隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用

楊云山

（大埔縣陶瓷產(chǎn)業(yè)管理辦公室，廣東梅州 514247）

0 前言

大埔縣位于廣東省東北部，陶瓷工業(yè)是大埔的支柱產(chǎn)業(yè)，縣內(nèi)瓷土資源豐富，陶器生產(chǎn)始于商周時(shí)代，瓷器生產(chǎn)始于宋代，已具有4 000多年的陶瓷生產(chǎn)歷史。目前，大埔陶瓷企業(yè)使用的窯爐有連續(xù)式隧道窯和間歇式梭式窯兩大類，所采用的燃料有煤、油、電和液化石油氣等。而間歇式梭式窯因其具有靈活、方便、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大埔中小陶瓷企業(yè)進(jìn)行煅燒瓷器。但是，間歇式窯爐存在著能耗高、污染大等缺點(diǎn)，窯爐綜合能耗所占的生產(chǎn)成本比例已經(jīng)由原來的25%上漲到40%左右，并且有持續(xù)增加的趨勢，嚴(yán)重制約著中小陶瓷企業(yè)的發(fā)展。特別是近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，國家對(duì)能源消耗和環(huán)境保護(hù)等方面的要求越來越高，傳統(tǒng)的隧道窯和間歇式梭式窯因其能耗高已不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，節(jié)能降耗和減少環(huán)境污染成為廣大陶瓷企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件。

1 分析

大埔陶瓷企業(yè)之前也進(jìn)行過節(jié)能減排技術(shù)的研究與改造，取得過一定的進(jìn)展。有的通過改進(jìn)窯爐結(jié)構(gòu)，采用新型隔熱保溫材料，加強(qiáng)窯體密封與保溫，防止窯內(nèi)熱能外泄；有的通過改進(jìn)燒成工藝，采用高速燒嘴、窯內(nèi)噴涂節(jié)能涂料，提高燃料燃燒率；有的在坯、釉料中引入復(fù)合礦化劑，降低坯、釉料成瓷溫度和利用窯內(nèi)余熱干燥坯體等等。通過這些措施，有效地推動(dòng)了大埔陶瓷企業(yè)節(jié)能減排工作開展，但是節(jié)能減排效果不明顯，實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)的目標(biāo)還有較大的差距。

因此，針對(duì)本縣某陶瓷廠使用的62 米燃?xì)馑淼栏G，在節(jié)能減排方面存在的實(shí)際問題，開展了隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用。

2 研究

2.1 隧道窯的結(jié)構(gòu)

某陶瓷廠使用的隧道窯結(jié)構(gòu)基本參數(shù)：窯長62 m，外寬2.2 m，有效內(nèi)寬1.05 m，窯高1.85 m，有效內(nèi)高0.7 m，快速燒嘴23 對(duì)；預(yù)熱帶長10 m，氧化帶長12 m、燒成帶長8 m，還原帶長4 m，冷卻帶長28 m；窯車長1.62 m，全窯有效容積為45.57 m3；生產(chǎn)能力為5.95 m3/h；燒成溫度1 300℃～1 350℃；煅燒工藝采用一次裸燒還原氣氛燒成。

2.2 電氣煅燒節(jié)能技術(shù)燒成原理

燒成原理與一般的日用陶瓷隧道窯基本相符，不同的是熱的主要來源是通過電阻元件將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

