高力明 洪日輝 王偉林 李朝有 劉蓓瑛

（1.陜西科技大學，陜西西安710021；2.廣西三環(huán)企業(yè)集團股份有限公司，廣西北流537400）

0 引言

在國家“十二五”規(guī)劃的大好開局之年，一起回顧過去的“十一五”規(guī)劃期間的技術(shù)進步是一件很有意義的事情。在過去的五年中，我國的陶瓷工業(yè)又有了長足的發(fā)展和進步。在建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)，以大規(guī)格陶瓷薄板為代表的一大批節(jié)約原料和能源型的新產(chǎn)品應運而生。這些產(chǎn)品不僅滿足了長盛不衰的建設(shè)市場的旺盛需求，而且更進一步地催生和促進了相關(guān)生產(chǎn)行業(yè)、裝備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步。

陶瓷窯爐制造產(chǎn)業(yè)在這一期間中進行了重組，從以往的建筑衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷等領(lǐng)域向冶金、化工、環(huán)保等領(lǐng)域滲透和進軍，并且加大了窯爐等設(shè)備出口的力度，同時也有中高端技術(shù)的引進。這些大手筆的動作打破了處于技術(shù)發(fā)展“平臺期”的窯爐制造產(chǎn)業(yè)的沉悶空氣，并為新的、更大的技術(shù)進步做好了鋪墊和準備[1]。

在陶瓷窯爐熱工學界，這幾年也有一些耀眼的成果問世。曾令可教授等人編著出版的《陶瓷窯爐實用技術(shù)》一書是著者在老一輩窯爐專家劉振群教授的帶領(lǐng)下，與國內(nèi)其他知名的窯爐熱工理論研究者一起，積40年的研究成果的集其大成之作，鴻篇巨制，蔚為大觀，極富指導性[2]。胡國林教授等人編著的《陶瓷工業(yè)窯爐》一書則是現(xiàn)代陶瓷教科叢書中的一本值得推薦的優(yōu)秀教材[3]。此外，近年來陶瓷窯爐熱工學界在節(jié)能減排、窯爐與干燥器研發(fā)等方面還有一些值得稱道的成果。

近年來，陶瓷窯爐熱工技術(shù)的新進展主要集中在以下五個方面。到了上世紀90年代中期，國家更是把節(jié)能減排工作放在了極端重要的地位和突出的位置上。1997年頒布，并于1998年1月1日開始施行的《節(jié)約能源法》，就是國家以立法的形式所做的宣示和努力。經(jīng)過十年的實踐，又于2007年頒布了新的《節(jié)約能源法》，并已于2008年4月1日開始施行。新的節(jié)約能源法對節(jié)能途徑、合理使用與節(jié)約能源、節(jié)能技術(shù)進步、激勵措施和法律責任等均做了非常詳細的規(guī)定和說明。特別是在合理使用與節(jié)約能源一章中，在做出一般規(guī)定后，更是對工業(yè)、建筑、交通運輸、公共機構(gòu)和重點用能單位的節(jié)能分別列出了具體的條款，極具可操作性，便于實施、監(jiān)督和管理。它的施行必將極大地促進節(jié)能減排工作的進程，可大大提高能源管理的水平，為使國民經(jīng)濟可持續(xù)地，健康、高速地發(fā)展起到保障和推進作用。

在國家發(fā)展與改革委員會的組織下，許多行業(yè)針對各自的一些產(chǎn)品制定了單位產(chǎn)品能源消耗限額的相關(guān)標準。建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)也隨之制定了國家標準《建筑衛(wèi)生陶瓷單位產(chǎn)品能源消耗限額（GB21252－2007）》，用于建筑陶瓷磚（干壓）和衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)能耗的計算、考核，以及對新建項目的能耗控制。

在建筑衛(wèi)生陶瓷工廠設(shè)計中，為貫徹執(zhí)行國家有關(guān)法規(guī)和方針政策，規(guī)范設(shè)計原則和主要技術(shù)經(jīng)濟指標，促進清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)能減排，做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、保護環(huán)境，制定了國家標準《建筑衛(wèi)生陶瓷工廠設(shè)計規(guī)范（GB50560－2010）》。另外，國家標準《建筑衛(wèi)生陶瓷工廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》的送審稿也已編制完成，正在報批中，不久將可頒布實施。節(jié)能設(shè)計規(guī)范的頒布、實施將對保證國家節(jié)能目標的實現(xiàn)，促進建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)節(jié)能起到更直接的作用。

