試論當(dāng)前陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)能否改變

摘要 本文就當(dāng)前陶瓷窯爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一些看法，例如能否解決預(yù)熱帶輻射份額低、燒成帶對(duì)流換熱份額低等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞 窯爐，節(jié)能減排，高溫空氣燃燒，輻射管，紅外輔助加熱，微波加熱

1前 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，能源的節(jié)約利用和環(huán)境壓力成為世人矚目的兩大問(wèn)題。在中國(guó)，目前煤還是我國(guó)的主要燃料，石油和天然氣次之?？蛇@類(lèi)化石燃料在全國(guó)、乃至全世界的儲(chǔ)量都是有限的，因此開(kāi)發(fā)新能源和尋找有效充分利用當(dāng)前能源的工藝成為熱工工作者和科研開(kāi)發(fā)人員的兩大重要課題。相應(yīng)地，當(dāng)前化石燃料的使用是造成我國(guó)空氣污染的主要根源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)70%以上的污染物來(lái)自這些化石燃料的燃燒產(chǎn)物。如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、未燃碳?xì)浠衔锖蜔焿m；而二氧化碳、一氧化氮和甲烷等溫室氣體更是引起全球氣候惡化的根本原因。

目前，燒成是陶瓷生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)，因此窯爐是陶瓷生產(chǎn)中最重要的生產(chǎn)設(shè)備，被稱(chēng)為陶瓷生產(chǎn)的心臟。在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中，燒成工序是保證生產(chǎn)質(zhì)量、決定產(chǎn)量、降低成本、節(jié)約能耗的重要環(huán)節(jié)。因此，對(duì)其熱工過(guò)程進(jìn)行研究，以求改進(jìn)窯爐的設(shè)計(jì)和操作非常重要。

2熱工技術(shù)的新發(fā)展

最近幾年，熱工領(lǐng)域引進(jìn)了諸多先進(jìn)技術(shù)，如高溫空氣燃燒技術(shù)、紅外輔助燃燒技術(shù)、微波燃燒技術(shù)和輻射管加熱技術(shù)等。但據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，這些先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在陶瓷熱工上少之甚少。因此筆者認(rèn)為，陶瓷熱工還是有很大的發(fā)展空間。

3陶瓷窯爐熱工的特性

現(xiàn)在先從陶瓷燒成過(guò)程的熱工特性進(jìn)行分析：（1）升降溫速度。即最快升溫曲線和最快降溫曲線滿(mǎn)足制品各部分溫差小的要求。從另一個(gè)角度說(shuō)，要保證制品內(nèi)外溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力必須小于制品熱強(qiáng)度的允許應(yīng)力；（2）溫度均勻。如輥道窯和隧道窯等連續(xù)窯爐的斷面溫度均勻，抽屜窯窯內(nèi)保證在每個(gè)時(shí)刻溫差都最??；（3）氣氛滿(mǎn)足產(chǎn)品的物理化學(xué)反應(yīng)要求。如對(duì)于一些含鐵量高的產(chǎn)品，坯體要求還原氣氛燒成，在不同的燒成階段要求氣氛容度也不同。

根據(jù)陳功備的描述：日用陶瓷的燒成雖然已從原來(lái)的幾十小時(shí)縮短到了十幾個(gè)小時(shí)甚至幾小時(shí)，但并沒(méi)有達(dá)到極限。無(wú)論是理論還是實(shí)踐都證明，在燒成過(guò)程中必須保證完成一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，即在某些溫度范圍必要給予充足的反應(yīng)時(shí)間，以免造成制品的缺陷和報(bào)廢，則其余時(shí)間就越少越好。研究表明,在2～3h內(nèi)燒成的瓷器與長(zhǎng)時(shí)間燒成的瓷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成都是一樣，在幾分鐘內(nèi)將瓷器從1300℃冷卻到100℃也不會(huì)影響其質(zhì)量。也就是說(shuō)，如果能夠保證制品快速和均勻加熱，完成所需的理化反應(yīng)，短時(shí)間燒成也是可以實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)燒成時(shí)間的長(zhǎng)短只關(guān)系到窯爐的結(jié)構(gòu)[1]。

