摘要 隨著“十一五”節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃的出臺(tái)，國(guó)家對(duì)高能耗高排放產(chǎn)業(yè)的改革勢(shì)在必行。陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗、高污染的行業(yè)，必然是改革的重點(diǎn)領(lǐng)域，節(jié)能減排也必將是陶瓷產(chǎn)業(yè)的大勢(shì)所趨。本文詳細(xì)綜述了當(dāng)前陶瓷窯爐一些先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，并對(duì)未來節(jié)能的發(fā)展方向提出了一些展望。

關(guān)鍵詞 陶瓷窯爐，能耗，節(jié)能技術(shù)

1前 言

眾所周知，國(guó)家“十一五”計(jì)劃中明確提出了“十一五”節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃，要求調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，遏制高能耗高污染行業(yè)過快增長(zhǎng)，大力推進(jìn)節(jié)能工作，而陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗、高污染的行業(yè)，尤其是對(duì)資源的消耗和環(huán)境的污染都非常嚴(yán)重，屬于政府和大眾“緊盯”的行業(yè)之一。在佛山，建筑陶瓷行業(yè)的節(jié)能、排放和環(huán)保問題顯得尤為嚴(yán)重，在2007年，在佛山216家能源審計(jì)不合格企業(yè)的黑名單中，陶瓷企業(yè)赫然占了84家，陶瓷企業(yè)的變革必然首當(dāng)其沖。為此，國(guó)家出臺(tái)了一系列的強(qiáng)制性節(jié)能措施，如開征燃油稅、環(huán)境稅，建立政府節(jié)能減排工作問責(zé)制和一票否決制等機(jī)制，以此強(qiáng)制性督促陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)行節(jié)能改革。

中國(guó)陶瓷工業(yè)的能源利用率與國(guó)外相比，差距較大。發(fā)達(dá)國(guó)家的能源利用率一般高達(dá)50%以上，美國(guó)達(dá)57%，而我國(guó)僅為28%～30%。在陶瓷工業(yè)的一般工藝流程中，能耗主要體現(xiàn)在原料的加工、成形、干燥與燒成這四部分。其中干燥和燒成工序，兩者的能耗約占80%。在建筑衛(wèi)生陶瓷方面，國(guó)內(nèi)外能耗存在著一定的差距，如表1所示。

以日用陶瓷在國(guó)內(nèi)燒成能耗的狀況為例，燃煤隧道窯為41816～54361kJ／kg瓷，折合1.42～1.85kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷；燃油隧道窯為33453～45998kJ／kg瓷，折合1.14～1.57kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷；燃?xì)馑淼栏G為29271～39725kJ／kg瓷，折合1.00～1.35kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷。而國(guó)外窯爐以氣體燃料為主，燒成能耗為12545～25090kJ／kg瓷，折合0.43～0.86kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷，燒成能耗只有我國(guó)的一半左右[1]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單位能源消耗限額》也已出臺(tái)，如表2所示。

2陶瓷窯爐的節(jié)能技術(shù)

在2008年，對(duì)廣東陶瓷生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行能源核查時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)陶瓷窯爐進(jìn)行改造和新技術(shù)的應(yīng)用，可以大大地減少能耗且潛力非常大，能滿足國(guó)家“十一五”計(jì)劃所要求“到‘十一五’結(jié)束達(dá)到節(jié)能20%”的目標(biāo)。下面是在能源審查中看到的對(duì)窯爐進(jìn)行改造比較成功的三家工廠的案例：

甲廠把窯爐余熱(170℃)送到干燥窯及助燃風(fēng)，可節(jié)能4900tce/年，通過在煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)中增加循環(huán)風(fēng)機(jī)、中轉(zhuǎn)汽缸及管道等設(shè)施，可以降低排煙溫度，提高余熱利用率并節(jié)煤1404tce。該廠在2006、2007年的單位綜合能耗分別為0.346、0.321tce/t，預(yù)計(jì)到2010年單位綜合能耗可降為0.285tce/t，節(jié)能量達(dá)30000tce。該廠的能源費(fèi)用占總成本的41.9%，而窯爐節(jié)能占總節(jié)能量的8３.2%。可見，窯爐改造能大大降低生產(chǎn)成本且節(jié)能潛力巨大。

