陶瓷窯爐的節能技術

摘要 隨著“十一五”節能專項規劃的出臺，國家對高能耗高排放產業的改革勢在必行。陶瓷產業正是高能耗、高污染的行業，必然是改革的重點領域，節能減排也必將是陶瓷產業的大勢所趨。本文詳細綜述了當前陶瓷窯爐一些先進的節能技術，并對未來節能的發展方向提出了一些展望。

關鍵詞 陶瓷窯爐，能耗，節能技術

1前 言

眾所周知，國家“十一五”計劃中明確提出了“十一五”節能專項規劃，要求調整產業結構、能源結構，遏制高能耗高污染行業過快增長，大力推進節能工作，而陶瓷產業正是高能耗、高污染的行業，尤其是對資源的消耗和環境的污染都非常嚴重，屬于政府和大眾“緊盯”的行業之一。在佛山，建筑陶瓷行業的節能、排放和環保問題顯得尤為嚴重，在2007年，在佛山216家能源審計不合格企業的黑名單中，陶瓷企業赫然占了84家，陶瓷企業的變革必然首當其沖。為此，國家出臺了一系列的強制性節能措施，如開征燃油稅、環境稅，建立政府節能減排工作問責制和一票否決制等機制，以此強制性督促陶瓷產業進行節能改革。

中國陶瓷工業的能源利用率與國外相比，差距較大。發達國家的能源利用率一般高達50%以上，美國達57%，而我國僅為28%～30%。在陶瓷工業的一般工藝流程中，能耗主要體現在原料的加工、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%。在建筑衛生陶瓷方面，國內外能耗存在著一定的差距，如表1所示。

以日用陶瓷在國內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標準煤/kg瓷；燃油隧道窯為33453～45998kJ／kg瓷，折合1.14～1.57kg標準煤/kg瓷；燃氣隧道窯為29271～39725kJ／kg瓷，折合1.00～1.35kg標準煤/kg瓷。而國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標準煤/kg瓷，燒成能耗只有我國的一半左右[1]。

國家標準《建筑衛生陶瓷產品單位能源消耗限額》也已出臺，如表2所示。

2陶瓷窯爐的節能技術

在2008年，對廣東陶瓷生產企業進行能源核查時發現，通過對陶瓷窯爐進行改造和新技術的應用，可以大大地減少能耗且潛力非常大，能滿足國家“十一五”計劃所要求“到‘十一五’結束達到節能20%”的目標。下面是在能源審查中看到的對窯爐進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，可節能4900tce/年，通過在煤氣發生爐系統中增加循環風機、中轉汽缸及管道等設施，可以降低排煙溫度，提高余熱利用率并節煤1404tce。該廠在2006、2007年的單位綜合能耗分別為0.346、0.321tce/t，預計到2010年單位綜合能耗可降為0.285tce/t，節能量達30000tce。該廠的能源費用占總成本的41.9%，而窯爐節能占總節能量的8３.2%。可見，窯爐改造能大大降低生產成本且節能潛力巨大。

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

丙廠進行發生爐煤氣頂部改造工程，改造了7臺爐，可多產煤氣量：100800m3/(2850m3/t) =35tce，則每月能多節煤1050tce，運行5個月內共節能3750tce。并加長窯爐，由158.6m改為199.95m，燒800mm×800mm的磚產量可從3800m2/日提高到4200m2/日，折合節能1114.17tce。該廠2006、2007年的單位產品能耗分別為0.476和0.458tce/t，2年共節能42351tce。預計2010年可達到0.4304tce/t，到十一五末可節能12249tce。能源費用占總成本的34%，通過窯爐改造節能占總節能的92.4%，可見通過窯爐改造，節能潛力十分顯著。

窯爐是陶瓷企業最關鍵的熱工設備，也是耗能最大的設備，但是窯爐能耗的水平，主要取決于窯爐的結構與燒成技術。窯爐技術革新圍繞著以下幾個關鍵性問題進行：①窯爐結構的優化；②燒成技術的創新；③合理選用燒嘴；④余熱回收利用；⑤大范圍采用自動控制技術；⑥研究開發更先進的保溫材料和涂層技術[2]。

