為C4= 1.36 KJ/(m3. ℃)，漏入空氣總量為V4= Y（a4- a ）×1.36 = （2.0 - 1.25）×1.36 = 1.02Y（m3），所 以Q4= V4C4T4= 1.02 Y×1.36×25 = 34.68Y（KJ）。

1.1.2 熱支出項目

a.產品帶出顯熱Q5

燒成產品質量G3= G1×95 % = 1425×0.95 = 1353（kg），制品的最高燒成溫度為T5= 1330 ℃，制品的平均比熱容C5= 0.86 + 26×10-5×1330 = 1.26 KJ/(kg·℃)，所以Q5= G3C5T5= 1353×1.26×1330 = 2267357.4（KJ）。

b. 窯體散失熱Q6

由于間歇窯爐點火以后每個時間段的溫度都在隨時間而變化，所以窯體窯墻和窯頂散失熱量都是一個變化量，根據多年燒成經驗，一般窯體的散失熱量為產品帶出顯熱的30 %,所以Q6= Q5×30 % = 2267357.4×0.3 = 680207（KJ）。

c.物化反應耗熱Q7

自由水質量GW= G2- G3= 1382 - 1353 = 31（kg），根據以往間歇窯爐檢測裝置顯示煙氣離窯的平均溫度為Tg= 300 ℃，所以QW= GW（2490+1.93Tg） = 31×（2490 + 1.93×350） = 98115（KJ）。

d.其余物化反應熱Qr

用Al2O3反應熱近似代替物化反應熱量，入窯干制品質量G1= 1425 kg，Al2O3的含量約占22 %，所以Qr= G1×2100× Al2O3%=1425×2100×22 % = 658350（KJ），所以Q7= 98115 + 658350 = 756465（KJ）。

e.煙氣帶走顯熱Q8

離窯煙氣總量為V8= [ Vg0+ （ag- a）Va0] Y = [ 1.91 + （2 - 1）×1.07 ] Y = 2.9 Y （m3）。

煙氣在整個燒成過程中的平均溫度為Tg= 300 ℃，此溫度下煙氣的比熱容Cg= 1.46 KJ/(m3·℃)，所以Q8= V8CgTg= 2.9 Y×1.46×300 = 1270 Y （KJ）。

f.其它熱損失Q9

根據經驗占熱收入的6%，所以Q9=（Q1+ Q2+ Q3+ Q4）×0.06 = 187 （KJ）+ 31375.52 Y（KJ），依據能量守恒原理，熱量平衡方程為，熱收入項=熱支出項，即：

求得Y = 865（m3），即燒成1500公斤制品所需的天然氣為865 m3。其中煙氣所帶走的熱量為1270 Y = 1270×865 = 1098550（KJ），約合天然氣30 m3。

2 雙窯結構示意圖及工作原理分析

2.1 兩座5立方引射窯爐煙氣余熱互用示意圖：

2.2 兩座引射窯爐在運行中的流程分析

如上圖所示，兩座窯爐同時裝滿制品左邊窯爐開始點火，1#窯爐煙囪閘板完全關閉，2#窯爐閘板調到適合的開度，再將兩窯之間的兩道閘板同時打開，1#窯爐產生的帶熱量煙氣經過2#窯爐爐膛逐步預熱制品，最大限度的提高了熱量的利用率，在兩座窯爐的升溫階段，2#窯爐根據溫度檢測，在溫度難以提高的時候開始點燃其燃燒器，由于1#窯爐先于2#窯爐點火，所以1#窯爐首先達到其燒成溫度，此時關閉1#窯爐燃燒器，并關閉兩窯之間的兩道閘板，讓1#窯爐獨立冷卻，直至開窯，在1#窯爐熄火的時候，2#窯爐也即將達到燒成溫度，直至冷卻。

3 結論

窯爐是能耗大戶，如何提高能源的利用率是我國乃至世界沒有終點的追求目標，就單窯產量1500kg的窯爐而言，一窯可節約30 m3天然氣，按照5天一個燒成周期的轉換時間段，一年就可以節約將近2160 m3的天然氣，按目前天然氣的市場價格5元/ m3的標準來算，可直接節省10800元，這非常有利于一些中小型的陶瓷企業的長期發展和壯大。