寬體輥道窯在建陶行業中的節能分析

王 慧 劉曉紅 曾令可 程小蘇 劉華鋒

（華南理工大學材料學院，廣東廣州510640）

0 引言

在能源危機日益嚴峻的今天，國家對工業能源消耗及污染的控制不斷加強，陶瓷行業面臨越來越大的節能減排壓力，如何有效的減少能源消耗，降低有害廢氣的產生及排放，特別是陶瓷窯爐等熱能消耗設備的優化改進，已成為各陶瓷企業的當務之急。我國自上世紀八十年代引入輥道窯至今，通過技術引進消化吸收后獲得長足的發展，由單線生產規模發展到多線生產，長度由幾十米發展到現在的300～500 m，內寬從1 m左右發展到3 m以上，產量更是成倍甚至十幾倍的增加。從依靠進口窯爐設備到大量出口國外，占領國外市場。在資源有限、成本高漲等不利條件下，寬體節能輥道窯的優勢更不斷顯現出來，寬體窯的研制開發成為了中國窯爐未來發展的主流方向之一。

1 寬體窯的研究現狀

寬體窯爐，主要是指內寬3 m以上的陶瓷窯爐。多年來，我國陶瓷行業中采用的窯爐內寬大部分是在2.5 m左右，超過3 m的寬體窯爐只是在最近幾年才出現。圖1為廣東摩德娜科技股份有限公司設計的MF S寬體輥道窯，窯寬為3.1 m，窯長為240 m。中窯開發的超級節能輥道窯，窯寬在3 m以上，最長為429 m，可生產800×800 mm微粉磚2200 m2/d。寬體窯最初在內墻磚的生產中使用，效果也比較好，但用于大規格拋光磚的燒成中則出現了較大的問題。因為窯爐的寬度增加，容易造成窯內截面溫差較大、燒成時間控制難、產品走磚紊亂、制品出現色差等問題，其中溫差問題和快燒問題是制約寬體窯快速發展的瓶頸。寬體窯內同水平截面溫差較大時，同一地磚在窯內燒成溫度不一樣，會引起色差和燒成收縮變形不一致，會對出窯坯體的顏色和平直度產生較大影響，同時會造成磚坯在拋光后出現陰陽色差和變形等缺陷；甚至有時局部溫度過高會出現高溫溶洞，而低溫部分則出現欠燒等問題。寬體窯的燒成周期相對較慢一些，如果強制提高燒成速度，則會使制品燒成質量下降。隨著窯內溫差問題的解決和快燒燒成技術的發展，寬體窯在同等產量下，單位生產成本及能耗更低，更加符合陶瓷發展的方向。

2 結構上的特點

輥道窯爐寬度增大，無形中長度也相應增加，窯長的增加對窯內氣體的流動、窯壓的分布、溫度梯度、窯內氣氛及磚坯的運動等都有很大的影響。為了保證燒成質量，故在窯爐的結構及工藝制度的選擇上非常關鍵。

（1）窯頂結構上的特點。早期輥道窯多數采用平頂吊頂方式，施工方便、氣流流動順暢。氣流的流動靠布置一定的擋火墻及閘板以改變氣流的流動及氣流的攪拌，但由于窯通道矮，30～50 c m，故氣體流動阻力大。特別在燒成帶，通道不高，降低熱輻射厚度，因在高溫段的傳熱方式以輻射傳熱為主，約占80%左右，故熱效率低。各窯爐、機械設備公司總結實踐經驗，一致認為寬窯的高溫段采用拱頂結構，可增加輻射層厚度，大大地有利輻射傳熱，拱頂結構的傳熱有利于燒成帶溫差的減小，而在低溫段采用平頂結構，有利于低溫段溫度的均勻，特別是把這兩種窯頂結構相結合，更有利于窯內氣流的攪拌和溫度的均勻，減少窯內溫差。

（2）窯墻結構優化。采用合理的窯墻結構和優質耐火材料，可減少窯壁的散熱、減薄窯壁厚度、減少棍棒長度，或棍棒長度一定情況下，可增加窯內有效的寬度。如廣東摩德娜經驗可減薄75 mm，窯外壁溫度60℃以下。

（3）高強度棍棒或異型棍棒采用。可減少高溫下磚的變形，提高產品質量，特別是異型棍棒的使用，使窯內走磚平直，磚變形小，提高產品成品率，如圖1所示為燒成后制品出窯情況，出磚整齊、平直。

（4）適用的燒嘴及助燃風的預熱。在寬窯中燒嘴的選用是關鍵之一，佛山某廠10年前建了一條窯寬3 m的窯，不管采用什么手段，均燒不出合格的產品。然而十多年后的今天，采用二次預混燒嘴，完全可以燒制合格產品，不但成品率極高，而且可以節能10%左右，故寬窯中燒嘴的型式及火焰長度、火焰溫度的控制十分重要。助燃風的預熱非常關鍵，按科達、摩德娜等多家窯爐公司的經驗，通過熱交換等形式，把助燃風加熱到150～250℃，節能可達8～12%。

