天然氣寬體窯爐-雙碳雙控政策下陶瓷行業的優選

胡乃友

摘 要：雙碳雙控即碳達峰、碳中和和能源消費總量、強度雙控的頂層設計，旨在解決工業發展伴生的生態環境、能效問題，以最終達到經濟社會發展全面綠色轉型的目標。隨著國家對環保壓力的增大以及燃料價格的不斷上漲，節能減排、碳達峰，碳中和必將是陶瓷產業的大勢所趨，新建發生爐煤氣窯爐會受到地域限制，而天然氣寬體窯爐由于產量大，燃氣能耗低，電耗低，可以積極響應國家節能環保的政策要求，會得到大力發展，也是當下陶瓷行業一個積極可行的突破口。

關鍵詞：天然氣寬體輥道窯;助燃風加熱;碳達峰;碳中和;節能環保

1 天然氣寬體窯技術特點

寬體窯爐，主要是指內寬 2.9m以上的陶瓷窯爐。多年來，我國陶瓷行業中采用 的窯爐內寬大部分是在 2.5m 左右，超過3m的寬體窯爐這幾年出現的比較多。輥道窯爐寬度增大，橫截面積也會增大，這樣對窯內氣體的流動、窯壓的分布、溫度梯度、窯內氣氛及磚坯的運動等都有很大的影響。為了保證燒成質量，寬體窯爐要在結構及工藝制度的選擇上非常關鍵，技術特點如下所示：

1.1窯頂結構上的特點

按照常規來說，對于短窯、小產量窯爐，由于拱形結構容易蓄熱，容易造成輥棒上下溫差，造成磚坯變形，對于這樣的窯爐，用平頂結構的寬體窯比較合適;對于產量大、燒成煙氣量大的窯爐，平頂窯爐燒成帶上部通道空間小，會造成排煙風機抽不動，很難達到設計產量，對于這樣的窯爐，用拱頂結構的寬體窯比較合適。大產量拱頂結構的寬體窯可以增加燒成帶輻射層厚度，提高輻射傳熱效率，拱頂結構的傳熱有利于燒成帶斷面溫差的減小，不建議排煙段采用拱頂結構，這樣會造成上下溫差大，抽力不均勻。而在排煙段采用平頂結構，有利于排煙段溫度的均勻，不會引起產品的炸裂。

1.2斷面溫差問題

寬體拋釉磚窯爐內寬一般3100mm左右，寬體內墻磚窯爐一般3400mm左右;由于比普通窯內寬要寬600mm-900mm，處理窯內溫差問題是一個技術難點，能否解決溫差問題直接關系到產品質量，如色差、變形等。設計不好，就會出現中間溫度低，靠窯墻兩側溫度低，在窯斷面上形成駝峰狀的曲線，從而使燒出的產品出現色差和變形。為解決寬體窯斷面溫差問題，可采取如下幾個措施：第一采取高速噴嘴，可以有利于窯內熱氣流的攪拌，使溫度趨于均勻。第二是在燒成帶交錯布置一部分短焰燒嘴，提高靠窯墻兩側的溫度。這樣長短焰結合，既照顧了橫斷面中間部位溫度，又照顧了斷面兩側的溫度，從而使斷面上的溫度趨于更均勻。第三是設置特殊形狀的擋火板和擋火墻來縮小斷面溫差。

1.3預熱段升溫困難的問題

考慮在大產量寬體窯的生產過程中，由于產量特別大，在預熱帶升溫區域，需要的熱量比較多。針對這個問題，摩德娜公司通過無數次反復實驗，開發出了適合寬體窯用的高速等溫天然氣燒嘴，以及在升溫較快的預熱區域的下部，每節設計有6支燒嘴，每組有12支燒嘴，以滿足升溫所需的大量熱量，提高產量。

1.4傳動系統的改進

（1）高溫高強輥棒或異型棒的使用。由于天然氣寬體窯窯內寬比較大，裝載負荷加大了，普通輥棒容易彎曲變形，而且走磚時恢復不了，所以中間的磚坯會走得慢一些。為了克服這個問題，我們摩德娜公司首先要對不用使用溫度下單支輥棒承重值都有嚴格的計算，科學合理的選擇輥棒類型，另外在部分區域采用異形輥棒（即弧形棒），加強走磚效果，到急冷前段可做到快慢不超過1根棒，這樣更方便調節磚的變形。

（2）傳動主軸加大到35mm，手榴彈軸加大到25mm，20CrMnTi滲碳鋼;用來解決設備的持久和耐磨和平穩運行，減少設備的故障率。我們公司采用獨有的防塵結構，有效解決陶瓷廠生產車間灰塵污染油槽的情況，降低齒輪的磨損，延長設備的使用壽命。

