基于工業(yè)大數(shù)據(jù)陶瓷窯爐的節(jié)能降耗優(yōu)化設(shè)計

吳 彤

清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東清遠(yuǎn) 511000

引 言

為了打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，全國陶瓷行業(yè)“煤改氣”工作都在逐步推進(jìn)，截止到2020 年12 月，廣東省清遠(yuǎn)市34家陶瓷企業(yè)的169條生產(chǎn)線，已全部完成了升級改造，即全部陶瓷企業(yè)窯爐均實現(xiàn)了天然氣清潔能源熱量供給。根據(jù)目前陶瓷企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀，窯爐燒成工序的能耗占據(jù)陶瓷工藝鏈能耗的60%至70%左右[1]。由于天然氣能源的使用，窯爐運行工控能耗成本在現(xiàn)實生產(chǎn)中較使用水煤氣時有所增加，根據(jù)窯爐的耗能情況，陶瓷企業(yè)對窯爐的技術(shù)改造呈持續(xù)狀態(tài)，以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。據(jù)調(diào)研，目前窯爐改造主要集中在窯爐噴嘴等設(shè)備的更新?lián)Q代等方面，而柔性的管理形成的節(jié)能降耗較為少見。以廣東清遠(yuǎn)建筑陶瓷企業(yè)為研究對象，基于大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)上的智能化轉(zhuǎn)型，陶瓷智能化數(shù)據(jù)分析反饋和工藝調(diào)整，通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、空窯率、溫差、能耗、品質(zhì)等數(shù)據(jù)在平臺上集成共享，數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)和知識發(fā)現(xiàn)等大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，運用陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)組成，通過天然氣的熱值換算，深入挖掘陶瓷企業(yè)工業(yè)數(shù)據(jù)價值，適時調(diào)整窯爐燒結(jié)工藝參數(shù)，降低尾氣輸出溫度，有效地利用窯爐余熱，更換窯爐使用的保溫材料為輕質(zhì)耐火材料，不同窯爐分段加以涂層等舉措，提高窯爐熱利用率，實現(xiàn)窯爐節(jié)能降耗，為企業(yè)實現(xiàn)了提質(zhì)增效。

一、現(xiàn)代建筑陶瓷企業(yè)窯爐運行分析

1.1 陶瓷窯爐使用天然氣的運行現(xiàn)狀

隨著“綠色生產(chǎn)”，“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，“綠水青山就是金山銀山”環(huán)保舉措的出臺，陶瓷企業(yè)在能耗最大的生產(chǎn)工序—燒成中也迎接了巨大的挑戰(zhàn)。截止到2020年底，廣東省基本實現(xiàn)了從水煤氣到天然氣的全面改造。

“高耗能、高污染、資源型”企業(yè)一直是近年來國家調(diào)控的重點，其中陶瓷產(chǎn)業(yè)尤為突出，而陶瓷產(chǎn)業(yè)往往又是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要基礎(chǔ)。經(jīng)過長期調(diào)控，陶瓷企業(yè)不斷升級，有些企業(yè)的能耗和污染物排放已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。根據(jù)目前天然氣的供給市場，陶瓷企業(yè)所使用的天然氣主要有兩種，一種是管輸氣，一種是LNG，天然氣價格采取政府定價，燃?xì)夤靖鶕?jù)陶瓷企業(yè)的具體用氣量等因素最終確定，一般情況下，如果陶瓷企業(yè)每年天然氣使用量超過5萬平方米時，燃?xì)夤疽?.02元/m3進(jìn)行價格的適度下調(diào)。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前政府指導(dǎo)的天然氣最高銷售價格較為穩(wěn)定，廣東清遠(yuǎn)的政府指導(dǎo)價格近九年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1（以清城區(qū)為例）。從圖中可以看出，政府指導(dǎo)的天然氣最高銷售價格總體呈現(xiàn)下降趨勢，以2022年政府指導(dǎo)的天然氣最高銷售價格為例，年用氣量在1500萬m3以上價格為3元/m3，用氣量在500-1500萬m3（含）期間價格為3.21元/m3，用氣量低于500萬以下的3.44元/m3。

圖1 近九年非居民管道天然氣政府指導(dǎo)銷售價格變化趨勢圖

利用工業(yè)大數(shù)據(jù)，通過企業(yè)連接平臺https://cloud.poi-t.cn/的數(shù)據(jù)采集和分析，對某建筑陶瓷企業(yè)近三年的窯爐用氣量和非居民用天然氣的價格進(jìn)行了相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具體見圖1。一般情況下，燃?xì)夤驹谡笇?dǎo)的天然氣最高銷售價格基礎(chǔ)上一般最多可上浮20%，下浮不限。從圖中可以看出，從2020年下半年開始到2021年，陶瓷企業(yè)，以10條生產(chǎn)線的生產(chǎn)規(guī)模為例，用氣量基本維持在年用氣量25千萬m3左右，盡管2019年初和年底天然氣價格有一定上升，2021年底天然氣價格也有所上漲，但天然氣價格總體保持穩(wěn)定，均低于3元/m3。