3 寬體窯的節能分析

3.1 提高產量及效率達到節能

陶瓷窯爐的產量跟窯的寬度成正比，窯越寬，產量越大，故寬體輥道窯最大的優勢在于提高了產能，減少了單位制品的能耗。以廣東摩德娜科技股份有限公司推出的3.1 m寬、240 m長的寬體窯為例，傳統窯爐走800 mm×800 mm磚兩片，而寬體窯內可以放置3片800 mm×800 mm磚，產能可以達到15000 m2/天，產量提高了50%。若用于生產600 mm×600 mm型號的磚時則可以并排放置4塊磚。而國際知名陶瓷機械設備制造商薩克米為金舵拋光磚生產設計的“四機一線”設備，即四臺壓機配置一條窯爐，該窯內寬達3.15 m，窯長270 m，產量能夠達到16000 m2/天-18000 m2/天。另外，薩克米公司在2012年廣州陶瓷工業展上首次推出內寬為3.85 m超寬體輥道窯，使得寬體窯向著更高產能的方向發展。

3.2 節約燃料達到節能

不斷降低陶瓷窯爐單位能耗，也是窯爐設計的發展方向。國內陶瓷窯爐的單位能耗為750～800千卡/公斤瓷，與國際領先標準430～450千卡/公斤瓷相比，仍具有較大的差距。在同等生產條件下，寬體窯不僅能夠提高陶瓷產量，同時能夠大幅度降低產品生產的單位能耗。表1為某天然氣寬體窯在生產600 mm×600 mm磚時與普通寬度窯爐在單位氣耗和單位電耗的對比情況，表2為某水煤氣寬體窯在生產800 mm×800 mm磚時與普通寬度窯爐在單位氣耗和單位電耗的對比情況。

由上述兩表可以看出，寬體窯在單位氣耗上比普通窯能夠節能14%左右，在單位電耗上比普通窯能夠節省15%以上，產品單位能耗明顯下降，節能效果顯著。另外，采用S P R助燃風加熱節能系統，將窯熱交換區的高溫余熱風打入窯爐急冷區進一步加熱后，作為燒嘴燃燒的助燃風，經加熱后的助燃風的溫度可達250℃，節能達12%以上。

3.3 改變燒成制度達到節能

寬體窯雖然在陶瓷產量和燃料節能方面具有顯著的效果，也被越來越多的陶瓷企業所青睞，但是寬體窯在燒成制度上仍有很大的改進空間。目前陶瓷企業內所應用的內寬3 m以上的寬體窯燒成周期相對較慢，同時產品的出窯質量部分也沒有比傳統窯爐有更明顯的優勢。快速燒成給寬體窯的燒成迅速發展提供了一個很好的機會。通過輥棒、產品配方工藝和窯爐運行等工藝等參數及操控技術的改善，使得產品能夠在寬體窯上實現快速燒成，可以使寬體窯具有更優的節能效果。某陶瓷窯爐企業通過改善窯爐的氧化時間和氧化效果，使得拋光磚的燒成時間由原來40～50 min降低到38 min，突破性地縮短了燒成時間，提高了生產效率，降低了單位生產能耗。

表1 天然氣寬體窯與普通窯能耗對比情況（600 mm×600 mm磚）Tab.1 Energy consumption comparison between a gas-fired wide kiln and a conventional kiln

表2 水煤氣寬體窯與普通窯能耗對比情況（800 mm×800 mm磚）Tab.2 Energy consumption comparison between a water gas kiln and a conventional kiln

3.4 加強保溫減少窯壁散熱達到節能

我國傳統的陶瓷窯爐采用的保溫材料都是普通的耐火磚、輕質陶瓷纖維板或硅酸鈣板等導熱系數相對較大的保溫材料，保溫效果不夠理想，高溫區的外墻表面溫度達80～90℃，有時甚至高達120℃以上，遠遠高于國際上對外墻表面溫度必須低于60℃的要求。隨著科技的進步及新型耐火材料的出現，各窯爐公司都通過采用導熱系數小、保溫效果好的納米微孔保溫板作為保溫材料，能夠有效地減少窯墻的散熱，降低熱量的耗散，如圖2所示各種不同保溫材料在不同溫度下的導熱系數對比。納米微孔保溫板能夠實現良好的保溫效果，是因為那些能夠實現熱傳導的氣孔被微小的單元所包裹，而這些單元比空氣的平均自由程還小，可以有效的阻止氣體的分子碰撞，有效地減小氣體間的導熱。廣東摩德娜科技股份有限公司及其他一些公司推出的比重為0.25、保溫系數為0.7 W/(m·K)，以拋光磚廢料為主要原料的高效保溫“泡沫陶瓷”，能夠有效的降低寬體窯高溫區外墻表面溫度，不僅實現了陶瓷廢料的回收利用，使得窯爐具有良好的保溫效果；而應用的納米微孔保溫板的導熱系數在800℃更是低至0.036 W/(m·K)，在相同燒成溫度下能夠將窯墻厚度減少75 mm，同時降低窯墻外表溫度5℃，有效地實現了陶瓷窯爐的節能減排目標。

