陶瓷窑炉的节能技术

Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　环保与节能　陶瓷窑炉的节能技术　曾令可　刘涛　王慧　刘平安　（华南理工大学材料学院　广东广州　５１０６４０）　摘要　随着“十一五”节能专项规划的出台．国家对高能耗高排放产业的改革势在必行。　陶瓷产业正是高能耗、高污染的行业，必然是改革的重点领域。节能减排也必将是陶瓷产业　的大势所趋。本文详细综述了当前陶瓷窑炉一些先进的节能技术。并对未来节能的发展方　向提出了一些展望。　关键词陶瓷窑炉，能耗，节能技术　１　前　言　众所周知．国家“十一五”计划中明确提出了“十一　责制和一票否决制等机制。以此强制性督促陶瓷产业进　行节能改革　中国陶瓷工业的能源利用率与国外相比，差距较大。　　五”节能专项规划，要求调整产业结构、能源结构，遏制高　发达国家的能源利用率一般高达５０％以上，美国达５７％，能耗高污染行业过快增长．大力推进节能工作，而陶瓷产　而我国仅为２８％￣３０％。在陶瓷工业的一般工艺流程中，能　　业正是高能耗、高污染的行业．尤其是对资源的消耗和环　耗主要体现在原料的加工、成形、干燥与烧成这四部分。境的污染都非常严重，属于和大众“紧盯”的行业之　其中干燥和烧成工序，两者的能耗约占８０％。在建筑卫生　　在佛山，建筑陶瓷行业的节能、排放和环保问题显得　陶瓷方面，国内外能耗存在着一定的差距。如表１所示。以日用陶瓷在国内烧成能耗的状况为例，燃煤隧道　尤为严重．在２００７年，在佛山２１６家能源审计不合格企　一。业的黑名单中．陶瓷企业赫然占了８４家，陶瓷企业的变　窑为４１８１６￣５４３６１ｋＪ／ｋｇ瓷，折合ｌ。４２～ｌ－８５ｋｇ标准煤　革必然首当其冲。为此，国家出台了一系列的强制性节能　／ｋｇ瓷；燃油隧道窑为３３４５３￣４５９９８ｋＪ／ｋｇ瓷，折合　措施，如开征燃油税、环境税，建立节能减排工作问　１．１４～１．５７ｋｇ标准煤／ｋｇ瓷：燃气隧道窑为２９２７１～　表１　国内外建筑陶瓷和卫生陶瓷的能耗统计对比　表２　建筑卫生陶瓷产品单位能源消耗限额及新建企业能源限额审议标准的主要指标　３９７２５ｋＪ／ｋｇ瓷，折合１．００～１．３５ｋｇ标准煤／ｋｇ瓷。而国　可多产煤气量：ｌＯ０８００ｍ￣／（２８５０ｍ。／ｔ）＝３５ｔｃｅ，则每月能多　外窑炉以气体燃料为主，烧成能耗为１２５４５￣－－－２５０９０ｋＪ／ｋｇ　节煤１０５０ｔｃｅ，运行５个月内共节能３７５０ｔｃｅ。并加长窑　瓷，折合０．４３～Ｏ．８６ｋｇ标准煤／ｋｇ瓷，烧成能耗只有我　炉，由１５８．６ｍ改为１９９．９５ｍ，烧８００ｍｍ×８００ｍｍ的砖产量　国的一半左右［１］。　可从３８００ｍ￣日提高到４２００ｍ￣日，折合节能　国家标准《建筑卫生陶瓷产品单位能源消耗限额》也　】１１４．１７ｔｃｅ。该厂２００６、２００７年的单位产品能耗分别为　已出台，如表２所示。　０．４７６和０．４５８ｔｃｅ／ｔ。２年共节能４２３５１ｔｃｅ。预计２０１０年　可达到０．４３０４ｔｃｅ／ｔ，到十一五末可节能１２２４９ｔｃｅ。能源　２　陶瓷窑炉的节能技术　费用占总成本的３４％．通过窑炉改造节能占总节能的　９２．４％，可见通过窑炉改造．节能潜力十分显著。　在２００８年。对广东陶瓷生产企业进行能源核查时发　窑炉是陶瓷企业最关键的热工设备，也是耗能最大　现．通过对陶瓷窑炉进行改造和新技术的应用，可以大大　的设备，但是窑炉能耗的水平，主要取决于窑炉的结构与　地减少能耗且潜力非常大。能满足国家“十一五”计划所　烧成技术。窑炉技术革新围绕着以下几个关键性问题进　要求“到‘十一五’结束达到节能２０％”的目标。