（3）窯爐全部傳動采用不同的棒徑、棒距和不同溫度需求的超高溫棒，以解決其他普通窯爐普遍存在的磚坯釉面有輥棒紋缺陷的問題。

（4）設計有電機故障報警裝置、傳動斷鏈報警裝置、緊急開關擺動裝置、斷棒報警等等裝置，以及空窯降頻處理方式，使設備更加自動化，智能化，方便生產管理和保證產品品質要求。

（5）我們公司研發的窯內單獨追磚裝置，可以調整左中右磚坯的走向。

1.5適用寬體窯的燒嘴及助燃風的預熱

我們公司設計部門根據預熱助燃空氣的特點，優化了助燃風通道，減小了風道的壓力損失，設計出新型的可用預熱空氣的燒嘴，其特點如下：

（1）燃燒反應速度快、混合燃燒充分，產品氧化充分，在使用中可有效減少窯爐截面溫差、產品色差等問題。

（2）火焰有剛性，射程遠，沿程溫差小

（3）直接在燒嘴內部形成二次燃燒系統，一氧化碳廢氣含量大大減少，熱效率明顯提高

（4）嚴格控制燃氣與空氣的比例，在保證燃燒充分的同時，最大限度的減少空氣過剩量

（5）燒嘴配有先進的點火系統，容易點著火，可配紫外線火焰監測探頭

1.6適用寬體窯風管路系統特點

（1）排煙管道設計要加大，而且下部管道從主、非邊同時下管，保證排煙通暢，并可根據調試需要，利用排煙段前面幾節的排煙管將窯內廢煙氣排完，有利于提高窯頭溫度，增大窯爐產量。排煙管每排間隔距離要合理，可以使抽口分布合理， 抽力更均勻，并可根據不同磚種類入窯水份的特性，可靈活調節排煙段溫度曲線，利于磚的水分均勻排水，避免釉裂發生。

（2）助燃采用兩級助燃風機，一級助燃風機為室溫，以保證預熱區的充足氧化氣氛，適應磚坯有機物的氧化分解。而二級助燃風機設計成我司的SPR系統（即助燃風加熱系統，助燃風加熱溫度高達220℃以上），以達到節能減排的目的。

（3）由于熱交換管的阻力比其它冷卻抽熱管的大，所以熱交換系統采用單獨的風機來抽換熱風，而冷卻熱風采用兩臺抽熱風機來抽，前段抽熱風機的熱風由于溫度比較高，可用于干燥窯或噴干塔等，充分做到節能減排。

（4）熱交換管采用兩端進風，中間抽風的方式，且中間管口比兩端管口，以加大換熱面積及冷風量，充分發揮熱交換的作用。

（5）尾冷余熱零排放系統（RCH）。全拋釉的生產車間需要利用余熱的地方較多，如窯前干燥、釉線干燥，噴墨后干燥，淋釉后干燥，干燥窯都需要用到余熱，而全拋釉相對來說燒成溫度比微粉磚底，產量相對較少，余熱與煙氣可能會出現不夠用的情況。我們摩德娜公司研發的尾冷余熱零排放系統實現了余熱的零排放，大大減少了這些干燥窯點槍的情況，減少能耗。

2天然氣寬體窯爐節能減排效果分析

計算基礎數據：（按我司SPR助燃加熱系統能耗標準）

（1） 產量：800mm×800mm拋釉磚，20000平方米/天;

（2） 燃料：天然氣（NG）;

（3） 產品能耗：內寬3100mm寬體窯，450kCal/Kg瓷，內寬2500mm普通窯 爐， 500 kCal/kg瓷;

（4）產品單重：26kg/m2。

（5）燒成周期：50分鐘

2.1燃料方面的節省

陶瓷窯爐的產量跟窯的寬度成正比，窯越寬，產量越大，故天然氣寬體輥道窯最大的優勢在于提高了產能，降低了單位制品的能耗。 以我們廣東摩德娜科技股份有限公司推出的 3.1m 寬、331.8m 長的寬體窯為例，傳統窯爐走800mm×800mm 磚兩片，而寬體窯內可以放置 3 片 800mm×800mm 磚，產能可以達20000 m2/天，產量提高了50%。若用于生產600mm×600mm磚，可以1排4片。內寬3100mm天然氣寬體窯，能耗約450Kcal/Kg瓷，內寬2500mm普通窯爐，能耗約500Kcal/Kg瓷;一天可以節省燃氣量為：（500-450）×20000×26÷8300=3132m

每年按330天計算：330×3132×5=5，167，800元。

從以上分析可以看到，達到相同產能，天然氣寬體窯爐一年可以節省的燃料費用為5，167，800元，可以說是相當可觀的。

取得可觀效益的同時，CO的排放量也可以大大減少，一天可以減少CO的排放量約5.6噸，可以積極響應國家碳達峰，碳中和的號召。

2.2電耗方面的節省

根據以上基礎數據，以下是相同產量的兩種窯爐風機選型理論計算：

寬體窯耗氣量Q1=20000×26×450/8300=28193 m/天/24=1175 m/h;