2.3 研究過程

（1）隧道窯電氣煅燒功率計(jì)算

1）隧道窯電氣煅燒理論功率的確定

隧道窯各帶的基本參數(shù)如下：

預(yù)熱帶：A 爐膛尺寸6 m×0.7 m，溫度范圍：30 ℃～400 ℃；

B 爐膛尺寸4 m×0.7 m，溫度范圍：400 ℃～800 ℃；

氧化帶：C 爐膛尺寸12 m×0.7 m，溫度范圍：800 ℃～1 000 ℃；

燒成帶：D 爐膛尺寸為8 m×0.7 m，溫度范圍：1 000 ℃～1 200 ℃；

還原帶：E 爐膛尺寸為4 m×0.7 m，溫度范圍：1 200 ℃～1 350 ℃。

2）隧道窯各溫度段電熱功率的確定

隧道窯爐膛內(nèi)表面每平方米上布置功率大，爐溫就高。反之，布置功率越小，爐溫就低。根據(jù)面積負(fù)荷法，確定隧道窯各帶溫度段的功率。功率計(jì)算公式為：N＝KF（K 表示爐膛內(nèi)每平方米的布置功率，F(xiàn) 表示爐膛內(nèi)表面積）。即隧道窯各帶的理論功率和全窯理論功率（詳見表1）。

表1 隧道窯各帶的理論功率和全窯理論功率

3）隧道窯電氣煅燒實(shí)際功率的確定

由于理論功率不是窯爐實(shí)際功率，考慮到電壓的波動(dòng)、電熱體長期使用后的老化現(xiàn)象使電阻增大，以及縮短升溫、冷卻時(shí)間等因素對(duì)功率的影響，在設(shè)計(jì)隧道窯電氣煅燒實(shí)際功率時(shí)，一方面考慮隧道窯安全系數(shù)，另一方面考慮隧道窯功率儲(chǔ)備。所以實(shí)際功率應(yīng)為：

N實(shí)＝KN理（K取1.1～1.5）。

根據(jù)該廠實(shí)際生產(chǎn)需要和從經(jīng)濟(jì)考慮角度為切入點(diǎn)，增大窯爐安全系數(shù)，K取1.1，

則N實(shí)＝KN理＝515.2 kW×1.1＝566.72 kW。

即全窯實(shí)際設(shè)計(jì)功率N實(shí)＝566.72 kW。

（2）電熱元件的選擇與應(yīng)用

1）電熱元件的要求

對(duì)于隧道窯電氣煅燒電熱體元件，要求其最高使用溫度應(yīng)比隧道窯窯內(nèi)的最高操作溫度高，其次還要滿足以下要求：

①電熱體的發(fā)熱溫度要滿足產(chǎn)品燒成工藝要求；

②具有較高的比電阻和較小的電阻溫度系數(shù)；

③在高溫下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化，不與隧道窯的內(nèi)襯磚和氣體發(fā)生反應(yīng)；

④具有優(yōu)良的機(jī)械性能；

⑤電熱體成本低，價(jià)格要便宜。

2）電熱元件的選擇

隧道窯電氣煅燒的電熱體，根據(jù)生產(chǎn)工藝等條件要求選擇合適的電熱體材料，即做到技術(shù)合理，又節(jié)約投資。在研究過程中，對(duì)幾種常用的電熱材料（如鉬、鎢、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、硅碳棒、U 型硅鉬棒）等進(jìn)行了熔點(diǎn)、抗腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性和使用環(huán)境等性能比較，最終確定鐵鉻鋁合金作為隧道窯預(yù)熱帶、氧化帶的電熱體。因鐵鉻鋁合金具有抗腐蝕性和抗氧化性能強(qiáng)的特點(diǎn)，加熱后其表面生成一層氧化鋁膜起保護(hù)作用。同時(shí)具有良好的焊接性能，制作工藝簡單，所以用它做隧道窯電氣煅燒預(yù)熱帶、氧化帶的電熱體。

燒成帶采用硅碳棒作為電熱體，還原帶以U型硅鉬棒為電熱體。

（3）電熱體元件的安裝

1）鐵鉻鋁合金帶的加工與安裝

鐵鉻鋁合金帶電熱元件的加工是根據(jù)隧道窯預(yù)熱帶、氧化帶各段的功率要求，確定每組電熱體的長度，并將鐵鉻鋁合金帶按圖加工成波浪型電熱體。把加工好的每組電熱體水平懸掛于隧道窯預(yù)熱帶、氧化帶窯體內(nèi)壁兩側(cè)，用耐火材料制成的固定栓將電熱體固定在窯體內(nèi)壁，分段、分組安裝。另外，為了保證電熱體端部正常導(dǎo)電和接導(dǎo)線，冷卻端延伸出窯體外約50 mm。