下面是在能　行：①窑炉结构的优化；②烧成技术的创新；③合理选用　源审查中看到的对窑炉进行改造比较成功的三家工厂的　烧嘴；④余热回收利用；⑤大范围采用自动控制技术；⑥　案例：　研究开发更先进的保温材料和涂层技术［２］。　甲厂把窑炉余热（１７０℃）送到干燥窑及助燃风，可节　２．１优化窑炉结构　能４９００ｔｃｅ／年，通过在煤气发生炉系统中增加循环风　随着窑内高的增加，单位制品热耗和窑墙散热量也　机、中转汽缸及管道等设施，可以降低排烟温度，提高余　在增加。如当辊道窑窑内高由０．２ｍ升高至ｌ＿２ｍ时，热耗　热利用率并节煤１４０４ｔｃｅ。该厂在２００６、２００７年的单位综　增加４．４３％，窑墙散热升高３３．２％，故从节能的角度看，窑　合能耗分别为０．３４６、０．３２１ｔｃｅ／ｔ，预计到２０１０年单位综　内高度越低越好；随着窑内宽度增大，单位制品热耗和窑　合能耗可降为０．２８５ｔｃｅ／ｔ，节能量达３００００ｔｃｅ。该厂的　墙散热均减少。如当辊道窑窑内宽从１．２ｍ增大到２．４ｍ，　能源费用占总成本的４１．９％．而窑炉节能占总节能量的　单位制品热耗减少２．９％，窑墙散热降低２５％。如把辊道窑　８　３．２％。可见，窑炉改造能大大降低生产成本且节能潜力　的内宽由２．５米扩大到３．０米，产量则可以从ｌＯ０００ｍ２增　巨大。　加到１５０００ｍ　，窑体散热面积由１２０６ｍ。增加到１４２２ｍ。，每　乙厂将窑炉余热引人喷雾干燥塔用于干燥粉料．可　生产１ｍ。砖，窑墙散热面积由０．１２０６ｍ　减少到０．０９４８ｍ２：　节能２０４００ｔｃｅ／年．并且改造了５条２．４ｍ×２３８ｍ窑炉，　如果窑墙外表面温度与环境的温度差不变，则窑体外壁　可节能１４４００ｔｃｅ／年。该厂２００６、２００７年的单位产品能　的散热损失可减少２７．２％．故在一定范围内，窑越宽越　耗分别为７５３．６７和５４１ｋｇｃｅ／ｔ．２年共节能４２３５１ｔｃｅ。其　好；窑越宽，节能率越高，故只要能很好地解决断面温差　中，通过窑炉改造可节能３４８００ｔｃｅ／年，占总节能量的　的问题，宽体窑是未来发展的方向；当窑内宽和窑内高一　８２．２％，可见，窑炉的节能潜力巨大。　定的情况下，随着窑长的增加，单位制品的热耗和窑头烟　丙厂进行发生炉煤气顶部改造工程，改造了７台炉，　气带走的热量均有所减少。如当辊道窑的窑长由５０ｍ增　⑤将　加到ｌＯＯｍ时，单位制品热耗降低１％，窑头烟气带走热量　气余热生产蒸汽；④加热空气作为烘干坯件的热源；减少ｌ３．９％。因此，应重点研究和优化窑炉结构，减少制品　窑炉热烟气直接送至喷雾塔干燥浆料进行制粉；⑥利用　烟气余热来发电和供暖等［４］。　蓄热式热交换技术为上世纪８０年代兴起的新型节　能技术．该技术的最大特点是高效节能，平均节能率在现　带走的热量，减少能耗，并逐步缩小窑内各断面的温差，　使烧成制品缺陷降低，加快烧成周期，并节约能耗［３］。　２．２采用先进的烧成技术　２．２．１采用低温快烧技术　有基础上可再提高３０％。传统工业炉的蓄热室由耐火材料　在陶瓷生产中，烧成温度越高，能耗就越高。据热平　砌成．能承受高温。但是为了保证足够的换热面积，导致　衡计算，若烧成温度降低ＩＯ０＂Ｃ，则单位产品热耗可降低　１０％以上，且烧成时间缩短１０％，产量增加１０％，热耗降低　４％。因此，在陶瓷行业中，应用低温快烧技术，不但可以增　加产量。节约能耗，而且还可以降低成本。如佛山某企业　和华南理工大学合作．采用超低温配方烧成，将现有的建　筑陶瓷产品的烧成温度降低约２００℃，达到１０００℃以下，　单位制品的燃耗降低２５％，每公斤瓷能耗为３￣５ＭＪ，仅为　普通烧成技术的７５％左右，大大降低了生产成本。　