圖2 近三年某陶瓷企業(yè)用氣量和企業(yè)天然氣價格變化趨勢圖

1.2 陶瓷窯爐節(jié)能降耗舉措分析

建筑陶瓷企業(yè)使用的窯爐基本是輥道窯，在窯爐結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)，窯爐高度越低、寬度越寬越有利于節(jié)能降耗[2]。當(dāng)窯爐寬高比一定前提下，隨著窯爐長度的增加，單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量會降低[3]。陶瓷窯爐節(jié)能降耗的另一個重要舉措是通過耐火材料的選用，減少爐體的散熱，如選用高鋁輕質(zhì)磚和輕質(zhì)陶瓷纖維等對節(jié)能降耗有較大的意義。采用先進(jìn)富氧燃燒技術(shù)，自控技術(shù)等也是目前比較有效的節(jié)能方法[4]。燒成過程中，充分利用余熱也可以大大實現(xiàn)能源的二次利用，以實現(xiàn)節(jié)能降耗[5,6]。

二、建筑陶瓷企業(yè)窯爐節(jié)能降耗措施和成效

2.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)實時監(jiān)測發(fā)揮天然氣最大熱值效用

自控技術(shù)是目前國外普遍采用的、有效的節(jié)能方法，它主要用于窯爐的自動控制。通過在線的外部參數(shù)(溫度、濕度、窯內(nèi)氧濃度、窯內(nèi)壓力、氣氛 等)測量來引導(dǎo)操作向最大的節(jié)能方向進(jìn)行[]。以清遠(yuǎn)某陶瓷企業(yè)為例，利用數(shù)據(jù)大平臺的數(shù)據(jù)采集，通過在線的外部參數(shù)抽濕，供熱，排煙，助燃，急冷，尾冷，熱交換，排煙壓力，助燃壓力，排煙超溫，燃?xì)獬瑝旱葏?shù)的監(jiān)測，使天然氣的使用達(dá)到最佳，對于該系列數(shù)據(jù)的監(jiān)測，根據(jù)目前的核算，可節(jié)能5至10%左右，同時可將尾氣含硫量控制在30%以下。同時通過測量控制系統(tǒng)，數(shù)字化的柔性生產(chǎn)技術(shù)，嚴(yán)控空窯率低于1.2%，優(yōu)等品率達(dá)到96.5%以上。

表1 天然氣的熱值統(tǒng)計表

圖3 窯爐在線監(jiān)測控制系統(tǒng)現(xiàn)場圖

2.2 先進(jìn)保溫技術(shù)應(yīng)用和窯爐寬高比實現(xiàn)節(jié)能降耗

以清遠(yuǎn)某建筑陶瓷企業(yè)為例，利用企業(yè)連接平臺的數(shù)據(jù)采集，窯爐冷卻帶熱風(fēng)溫度會維持在220℃以下，而余熱利用率大于90%，煙氣余熱利用率不低于85%，余熱技術(shù)發(fā)展較為成熟，利用率較高。余熱主要用于干燥窯和助燃?xì)怏w的預(yù)熱等用途，這在一定程度上提高了能源的再次利用，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。同時，適度調(diào)整了窯爐的寬高比，采取寬體窯，寬度達(dá)到3100mm，寬高比為310:9，這在熱利用率上面，達(dá)到了一定的節(jié)能降耗。耐火材料選用莫來石輕質(zhì)磚，堇青石輕質(zhì)磚等，氣孔率較高，保溫性好，導(dǎo)熱系數(shù)小，蓄熱量僅為磚砌式爐襯的1/30至1/10、 窯外壁溫度最低可降到30℃。為了提高陶瓷纖維的抗粉化能力，同時增加窯爐內(nèi)的傳熱效率，目前建筑陶瓷企業(yè)中對窯爐內(nèi)高溫階段進(jìn)行了熱輻射涂料處理，輻射率高達(dá)0.96，可節(jié)能138.3MJ/m2·h，每小時可節(jié)約4.41m3天然氣，而在低溫階段涂上熱輻射涂料HRC后，窯壁輻射率從0.7升為0.97，可節(jié)能20 MJ/m2·h，每小時可節(jié)約0.64m3天然氣，目前涂料技術(shù)正處于推廣階段，故而其節(jié)能效益日趨凸顯。建筑陶瓷企業(yè)窯爐所使用的燒嘴目前全部采用高速噴槍的節(jié)能噴槍，在一定程度上能夠起到較好的節(jié)能效果。通過窯爐保溫材料等的改進(jìn)，窯爐內(nèi)溫差基本控制在5℃以內(nèi)，窯爐溫差的減小，也意味著能耗浪費的減少，具體見圖4。

圖4 陶瓷窯爐燒成曲線

三、結(jié) 論

1）利用工業(yè)大數(shù)據(jù)實時監(jiān)測窯爐運行工況，通過在線的外部參數(shù)抽濕，供熱，排煙，助燃，急冷，尾冷，熱交換，排煙壓力，助燃壓力，排煙超溫，燃?xì)獬瑝旱葏?shù)的監(jiān)測，發(fā)揮天然氣最大熱值效用，使天然氣的使用達(dá)到最佳，可節(jié)能5至10%左右。

2）利用企業(yè)連接平臺的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)一步監(jiān)控窯爐余熱的利用，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。輕質(zhì)莫來石等耐火材料和熱輻射涂料的使用，節(jié)能噴槍的更換，使節(jié)能效益日益凸顯。利用了寬體窯，選用合適的寬高比，通過柔性管理，在線監(jiān)測窯爐內(nèi)溫差，控制在5℃以下，進(jìn)一步減少能耗的浪費。