3.5 充分利用余熱達到節能

在窯爐燒成中，能夠真正被產品吸收的熱量不到總熱量的30%，其余的熱量都以窯爐排煙（占10～15%）、冷卻抽熱（占50～56%）和窯體（占6～8%）、棍棒（占2～5%）等散熱排掉，浪費了大量的熱能。因此，能夠將窯爐排放的煙氣廢熱回收和冷卻余熱全部有效利用起來，將能夠達到明顯的節能減排效果。傳統窯爐的余熱利用主要是用在陶瓷坯體的干燥上，較少地應用于助燃風的加熱。各窯爐公司在新研制的寬體窯的余熱回收利用上加大了力度，將通過熱交換后的高溫氣體用于助燃空氣的加熱，溫度可達250℃，可以節省燃料8～12%。另外，寬體窯在窯爐風機選擇、管道設計等方面進行了優化設計，在一級排煙區放置功率較大的風機，便于將窯內煙氣余熱更多的抽至窯頭入口；而在二級排煙區選擇功率較小的風機，能夠有效地調節溫度及溫度梯度，降低產品的缺陷率。增加窯爐前段箱體的內高，一方面能夠有利的減緩窯內煙氣的流動，同時延長煙氣對坯體的加熱時間，大大提高了余熱利用率；另一方面煙氣流速的降低，能夠減少熱氣體對坯體的沖擊，可使產品裂紋減少。而在排煙支管上則采用多管分階段式設計，不僅能夠有效地調節窯內溫度制度，而且能夠充分地利用煙氣余熱，使窯爐達到顯著的節能減排效果。

4 寬體窯的應用

由于受寬體輥道窯截面溫差及燒成速度的影響，輥道窯不但適用拋光磚燒成用，同樣也適用于釉面磚、仿古磚、擠出類陶瓷板及西瓦等陶瓷磚的燒成，在日用瓷、衛生瓷、工藝美術瓷等燒成亦適用。寬體輥道窯的標準因產品不同而有所差異，如生產瓷片，窯內寬一般為3.2 m；若生產拋光磚，則窯內寬一般為3.1 m。當然，窯爐的長度和寬度不是毫無限制的增加，是有一定限度的，窯寬不斷地增加，意味著窯內溫差會更大，也更難控制，同時輥棒的強度和質量跟不上。因此，要進一步擴展寬體窯在陶瓷行業中的應用，得與寬體窯相配套的有關設備也應有相應的發展和突破。

5 展望

寬體窯的出現，無論是在結構設計上還是燒成技術實施上都是窯爐的一大創新，打破了傳統陶瓷窯爐的原有格局，同時也符合國家發展低碳經濟、綠色窯爐的政策要求。隨著科學技術的不斷革新，相應設備的發展，只要能解決好寬體窯內溫差及燒成技術等問題，便能得到更廣泛的應用，這種節能型、環保型的寬體窯爐將是未來陶瓷窯爐發展的主流方向之一。

1 曾令可,李萍,劉艷春.陶瓷窯爐實用技術.北京:中國建材工業出版社,2010

2 曾令可,張明,王慧.陶瓷輥道窯寬斷面需解決的問題.中國陶瓷工業,2002,9（1）：37-39

3 曾令可等.陶瓷窯爐動態溫度場測試及操作優化.陶瓷學報,1999,20(3):158～163

4 張明，曾令可.輥道窯內動態溫差產生的原因研究.華南理工大學研究生學報，1997,11（3）：141～145

5 張明,曾令可.擋火板在輥道窯中設置的作用研究.中國陶瓷工業，1997,4（3）：30～33

6 荊海山.MF S寬體窯節能輥道窯關鍵技術介紹及應用.寬體窯技術論壇，2012,8,22

7 徐景福,王愛純.試論寬體輥道窯的優勢、問題及對策.陶瓷，2006，（8）：39～42

8 潘雄.關于寬體輥道窯爐溫差原因的探討.佛山陶瓷，2012，187（3）：67

9 程昭華.關于進口寬體窯進一步提產的答疑.佛山陶瓷，2011,21（12）：64

10 林楚馥.寬體窯更符合陶業發展方向.陶瓷壹周，2009