２．２．２采用一次烧成技术　采用一次烧成技术一次烧成比一次半烧成（９００℃左右　低温素烧，再高温釉烧）和两次烧成更节能，综合效应更佳，　同时可以解决制品的后期龟裂，延长制品的使用寿命Ⅲ。　２．３合理选用喷嘴　过去在喷嘴使用时，温度控制容易出现偏差。由于高　温火焰流因浮力而上升。形成窑道内温度上高下低，使热　电偶检测到的温度数据偏高，故造成热电偶仪表上显示　的温度与窑内烧成品实际温度出现很大的偏差。采用新　型高速喷嘴或脉冲烧成技术，可以使窑内温度变得均匀，　减少窑内的上下温差，不但能缩短烧成周期．降低能耗，　而且可以提高制品的烧成效果。特别对于宽断面的窑炉，　宜采用脉冲比例烧嘴或高速烧嘴；对于烧水煤气的辊道　窑，采用预混式烧嘴，不但可以减少窑断面上的温差，而　且可以节约能源近ｌ５％～２０％ｌ２］。　２．４余热回收循环利用　积极采用先进的烟气余热回收技术，降低排烟热损　失是实现工业窑炉节能的主要途径。当前国内外烟气余　热的利用主要用于干燥、烘干制品和生产的其他环节。采　用换热器回收烟气余热来预热助燃空气和燃料，具有降　低排烟热损失、节约燃料和提高燃料燃烧效率、改善炉内　热工过程的双重效果，一般认为：空气预热温度每提高　１００℃，即可节约燃料５％。　现有的余热利用方式主要有以下几种：①在换热器　中用烟气余热加热助燃空气和煤气；②设置预热段或辊　道干燥窑，用烟气余热加热湿坯；③设置余热锅炉，用烟　体积过于庞大，换热效果也不尽如人意。陶瓷蜂窝体等新　型蓄热体的出现，不仅保持了传统蓄热室的热回收率高、　节能效率高、寿命长等优点，而且克服了体积庞大等缺　点．为进一步提高陶瓷窑炉的热效率、节约能源及减少　ＣＯ，的排放量带来了新的希望『５］。　某企业在不改变窑炉现有设备和结构的情况下，安　装了一部其自主研制的热交换器，以回收烟气中的部分　余热，可以使废热中的９０％被重新回收利用，节能达　１０％左右。某窑炉节能科技有限公司，将窑炉急冷段的热　风直接抽出送至喷雾塔用来干燥粉料，循环利用窑炉余　热。而喷雾塔无须另外配置热风炉，一年可以节约几百万　元的燃料支出。　２．５富氧燃烧节能技术　针对陶瓷烧成的燃烧技术，一般将助燃空气中氧气　含量大于２１％时所采取的燃烧技术，简称为富氧燃烧技　术。燃料在富氧状态下能降低燃点温度，且使燃烧速度加　快，燃烧完全，从而提高了火焰强度，获得较好的热传导。　由于采用富氧燃烧技术，燃烧相对完全，火焰长度相对缩　短，火焰上部温度降低，减轻了小炉、蓄热室的热负荷，即　减轻了对其的侵蚀，窑炉寿命也得到相应延长。采用富氧　空气后可以适当减少二次助燃风量，从而减少废气排放　量，也就减少了废气带走的热量，提高了热效率，达到节　能的目的＿６ｊ。富氧燃烧技术具有可以减少二次风的需求　量，减少烟气的排放量，增加火焰温度，提高燃烧效率，以　及有效地节约能源消耗等优势ｌ７］。一般认为，采用富氧燃　烧技术可以节能约１０％左右。　２．６计算机模拟技术　以前对陶瓷窑炉的模拟多数采用模型模拟的方法，　建设模拟模型耗资大、时间长，操控不方便。而采用先进　的计算机模拟技术可以模拟窑内的流体的对流换热过　程．模拟辊道窑喷嘴的布设角度及结构参数等对窑内流　场的影响：模拟梭式窑内流场对流换热规律及对流换热　系数对窑内换热不均匀度的影响，还可以模拟陶瓷烧成　过程中影响Ｎ０　生成的各个因素。通过计算机对陶瓷的烧　成过程进行模拟，可以对烧嘴结构进行优化，加强对陶瓷　煤、煤气、轻柴油、重油等。煤因不易控制、燃烧不充分、温　烧成过程的精确控制，做到有的放矢，可以大大提高生产　差大、热效率低且污染大而很少被采用。