近年來，國家的有關(guān)部委還組織了大規(guī)模的工業(yè)企業(yè)的節(jié)能減排實態(tài)的調(diào)查工作，舉辦了多場節(jié)能減排高層論壇，并鼓勵立項開展節(jié)能減排的研究與開發(fā)，從而大大推進了這方

1 加強能源管理，積極推進節(jié)能減排進程

我國對于能源管理和節(jié)能減排工作一向是十分重視的。面工作的進程。

2 開展?jié)崈裘杭夹g(shù)的試驗與研究

新的《節(jié)約能源法》中對于工業(yè)節(jié)能明確提出：各級政府要“推進能源資源優(yōu)化開發(fā)利用和合理配置，推進有利于節(jié)能的行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)和企業(yè)布局”，各管理節(jié)能工作的部門要會同有關(guān)部門“制定電力、鋼鐵、有色金屬、建材、石油加工、化工、煤炭等主要耗能行業(yè)的節(jié)能技術(shù)政策，推動企業(yè)節(jié)能技術(shù)改造。”“國家鼓勵工業(yè)企業(yè)采用高效、節(jié)能的電動機、鍋爐、窯爐、風機、泵類等設(shè)備，采用熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用、潔凈煤以及先進的用能監(jiān)測和控制等技術(shù)?！?/p>

作為長期的燃料政策，陶瓷制品燒成用燃料應更多地鼓勵使用一些潔凈燃料，如天然氣、液化石油氣、柴油等，這樣有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低單位產(chǎn)品的能耗。但是根據(jù)中國的燃料資源構(gòu)成的現(xiàn)實狀況，決定了我國的燃料以煤為主的基本國策。然而，陶瓷工業(yè)如果直接燒煤，則產(chǎn)品檔次低、能耗高，污染又十分嚴重，顯然是行不通的。當前廣為采用的一些煤制氣技術(shù)，如一段式發(fā)生爐煤氣，含酚廢冷卻水的凈化問題未徹底解決，環(huán)境污染問題比較難以解決；二段式發(fā)生爐煤氣技術(shù)較好，但投資大，對煤種和操作上又有專門的要求，大部分小企業(yè)難于使用。這些問題使陶瓷工業(yè)陷入了極大的困境，亟待尋找出路。

潔凈煤技術(shù)最早于上個世紀80年代中期由美國提出，并于1986年推出“潔凈煤技術(shù)示范計劃”。歐盟和日本也從上世紀80到90年代開始相繼投入巨資，開展?jié)崈裘杭夹g(shù)的研發(fā)。1997年我國也批準通過了潔凈煤技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，明確了我國潔凈煤技術(shù)的主要領(lǐng)域及主攻的技術(shù)項目。這一規(guī)劃是在吸收國外技術(shù)并結(jié)合我國國情實際制定的，盡管與國外的情況不盡一樣，但總的方向并無太大差別。

潔凈煤技術(shù)包含從煤炭開發(fā)到轉(zhuǎn)化利用及其凈化處理的全過程，因此潔凈煤技術(shù)的開發(fā)應用范圍很廣、種類很多。水煤漿制備、輸送和使用技術(shù)，煤的氣化技術(shù)等是與陶瓷工業(yè)關(guān)系比較密切，且又比較成熟而典型的技術(shù)[4]。

水煤漿是一種新型流體燃料，它可以在鍋爐和窯爐內(nèi)穩(wěn)定地著火燃燒。由于在加工制造過程中可以通過技術(shù)處理除去原煤中一部分灰分和硫分，所以水煤漿是一種較為潔凈的燃料。近年來，在建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)中，將煤加工成水煤漿用于陶瓷磚噴霧干燥制粉，已在廣東、山東等瓷區(qū)推廣使用，節(jié)能效果和經(jīng)濟效益顯著。但是由于水煤漿直接噴入窯爐內(nèi)燃燒后，其灰分會沾污制品，尤其是對于有釉的高檔產(chǎn)品是不能允許的，因此限制了水煤漿在陶瓷工業(yè)中的進一步推廣應用。據(jù)報道：在玻璃行業(yè)中，已有利用低硫、低灰的石油焦制成水焦?jié){，在浮法玻璃熔窯中成功應用。這對陶瓷工業(yè)可能有一定的借鑒意義和參考價值。

