摘要:本文從窯爐燒成的角度，對(duì)陶瓷生產(chǎn)的節(jié)能減排進(jìn)行了探討，從窯爐結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)調(diào)試與生產(chǎn)工藝等方面提出了窯爐節(jié)能的具體措施，并對(duì)窯爐余熱的綜合利用提出了建議。

關(guān)鍵詞:窯爐;陶瓷燒成;節(jié)能

1引 言

節(jié)能減排是一個(gè)不老的話題，尤其是對(duì)于“高能耗、高資源消耗、高污染”的陶瓷行業(yè)，更是迫在眉睫。在陶瓷生產(chǎn)中，燒成能耗約占生產(chǎn)總能耗的30%，窯爐是否節(jié)能，它不單是一條窯爐是否先進(jìn)的標(biāo)志，也與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)。下面根據(jù)科達(dá)公司多年設(shè)計(jì)制作窯爐的經(jīng)驗(yàn)，從各方面總結(jié)窯爐的節(jié)能途徑。

2陶瓷燒成的節(jié)能減排途徑

2.1燃燒系統(tǒng)方面

2.1.1合理選用燃料。

目前，先進(jìn)的輥道窯一般都選用氣體燃料，因?yàn)闅怏w燃料燃燒完全，熱利用率高，有利于自動(dòng)控制溫度。用煤作燃料雖然成本低一些，但無論是在熱能利用率，還是在產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)保方面均不如氣體燃料。目前，我國(guó)的陶瓷窯爐已很少用煤作燃料，即使是天然氣、液化石油氣供給不方便的地理位置，也是將煤轉(zhuǎn)化成煤氣使用。液體燃料也很少使用，因?yàn)橐后w燃料需充分霧化才能燃燒完全，這不僅增加了霧化設(shè)備的成本，且燃料的利用率也不高。

2.1.2合理選擇燃燒設(shè)備

窯爐中的燒嘴是燃料燃燒的關(guān)鍵設(shè)備，也是決定輥道窯橫斷面溫度是否均勻的重要設(shè)備，燒嘴結(jié)構(gòu)不好會(huì)造成火焰不穩(wěn)定，產(chǎn)品易出現(xiàn)變形和色差。一個(gè)好的燒嘴能在助燃空氣過剩系數(shù)較低的情況下，使燃料燃燒充分，火焰穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能之目的。

國(guó)內(nèi)的一些燒嘴供應(yīng)商由于缺乏對(duì)燒嘴的理論基礎(chǔ)研究，主要靠在實(shí)踐中摸索總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而得出一些數(shù)據(jù)，因此有一定的局限性。當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，往往易因缺乏調(diào)試經(jīng)驗(yàn)而出現(xiàn)技術(shù)問題，如燒嘴出現(xiàn)熱功率不合適、燃?xì)鈬娍缀椭硷L(fēng)噴孔的面積比相差大等問題。科達(dá)公司在每次訂購燒嘴時(shí)，都要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)助燃風(fēng)和燃?xì)忾_孔的具體尺寸和數(shù)量提出要求，以確保燒嘴運(yùn)行良好。

2.1.3合理調(diào)整空氣過剩系數(shù)

每一種燃料，在保證充分燃燒時(shí)，其所需的助燃空氣量不同。在窯爐調(diào)試時(shí)，應(yīng)將過?？諝饬靠刂圃谧钚。駝t，超過一定范圍，就會(huì)增大燃料的耗用量。

2.1.4提高助燃風(fēng)的溫度

將助燃風(fēng)預(yù)熱有助于節(jié)能，據(jù)測(cè)算，助燃風(fēng)預(yù)熱到100℃時(shí)，可節(jié)能4%，另外也能使燃燒速度加快、穩(wěn)定燃燒過程、提高燃燒效率。助燃風(fēng)的預(yù)熱可嘗試以下幾方面的措施:

(1) 將助燃風(fēng)管埋在窯爐四角，通過吸收窯墻所散的熱來提高助燃風(fēng)的溫度，大約可達(dá)到60℃;

(2) 將冷卻帶的余熱風(fēng)作為助燃風(fēng)用，溫度可達(dá)200℃;