虽然煤气发生炉　效率，减少能源的消耗和浪费，而且可以达到控制有害气　体排放的目的。　一次性投资较大。但由于煤价波动较小．且年平均价格稳　定、成本较低，一般一年就可收回投资，所以煤气越来越　被重视和选用Ⅲ８］。　２．７选用高效的保温材料　窑体热损失主要分为蓄热损失与散热损失。减少热　发生炉煤气（煤转气）的应用是窑炉的燃料费用降低　损失的主要措施就是加强窑体的有效保温，并且在保证　及能源消耗大幅度下降的有效途径。发生炉煤气是一种　窑墙外表温度尽可能低的情况下，选用最合理最经济的　材料以取得最薄的窑墙结构。保温材料的合理选择对节　能降耗起到很大的效果．如轻质陶瓷纤维与重质耐火砖　相比，具有以下优点：质量轻、导热系数小、重量只有轻质　材料的１／６、容重为传统耐火砖的１／２５、蓄热量仅为砖砌　式炉衬的１／３０～ｌ／１０、窑外壁温度可降到３０℃～６Ｏ℃。　纤维节能方面，从总能耗的２０．６％下降到９．０２％，节能达　到１６．６７％ｃ“。　将高性能保温材料或绝热材料应用在陶瓷窑炉上，　不但可以减少窑墙的蓄散热，而且可以大大地减薄窑壁　的厚度，使窑壁的结构简单化。如佛山科达机电股份有　限公司在高效节能辊道窑上使用低温超级隔热保温材　料，利用多层屏蔽阻隔及纳米ＳｉＯ　颗粒的特性，大大提　高了窑墙的隔热性能，使窑体外表面的热损失大大降　低。窑外壁的温度在５０￣６０℃，其导热系数对照如图１　所示。笔者承担的广东省自然科学基金项目。利用硅钙　板、超多孔陶瓷材料等和ＳｉＯ　气凝胶复合，采用超临界　干燥技术制备出性能优异的超级绝热材料，其导热系数　为０．０２３Ｗ／ｍ・Ｋ。　２．８选择低成本燃料　目前，大多陶瓷生产企业使用的燃料多为液化气、　Ｖ　螺　蒜　曲　ｌ矿棉（６４ｋｇ／ｍ。）２聚氨酯３玻璃纤维４矿棉（１２８ｋｇ／ｍ。）　５硅钙板　６耐火材料（９６ｋｇ／ｍ。）７耐火材料（１２８ｋｇ／ｍ。）　８氧化锆纤维　９静止空气　１Ｏ超强纳米绝热材料　复合反射绝热材料与传统绝热材料导热系数的比较图　洁净的气体燃料，可避免环境污染，同时又降低了窑炉燃　料费用，减轻了工人劳动强度，是提高经济效益和社会效　益非常有效的替代燃料。就燃料的成本而言，若以柴油为　窑炉燃料，则燃烧１公斤的柴油，相当于燃烧２～３公斤　煤。ｌ公斤柴油的价格为４．ｏ０元左右，２～３公斤煤的价　格约为２．００元（按７００元／ｔ算），不考虑其他费用，两者　的差价是２．００元。而且，使用煤转气可以大大降低能耗，　提高燃料的有效利用率。实践证明，使用煤转气可以节能　１／２～１／５　３　展　望　随着陶瓷窑炉烧成技术及其它相关技术的发展，可　以预计今后陶瓷窑炉的发展方向为：在窑炉结构上．向连　续式窑炉长度上发展；在窑体、窑具的材料上，采用轻质　陶瓷纤维，采用先进的涂层技术；在烧成技术上，向温度　均匀性高、低污染方向发展，如采用微波烧成技术；在检　测控制方法上，采用多变量模糊控制技术；在研究方法　上，将窑炉热工理论和计算流体力学相结合。上述方法和　技术将是科研工作者的研究重点．也是陶瓷工业节能降　耗的发展方向。　参考文献　１曾令可，邓伟强．广东省陶瓷行业的能耗现状及节能措施［Ｊ］　佛山陶瓷，２００６，１１Ｏ（２）：１～４　２颜汉军．欧洲陶瓷窑炉节能技术综述［Ｊ］．陶瓷科学与艺术，　２００６．（１）：３３￣３６　３曾令可，王慧，张海文等．陶瓷窑炉的结构与节能［Ｊ］．　山东陶瓷，２００２，２５（１）：８～１０　４陈宝．陶瓷企业窑炉烟气的余热利用［Ｊ］．佛山陶瓷，２００６，　ｌ１８（１０）：３２￣３４　５任雪潭，曾令可，刘艳春等蓄热储能多孑Ｌ陶瓷材料［Ｊ］．　