我們可以把窯爐主要的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：窯體、熱源和氣氛源等系統(tǒng)。這三者都是陶瓷燒成的必備因素，同時(shí)三者與熱工制度和節(jié)能密切相關(guān)。目前陶瓷窯爐大多都采用化石燃料作為熱源和氣氛源（除電窯外）。因此對(duì)于目前流行的連續(xù)窯爐可分為典型的三帶：預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶。

因此，欲制造先進(jìn)的陶瓷窯爐，必須滿(mǎn)足以上陶瓷燒成的熱工特性，再追求其他更好的熱工制度技術(shù)以滿(mǎn)足節(jié)能減排的目的。窯爐節(jié)能特性由窯爐結(jié)構(gòu)、筑爐材料、施工質(zhì)量、窯爐操作等許多因素決定。本文只針對(duì)窯爐結(jié)構(gòu)介紹一些改進(jìn)的意見(jiàn)。

我們都知道，熱量按傳遞的性質(zhì)可分為輻射傳熱、對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)傳熱三種傳遞方式。在燃燒燃料的窯爐中，熱量通常大部分由輻射和對(duì)流來(lái)傳遞。熱量的輻射包括窯壁輻射和窯內(nèi)氣體的輻射兩部分。低溫區(qū)以對(duì)流為主，而高溫區(qū)則以輻射傳熱起決定作用。由于當(dāng)前窯爐低溫區(qū)的熱量主要由煙氣通過(guò)燒成帶流經(jīng)預(yù)熱帶，產(chǎn)生對(duì)流換熱而得來(lái)，不能過(guò)多依賴(lài)燃料在此區(qū)燃燒，這是由化石燃料必須在一定的溫度下才能穩(wěn)定燃燒的機(jī)理決定的（目前在陶瓷連續(xù)窯爐的低溫區(qū)布置高速燒嘴只是為了調(diào)節(jié)該區(qū)溫度而設(shè)置的）。其傳熱方式的份額分布為：氣體對(duì)流占53%、氣體輻射占14%、窯內(nèi)壁輻射占33%?？梢?jiàn)氣體對(duì)流和窯內(nèi)壁輻射在該區(qū)是制品升溫的主要來(lái)源。同時(shí)對(duì)于窯內(nèi)壁的熱量來(lái)源來(lái)看，氣體對(duì)流換熱占67.89%、氣體輻射占31.21%；而在熱量去向中，輻射給坯體占了87.86%，通過(guò)窯墻散熱占12.41%。在燒成帶，制品熱量53%來(lái)源于氣體輻射，窯內(nèi)壁的輻射占44%、氣體對(duì)流占3%，可見(jiàn)燒成帶氣體輻射和窯墻輻射傳熱起決定作用。對(duì)于窯墻來(lái)看，在其熱量來(lái)源中，氣體輻射占94.6%，氣體對(duì)流占5.4%，在其熱量去向中，輻射熱量占77.8%，通過(guò)窯墻散熱占22.2%，故輻射是此帶的主要傳熱方式[2]。

4 陶瓷窯爐能否引進(jìn)新技術(shù)

通過(guò)傳統(tǒng)的窯爐傳熱熱工特性能否增加預(yù)熱帶的輻射傳熱，增加燒成帶的對(duì)流換熱來(lái)提高制品在窯爐內(nèi)的加熱速度，從而達(dá)到快速燒成的目的？答案是肯定的。

假如提高預(yù)熱帶的排煙量和排煙溫度，并過(guò)多地把燒成帶的熱煙氣流經(jīng)預(yù)熱帶來(lái)提高燒成帶的輻射成分。這樣做單單從對(duì)制品加熱方面是可行的，但勢(shì)必會(huì)增加燒成帶的燃料消耗，并導(dǎo)致燒成帶溫度提得不夠高；提高了預(yù)熱帶的窯外壁溫度，增加散熱量；提高了預(yù)熱帶排煙熱量支出總量；同時(shí)無(wú)法避免火焰噴射的地方產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，更有甚者，火焰會(huì)飛濺到制品上造成制品釉面局部提前玻化，產(chǎn)生缺陷，這樣顯然得不償失。在傳統(tǒng)的窯爐中欲提高燒成帶的對(duì)流傳熱比例，通常的做法是采用高速燒嘴，使得在該區(qū)域的氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，可只是平均氣體流速增加（很難超過(guò)5m/s），但在制品表面附近的氣體流速卻很低；再者，該帶燃料燃燒使氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，該流速產(chǎn)生的對(duì)流換熱的份額相對(duì)于輻射換熱幾乎甚微。