(3) 在窯爐的急冷帶設(shè)熱交換器，將助燃風(fēng)管通過熱交換器，換取一部分熱以提高溫度，溫度可達(dá)120℃。

以上三種措施中，利用第1種方法所得的助燃風(fēng)的溫度較穩(wěn)定，但溫度較低，節(jié)能不明顯;第2種方法所得助燃風(fēng)的溫度高，節(jié)能明顯，但需增加穩(wěn)定措施;第3種方法會(huì)影響磚的正常冷卻，還有可能引起緩冷區(qū)的炸磚。

2.1.5降低產(chǎn)品的出窯溫度

降低產(chǎn)品的出窯溫度是節(jié)能減排的一種新理念，它有兩個(gè)好處:一是優(yōu)化工人的操作環(huán)境，這也是提高工作效率的重要保障;二是它可以將盡量多的熱量交換出來再利用。當(dāng)然，要降低產(chǎn)品的出窯溫度，需要一定的設(shè)備投入，要縮短緩冷區(qū)長(zhǎng)度，加長(zhǎng)尾冷區(qū)的長(zhǎng)度，這樣才能加強(qiáng)緩冷區(qū)的冷卻效果，從而降低產(chǎn)品的出窯溫度?？七_(dá)窯爐采取這個(gè)措施之后，產(chǎn)品的出窯溫度比一般窯爐可降低50℃左右。

2.2合理設(shè)計(jì)窯爐結(jié)構(gòu)

2.2.1合理選擇耐火保溫材料

判斷窯爐是否節(jié)能的另一個(gè)標(biāo)志是窯爐外表溫度，在窯壓一定的前提下，窯爐外表溫度低，說明窯爐散熱少。窯爐外表溫度與窯墻厚度和耐火保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，窯爐窯墻厚度大，外表溫度可降低，但也不是窯墻越厚越好，因?yàn)楦G墻厚了，輥棒的長(zhǎng)度也要隨之增加，這會(huì)增加客戶的后期運(yùn)行成本;同時(shí)輥棒長(zhǎng)了，兩側(cè)的支點(diǎn)距離大了，磚坯的傳輸容易混亂，易使磚坯在燒成區(qū)產(chǎn)生變形。

在保證使用溫度的前提下，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的耐火材料，要根據(jù)窯墻從里到外的溫度梯度來合理配置耐火保溫材料，這樣既能減小窯墻厚度，又能保證窯墻的保溫性能。目前，國(guó)外先進(jìn)窯爐的窯墻厚度一般為380mm左右，而國(guó)內(nèi)的窯爐要達(dá)到同樣的保溫性能，有的窯墻需達(dá)到500mm厚，這顯示出我國(guó)在窯爐設(shè)計(jì)方面與國(guó)外還有一定的差距。表1是輥道窯常用的耐火保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，供設(shè)計(jì)者參考。

在重視窯墻保溫性能的同時(shí)，也不能忽視了窯底和窯頂?shù)纳帷Ｓ械母G爐公司沒有重視窯底的保溫，把窯底設(shè)計(jì)得很薄，選擇的保溫材料比重又大，從而造成大量的熱量從窯底散掉。如果按不同的工作溫度選擇一些低導(dǎo)熱系數(shù)的材料，如在低溫區(qū)使用體積密度為0.6g/cm3的硅藻土磚等砌筑窯底，則可大大提高窯爐的保溫性能。

2.2.2 事故處理孔的設(shè)計(jì)

事故處理孔的底面一般選擇的過橋磚為重質(zhì)高鋁磚，但其它三面材料的選擇就有講究了，如果都選大塊的重質(zhì)磚，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致散熱嚴(yán)重。一般觀點(diǎn)認(rèn)為，既然是作為處理事故孔，應(yīng)該越結(jié)實(shí)越好，但材料的比重越大，其熱耗也要相應(yīng)增加，這是一對(duì)矛盾。由于現(xiàn)在的窯爐很少出現(xiàn)堵窯現(xiàn)象，事故處理孔使用的幾率非常小，因此在設(shè)計(jì)上還是應(yīng)重點(diǎn)考慮其保溫性能。

2.2.3 觀察孔的設(shè)計(jì)

