李 萍 曾令可 閻常峰 麥振華

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640）（2華南理工大學(xué) 廣州 510640）（3佛山市啟迪節(jié)能科技有限公司 廣東 佛山 528211）

陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法的若干問(wèn)題探討＊

李 萍1曾令可2閻常峰1麥振華3

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640）（2華南理工大學(xué) 廣州 510640）（3佛山市啟迪節(jié)能科技有限公司 廣東 佛山 528211）

筆者就陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法提出了一些看法，對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行了探討，并創(chuàng)新性地首次提出了在陶瓷窯爐中進(jìn)行碳平衡分析的概念，對(duì)陶瓷窯爐的測(cè)定及熱平衡計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義。

陶瓷 輥道窯 熱平衡 測(cè)定 計(jì)算 熱效率

前言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)、消化吸收和創(chuàng)新，采用陶瓷輥道窯這種優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、自動(dòng)化程度較高的現(xiàn)代化熱工設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)、日用陶瓷行業(yè)、特種陶瓷及其它行業(yè)，大大地促進(jìn)了我國(guó)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)水平的提高［1］。

目前，我國(guó)雖然在陶瓷輥道窯的設(shè)計(jì)、建造和生產(chǎn)使用方面已經(jīng)取得了不少經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)步，具備了相當(dāng)高的技術(shù)水平，并大量出口東南亞、印度等國(guó)家與地區(qū)。但是，在陶瓷輥道窯的能源管理和總體性能標(biāo)定方面，仍存在著一些問(wèn)題。陶瓷輥道窯的熱平衡測(cè)定與計(jì)算不夠規(guī)范和準(zhǔn)確就是其突出表現(xiàn)。

陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算，在我國(guó)尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。1982年11月，國(guó)家建材局生產(chǎn)辦公室出版了《硅酸鹽工廠(chǎng)熱平衡》，其中對(duì)隧道窯的熱工測(cè)量與熱平衡進(jìn)行了介紹。最近發(fā)布的GB/T 23459—2009《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》也沒(méi)有針對(duì)陶瓷輥道窯作相應(yīng)的規(guī)定。在實(shí)際生產(chǎn)中，常借用陶瓷隧道窯的熱平衡計(jì)算方法，二者雖然都屬于連續(xù)式生產(chǎn)熱工設(shè)備，但在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、產(chǎn)品特性、工作制度及制品的裝載輸送等方面卻有著顯著的差別，從而導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)在輥道窯的實(shí)際熱平衡測(cè)試與計(jì)算中的一些方法不恰當(dāng)，計(jì)算欠準(zhǔn)確，誤差較大。

在陶瓷窯爐的使用中，輥道窯的總數(shù)遠(yuǎn)大于隧道窯，為了加強(qiáng)陶瓷輥道窯的能源管理，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進(jìn)輥道窯的升級(jí)換代。筆者對(duì)我國(guó)陶瓷墻地磚輥道窯進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，對(duì)有代表性的某瓷廠(chǎng)的燃水煤氣墻地磚輥道窯進(jìn)行了熱平衡測(cè)定，并系統(tǒng)地作了一些測(cè)定及實(shí)驗(yàn)。從中發(fā)現(xiàn)在陶瓷墻地磚輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方面普遍存在的一些問(wèn)題，現(xiàn)分別探討如下。