那么該怎樣才能達(dá)到上述假設(shè)呢？筆者認(rèn)為可以在預(yù)熱帶應(yīng)用輔助輻射加熱裝置，在燒成帶裝設(shè)強(qiáng)烈對(duì)流裝置。下面介紹當(dāng)前應(yīng)用在熱工上的新技術(shù)。

4.1 高溫空氣燃燒技術(shù)

高溫空氣燃燒技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型燃燒技術(shù)，它的特征是煙氣余熱被最大限度地回收，助燃空氣被預(yù)熱到1000℃以上的同時(shí)把高溫?zé)煔獾臏囟冉档?00℃以下，更有人提到可以把煙氣溫度降低到60℃以下（即煙氣酸的露點(diǎn)以下）[3]。燃料在高溫低氧混合氣體的環(huán)境下與混合氣體強(qiáng)烈快速混合燃燒，使得火焰迅速充滿(mǎn)整個(gè)燃燒空間；從而避免了傳統(tǒng)火焰易產(chǎn)生局部高溫峰值及大量熱力型氮氧化物的可能。高溫空氣燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效利用和有效控制燃燒主要污染物的排放，達(dá)到節(jié)能與環(huán)保的雙目的，被世人評(píng)為理想的黃金燃燒技術(shù)。

不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)的具體裝置設(shè)計(jì)仍存在很多困難，如燃料燃燒所產(chǎn)生的實(shí)際煙氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需的實(shí)際空氣量，煙氣的平均比熱在相同的條件下遠(yuǎn)比空氣大，因此煙氣攜帶的熱量遠(yuǎn)比空氣升溫需加熱的熱量多，這樣就使換熱裝置的余熱回收效果并不能達(dá)到最理想的狀態(tài)。筆者曾經(jīng)計(jì)算過(guò)以發(fā)生爐煤氣作燃料產(chǎn)生煙氣來(lái)預(yù)熱空氣，此時(shí)回收余熱效率只有75%。不過(guò)采用煙氣循環(huán)利用，可能會(huì)提高煙氣余熱的回收效率。這樣就無(wú)法避免要大大提高換熱體的體積，目前此項(xiàng)技術(shù)仍存在很多問(wèn)題有待解決。

筆者認(rèn)為，如果能夠在陶瓷窯爐成功應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，將大大提高燃料的利用率，并且可以完全解決目前陶瓷窯爐燃料排煙溫度高、污染嚴(yán)重、余熱利用率低等缺點(diǎn)。

4.2 輻射管技術(shù)

燃?xì)廨椛涔芗訜嵫b置采用在密封套管內(nèi)燃燒的方式，受熱的套管表面通過(guò)熱輻射為主的形式把熱量傳遞到被加熱物體，燃燒產(chǎn)物不與被加熱物體直接接觸，不會(huì)造成燃燒氣氛污化或者影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況，爐內(nèi)氣氛及加熱溫度便于控制和調(diào)節(jié)，非常適用于產(chǎn)品質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。輻射管加熱裝置主要由管體、燒嘴和廢熱回收裝置等組成[4]。

由于管體是將燃料燃燒釋放的熱能輻射給被加熱物體的關(guān)鍵部件。目前此技術(shù)還不完全成熟，存在很多難題，如沿輻射管長(zhǎng)度方向溫差大，輻射套管抗氧化性能差等?？上驳氖?，最近相關(guān)工作者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇材料上都作出了努力，在一定程度上克服了這些缺點(diǎn)[5]。