普通窯耗氣量Q2=20000×26×500/8300=34457 m/天/24=1305 m/h。

2.2.1排煙風機功率理論選擇（只含窯爐，不包括輸送到干燥窯）

天然氣寬體窯：

（1）煙氣量 Q=1175×14×（250+273）/（273+20）×2.5=73407 m/h。

（2）壓頭 寬體窯的排煙壓頭，根據理論計算以及專業軟件動態模擬，壓頭選擇為2200Pa比較合理。

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=73407×2200/2520000=64kW。

考慮排煙風機頻率一般設置在35HZ時工作比較好，這樣在調試時上下有比較大得的調整空間。以及考慮到燒成工藝所需的各組閥門可做的調整而不影響燒成，在選擇風機壓頭及流量時要留比較大的余量（當燒成工藝要求人為地調整管路各組閥門，改變管道系統壓頭時，風機的工作效率出力會有比較大的改變）。即：N實際=64/（h/ h）=64/（35/50）=187kW。

普通窯：

（1）煙氣量。Q=1435×14×（250+273）/（273+20）×2.5=81529 m/h。

（2）壓頭。壓頭根據理論計算以及專業軟件動態模擬，選擇為2800Pa比較合理。

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=81529×2800/2520000=90kW。

同理：N=90/（n/n）=90/（35/50）=264kW。

2.2.2助燃風機功率理論選擇（助燃SPR加熱節能系統）

天然氣寬體窯：

（1）助燃風量。Q=1175×9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=23426 m/h。

（2）壓頭。根據理論計算以及專業軟件動態模擬，壓頭選擇為6000Pa比較合理。

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=23426×6000/2520000=56kW。

考慮助燃風機一般設置在40HZ左右工作比較好（風機出力大，各燒嘴壓力均勻），助燃風調節不像排煙風機那樣，會對管道的壓頭產生很大得影響。

即N=56/（n/n）=93/（40/50）=109kW。

常規窯

（1）助燃風量。Q=1305X9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=26017 m/h。

（2）壓頭。根據理論計算以及專業軟件動態模擬，壓頭選擇為7000Pa比較合理

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=26017×7000/2520000=72kW。

同理：N實際=72/（n/n）=72/（40/50）=141KW。

2.2.3急冷風機、終冷風機

由于天然氣寬體窯和普通窯的產量相當，雖普通窯的管路設置會長，但同時其窯體散熱也多發揮一些作用。所以這兩種風機功率相差不大，可忽略不計。

2.2.4抽熱及熱交換風機功率的理論選擇

這兩臺風機是將磚坯從燒成溫度冷卻到80℃所需的冷風量以300℃的熱風形式抽出（窯墻散熱估計5%計算）。

天然氣寬體窯：

1.熱風量Q=20000×26/24×0.85×（1200-80）/（1×（300-20）×0.67×24）=109950 m/h（300℃）

2.壓頭。根據理論計算以及專業軟件動態模擬，壓頭選擇為2700Pa比較合理

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=109950×2800/2520000=117kW。

考慮抽熱風機一般設置在40HZ時工作比較好。這個區域，調試工藝所需的閥門調整不多。

即N=117/（n/n）=117/（40/50）=230kW。

常規窯：

常規窯，風量相當，但是壓頭要選大，以3000Pa為好。

風機理論選擇功率：N=PXQ/2520000=109950×3000/2520000=130kW。

同理：N=130/（n/n）=130/（40/50）=256kW。

寬體窯風機總裝機功率（未包含急冷，尾冷）：187+109+230=526KW;

普通窯風機總裝機功率（未包含急冷，尾冷）：264+141+256=661kW;

節電：661-526=135kW

節能比例135/661=20%。

2.3 窯墻散熱面積能耗的節省

對于內寬3100mm寬體窯，800mm×800mm 的拋釉磚可以1排3片，而內寬 2500mm? 普通窯爐，800mm×800mm 的拋釉磚1排2片，對于同樣產量20000平方米/天，分別計算兩種窯爐的長度。

L = S÷η÷成品磚面積÷（24x60÷T）÷n ×（磚坯長度+k）。

公式中? ：24×60÷T為每天燒成多少窯爐的磚

L÷（磚坯長度+k）x n為每條窯爐可容納多少件磚坯

T為窯爐燒成周期，L為窯爐長度，S為窯爐的產量，k為前后磚坯間距，η窯爐窯爐產品合格率，n為單排進磚數。

（1）對于內寬3100mm寬體窯，產量20000平方米/天，窯爐的長度為：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷3×（0.89+0.01）=331.8m