有的窯爐公司將觀察孔做成體積密度較大的一個(gè)整體磚，窯墻有多厚，它就有多長(zhǎng)，這樣勢(shì)必導(dǎo)致其散熱嚴(yán)重?？七_(dá)公司設(shè)計(jì)的觀察孔，是在砌好的窯墻上直接打孔，整體性好、散熱小。

另外，觀察孔的大小對(duì)窯爐的保溫也很重要，有的公司將觀察孔設(shè)計(jì)成很大，出現(xiàn)散熱大的不良效果。另外，因?yàn)闊蓭俏⒄龎哼\(yùn)行，如果操作工使用觀察孔后忘記了放塞子或塞子壞了沒及時(shí)更換，則會(huì)有大量熱氣跑出窯外。

2.2.4 燒嘴磚的設(shè)計(jì)和選擇

圖1和圖2是碳化硅燒嘴磚和重質(zhì)高鋁燒嘴磚的結(jié)構(gòu)示意圖，相對(duì)于高鋁燒嘴磚，碳化硅燒嘴磚具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)重量輕、熱容量小。每個(gè)碳化硅燒嘴磚重1.75kg，僅相當(dāng)于高鋁磚材質(zhì)的十七分之一，由于耐火材料的熱容量與重量成正比，所以它的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高鋁磚，保溫性能優(yōu)勢(shì)明顯。

(2) 窯墻整體性好，窯墻保溫好。因?yàn)樘蓟锜齑u的安裝孔是用建筑用鉆頭直接在砌好的整體墻上打圓孔，所以砌筑時(shí)不用預(yù)留方孔和過橋磚，整體性很強(qiáng)，因此窯墻保溫性也好。

另外，碳化硅燒嘴磚由于安裝燒嘴磚的孔是圓孔，無需使用過橋磚，可減少因過橋磚斷裂而產(chǎn)生的維修量。而且碳化硅燒嘴磚更換容易、使用壽命長(zhǎng)，并能快速調(diào)節(jié)窯爐溫差，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，無論是從節(jié)能減排還是生產(chǎn)工藝的角度考慮，都應(yīng)優(yōu)選碳化硅燒嘴磚。

2.2.5 合理設(shè)計(jì)窯爐內(nèi)空高度

內(nèi)空太大會(huì)造成煙氣積聚于窯頂層空間內(nèi)，不僅會(huì)造成上下溫差加大，還會(huì)使煙氣與產(chǎn)品熱交換量變小、熱效率降低，從而使能耗加大。

2.2.6窯爐長(zhǎng)度的選擇

由于市場(chǎng)容量的持續(xù)增長(zhǎng)，陶瓷企業(yè)單條窯的日產(chǎn)量越來越大，因而窯爐的長(zhǎng)度也越來越長(zhǎng)。2000年前后，單窯日產(chǎn)600mm×600mm拋光磚5000m²，窯長(zhǎng)為130m左右;2006年前后，要求日產(chǎn)10000m²以上，窯長(zhǎng)220m左右;而目前則要求日產(chǎn)15000～18000m²，窯長(zhǎng)在320m左右;有的窯爐甚至達(dá)到了400m長(zhǎng)，窯爐日產(chǎn)量達(dá)到25000m²。

窯爐真的越長(zhǎng)越好嗎?答案是否定的。無論多長(zhǎng)的窯爐，排煙風(fēng)機(jī)都設(shè)置在窯頭，窯爐在燒成帶是微正壓運(yùn)行，為了保證燒成帶的微正壓，越長(zhǎng)的窯爐，其窯頭負(fù)壓就越大(見圖3)，預(yù)熱帶吸進(jìn)冷風(fēng)就越多，因此會(huì)造成預(yù)熱區(qū)升溫困難，從而使所耗燃料增多。

2.2.7合理施工

窯爐的砌筑施工同樣非常重要，即使是選用最好的材料，如果沒有一個(gè)好的施工隊(duì)伍，不能規(guī)范施工，窯爐的保溫效果也會(huì)大打折扣。

2.3 工藝配方方面

2.3.1開發(fā)低溫快燒工藝

節(jié)能不僅要在窯爐上挖潛力，制定合理的燒成制度同樣至關(guān)重要，采用低溫快燒工藝就是很重要的一環(huán)。目前，600mm×600mm拋光磚的燒成周期已縮短至40min，它的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前55min燒成周期的能耗。

