陶瓷隧道窯的尺寸設(shè)計研究

郭喜斌

（1.潮州市索力德機電設(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）

我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(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，但新時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展強調(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，需針對陶瓷隧道窯燒成工序巨大能耗問題進(jìn)行針對性解決，通過降低能耗提高陶瓷產(chǎn)業(yè)綜合效益。為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，需對陶瓷隧道窯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 隧道窯節(jié)能設(shè)計需求

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，但多數(shù)還停留在多年前的技術(shù)水平，包括國外引進(jìn)窯爐，普遍存在溫差大、燒成周期長、裝載截面小而窯長大，能耗高等不足。

當(dāng)前，在用隧道窯中，普遍裝截面不大，而窯長較大，這樣，一方面，在同等設(shè)計產(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，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，如沒有延長燒成周期，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，而延長燒成周期，從而增加了單位產(chǎn)品燒成能耗。經(jīng)過研究、分析、實驗，在現(xiàn)階段設(shè)計隧道窯中，加大裝載截面與長度比，即增加可裝寬度和高度，縮短窯體長度。

2 樣機隧道窯節(jié)能設(shè)計尺寸分析

2.1 小長寬比規(guī)格

為減少熱損失，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，對陶瓷隧道窯的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)深入討論后，得出了小長寬比的陶瓷隧道窯尺寸方案，通過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)隧道窯長寬比為59～62，即長度60m，寬度1m，在本次優(yōu)化設(shè)計中，將長寬比縮小至31～35m，小規(guī)格窯體長度、裝載寬度分別為60m、1.92m，大規(guī)格窯體長度、裝載寬度分別為60m、2.82m，此外，長寬比的減小增大了可裝載制品的窯內(nèi)寬度，實現(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)熱長度

測試人員在現(xiàn)場對普通隧道窯和小長寬比隧道窯預(yù)熱段進(jìn)行采樣對比：位于裝載產(chǎn)品中下層在前6h，分6個采樣點采集。

通過表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間，給雜質(zhì)提供充足的揮發(fā)時間。對這樣煅燒出來的產(chǎn)品釉面可以更加光亮平整。縮短隧道窯燒成周期達(dá)到節(jié)能效果。

2.3 散熱面積對比

從表2、表3計算得出，普通隧道窯與小長寬比隧道窯的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)計參數(shù)

表3 陶瓷隧道窯散熱面積對比

2.4 縮短燒成周期

在目前國內(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，通過改變窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝工藝，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。燒成溫度曲線對比圖，如圖1。

圖1 燒成溫度曲線對比

3 樣機數(shù)據(jù)測試對比

為更好地設(shè)計改進(jìn)隧道窯結(jié)構(gòu)，提升陶瓷產(chǎn)業(yè)的節(jié)能效益，由專業(yè)科研人員設(shè)計出小長寬比隧道窯，并在陶瓷企業(yè)投入正常生產(chǎn)應(yīng)用。穩(wěn)定生產(chǎn)后，對小長寬比陶瓷隧道窯進(jìn)行摸底調(diào)查和熱平衡測試，對普通隧道窯和小長寬比隧道窯結(jié)果顯示對比（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試結(jié)果

表5 小長寬比隧道窯結(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)合上述實測數(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行成果及節(jié)能效益

4.1 運行成果

按照上述技術(shù)工藝及小長寬比規(guī)格尺寸對隧道窯進(jìn)行了改造，將其應(yīng)用設(shè)計生產(chǎn)過程中，對其運行成果進(jìn)行總結(jié)，具體如下：

（1）節(jié)能效果高。由第三方檢測機構(gòu)對小長寬比隧道窯的單位合格產(chǎn)品能耗進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)小長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，發(fā)現(xiàn)小長寬比隧道窯的產(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)一步了解小長寬比隧道窯性能而組織了熱平衡測試，結(jié)果顯示，小長寬比隧道窯燒成產(chǎn)品重量為普通隧道窯的2.7倍，而能耗僅為1.1倍。熱平衡測試數(shù)據(jù)能耗對比具體情況如表6所示。

表6 測試數(shù)據(jù)能耗對比

結(jié)合表6可見，本次設(shè)計的小長寬比隧道窯節(jié)能效果優(yōu)異，遠(yuǎn)低于一級能耗標(biāo)準(zhǔn)。該小長寬比隧道窯經(jīng)測試投入市場后現(xiàn)已通入運行，且表現(xiàn)出了優(yōu)異的節(jié)能效果，購置隧道窯的成本可通過節(jié)約燃料費用而在1年內(nèi)收回，效益顯著。對現(xiàn)階段投入運行的小長寬比隧道窯進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其單位合格產(chǎn)品能耗處于國內(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，采用小長寬比隧道窯后可節(jié)約7000kJ/kg瓷能耗，按照每年運行300天計算，僅潮州地區(qū)即可節(jié)約天然氣11.5億m3/年，并實現(xiàn)二氧化碳減排226萬噸/年，不僅節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，還可以有效促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，為降低陶瓷隧道窯能耗而優(yōu)化設(shè)計了小長寬比尺寸，將隧道窯長寬比從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)濟效益，此外，小長寬比陶瓷隧道窯可實現(xiàn)二氧化碳減排226萬噸/年，具有可觀的社會效益，并有效推動了雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)。