2.1 優化窯爐結構

隨著窯內高的增加，單位制品熱耗和窯墻散熱量也在增加。如當輥道窯窯內高由0.2m升高至1.2m時，熱耗增加4.43%，窯墻散熱升高33.2%，故從節能的角度看，窯內高度越低越好；隨著窯內寬度增大，單位制品熱耗和窯墻散熱均減少。如當輥道窯窯內寬從1.2m增大到2.4m，單位制品熱耗減少2.9%，窯墻散熱降低25%。如把輥道窯的內寬由2.5米擴大到3.0米，產量則可以從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，窯越寬越好；窯越寬，節能率越高，故只要能很好地解決斷面溫差的問題，寬體窯是未來發展的方向；當窯內寬和窯內高一定的情況下，隨著窯長的增加，單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。如當輥道窯的窯長由50m增加到100m時，單位制品熱耗降低1%，窯頭煙氣帶走熱量減少13.9%。因此，應重點研究和優化窯爐結構，減少制品帶走的熱量，減少能耗，并逐步縮小窯內各斷面的溫差，使燒成制品缺陷降低，加快燒成周期，并節約能耗[3]。

2.2采用先進的燒成技術

2.2.1 采用低溫快燒技術

在陶瓷生產中，燒成溫度越高，能耗就越高。據熱平衡計算，若燒成溫度降低100℃，則單位產品熱耗可降低10%以上，且燒成時間縮短10%，產量增加10%，熱耗降低4%。因此，在陶瓷行業中，應用低溫快燒技術，不但可以增加產量，節約能耗，而且還可以降低成本。如佛山某企業和華南理工大學合作，采用超低溫配方燒成，將現有的建筑陶瓷產品的燒成溫度降低約200℃，達到1000℃以下，單位制品的燃耗降低25%，每公斤瓷能耗為3～5MJ，僅為普通燒成技術的75%左右，大大降低了生產成本。

2.2.2 采用一次燒成技術

采用一次燒成技術一次燒成比一次半燒成(900℃左右低溫素燒，再高溫釉燒)和兩次燒成更節能，綜合效應更佳，同時可以解決制品的后期龜裂，延長制品的使用壽命[1]。

2.3 合理選用噴嘴

過去在噴嘴使用時，溫度控制容易出現偏差。由于高溫火焰流因浮力而上升，形成窯道內溫度上高下低，使熱電偶檢測到的溫度數據偏高，故造成熱電偶儀表上顯示的溫度與窯內燒成品實際溫度出現很大的偏差。采用新型高速噴嘴或脈沖燒成技術，可以使窯內溫度變得均勻，減少窯內的上下溫差，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。特別對于寬斷面的窯爐，宜采用脈沖比例燒嘴或高速燒嘴；對于燒水煤氣的輥道窯，采用預混式燒嘴，不但可以減少窯斷面上的溫差，而且可以節約能源近15%～20%[2]。

2.4余熱回收循環利用

積極采用先進的煙氣余熱回收技術，降低排煙熱損失是實現工業窯爐節能的主要途徑。當前國內外煙氣余熱的利用主要用于干燥、烘干制品和生產的其他環節。采用換熱器回收煙氣余熱來預熱助燃空氣和燃料，具有降低排煙熱損失、節約燃料和提高燃料燃燒效率、改善爐內熱工過程的雙重效果，一般認為：空氣預熱溫度每提高100℃，即可節約燃料5%。

現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設置預熱段或輥道干燥窯，用煙氣余熱加熱濕坯；③設置余熱鍋爐，用煙氣余熱生產蒸汽；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行制粉；⑥利用煙氣余熱來發電和供暖等[4]。

蓄熱式熱交換技術為上世紀80年代興起的新型節能技術，該技術的最大特點是高效節能，平均節能率在現有基礎上可再提高30%。傳統工業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，不僅保持了傳統蓄熱室的熱回收率高、節能效率高、壽命長等優點，而且克服了體積龐大等缺點，為進一步提高陶瓷窯爐的熱效率、節約能源及減少CO₂的排放量帶來了新的希望[5]。

某企業在不改變窯爐現有設備和結構的情況下，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，節能達10％左右。某窯爐節能科技有限公司，將窯爐急冷段的熱風直接抽出送至噴霧塔用來干燥粉料，循環利用窯爐余熱，而噴霧塔無須另外配置熱風爐，一年可以節約幾百萬元的燃料支出。