從排煙帶到急冷前約占一條窯爐的65%，其總散熱面積為 （3.95×2+1.17×2）×331.8×0.65=2208m

對于內寬2500mm普通窯爐，產量20000平方米/天，窯爐的長度為：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷2×（0.89+0.01）=497.7m

從排煙帶到急冷前約占一條窯爐的65%，其總散熱面積為? ? （3.35×2+1.17×2）×497.7×0.65=2924m

窯長縮短比例（497.7-331.8）/446=33.3%

散熱面積減少比例（2924-2208）/2924=24.5%

從以上分析可以看到，達到相同產能，寬體窯比常規窯窯體短33.3%，散熱面積減小了716m，減小了近24.5%。

（2）熱量損失計算：

假定窯墻外表平均溫度為70℃，環境溫度為30℃。

對流輻射換熱系數a=2.56×（70-30）0.25+4.56（704-304）/（100×（70-30））= 14W/m2 ℃。

最大熱流量為：

Q=a（70-30）=14×40=560W/m

總熱損失功率：Q=716×560=401kW/h。

（3）熱損失費用計算：

換算為每小時天然氣量：

401×861/8300=42m/h

每天節約天然氣量：42×24=998 m;

節約資金：998×5=4990元。

每年按330天計算：330×4990=1646700元。

從以上分析可以看到，達到相同產能，天然氣寬體窯爐散熱面積減小了716m，一年可以節省費用1646700元。

2.4其他

2條寬體窯產量相當于3條普通窯產量，不單是從窯爐方面節能。同時也減少一條生產線的工作人員。

3100 mm內寬的寬體窯做800mm×800mm微粉磚，每排進三片。同樣長度的2500 mm內寬的普通窯，每排進兩片。寬體窯產量大出1/3。也就是說，同樣的長度的窯爐，2條寬體窯的產量相當于3條普通窯的產量。比如，兩條20000平方米/天的內寬3100 mm寬體窯，產量相當于三條長度一樣的、產量6700平方米/天的內寬2500 mm普通窯。單單從這點看，寬體窯不論是在節能，還是在其他方面都有相當大的優勢。

3實際案例驗證

3.1 案例1詳情

國外項目，我公司在印度某公司生產的瓷質磚天然氣寬體窯項目，燒成周期60分鐘，最高燒成溫度1210度左右，窯爐尾三片800磚出窯比較整齊，相差僅一根多棒。出窯磚平整度也比較好，無色差，窯爐單位能耗1.05立方米（NG）/平方米磚。這與印度常規窯爐1.2-1.5立方米（NG）/平米磚的能耗節能了12%以上，節能效果非常的可觀。

3.2 國內項目

MOD.;MFS-3100型高效節能寬體窯（NG）運行的性能參數。

（1）窯內截面溫差：通過測溫環檢測小于3℃;

（2）窯外表溫度，≤外界溫度+30℃;

（3）自控情況

溫度自控，儀表控溫精度為±1.0℃。

（4）利用SPR系統，助燃風溫度可達到220℃。

3.3 寬體窯與普通寬度窯爐生產對比，見表1所示。

4節能效果

對于這兩年火爆的巖板窯爐，天然氣寬體窯爐的優勢依然比較明顯，我公司在肇慶某廠生產的巖板產品，800×2600×9，可以走3片，窯爐3.1/249.2米，產量達到了13150平方米/天，天然氣能耗是1.36 m/m磚，達到了行業領先的水平。對于2500的普通窯爐，只能走2片，能耗約2.2 m/m磚，天然氣寬體窯的節能減排的作用還是比較明顯的。

5總結

寬體輥道窯具有占地面積小、能耗少、效率高、產量大等特點，是未來窯爐升級換代的主要設備。天然氣寬體輥道窯不僅具有廣闊的應用前景，而且提升了陶瓷行業的生產水平，也是當下陶瓷行業在能源和環保困局下積極可行的突破口。

隨著“十三五”的結束和“十四五”的實施，在國家不斷重視環保，推行雙碳雙控的大環境下，以及國家及地方政府要求煤改氣，上線天然氣窯爐的會逐漸增多，發生爐煤氣窯爐會相應的減少。企業會越來越重視窯爐的節能效果，節能減排必將是陶瓷產業的大勢所趨，陶瓷窯爐工作者的責任會越來越大，節能挖潛任務會愈來愈重。天然氣寬體窯爐是摩德娜的強項，作為有使命感和社會責任感的摩德娜公司，為“成為世界一流的節能環保建材成套裝備企業”的愿景而努力奮斗。

參考文獻

[1]張雨. 寬體窯新型天然氣噴槍的特點、節能效果及優勢[J]. 佛山陶瓷， 2014（7）：3.