1 燃料消耗量的測(cè)定

目前，陶瓷輥道窯一般所采用的燃料都是氣體，利用氣體流量計(jì)來(lái)測(cè)定燃料的消耗量，但相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)其測(cè)定條件、測(cè)定方法作具體的說(shuō)明，導(dǎo)致誤差較大。由于氣體的體積隨溫度與壓力的不同而變動(dòng)，所以經(jīng)常會(huì)發(fā)生較大的計(jì)量誤差。如工作壓力經(jīng)常變動(dòng)，使計(jì)量更加困難，因此這就要求氣體流量計(jì)本身要有溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償，將計(jì)量的體積轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。然而有些廠(chǎng)家生產(chǎn)出來(lái)的氣體流量計(jì)沒(méi)有溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償，通常是將溫度和壓力作為常數(shù)參數(shù)設(shè)定在儀表內(nèi)存中，在壓力和溫度波動(dòng)較大的條件下，將會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。即使在壓力和溫度較穩(wěn)定的情況下，如果設(shè)定的參數(shù)不準(zhǔn)確，也將導(dǎo)致一定的誤差。在這種情況下，就需要同時(shí)測(cè)定燃?xì)獾臏囟群蛪毫?，利用理想氣體的狀態(tài)方程公式（1），將計(jì)量的體積轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。因?yàn)?，在?jì)算燃料燃燒熱時(shí)，需要用這個(gè)體積乘以燃?xì)獾牡臀粺嶂?，而燃?xì)獾牡臀粺嶂凳敲繕?biāo)準(zhǔn)立方燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量。另外，不同的氣體流量計(jì)對(duì)氣體介質(zhì)有不同的要求，當(dāng)燃?xì)馊菀捉Y(jié)焦時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用，會(huì)導(dǎo)致某些流量計(jì)產(chǎn)生較大誤差。因此，對(duì)于不同的燃?xì)鈶?yīng)該對(duì)其選用的流量計(jì)作相應(yīng)的規(guī)定。

式中：PN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，101 325Pa；

VN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，Nm3；

TN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，273.15K；

PC——實(shí)際測(cè)定的絕對(duì)壓力，Pa；

VC——實(shí)際測(cè)定的體積，m3；

TC——實(shí)際測(cè)定的溫度，K。

2 助燃風(fēng)、冷卻風(fēng)和煙氣的測(cè)定

在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》中，煙氣的測(cè)定內(nèi)容有動(dòng)壓、組成、溫度和濕度，并在附錄中給出了計(jì)算干煙氣量的方法，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）［2］：

式中：Vg——?dú)怏w燃料的干煙氣量，m3/m3；

α——排出煙氣中的空氣過(guò)剩系數(shù)。

從公式（2）可以看出，該計(jì)算方法是由空氣過(guò)剩系數(shù)和燃?xì)饨M分來(lái)計(jì)算煙氣量的。然而對(duì)于陶瓷輥道窯，這種方法是不適用的，主要原因是空氣過(guò)剩系數(shù)不易確定和陶瓷輥道窯排煙出口一般有多個(gè)。

以圖1這種較典型的陶瓷輥道窯結(jié)構(gòu)為例，該窯共有86個(gè)倉(cāng)位，其中1～10倉(cāng)為排煙帶，上下布置有抽濕風(fēng)管道；11～18倉(cāng)為預(yù)熱帶，在第12倉(cāng)布置有擋火板；19～54倉(cāng)為燒成帶，在第21、30、38、46、54倉(cāng)布置有擋火板，26～27倉(cāng)兩側(cè)墻上布置有燃燒器，28～49倉(cāng)兩側(cè)墻上下布置有燃燒器；55～62倉(cāng)為急冷帶，兩側(cè)墻上下布置有急冷風(fēng)管道，并在第62倉(cāng)布置有擋火板；63～76倉(cāng)為緩冷帶，兩側(cè)墻上布置有抽熱風(fēng)管道，并在第76倉(cāng)布置有擋火板；77～86倉(cāng)為冷卻帶，上下布置有冷卻風(fēng)管道，窯頂布置有抽熱風(fēng)管道。