經(jīng)過100多年的技術(shù)研究和開發(fā)，多種煤炭氣化技術(shù)得到了工業(yè)應用。近一些年來，又開發(fā)了一系列新型的煤的氣化技術(shù)。隨著這些新型的煤的氣化技術(shù)的開發(fā)與成熟，煤氣化又方興未艾、蓬勃發(fā)展起來。

煤炭氣化技術(shù)的選擇要綜合考慮其先進性、氣化爐裝置生產(chǎn)能力、可靠性、煤質(zhì)、煤氣用量和用途等。可以說沒有一種氣化技術(shù)是萬能的。面對規(guī)模龐大、多元化的中國的市場需求，每一種先進的氣化技術(shù)均有其生存發(fā)展的理由和空間?；\統(tǒng)地講，所有的煤種都可以氣化。不同的煤種適合于不同的氣化技術(shù)，只是并非所有煤種對于同一種氣化方法都是經(jīng)濟的。在陶瓷工業(yè)中，應該適當鼓勵，并積極引進、開發(fā)、推廣一些成熟的新型氣化方法及爐型，并允許不同的煤的氣化技術(shù)共存使用，還可以采用配煤和分粒級在不同的氣化裝置中利用等方法提高資源利用率。我們相信煤的氣化還是一條有前途的技術(shù)路線。

3重視新的燃燒技術(shù)的開發(fā)與研究

在窯爐和干燥器等熱設(shè)備中，燃燒是最基本的過程，是其“源”，而各種傳遞過程則不過是“流”。我們理應對燃燒給予更多的關(guān)注，并通過對它的充分研究，更好地達成節(jié)能和減排的目標。近一些年來，對于燃燒過程的研究，不論是數(shù)學分析，還是實驗與試驗研究，以及數(shù)值模擬研究均有了很大的進展。在某些領(lǐng)域，諸如對富氧燃燒、全氧（純氧）燃燒、高溫低氧燃燒等方式的研究與應用方面，甚至有較重大的突破性進展，從而使燃燒技術(shù)有了許多質(zhì)的飛躍。一些研究成果在生產(chǎn)實踐中應用后，節(jié)能、減排效果明顯，引起了各有關(guān)方面的極大關(guān)注和濃厚興趣[5]。

采用富氧燃燒，甚至全氧或純氧燃燒，由于大大減少了化學惰性的氮的引入量，因此（理論）燃燒溫度會大大提高，從而加快輻射傳熱，提高產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)，降低對助燃空氣的預熱溫度的要求，縮小熱交換器、蓄熱室等設(shè)備的尺寸，還有可能擴大低熱值劣質(zhì)燃料的應用范圍。如果能進一步采用局部增氧技術(shù)，則不僅可以大大減少富氧空氣的用量，降低設(shè)備投資額度和運行成本，更可以改善火焰中的溫度分布，從而強化生產(chǎn)、減輕火焰對窯膛耐火材料的沖刷侵蝕，延長爐齡。更重要的是可以大幅度減少廢煙氣排放量，節(jié)能與減排效果十分顯著。能源節(jié)約率一般可達10％～15％，甚至更多。

對于富氧燃燒來講，實現(xiàn)這項技術(shù)的前提條件是要求有充足，而且價廉的富氧空氣供應。因為在富氧燃燒時，富氧空氣只是被用來助燃，所以較低純度的氧氣就能滿足要求。目前，工業(yè)上制取富氧空氣的主要方法有深冷分離法、變壓吸附法和膜滲透法（簡稱“膜法”）等。