2）硅碳棒、U型硅鉬棒電熱體的安裝

根據(jù)隧道窯燒成帶、還原帶各段的功率要求，確定每組電熱體硅碳棒、U 型硅鉬棒的功率，采用耐火材料制成的固定栓將硅碳棒、U 型硅鉬棒固定于隧道窯燒成帶、還原帶窯體內(nèi)壁兩側(cè)，并將硅碳棒、U 型硅鉬棒的連接導(dǎo)線引出窯體外，便于連接電源。

（4）供電電路及溫度調(diào)節(jié)

1）供電電路

隧道窯電氣煅燒的電熱體采用工業(yè)頻率50 Hz三相交流電，電壓為380 V，接線方式采用Y型接法，以獲得功率與表面負(fù)荷的相對(duì)平衡，使電熱體獲得較長的壽命。

2）溫度調(diào)節(jié)

隧道窯在電氣煅燒過程中，電熱體通過控制元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以控制窯內(nèi)溫度按燒成工藝制度要求均勻地變化。當(dāng)窯內(nèi)溫度低于預(yù)定值時(shí)，控制元件接通電熱體的電流進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度高于預(yù)定值時(shí)，情況相反，控制元件切斷電熱體的電流，使窯內(nèi)溫度保持恒定不變。

（5）解決電熱隧道窯只能氧化燒成的問題

在隧道窯電氣煅燒節(jié)能技術(shù)的研究過程中，針對(duì)瓷土礦含鐵量高要還原氣氛燒成的特征，為使坯釉中的高價(jià)鐵還原成低價(jià)鐵，保留了原隧道窯23對(duì)高效節(jié)能環(huán)保型蓄熱式燒嘴，在1 200℃～1 350℃的溫度范圍內(nèi)引入一定數(shù)量的液化石油氣作還原介質(zhì)，增加窯內(nèi)的還原氣氛，解決電熱隧道窯只能氧化燒成的問題。

3 應(yīng)用效果

通過工程技術(shù)人員的共同努力下，隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能技術(shù)試驗(yàn)獲得成功，并應(yīng)用到本縣某陶瓷廠的62 m 隧道窯中。在產(chǎn)品品種、件數(shù)、燒成溫度、進(jìn)車速度等相同的條件下，產(chǎn)品質(zhì)量合格率由原來的89%提高到94%以上。噸瓷產(chǎn)品燒成能耗由原來的0.307 3噸標(biāo)準(zhǔn)煤，下降至0.245 4噸標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)品燒成能耗節(jié)約20.14%，每年可節(jié)約液化石油氣114.39噸，價(jià)值80萬元。

4 社會(huì)效益

隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能技術(shù)對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用，社會(huì)效益顯著。該技術(shù)的應(yīng)用，年減少了一氧化碳排放量217.34 kg，二氧化硫排放量2 562.34 kg，氮氧化物排放量1 452.75 kg。為傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗、減排和實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)提供了新思路。

5 存在問題

隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能技術(shù)存在的主要問題是：電熱體元件在高溫段時(shí)有發(fā)生燒斷和脫落現(xiàn)象，影響產(chǎn)品燒成質(zhì)量。

6 結(jié)論

本文論述的隧道窯電氣煅燒陶瓷節(jié)能技術(shù)建造成本低，燒成工藝自動(dòng)化控制程度高，解決了電熱隧道窯只能氧化燒成的難題。雖然較簡單，但非常實(shí)用，經(jīng)實(shí)踐證明窯爐節(jié)能減排和運(yùn)行情況良好，非常有指導(dǎo)意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。

［1］李家駒.陶瓷工藝學(xué)［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2006.

［2］楊云山.大埔陶瓷［M］.廣州：廣東人民出版社，2008.

［3］涂申年.陶瓷熱工過程及設(shè)備［M］.南昌：江西高校出版社，2009.