2.3.2 減小瓷磚的厚度

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，600mm×600mm拋光磚的正常厚度是10mm，但如果能降到 8mm，就可以減少20%的用料，還可以縮短燒成時(shí)間10min左右，節(jié)能15%以上。

科達(dá)公司在蒙娜麗莎陶瓷有限公司承建的800mm×1800mm陶瓷大薄板生產(chǎn)線，成品磚的厚度僅約5mm，可節(jié)約原料50%以上，具有廣闊的節(jié)能推廣前景。

2.4 開發(fā)寬體窯爐

利用寬體窯增加產(chǎn)量，是節(jié)能的又一個(gè)途徑。幾年來對(duì)于開發(fā)寬體窯，尤其是燒拋光磚的寬體窯，企業(yè)欲進(jìn)又止。有些陶瓷企業(yè)在使用寬體窯燒制拋光磚上遇到了不少難題，由于寬體窯是較為新型的燒成設(shè)備，有些技術(shù)尚不夠成熟，因此，面對(duì)生產(chǎn)上出現(xiàn)的難題沒有切實(shí)可行的解決措施。

寬體窯主要有兩大技術(shù)難點(diǎn):一是寬體窯橫斷面溫差大，二是輥棒走磚容易出現(xiàn)問題。幾年來，科達(dá)在這方面做了大量研究，對(duì)解決這兩大難題都有了應(yīng)對(duì)措施。

科達(dá)公司于2009年5月份在山東臨沂承建的一條內(nèi)墻磚生產(chǎn)線，素?zé)G內(nèi)寬3.1m，釉燒窯內(nèi)寬2.9m，燒成周期30min，燃料為發(fā)生爐煤氣，日產(chǎn)量25000m²，投產(chǎn)一個(gè)多月，產(chǎn)量已達(dá)到28000m²，并且窯爐斷面溫差小，產(chǎn)品質(zhì)量很好，表2是該窯爐斷面溫差的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3窯爐余熱的綜合利用方案

近年來，由于能源價(jià)格不斷上漲，國(guó)內(nèi)陶瓷企業(yè)迫于成本的壓力，不斷尋求節(jié)約能源的新途徑，國(guó)家政策也不斷鼓勵(lì)節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)。窯爐的熱效率總體來說還是相當(dāng)?shù)偷模瑩?jù)測(cè)算，窯爐總熱能的60%以煙氣和熱風(fēng)的形式排入大氣，這些煙氣和熱風(fēng)不僅帶走了熱能，也污染了空氣，如果能將這60%的熱能回收其中的60%，也就是回收窯爐總能耗的36%的熱能，其量是相當(dāng)可觀的。

例如一條日產(chǎn)1.3萬m²拋光磚的輥道窯，日耗標(biāo)煤40t，按36%的熱能回收計(jì)算，一天就可以回收近15t標(biāo)煤的熱能，也即一天節(jié)約1.5萬元。目前，陶瓷行業(yè)有各種余熱綜合利用的節(jié)能設(shè)備投入使用，取得了一定的效果，但仍存在以下問題:

(1) 在急冷帶取熱，容易炸磚。某國(guó)外的大型陶瓷設(shè)備供應(yīng)商對(duì)余熱利用提出了幾種方案，但幾種方案都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是在急冷帶設(shè)換熱器，將余熱或室內(nèi)自然風(fēng)在此加熱后供助燃風(fēng)。我們知道，在急冷帶取走了熱能，造成急冷風(fēng)量自動(dòng)減少，這樣勢(shì)必造成緩冷區(qū)溫度下降，當(dāng)緩冷區(qū)達(dá)不到要求溫度時(shí)，磚坯就會(huì)在此區(qū)炸裂。另外，進(jìn)入換熱器的風(fēng)的溫度是不穩(wěn)定的，溫度越低，在急冷帶取走的熱越多，急冷風(fēng)量越少，緩冷區(qū)溫度就越低，越容易炸磚，尤其是在燒制瓷質(zhì)磚時(shí)，此問題更為突出。