乙廠將窯爐余熱引入噴霧干燥塔用于干燥粉料，可節(jié)能20400tce/年，并且改造了5條2.4m×238m窯爐，可節(jié)能14400tce/年。該廠2006、2007年的單位產(chǎn)品能耗分別為753.67和541kgce/t，2年共節(jié)能42351tce。其中，通過窯爐改造可節(jié)能34800tce/年，占總節(jié)能量的82.2%，可見，窯爐的節(jié)能潛力巨大。

丙廠進(jìn)行發(fā)生爐煤氣頂部改造工程，改造了7臺(tái)爐，可多產(chǎn)煤氣量：100800m3/(2850m3/t) =35tce，則每月能多節(jié)煤1050tce，運(yùn)行5個(gè)月內(nèi)共節(jié)能3750tce。并加長(zhǎng)窯爐，由158.6m改為199.95m，燒800mm×800mm的磚產(chǎn)量可從3800m2/日提高到4200m2/日，折合節(jié)能1114.17tce。該廠2006、2007年的單位產(chǎn)品能耗分別為0.476和0.458tce/t，2年共節(jié)能42351tce。預(yù)計(jì)2010年可達(dá)到0.4304tce/t，到十一五末可節(jié)能12249tce。能源費(fèi)用占總成本的34%，通過窯爐改造節(jié)能占總節(jié)能的92.4%，可見通過窯爐改造，節(jié)能潛力十分顯著。

窯爐是陶瓷企業(yè)最關(guān)鍵的熱工設(shè)備，也是耗能最大的設(shè)備，但是窯爐能耗的水平，主要取決于窯爐的結(jié)構(gòu)與燒成技術(shù)。窯爐技術(shù)革新圍繞著以下幾個(gè)關(guān)鍵性問題進(jìn)行：①窯爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；②燒成技術(shù)的創(chuàng)新；③合理選用燒嘴；④余熱回收利用；⑤大范圍采用自動(dòng)控制技術(shù)；⑥研究開發(fā)更先進(jìn)的保溫材料和涂層技術(shù)[2]。

2.1 優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)

隨著窯內(nèi)高的增加，單位制品熱耗和窯墻散熱量也在增加。如當(dāng)輥道窯窯內(nèi)高由0.2m升高至1.2m時(shí)，熱耗增加4.43%，窯墻散熱升高33.2%，故從節(jié)能的角度看，窯內(nèi)高度越低越好；隨著窯內(nèi)寬度增大，單位制品熱耗和窯墻散熱均減少。如當(dāng)輥道窯窯內(nèi)寬從1.2m增大到2.4m，單位制品熱耗減少2.9%，窯墻散熱降低25%。如把輥道窯的內(nèi)寬由2.5米擴(kuò)大到3.0米，產(chǎn)量則可以從10000m2增加到15000m2，窯體散熱面積由1206m2增加到1422m2，每生產(chǎn)1m2磚，窯墻散熱面積由0.1206m2減少到0.0948m2；如果窯墻外表面溫度與環(huán)境的溫度差不變，則窯體外壁的散熱損失可減少27.2％，故在一定范圍內(nèi)，窯越寬越好；窯越寬，節(jié)能率越高，故只要能很好地解決斷面溫差的問題，寬體窯是未來發(fā)展的方向；當(dāng)窯內(nèi)寬和窯內(nèi)高一定的情況下，隨著窯長(zhǎng)的增加，單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。如當(dāng)輥道窯的窯長(zhǎng)由50m增加到100m時(shí)，單位制品熱耗降低1%，窯頭煙氣帶走熱量減少13.9%。因此，應(yīng)重點(diǎn)研究和優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)，減少制品帶走的熱量，減少能耗，并逐步縮小窯內(nèi)各斷面的溫差，使燒成制品缺陷降低，加快燒成周期，并節(jié)約能耗[3]。