2.5 富氧燃燒節能技術

針對陶瓷燒成的燃燒技術，一般將助燃空氣中氧氣含量大于21%時所采取的燃燒技術，簡稱為富氧燃燒技術。燃料在富氧狀態下能降低燃點溫度，且使燃燒速度加快，燃燒完全，從而提高了火焰強度，獲得較好的熱傳導。由于采用富氧燃燒技術，燃燒相對完全，火焰長度相對縮短，火焰上部溫度降低，減輕了小爐、蓄熱室的熱負荷，即減輕了對其的侵蝕，窯爐壽命也得到相應延長。采用富氧空氣后可以適當減少二次助燃風量，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，達到節能的目的[6]。富氧燃燒技術具有可以減少二次風的需求量，減少煙氣的排放量，增加火焰溫度，提高燃燒效率，以及有效地節約能源消耗等優勢[7]。一般認為，采用富氧燃燒技術可以節能約10%左右。

2.6 計算機模擬技術

以前對陶瓷窯爐的模擬多數采用模型模擬的方法，建設模擬模型耗資大、時間長，操控不方便。而采用先進的計算機模擬技術可以模擬窯內的流體的對流換熱過程，模擬輥道窯噴嘴的布設角度及結構參數等對窯內流場的影響；模擬梭式窯內流場對流換熱規律及對流換熱系數對窯內換熱不均勻度的影響，還可以模擬陶瓷燒成過程中影響NOx生成的各個因素。通過計算機對陶瓷的燒成過程進行模擬，可以對燒嘴結構進行優化，加強對陶瓷燒成過程的精確控制，做到有的放矢，可以大大提高生產效率，減少能源的消耗和浪費，而且可以達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，選用最合理最經濟的材料以取得最薄的窯墻結構。保溫材料的合理選擇對節能降耗起到很大的效果，如輕質陶瓷纖維與重質耐火磚相比，具有以下優點：質量輕、導熱系數小、重量只有輕質材料的1/6、容重為傳統耐火磚的1/25、蓄熱量僅為磚砌式爐襯的1/30～1/10、窯外壁溫度可降到30℃～60℃。纖維節能方面，從總能耗的20.6%下降到9.02%，節能達到16.67%[1]。

將高性能保溫材料或絕熱材料應用在陶瓷窯爐上，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，使窯壁的結構簡單化。如佛山科達機電股份有限公司在高效節能輥道窯上使用低溫超級隔熱保溫材料，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℃，其導熱系數對照如圖1所示。筆者承擔的廣東省自然科學基金項目，利用硅鈣板、超多孔陶瓷材料等和SiO₂氣凝膠復合，采用超臨界干燥技術制備出性能優異的超級絕熱材料，其導熱系數為0.023W/m#8226;K。

2.8 選擇低成本燃料

目前，大多陶瓷生產企業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。雖然煤氣發生爐一次性投資較大，但由于煤價波動較小，且年平均價格穩定、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]。

發生爐煤氣（煤轉氣）的應用是窯爐的燃料費用降低及能源消耗大幅度下降的有效途徑。發生爐煤氣是一種潔凈的氣體燃料，可避免環境污染，同時又降低了窯爐燃料費用，減輕了工人勞動強度，是提高經濟效益和社會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，相當于燃燒2～3公斤煤。1公斤柴油的價格為4.00元左右，2～3公斤煤的價格約為2.00元（按700元/t算），不考慮其他費用，兩者的差價是2.00元。而且，使用煤轉氣可以大大降低能耗，提高燃料的有效利用率。實踐證明，使用煤轉氣可以節能1/2～1/5。

3展望

隨著陶瓷窯爐燒成技術及其它相關技術的發展，可以預計今后陶瓷窯爐的發展方向為：在窯爐結構上，向連續式窯爐長度上發展；在窯體、窯具的材料上，采用輕質陶瓷纖維，采用先進的涂層技術；在燒成技術上，向溫度均勻性高、低污染方向發展，如采用微波燒成技術；在檢測控制方法上，采用多變量模糊控制技術；在研究方法上，將窯爐熱工理論和計算流體力學相結合。上述方法和技術將是科研工作者的研究重點，也是陶瓷工業節能降耗的發展方向。

參考文獻

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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