陶瓷学报，２００６，２６（２）：２１７￣２２６　高分子型复合陶瓷浆料减水助磨剂的研制与应用　吴宗华　陈少平　（福建师范大学化学与材料学院　福建福州　３５０００７）　摘要笔者设计、合成和配制出一种由改性腐植酸、聚羧酸钠和无机盐组成的高分子型复合陶瓷浆　料减水助磨剂。通过实验和工厂的生产结果表明，所研制的减水助磨剂可使球磨时间减少２５％，浆料　含水率低于３１％，节能效果显著。　关键词陶瓷浆料，减水助磨剂，节能　且稳定的浆料，因此能大幅减少球磨和料浆喷雾干燥的　能耗　。本研究设计、合成和配制出一种低成本高分子　目前我国墙地砖生产通常采用湿法工艺．即陶瓷原　型复合陶瓷浆料减水助磨剂，通过实验和工厂应用结果　　料先球磨成泥浆，再喷雾干燥成粉料。这个过程所消耗的　表明，该陶瓷助剂减水和助磨效果显著。能量约占生产总能耗的一半。因此，提高原料细磨效率和　降低喷雾干燥塔中泥浆含水率对陶瓷厂的节能降耗和生　２　实验部分　产效率的提高有着重要的现实意义。陶瓷原料的球磨是　一个高能耗、低效率的工艺过程，通过调整球磨介质、球　２．１主要原料　本研究所用泥料为闽清某陶瓷公司生产用的粘土，　磨机内衬和料球水比例等操作可提高球磨效率，但其效　果有限。且增加磨材的费用口］。许多研究和生产的结果表　６０目：改性腐植酸钠和低成本聚羧酸类高聚物均由闽清　明，陶瓷浆料制备中外加适量化学添加剂能有效改善矿　金石陶瓷化工有限公司提供；偏硅酸钠和三聚磷酸钠均　物颗粒的表面性质．获得流变性好、分散均匀、固含量高　为市售品，工业一级。　舢　ｊＩＬ　．Ｓ　６戴树业，韩建国，李宏．富氧燃烧技术的应用［Ｊ］．玻璃与搪瓷，　２０００，２８（２）：２６￣２９　７邓伟强，曾令可，税安泽等．富氧燃烧技术在陶瓷烧成工艺中的　应用［Ｊ］．工业炉．２００６，２８（６）：１２￣１５　８贾玉宝，张建国．浅谈建筑陶瓷企业的节能措施［Ｊ］．陶瓷，　２００４，１６８（２）：３４￣３６　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｚｅｎｇ　Ｌｉｎｇｋｅ　Ｌｉｕ　Ｔａｏ　Ｗａｎｇ　Ｈｕｉ　Ｌｉｕ　Ｐｉｎｇ’ａｎ　（Ｃｏｌ　ｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１０６４０）　Ａｂｓｔａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　１ｌｔｈ　Ｆｉｖｅ—Ｙｅａｒ　Ｐｌａｎ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｒｅｌｅａｓｅｄ，ｈｉｇｈ—ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ—ｅｎｅｒｇｙ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ—　ｄｕｓｔｒｉｅｓ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｒｅｆｏｒｍｅｄ．Ｃｅｒａｍｉｃ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｉＳ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ—ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｗｉ１１　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