2.2采用先進(jìn)的燒成技術(shù)

2.2.1 采用低溫快燒技術(shù)

在陶瓷生產(chǎn)中，燒成溫度越高，能耗就越高。據(jù)熱平衡計(jì)算，若燒成溫度降低100℃，則單位產(chǎn)品熱耗可降低10%以上，且燒成時(shí)間縮短10%，產(chǎn)量增加10%，熱耗降低4%。因此，在陶瓷行業(yè)中，應(yīng)用低溫快燒技術(shù)，不但可以增加產(chǎn)量，節(jié)約能耗，而且還可以降低成本。如佛山某企業(yè)和華南理工大學(xué)合作，采用超低溫配方燒成，將現(xiàn)有的建筑陶瓷產(chǎn)品的燒成溫度降低約200℃，達(dá)到1000℃以下，單位制品的燃耗降低25%，每公斤瓷能耗為3～5MJ，僅為普通燒成技術(shù)的75%左右，大大降低了生產(chǎn)成本。

2.2.2 采用一次燒成技術(shù)

采用一次燒成技術(shù)一次燒成比一次半燒成(900℃左右低溫素?zé)?，再高溫釉?和兩次燒成更節(jié)能，綜合效應(yīng)更佳，同時(shí)可以解決制品的后期龜裂，延長(zhǎng)制品的使用壽命[1]。

2.3 合理選用噴嘴

過去在噴嘴使用時(shí)，溫度控制容易出現(xiàn)偏差。由于高溫火焰流因浮力而上升，形成窯道內(nèi)溫度上高下低，使熱電偶檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)偏高，故造成熱電偶儀表上顯示的溫度與窯內(nèi)燒成品實(shí)際溫度出現(xiàn)很大的偏差。采用新型高速噴嘴或脈沖燒成技術(shù)，可以使窯內(nèi)溫度變得均勻，減少窯內(nèi)的上下溫差，不但能縮短燒成周期，降低能耗，而且可以提高制品的燒成效果。特別對(duì)于寬斷面的窯爐，宜采用脈沖比例燒嘴或高速燒嘴；對(duì)于燒水煤氣的輥道窯，采用預(yù)混式燒嘴，不但可以減少窯斷面上的溫差，而且可以節(jié)約能源近15%～20%[2]。

2.4余熱回收循環(huán)利用

積極采用先進(jìn)的煙氣余熱回收技術(shù)，降低排煙熱損失是實(shí)現(xiàn)工業(yè)窯爐節(jié)能的主要途徑。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外煙氣余熱的利用主要用于干燥、烘干制品和生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)。采用換熱器回收煙氣余熱來預(yù)熱助燃空氣和燃料，具有降低排煙熱損失、節(jié)約燃料和提高燃料燃燒效率、改善爐內(nèi)熱工過程的雙重效果，一般認(rèn)為：空氣預(yù)熱溫度每提高100℃，即可節(jié)約燃料5%。

現(xiàn)有的余熱利用方式主要有以下幾種：①在換熱器中用煙氣余熱加熱助燃空氣和煤氣；②設(shè)置預(yù)熱段或輥道干燥窯，用煙氣余熱加熱濕坯；③設(shè)置余熱鍋爐，用煙氣余熱生產(chǎn)蒸汽；④加熱空氣作為烘干坯件的熱源；⑤將窯爐熱煙氣直接送至噴霧塔干燥漿料進(jìn)行制粉；⑥利用煙氣余熱來發(fā)電和供暖等[4]。

