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        陶瓷隧道窯的尺寸設(shè)計(jì)研究

        2022-12-12 11:50:42郭喜斌
        中國(guó)設(shè)備工程 2022年23期
        關(guān)鍵詞:窯體隧道窯窯爐

        郭喜斌

        (1.潮州市索力德機(jī)電設(shè)備有限公司;2.潮州市新高陶瓷窯爐窯具研究所,廣東 潮州 521000)

        我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革,準(zhǔn)確貫徹新發(fā)展理念,持續(xù)調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和提升節(jié)能減排水平,其中陶瓷產(chǎn)業(yè)規(guī)模大,歷史悠久,衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷更是位列世界第一,但新時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)調(diào)節(jié)能降耗,陶瓷產(chǎn)業(yè)耗能大,為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,將節(jié)能降耗理論融入陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,需針對(duì)陶瓷隧道窯燒成工序巨大能耗問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性解決,通過(guò)降低能耗提高陶瓷產(chǎn)業(yè)綜合效益。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),需對(duì)陶瓷隧道窯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 隧道窯節(jié)能設(shè)計(jì)需求

        目前,在衛(wèi)浴及日用陶瓷生產(chǎn)中,窯爐普遍不盡如人意,特別是隧道窯,雖然該窯型比梭式窯有節(jié)能優(yōu)勢(shì),但多數(shù)還停留在多年前的技術(shù)水平,包括國(guó)外引進(jìn)窯爐,普遍存在溫差大、燒成周期長(zhǎng)、裝載截面小而窯長(zhǎng)大,能耗高等不足。

        當(dāng)前,在用隧道窯中,普遍裝截面不大,而窯長(zhǎng)較大,這樣,一方面,在同等設(shè)計(jì)產(chǎn)量情況下,窯體表面積增加,從而增加窯體散熱,增加能耗。另一方面,窯長(zhǎng)增加,從窯前排煙區(qū)至燒成區(qū)距離增加,排煙阻力增加,而煙氣及揮發(fā)物排出是必不可少,所以,要排得合理,必然要加大排煙引力,排煙熱損失增加,同時(shí),排煙區(qū)負(fù)壓增加,加劇了預(yù)熱帶氣體分層,裝載截面上下溫差增加,如沒(méi)有延長(zhǎng)燒成周期,必然造成裝載面的中下層產(chǎn)品氧化不足,影響燒成質(zhì)量。

        我們知道,隧道窯在確保燒成產(chǎn)品達(dá)標(biāo)情況下,燒成周期越短,單位產(chǎn)品燒成能耗越低。目前,普遍隧道窯為顧及中下層產(chǎn)品燒成質(zhì)量,而延長(zhǎng)燒成周期,從而增加了單位產(chǎn)品燒成能耗。經(jīng)過(guò)研究、分析、實(shí)驗(yàn),在現(xiàn)階段設(shè)計(jì)隧道窯中,加大裝載截面與長(zhǎng)度比,即增加可裝寬度和高度,縮短窯體長(zhǎng)度。

        2 樣機(jī)隧道窯節(jié)能設(shè)計(jì)尺寸分析

        2.1 小長(zhǎng)寬比規(guī)格

        為減少熱損失,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的,對(duì)陶瓷隧道窯的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)深入討論后,得出了小長(zhǎng)寬比的陶瓷隧道窯尺寸方案,通過(guò)減少隧道窯的尺寸而減少散熱面積及氣流阻力,使隧道窯更為節(jié)能。

        傳統(tǒng)隧道窯長(zhǎng)寬比為59~62,即長(zhǎng)度60m,寬度1m,在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中,將長(zhǎng)寬比縮小至31~35m,小規(guī)格窯體長(zhǎng)度、裝載寬度分別為60m、1.92m,大規(guī)格窯體長(zhǎng)度、裝載寬度分別為60m、2.82m,此外,長(zhǎng)寬比的減小增大了可裝載制品的窯內(nèi)寬度,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝載量的成倍增加。

        2.2 提高預(yù)熱段效率,縮短預(yù)熱長(zhǎng)度

        測(cè)試人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)普通隧道窯和小長(zhǎng)寬比隧道窯預(yù)熱段進(jìn)行采樣對(duì)比:位于裝載產(chǎn)品中下層在前6h,分6個(gè)采樣點(diǎn)采集。

        通過(guò)表1我們可以發(fā)現(xiàn),在預(yù)熱段提升預(yù)熱溫度和減少預(yù)熱時(shí)間,能加快坯體的水分排出且不堆積,降低產(chǎn)品脫釉的概率,提高產(chǎn)品合格率。在經(jīng)過(guò)提溫的預(yù)熱階段后使產(chǎn)品能更早地進(jìn)入氧化段,在不增加燒成周期的前提下,增加產(chǎn)品在氧化段的停留時(shí)間,給雜質(zhì)提供充足的揮發(fā)時(shí)間。對(duì)這樣煅燒出來(lái)的產(chǎn)品釉面可以更加光亮平整??s短隧道窯燒成周期達(dá)到節(jié)能效果。

        2.3 散熱面積對(duì)比

        從表2、表3計(jì)算得出,普通隧道窯與小長(zhǎng)寬比隧道窯的24h產(chǎn)量差為125.1m3,即在原基礎(chǔ)上增加93.2%產(chǎn)量;散熱面積僅增加56.9m2,即在原基礎(chǔ)上增加19%散熱面積。在相同的產(chǎn)品合格率、熱損失恒定的情況下,增加窯爐出產(chǎn)量能直接降低產(chǎn)品單耗,從而得到窯爐的節(jié)能效果。

        表2 陶瓷隧道窯設(shè)計(jì)參數(shù)