圖1 陶瓷輥道窯結(jié)構(gòu)示意圖

在該陶瓷輥道窯中，進(jìn)入窯爐的氣體主要有燃?xì)?、助燃風(fēng)、急冷風(fēng)和冷卻風(fēng)，排出窯爐的氣體主要有抽熱風(fēng)和抽濕風(fēng)。抽熱風(fēng)主要是急冷風(fēng)和冷卻風(fēng)吸收熱后被排出的風(fēng)，比較干凈，是很好的余熱利用資源。抽濕風(fēng)主要是燃?xì)夂椭硷L(fēng)在窯爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)后被排出的風(fēng)、預(yù)熱帶輥棒兩端漏入的風(fēng)、濕坯體干燥的水蒸氣成分及坯體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程生成的氣體、有機(jī)成分等，比較臟，是廢氣處理的主要對(duì)象。窯爐在給定的壓力制度下，這些氣體的進(jìn)出必須處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，這樣才能使窯爐不間斷地穩(wěn)定運(yùn)作，這也是維持窯內(nèi)壓力制度穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此，煙氣帶出顯熱應(yīng)該是抽熱風(fēng)帶出顯熱與抽濕風(fēng)帶出顯熱之和，此時(shí)公式（2）在此處是不適用的，需要在各煙氣出口進(jìn)行實(shí)測(cè)。另外，在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》的熱平衡表中，規(guī)定以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)，助燃風(fēng)、冷卻風(fēng)等熱收入項(xiàng)目為零，有所欠妥。比如當(dāng)助燃風(fēng)被預(yù)熱時(shí)，這時(shí)助燃風(fēng)帶入的顯熱是不能被忽略的。

3 窯體表面散熱的測(cè)定

陶瓷輥道窯是以輥棒作為產(chǎn)品輸送的工具，每根輥棒在原地轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)像隧道窯的窯車(chē)在輸送中發(fā)生吸熱、放熱現(xiàn)象，其兩端部會(huì)伸出窯外一定的長(zhǎng)度，一般在0.1～0.2m，有的達(dá)到0.3～0.4m，全窯輥棒數(shù)量很多。我們?cè)鲞^(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)54m長(zhǎng)輥道窯的所有輥棒端頭進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，總散熱量約占全窯總供給熱量的2%以上，特別是現(xiàn)在的輥道窯長(zhǎng)都在200m以上，甚至有的長(zhǎng)達(dá)400多m，故輥棒數(shù)量是我們測(cè)窯爐的幾倍甚至10倍，故輥棒端部的散熱在輥道窯熱平衡計(jì)算中應(yīng)予以考慮。要準(zhǔn)確全面地評(píng)價(jià)陶瓷輥道窯的性能，單獨(dú)分項(xiàng)計(jì)算輥棒端部的散熱量很有必要［3］。

在測(cè)定方法中應(yīng)規(guī)定詳細(xì)測(cè)定方法，特別是要明確測(cè)點(diǎn)的位置，并給出計(jì)算公式。如測(cè)量窯側(cè)墻的溫度，傳統(tǒng)的方法是測(cè)3點(diǎn)（上、中、下），特別是中間一點(diǎn)，如果靠近輥棒兩端附近，有的高達(dá)400～500℃，而遠(yuǎn)離端頭測(cè)量可能只有100℃左右，可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)的位置不同時(shí)，其測(cè)定的偏差及計(jì)算結(jié)果是很大的，會(huì)導(dǎo)致很大的誤差［4］。

4 氣體比熱容

表1 不同出處的CO在不同溫度下的比熱容（kJ/（m3·℃））

表1為不同出處的CO在不同溫度下的比熱容。表1中的手冊(cè)是指純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)，在手冊(cè)中可查得不同溫度下的比熱容，單位為kJ/（K·mol），可換算為kJ/（Nm3·℃）的單位［5］；表中的“標(biāo)準(zhǔn)”是指陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法。兩個(gè)出處列出的結(jié)果有所偏差，溫度越高偏差越大。因此，測(cè)定方法中應(yīng)該給出準(zhǔn)確的、較全面的氣體數(shù)據(jù)。

5 碳平衡分析的提出

我國(guó)煤炭資源豐富，決定了一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭所占份額很高，并且短期內(nèi)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)有根本性變化，因此，燃?xì)獾娜紵碗x不開(kāi)碳元素。進(jìn)入窯爐的碳元素質(zhì)量和排出窯爐的碳元素質(zhì)量是相等的，由此筆者提出了碳平衡分析。碳平衡分析可以作為熱平衡測(cè)定結(jié)果可靠性的一個(gè)判斷依據(jù)。由于測(cè)量燃?xì)饬髁?、煙氣量的儀器和測(cè)定方法都會(huì)導(dǎo)致一定的偏差，最終導(dǎo)致熱平衡結(jié)果偏差較大。偏差的程度有多大，是負(fù)偏差還是正偏差，沒(méi)有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)。碳平衡分析就可以作為衡量這個(gè)偏差的依據(jù)［6］。