蓄熱式熱交換技術(shù)為上世紀(jì)80年代興起的新型節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)的最大特點(diǎn)是高效節(jié)能，平均節(jié)能率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可再提高30%。傳統(tǒng)工業(yè)爐的蓄熱室由耐火材料砌成，能承受高溫。但是為了保證足夠的換熱面積，導(dǎo)致體積過于龐大，換熱效果也不盡如人意。陶瓷蜂窩體等新型蓄熱體的出現(xiàn)，不僅保持了傳統(tǒng)蓄熱室的熱回收率高、節(jié)能效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了體積龐大等缺點(diǎn)，為進(jìn)一步提高陶瓷窯爐的熱效率、節(jié)約能源及減少CO₂的排放量帶來了新的希望[5]。

某企業(yè)在不改變窯爐現(xiàn)有設(shè)備和結(jié)構(gòu)的情況下，安裝了一部其自主研制的熱交換器，以回收煙氣中的部分余熱，可以使廢熱中的90％被重新回收利用，節(jié)能達(dá)10％左右。某窯爐節(jié)能科技有限公司，將窯爐急冷段的熱風(fēng)直接抽出送至噴霧塔用來干燥粉料，循環(huán)利用窯爐余熱，而噴霧塔無須另外配置熱風(fēng)爐，一年可以節(jié)約幾百萬元的燃料支出。

2.5 富氧燃燒節(jié)能技術(shù)

針對(duì)陶瓷燒成的燃燒技術(shù)，一般將助燃空氣中氧氣含量大于21%時(shí)所采取的燃燒技術(shù)，簡(jiǎn)稱為富氧燃燒技術(shù)。燃料在富氧狀態(tài)下能降低燃點(diǎn)溫度，且使燃燒速度加快，燃燒完全，從而提高了火焰強(qiáng)度，獲得較好的熱傳導(dǎo)。由于采用富氧燃燒技術(shù)，燃燒相對(duì)完全，火焰長(zhǎng)度相對(duì)縮短，火焰上部溫度降低，減輕了小爐、蓄熱室的熱負(fù)荷，即減輕了對(duì)其的侵蝕，窯爐壽命也得到相應(yīng)延長(zhǎng)。采用富氧空氣后可以適當(dāng)減少二次助燃風(fēng)量，從而減少廢氣排放量，也就減少了廢氣帶走的熱量，提高了熱效率，達(dá)到節(jié)能的目的[6]。富氧燃燒技術(shù)具有可以減少二次風(fēng)的需求量，減少煙氣的排放量，增加火焰溫度，提高燃燒效率，以及有效地節(jié)約能源消耗等優(yōu)勢(shì)[7]。一般認(rèn)為，采用富氧燃燒技術(shù)可以節(jié)能約10%左右。

2.6 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

以前對(duì)陶瓷窯爐的模擬多數(shù)采用模型模擬的方法，建設(shè)模擬模型耗資大、時(shí)間長(zhǎng)，操控不方便。而采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以模擬窯內(nèi)的流體的對(duì)流換熱過程，模擬輥道窯噴嘴的布設(shè)角度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)窯內(nèi)流場(chǎng)的影響；模擬梭式窯內(nèi)流場(chǎng)對(duì)流換熱規(guī)律及對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)窯內(nèi)換熱不均勻度的影響，還可以模擬陶瓷燒成過程中影響NOx生成的各個(gè)因素。通過計(jì)算機(jī)對(duì)陶瓷的燒成過程進(jìn)行模擬，可以對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)對(duì)陶瓷燒成過程的精確控制，做到有的放矢，可以大大提高生產(chǎn)效率，減少能源的消耗和浪費(fèi)，而且可以達(dá)到控制有害氣體排放的目的。

2.7 選用高效的保溫材料

窯體熱損失主要分為蓄熱損失與散熱損失。減少熱損失的主要措施就是加強(qiáng)窯體的有效保溫，并且在保證窯墻外表溫度盡可能低的情況下，選用最合理最經(jīng)濟(jì)的材料以取得最薄的窯墻結(jié)構(gòu)。保溫材料的合理選擇對(duì)節(jié)能降耗起到很大的效果，如輕質(zhì)陶瓷纖維與重質(zhì)耐火磚相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、重量只有輕質(zhì)材料的1/6、容重為傳統(tǒng)耐火磚的1/25、蓄熱量?jī)H為磚砌式爐襯的1/30～1/10、窯外壁溫度可降到30℃～60℃。纖維節(jié)能方面，從總能耗的20.6%下降到9.02%，節(jié)能達(dá)到16.67%[1]。