(2) 加熱后的助燃風(fēng)的溫度和量不能保持恒定，使窯爐運(yùn)行不穩(wěn)定，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。由于窯爐疏磚等原因，余熱風(fēng)的溫度是不穩(wěn)定的，造成助燃風(fēng)的溫度和量都是變化的，雖然有自控閥控制窯溫，但是也會(huì)造成窯內(nèi)氣氛的變化和零壓點(diǎn)的飄移，而這些都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

(3) 將窯爐余熱送至干燥塔，而干燥塔并不是24小時(shí)工作制，當(dāng)干燥塔停止工作時(shí)，余熱排空，系統(tǒng)發(fā)生變化，窯爐壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化。

因此，目前國(guó)內(nèi)煙氣直供干燥器的余熱利用方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。在利用余熱的同時(shí)，一定要保證窯爐的穩(wěn)定運(yùn)行，如果因?yàn)橛酂岬睦枚绊懥烁G爐的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量，就會(huì)得不償失?？七_(dá)公司根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，在盡可能消除目前行業(yè)內(nèi)余熱利用弊病的前提下，研究出以下兩種余熱利用方法:

3.1 瓷質(zhì)磚產(chǎn)品余熱的利用方法

瓷質(zhì)磚磚坯質(zhì)地致密，水分較難排除，所用熱風(fēng)量較大，窯爐余熱除一部分用作助燃風(fēng)外，其余全部送往干燥器，基本沒有余量。

目前這種產(chǎn)品的干燥一般采用雙層干燥器，優(yōu)點(diǎn)是供熱較集中、熱效率高。缺點(diǎn)是煙氣較臟，對(duì)鋼架腐蝕厲害，同時(shí)干燥器一般為大正壓操作，大量煙氣外溢，惡化工人的操作環(huán)境。解決的方法是加一個(gè)換熱器，讓煙氣通過熱交換器，保證用干凈的熱風(fēng)供給雙層干燥器。干燥器排出的廢氣溫度大約在130℃左右，可再送往干燥塔，做配風(fēng)用。熱交換器出來的廢氣溫度較低且臟，可經(jīng)凈化處理后排空。

為了充分利用尾冷的余熱，我們可將尾冷區(qū)分為兩段，前段溫度大約100℃，這部分熱風(fēng)也可以利用起來，將其混入緩冷區(qū)的余熱部分，供干燥塔用;尾冷后段溫度較低，沒有利用價(jià)值，可經(jīng)凈化處理后直接排空。

以上方案的關(guān)鍵點(diǎn)之一是熱交換器的效率一定要高，我們使用的熱交換器的效率可達(dá)85%，當(dāng)煙氣的溫度為350℃時(shí)，經(jīng)過熱交換器后，干凈的熱風(fēng)溫度可達(dá)230℃，完全可供干燥器正常工作。另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是窯爐疏磚時(shí)，如何保證助燃風(fēng)的量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下保持恒定，科達(dá)在這方面作了詳細(xì)研究，并設(shè)計(jì)了一套行之有效的方法。

3.2 兩次燒內(nèi)墻磚產(chǎn)品余熱的利用方法

由于兩次燒內(nèi)墻磚的生產(chǎn)需兩條窯爐，干燥器用熱量又較小，所以余熱的量較大，除本身干燥器和助燃風(fēng)使用一部分外，其余可送往干燥塔。

素?zé)G和釉燒窯的緩冷、抽熱的余熱可分三路，即供助燃風(fēng)、窯前干燥兩路，剩余供干燥塔。兩條窯的煙氣可直接做干燥塔的二次風(fēng)用，也可經(jīng)脫硫和除塵后供干燥塔，但這樣會(huì)降低熱風(fēng)溫度，最好直接供干燥塔用，從塔排出后的廢氣再進(jìn)行脫硫除塵。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)為:

(1) 余熱利用徹底，最大限度地利用了余熱。

(2) 不在急冷處取熱，不易炸磚。

(3) 加熱后的助燃風(fēng)溫度和風(fēng)量保持恒定，窯壓穩(wěn)定。

(4) 煙氣可經(jīng)高效率的熱交換器，用潔凈的熱風(fēng)供給干燥器，既能使干燥器鋼架不受腐蝕，又能優(yōu)化工人的操作環(huán)境。

(5) 窯壓自控，干燥塔的開停均不影響窯爐的正常運(yùn)行，保證了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。