筆者利用Visual Basic設(shè)計(jì)了陶瓷輥道窯熱平衡計(jì)算分析系統(tǒng)，其中在計(jì)算分析模塊中就包括碳平衡分析。其界面如圖2所示。碳收入只包括燃?xì)鈳胩?，只需測(cè)定燃?xì)庵泻刑荚氐某煞纸M成和測(cè)試周期內(nèi)的流量；碳支出包括抽濕風(fēng)帶出的碳和抽熱風(fēng)帶出的碳，需要測(cè)定各排出風(fēng)中CO2和CO含量和測(cè)試周期內(nèi)各排出風(fēng)的風(fēng)量。根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律，分別計(jì)算收入碳元素的質(zhì)量和支出碳元素的質(zhì)量，并進(jìn)行對(duì)比。

圖2 碳平衡分析界面

6 熱效率的計(jì)算方法

在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》的熱效率計(jì)算中，有效熱包括一項(xiàng)焙燒至最高燒成溫度時(shí)的耗熱，有所欠妥。對(duì)于不同的產(chǎn)品，其溫度制度是不同的，有的保溫時(shí)間長(zhǎng)，有的保溫時(shí)間短。當(dāng)最高燒成溫度相同時(shí)，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則耗熱多，為過(guò)燒；保溫時(shí)間過(guò)短則耗熱少，為欠燒。對(duì)于相同的產(chǎn)品，在相同的溫度制度下，坯體吸附水分、結(jié)晶水分的蒸發(fā)及水蒸氣加熱所需的熱量和坯體燒成過(guò)程分解粘土耗熱兩項(xiàng)有效熱為定值，熱效率與燃料燃燒熱成反比關(guān)系，就可反映窯爐的能耗情況。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溫度制度通常是人為設(shè)定的，其浮動(dòng)的空間較大，會(huì)使熱效率的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，因?yàn)楸簾磷罡邿蓽囟葧r(shí)耗熱所占的比例是很大的［7］。

7 結(jié)語(yǔ)

按陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法來(lái)計(jì)算陶瓷輥道窯熱平衡，不能全面地反映輥道窯的性能特征，在熱平衡的各項(xiàng)計(jì)算上也存在較大的誤差。因此，應(yīng)盡快制訂出能反映陶瓷輥道窯熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法的標(biāo)準(zhǔn)。

1 趙新力.陶瓷輥道窯熱平衡計(jì)算探討.陶瓷研究，1993，8（2）：81～88

2 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 23459—2009.陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測(cè)定與計(jì)算方法.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009－7－1

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

4 曾令可，莫曉.輥道窯窯墻耗熱分析及窯墻結(jié)構(gòu)的改進(jìn).中國(guó)陶瓷，1988（2）：24～27

5 伊赫?！ぐ蛡愔?純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè).程乃良，牛四通，等譯.北京：科學(xué)出版社，2003

6 張興春，曾志軍，朱紹芬.丙烯腈反應(yīng)器碳平衡計(jì)算方法的探討.煉油與化工，2004，15（2）：14～16

7 于麗達(dá)，陳慶本.陶瓷設(shè)備熱平衡計(jì)算.北京：輕工業(yè)出版社，1990

TQ174.6

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1002－2872（2012）01－0031－03

＊ 中國(guó)博士后科學(xué)基金（20110490873）；廣東省部產(chǎn)學(xué)研合作專(zhuān)項(xiàng)（2010B90400085）；廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2011A080802007）

李萍（1980－），博士，副研究員；研究方向?yàn)楦G爐熱工及節(jié)能減排。E－mail：liping@ms.giec.ac.cn