另一種新的燃燒技術(shù)是高溫低氧燃燒方式。它是20世紀80年代末至90年代初才發(fā)展起來的全新的燃燒觀念和方法。實驗表明：在助燃空氣被預熱到1000℃以上時，燃燒區(qū)內(nèi)即使含氧量降低至2％，仍能穩(wěn)定燃燒。人們據(jù)此開發(fā)出高溫低氧燃燒技術(shù)。該技術(shù)主要通過兩種手段來實現(xiàn)：（1）采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，將助燃空氣預熱到800℃以上，并最大限度地回收高溫煙氣的顯熱，實現(xiàn)余熱的極限回收；（2）控制燃燒區(qū)內(nèi)的氧的濃度在15～2％的范圍，以達到燃燒過程中氮氧化物NOx的最低排放。為了實現(xiàn)這種燃燒方式，相繼研制、開發(fā)了一些新型蓄熱材料、自蓄熱式燒嘴，并相應地改造了窯爐的結(jié)構(gòu)。該種燃燒方法具有一些獨特的優(yōu)點：火焰溫度分布更加均勻，燃燒充分，噪音低。最可貴的是因為不存在常規(guī)燃燒時的局部高溫富氧區(qū)，產(chǎn)生的氮氧化物NOx極少，因而節(jié)能與減排效果更佳。

綜合起來看，高溫低氧燃燒和富氧燃燒都是在燃燒理論發(fā)展后出現(xiàn)的新的燃燒方式。雖然高溫低氧燃燒在減排方面可能略優(yōu)于富氧燃燒方法，但組織燃燒要復雜、困難一些。兩者各有千秋，可能分別適合一些不同的行業(yè)及爐型，但都有望在我國的陶瓷工業(yè)中獲得應用與推廣。到目前為止，在一些工業(yè)領(lǐng)域中，富氧燃燒的研究和應用更普遍一些，但高溫低氧燃燒方式的研究和應用之進展也較快。

近年來，陶瓷工業(yè)界對于應該重視新的燃燒技術(shù)的開發(fā)與研究，已經(jīng)有了共識，并開始嘗試運作。但囿于富氧空氣的來源和制取成本等方面的問題得不到突破，在陶瓷工業(yè)中富氧燃燒方式的應用和推廣尚且舉步為艱，反而是高溫低氧燃燒方式已經(jīng)有開始成功應用的報道。

4 干燥技術(shù)的進步

對于衛(wèi)生陶瓷和高壓電瓷這類采用注漿或可塑法擠壓成形的大件產(chǎn)品，干燥工序是生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的干燥設(shè)備有室式、隧道式、輥道式和吊籃式等。這些干燥器均采取連續(xù)供熱和排濕的運行方式，由于熱風與產(chǎn)品熱交換的時間短，隨即排出，造成產(chǎn)品干燥能耗高、干燥周期長、干燥不均，并容易導致產(chǎn)品局部收縮不均而引起開裂。近年來，國外相繼推出了少空氣快速干燥器。我國的一些衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)引進該設(shè)備后，取得了較好的效果。咸陽陶瓷研究設(shè)計院隨后也成功地研究開發(fā)出少空氣快速干燥設(shè)備，并加以應用和推廣[6]。

少空氣快速干燥器的工作原理為：在干燥期間的升溫、保溫過程中，只送入少量的助燃空氣，而沒有外界的大量的新鮮空氣進入干燥器內(nèi)。由熱風發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的熱風則在干燥器內(nèi)形成閉路循環(huán)系統(tǒng)，并在整個干燥過程中不斷地被補充加熱，以使干燥過程的絕大部分時間中保持高溫、高濕狀態(tài)。根據(jù)干燥制度要求，坯體干燥一定的時間后，首先進行保溫排濕，然后停止燃燒器的燃燒供熱，開始冷卻。由于少空氣快速干燥器內(nèi)循環(huán)流動著大流量的高溫、高濕的熱風，因而能快速地干燥坯體，并提高產(chǎn)品合格率；另一方面，又由于補充送入的新鮮空氣量很少，因此可同時使熱損耗少，達到節(jié)能的效果。

少空氣快速干燥器主要適用于衛(wèi)生陶瓷、電瓷和日用陶瓷等可塑法和注漿法成形產(chǎn)品坯體的干燥。該設(shè)備不受單件產(chǎn)品尺寸大小的限制，對于坯體厚度在10～40mm，水分含量在20％以下的產(chǎn)品均適用，干燥后坯體水分可降至0.4％～1％。

此外，近年來還開發(fā)出多層的連續(xù)式快速干燥器，可用于建筑陶瓷磚（干壓）坯體的干燥。

5 熱工設(shè)備的最優(yōu)化設(shè)計方法的研究與開發(fā)