這項(xiàng)技術(shù)可以彌補(bǔ)預(yù)熱帶輻射強(qiáng)度不足的問(wèn)題。增加的輻射不會(huì)引起其他問(wèn)題，如其燃料排煙系統(tǒng)獨(dú)立，避免了前面所述的利用增加煙氣的排放來(lái)提高預(yù)熱帶溫度從而導(dǎo)致燃料消耗增加等缺點(diǎn)。

4.3 紅外輔助加熱技術(shù)

遠(yuǎn)紅外線輻射加熱方法與傳統(tǒng)加熱方法不同，它是以輻射為主，靠物體本身吸收紅外線光能達(dá)到內(nèi)部升溫的目的。在升溫過(guò)程中，內(nèi)外溫度比較均勻；這樣水分容度從外到內(nèi)增加，達(dá)到方向的一致；而傳統(tǒng)的加熱方法是以熱氣體對(duì)流和傳導(dǎo)加熱為主,當(dāng)被加熱物件較大時(shí),容易出現(xiàn)物體內(nèi)外溫差大、產(chǎn)品易變形等缺陷。傳統(tǒng)的加熱方式能耗大、熱效率低，而遠(yuǎn)紅外輻射加熱的熱效率相對(duì)較高。

此項(xiàng)技術(shù)可以在陶瓷窯爐低溫段使用或在生產(chǎn)坯體濕度大的窯爐內(nèi)預(yù)熱帶前段使用，這樣對(duì)增加輻射量有利，同時(shí)對(duì)均勻快速升溫有利。

4.4 微波加熱技術(shù)

微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在300～300000MHz之間(相應(yīng)的波長(zhǎng)為100～0.1cm)。它具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。加熱原理是其能夠使含氫鍵、疏水鍵的偶極矩分子以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。陶瓷原料具有諸多成分，完全可以使用該項(xiàng)技術(shù)。

目前該項(xiàng)技術(shù)只使用在干燥器上，在陶瓷窯爐高溫區(qū)上能否明顯提高加熱速度還有待于證明。不過(guò)可以相信的是，該項(xiàng)技術(shù)完全可以應(yīng)用在陶瓷窯爐低溫區(qū)，以彌補(bǔ)陶瓷窯爐低溫區(qū)輻射份額和增加該區(qū)的溫度均勻性。

4.5 其他技術(shù)

在燒成帶裝設(shè)類(lèi)似冷卻帶的伸入高速高溫氣體，來(lái)提高坯體表面的氣體流速和制品的對(duì)流換熱份額。如可以引入高速氣膜等概念性設(shè)備，類(lèi)似于在玻璃加工行業(yè)中使用的高速高溫氣槍來(lái)加工不符合的玻璃坯體。這個(gè)概念的引入，筆者認(rèn)為是可行的。很多資料都顯示，高溫耐火材料的發(fā)展，應(yīng)用在高溫環(huán)境的噴射管完全可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。在設(shè)計(jì)合理的情況下，在陶瓷坯體形成氣膜完全可以實(shí)現(xiàn)。

5結(jié) 束 語(yǔ)

目前我國(guó)陶瓷行業(yè)已擴(kuò)容至位居世界第一，同時(shí)全世界面臨能源緊缺的時(shí)期，而我國(guó)陶瓷窯爐節(jié)能減排方面及性能方面還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，尋求有效解決節(jié)能和減排雙目的是當(dāng)前熱工的重中之重。本文僅就當(dāng)前燃料燃燒窯爐的結(jié)構(gòu)方面提出意見(jiàn)，希望能給熱工工作者起到參考作用。

參考文獻(xiàn)

1 陳功備.論快速燒成與燃燒器的關(guān)系[J].陶瓷研究，1998,13(4):23～25

2 曾令可，孫宇彤，童曉濂，賀海洋.輥道窯內(nèi)傳熱及影響熱耗因素分析[J]．佛山陶瓷，1998，4

3 徐 華,高溫空氣燃燒技術(shù)的研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2002

4 歐儉平，彭好義，吳道洪，蔣紹堅(jiān)，蕭澤強(qiáng).蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)在燃?xì)廨椛涔苤械膽?yīng)用[J]．加熱設(shè)備,2003，32(3)

5 陳仰鑫．高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]．佛山陶瓷，2008，2