        表3 陶瓷隧道窯散熱面積對(duì)比

        2.4 縮短燒成周期

        在目前國(guó)內(nèi)日用陶瓷隧道窯中,普遍燒成周期在15h左右,在坯釉配方不變的前提下,通過(guò)改變窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝工藝,提高窯爐各方面性能,增加窯爐的可調(diào)節(jié)范圍來(lái)縮短產(chǎn)品的燒成周期,可以把燒成周期控制在12h左右或更短,既增加了出產(chǎn)量,又降低了單位能耗。燒成溫度曲線對(duì)比圖,如圖1。

        圖1 燒成溫度曲線對(duì)比

        3 樣機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比

        為更好地設(shè)計(jì)改進(jìn)隧道窯結(jié)構(gòu),提升陶瓷產(chǎn)業(yè)的節(jié)能效益,由專(zhuān)業(yè)科研人員設(shè)計(jì)出小長(zhǎng)寬比隧道窯,并在陶瓷企業(yè)投入正常生產(chǎn)應(yīng)用。穩(wěn)定生產(chǎn)后,對(duì)小長(zhǎng)寬比陶瓷隧道窯進(jìn)行摸底調(diào)查和熱平衡測(cè)試,對(duì)普通隧道窯和小長(zhǎng)寬比隧道窯結(jié)果顯示對(duì)比(如表4、表5),普通隧道窯排煙熱損失為28.03%,冷卻帶余熱抽出40.63%,窯體表面熱損失12.8%。

        表4 普通隧道窯熱平衡測(cè)試結(jié)果

        表5 小長(zhǎng)寬比隧道窯結(jié)果顯示

        排煙熱損失為21.92%,余熱段抽出29.90%,窯體表面熱損失9.21%,結(jié)合上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不難看出,傳統(tǒng)陶瓷隧道窯熱效率低下,且在一定程度上影響了產(chǎn)品燒成的一致性。

        4 陶瓷隧道窯尺寸方案運(yùn)行成果及節(jié)能效益

        4.1 運(yùn)行成果

        按照上述技術(shù)工藝及小長(zhǎng)寬比規(guī)格尺寸對(duì)隧道窯進(jìn)行了改造,將其應(yīng)用設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)其運(yùn)行成果進(jìn)行總結(jié),具體如下:

        (1)節(jié)能效果高。由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)小長(zhǎng)寬比隧道窯的單位合格產(chǎn)品能耗進(jìn)行檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)小長(zhǎng)寬比隧道窯單位合格產(chǎn)品能耗為4740.47kJ/kg瓷,遠(yuǎn)低于《日用陶瓷燃?xì)馑淼栏G能耗規(guī)范》(DB44/294-2009)中提出的一級(jí)能耗指標(biāo)(9500kJ/kg瓷)。

        (2)燒成合格率優(yōu)異。采用用戶產(chǎn)品自檢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)小長(zhǎng)寬比隧道窯的產(chǎn)品燒成合格率為98%以上。

        4.2 節(jié)能效益

        小長(zhǎng)寬比隧道窯燒成周期為12h,效率更高,且更為節(jié)能,普通隧道窯燒成周期為15h。為進(jìn)一步了解小長(zhǎng)寬比隧道窯性能而組織了熱平衡測(cè)試,結(jié)果顯示,小長(zhǎng)寬比隧道窯燒成產(chǎn)品重量為普通隧道窯的2.7倍,而能耗僅為1.1倍。熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)能耗對(duì)比具體情況如表6所示。

        表6 測(cè)試數(shù)據(jù)能耗對(duì)比

        結(jié)合表6可見(jiàn),本次設(shè)計(jì)的小長(zhǎng)寬比隧道窯節(jié)能效果優(yōu)異,遠(yuǎn)低于一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)。該小長(zhǎng)寬比隧道窯經(jīng)測(cè)試投入市場(chǎng)后現(xiàn)已通入運(yùn)行,且表現(xiàn)出了優(yōu)異的節(jié)能效果,購(gòu)置隧道窯的成本可通過(guò)節(jié)約燃料費(fèi)用而在1年內(nèi)收回,效益顯著。對(duì)現(xiàn)階段投入運(yùn)行的小長(zhǎng)寬比隧道窯進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其單位合格產(chǎn)品能耗處于國(guó)內(nèi)零線水平,遠(yuǎn)低于9500kJ/kg的能耗標(biāo)準(zhǔn)。

        隨著設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步,從過(guò)去燒成能耗占產(chǎn)品綜合能耗65%以上,到現(xiàn)在下降至30%以下,從過(guò)去的燒成成本占總生產(chǎn)成本的35%以上,下降至20%以下,普通隧道窯能耗多在12000~20000kJ/kg瓷,采用小長(zhǎng)寬比隧道窯后可節(jié)約7000kJ/kg瓷能耗,按照每年運(yùn)行300天計(jì)算,僅潮州地區(qū)即可節(jié)約天然氣11.5億m3/年,并實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排226萬(wàn)噸/年,不僅節(jié)能效果顯著,經(jīng)濟(jì)效益可觀,還可以有效促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,為降低陶瓷隧道窯能耗而優(yōu)化設(shè)計(jì)了小長(zhǎng)寬比尺寸,將隧道窯長(zhǎng)寬比從65降低至45~60,減少了散熱面積及氣流阻力,將單位產(chǎn)品能耗從11246kJ/kg瓷降低至4612kJ/kg瓷,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)陶瓷隧道窯的節(jié)能優(yōu)化,繼而提高了陶瓷產(chǎn)業(yè)節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益,此外,小長(zhǎng)寬比陶瓷隧道窯可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排226萬(wàn)噸/年,具有可觀的社會(huì)效益,并有效推動(dòng)了雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)。

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