陶瓷工業(yè)窯爐（以隧道窯為代表）的傳統(tǒng)設(shè)計方法是圍繞物料平衡、燃燒計算和熱平衡進行的。窯爐的結(jié)構(gòu)尺寸（長度、內(nèi)寬等）是先行給定或確定的，對于產(chǎn)量只做核算。熱工計算的目的是求出燃耗或熱耗，附帶算出冷卻風用量和可供抽出的熱風量。而優(yōu)化設(shè)計方法則與傳統(tǒng)設(shè)計方法有很大的不同。優(yōu)化設(shè)計方法是圍繞以經(jīng)濟性指標作為目標函數(shù)的極大化（或極小化），即最優(yōu)化進行的，而將產(chǎn)量、單位產(chǎn)品熱耗、氣體流動阻力等僅作為約束條件，至多是列作權(quán)系數(shù)較小的、次要的分目標函數(shù)。人們把主要的努力放在關(guān)乎經(jīng)濟性指標的主要的分目標函數(shù)之上。通過優(yōu)化設(shè)計，最終才給出窯爐的主要結(jié)構(gòu)尺寸以及一些熱工參數(shù)等。

優(yōu)化設(shè)計方法源于傳統(tǒng)設(shè)計方法，但高于后者。優(yōu)化設(shè)計方法吸收了當代一些先進的設(shè)計理念，以效益最大化作為經(jīng)濟性準則進行自動尋優(yōu)，并且在其設(shè)計計算過程中廣泛地利用計算機、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡技術(shù)等一些現(xiàn)代化技術(shù)手段，從而大大提高了設(shè)計精度和效率，因而能夠適應我國經(jīng)濟體制的轉(zhuǎn)軌和社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展所提出的新要求。因此可以說優(yōu)化設(shè)計方法是設(shè)計領(lǐng)域中的一次重大變革與革新，其應用前景是十分看好的。

對于陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備，引入優(yōu)化設(shè)計方法同樣會收到顯著的效果。雖然還有很多的基礎(chǔ)工作需要我們認真、細致地去做，但這是值得去做的。采用優(yōu)化設(shè)計方法后，可以將陶瓷工業(yè)熱工過程和設(shè)備如同一般的化工過程和設(shè)備一樣，使其成為“單元操作”和標準化設(shè)備，并且在此基礎(chǔ)上對陶瓷工廠進行流程、系統(tǒng)及其設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計。這些系統(tǒng)和設(shè)備的最優(yōu)化一旦實現(xiàn)，就有可能使陶瓷工廠的流程系統(tǒng)更加合理，生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、經(jīng)濟與社會效益都邁上一個新臺階。而且，還可以大大促進熱工設(shè)備的標準化設(shè)計、制造水平。有望使這些長期以來的“非標準”設(shè)備變成“標準”設(shè)備，以其標準化、規(guī)格化、系列化、量產(chǎn)化、預制化、組裝化的窯爐、干燥器等展現(xiàn)在世人面前，同時也為窯爐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和制造商帶來無限的商機[7]。

目前，陶瓷學界已經(jīng)在著手熱工設(shè)備的最優(yōu)化設(shè)計方法的研究與開發(fā)，并且通過對熱工設(shè)備的特性方程和報價方程的探索與研究，正在與產(chǎn)業(yè)界加強交流與溝通，以求達成共識，并為設(shè)計方法的大變革做好必要的準備。

1高力明.中國陶瓷熱工技術(shù)和窯爐的發(fā)展水平與前景.中國陶瓷，2005，41（1）：1～6，19

2曾令可，李萍，劉艷春.陶瓷窯爐實用技術(shù).北京：中國建材工業(yè)出版社，2010

3胡國林，周露亮，陳功備.陶瓷工業(yè)窯爐.武漢：武漢理工大學出版社，2010

4高力明.陶瓷工業(yè)的燃燒技術(shù)進步與節(jié)能減排.中國陶瓷工業(yè)，2008，15（4）：1～6

5高力明.采用新的燃燒方式是陶瓷工業(yè)節(jié)能減排的一條根本途徑.陶瓷，2007（11）：5～8

6劉明福，賈書雄，郭俊利等.少空氣快速干燥設(shè)備的研制與開發(fā)前景.陶瓷，2003（2）：20～21

7高力明.陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備設(shè)計優(yōu)化之探討.中國陶瓷工業(yè)，2010，17 （5）：43～46