陶瓷工業輥道窯窯體散熱分析與節能措施探討

黃秀文

摘 要：陶瓷工業窯爐是陶瓷工業生產的關鍵設備，也是能耗最大的熱工設備。本文以行業應用較為廣泛的輥道窯為例，通過對不同筑爐材料組合結構的綜合傳熱系數、熱流密度和各層筑爐材料溫度場的傳熱過程進行計算分析，采用高性能耐火保溫絕熱材料，能顯著減少窯體散熱。另外，通過對輥道窯上傳動輥棒等特殊部件形成的熱橋效應進行分析，從生產管理角度保證窯體密封保溫，降低窯體局部的散熱損失，減少窯爐運轉能耗。最后，對于窯爐在生產過程中降低能耗與節能減排措施提出其它方面著手點，以進一步提高窯爐的能源利用率。

關鍵詞：陶瓷工業;輥道窯;窯體散熱;熱橋效應;節能措施

1 前 言

陶瓷工業窯爐是陶瓷工業生產中最重要的工藝設備之一，對陶瓷產品的產量、品質以及成本起著關鍵性的作用。在建國初期，整體工業基礎較為薄弱，陶瓷工業生產設備在很長一段時期里，與世界工業發達國家存在著較大的差距。自改革開放以來，隨著國內陶瓷工業的蓬勃發展，通過引進、消化吸收國外的先進設備與技術，我國在陶瓷工業設備制造領域取得了飛速的發展。再經廣大技術人員這二十多年來的自主研發與創新，目前我國在陶瓷工業領域已取得了較大的成就，逐漸在市場上占據主導地位。智能制造工業4.0已成為陶瓷工業生產設備的發展方向。

陶瓷工業窯爐是陶瓷工業生產的關鍵設備，也是能耗最大的熱工設備，其能耗占生產總能耗的60%以上。窯爐的節能減排是生產企業技術進步和可持續發展的必然選擇，與窯爐相關的節能措施也成為陶瓷領域中最熱點的問題。目前，在陶瓷工業生產上輥道窯的應用較為廣泛，特別是建筑衛生陶瓷生產，因為產量大，耗能為陶瓷行業之首。本文從陶瓷工業輥道窯窯體結構傳熱過程的角度分析，通過計算分析采用不同筑爐材料組合結構以及窯體特殊部件形成的熱橋效應，為優化窯爐耐火隔熱結構，減少窯體散熱，探索節能減排措施探討提供技術依據。

2 窯體耐火隔熱結構散熱分析

陶瓷工業窯爐窯體筑爐材料及其厚度的選擇是窯爐設計的關鍵之一，需要對不同的窯體耐火隔熱結構進行傳熱計算，并進行分析比較，綜合考慮窯爐筑爐材料投入成本、使用壽命和運行能耗三個方面因素對比分析而確定窯體結構方案。一般須遵循以下原則：①選用的材料長期允許使用溫度必須大于其所處位置的最高溫度;②盡可能使窯體散熱損失要小;③考慮各耐火隔熱材料的綜合成本。

窯爐窯體散熱為多層平壁傳熱過程，具體熱量傳遞見圖1所示：①窯內高溫氣體介質通過熱對流和熱輻射把熱量傳遞給窯內壁;②經窯體筑爐材料由內向外熱傳導把熱量傳遞給窯外壁;③窯外壁通過熱對流和熱輻射對周圍環境空氣進行熱量傳遞。

圖中，q是單位時間內通過單位面積傳遞的熱量，即熱流密度。在穩態情況下，通過串聯著的上述三個環節的熱流密度應該是相同的，則可得出傳熱方程式表示如下：

q=? ? ? ? ?（1）

式中：q——熱流密度，W/m2;tf1——窯內高溫氣體介質溫度，℃;αΣ1——窯內氣體與壁面間的綜合傳熱系數，W/（m2·K）;tbn——窯內壁表面溫度，℃;tb1、tb2、tb3 …——窯體各層冷面溫度，℃;tbw——窯外壁表面溫度，℃;tf2——窯外周邊環境空氣溫度，℃;αΣ2——窯外空氣與壁面間的綜合傳熱系數，W/（m2·K）;δ1、δ2、δ3 … ——各層筑爐材料的厚度，m;λ1、λ2、λ3 … ——各層筑爐材料的導熱系數，W/（m2·K）。

一般窯內壁表面溫度即為窯內溫度測量儀表顯示溫度，為已知條件，則計算式可從tbn開始。由于窯外表面溫度較低，一般小于100℃，熱量傳遞以熱對流方式為主，窯體外壁的對流輻射綜合傳熱系數，取15～20W/m2，窯外周邊環境溫度（即車間溫度）為30℃。目前，典型陶瓷工業輥道窯燒成溫度≤1250℃時，窯墻厚度一般為300～400mm。此處窯內壁表面溫度為1250℃，各層筑爐耐火隔熱材料（由內向外）結構如表1所示。

參考各耐火材料主要供應廠家的產品手冊的筑爐材料性能參數，各層筑爐材料的導熱系數按各自平均工作溫度下的導熱系數取值，帶入式（1）中分別計算得出窯體散熱的熱流密度與窯內、外壁表面溫度、窯體各層冷面溫度如表（2）所示。

相互比較上述四種窯體筑爐耐火隔熱材料結構可得出：①結構Ⅱ和結構Ⅲ在結構Ⅰ的基礎上僅采用25mm厚的納米微孔絕熱板代替25mm厚的陶瓷纖維板，但是通過計算得出結構Ⅱ和結構Ⅲ的熱流密度分別減少16.5%和18.2%，窯外壁表面溫度分別降低7～8℃，節能效果較為明顯;②結構Ⅱ和結構Ⅲ區別為納米微孔絕熱板所處位置的不同，結構Ⅲ窯體的熱流密度更小，納米微孔絕熱板熱面、冷面兩側溫降也更大，所以納米微孔絕熱板處在相對較低溫環境下，起到的保溫絕熱效果也更好;③結構Ⅳ與結構Ⅰ比較，窯體筑爐材料利用高性能耐火保溫絕熱材料，可減小窯體筑爐材料厚度、降低窯體散熱和節約空間。

3 輥道窯傳動輥棒散熱分析

陶瓷工業輥道窯是由一系列平行排列的輥棒在窯內構成輥道，每根輥棒均橫穿窯墻支撐在窯墻外兩側，由傳動系統帶動輥棒統一轉動，輥棒承載制品按預定的速度由窯爐進口經預熱帶、燒成帶、冷卻帶移動，完成燒成工藝。輥棒是組成輥道窯的基本部件之一，輥棒在窯內不斷轉動，承載制品的重量，同時要經受窯內高溫，其質量的好壞直接影響到煅燒制品的品質。因此，要求輥棒的性能好、能滿足使用要求、成本低。

目前，陶瓷工業輥道窯上使用輥棒的材質主要有金屬材料和非金屬材料。金屬材料輥棒主要為普通無縫鋼管，使用溫度在450℃以下、非腐蝕介質氣氛中，常用于冷卻帶后段和輥道式干燥窯。非金屬材料輥棒主要為陶瓷管輥棒和碳化硅管輥棒，陶瓷輥棒使用溫度一般在1300℃以下，燒成溫度達1300℃以上時一般采用碳化硅輥棒。輥道窯輥棒材質和規格的選擇，與窯內溫度、氣氛和承載制品載荷等有直接關系，需要專業人員計算分析確定，此處就不做敘述。