將高性能保溫材料或絕熱材料應(yīng)用在陶瓷窯爐上，不但可以減少窯墻的蓄散熱，而且可以大大地減薄窯壁的厚度，使窯壁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。如佛山科達(dá)機(jī)電股份有限公司在高效節(jié)能輥道窯上使用低溫超級(jí)隔熱保溫材料，利用多層屏蔽阻隔及納米SiO₂顆粒的特性，大大提高了窯墻的隔熱性能，使窯體外表面的熱損失大大降低。窯外壁的溫度在50～60℃，其導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)照如圖1所示。筆者承擔(dān)的廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，利用硅鈣板、超多孔陶瓷材料等和SiO₂氣凝膠復(fù)合，采用超臨界干燥技術(shù)制備出性能優(yōu)異的超級(jí)絕熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m#8226;K。

2.8 選擇低成本燃料

目前，大多陶瓷生產(chǎn)企業(yè)使用的燃料多為液化氣、煤、煤氣、輕柴油、重油等。煤因不易控制、燃燒不充分、溫差大、熱效率低且污染大而很少被采用。雖然煤氣發(fā)生爐一次性投資較大，但由于煤價(jià)波動(dòng)較小，且年平均價(jià)格穩(wěn)定、成本較低，一般一年就可收回投資，所以煤氣越來越被重視和選用[8]。

發(fā)生爐煤氣（煤轉(zhuǎn)氣）的應(yīng)用是窯爐的燃料費(fèi)用降低及能源消耗大幅度下降的有效途徑。發(fā)生爐煤氣是一種潔凈的氣體燃料，可避免環(huán)境污染，同時(shí)又降低了窯爐燃料費(fèi)用，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，是提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常有效的替代燃料。就燃料的成本而言，若以柴油為窯爐燃料，則燃燒1公斤的柴油，相當(dāng)于燃燒2～3公斤煤。1公斤柴油的價(jià)格為4.00元左右，2～3公斤煤的價(jià)格約為2.00元（按700元/t算），不考慮其他費(fèi)用，兩者的差價(jià)是2.00元。而且，使用煤轉(zhuǎn)氣可以大大降低能耗，提高燃料的有效利用率。實(shí)踐證明，使用煤轉(zhuǎn)氣可以節(jié)能1/2～1/5。

3展望

隨著陶瓷窯爐燒成技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)計(jì)今后陶瓷窯爐的發(fā)展方向?yàn)椋涸诟G爐結(jié)構(gòu)上，向連續(xù)式窯爐長(zhǎng)度上發(fā)展；在窯體、窯具的材料上，采用輕質(zhì)陶瓷纖維，采用先進(jìn)的涂層技術(shù)；在燒成技術(shù)上，向溫度均勻性高、低污染方向發(fā)展，如采用微波燒成技術(shù)；在檢測(cè)控制方法上，采用多變量模糊控制技術(shù)；在研究方法上，將窯爐熱工理論和計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合。上述方法和技術(shù)將是科研工作者的研究重點(diǎn)，也是陶瓷工業(yè)節(jié)能降耗的發(fā)展方向。

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Overview of Energy Saving Technology in Ceramic Industry

Zeng LingkeLiu TaoWang HuiLiu Ping'an

(College of MaterialsSouth China University of TechnologyGuangzhou Guangdong510640)

Abstact: Along with the 11th Five-Year Plan for energy saving released，high-pollution，high-energy-consumption industries must be reformed. Ceramic industry is the high energy consumption， high-pollution industry，which is the focus area of reformation， energy saving will be a unavoidable trend of ceramic industry. This paper detailed the advanced energy saving technology.At last， the future developing direction of energy saving technology is prospected.

Keywords: ceramic furnace， energy consumption，energy saving technology