窯具對陶瓷燒成能耗的影響

郭俊平

摘要 窯具作為陶瓷產(chǎn)品的托燒用具,在生產(chǎn)中起著重要作用,但因其占用裝窯空間,且燒成過程中吸熱,增加了單位產(chǎn)品的燒成能耗。本文根據(jù)對不同隧道窯燒成能耗的實測數(shù)據(jù),分析了窯具對陶瓷燒成能耗的影響,并提出合理選擇窯具、降低燒成能耗的途徑。

關(guān)鍵詞 窯具;燒成能耗

1引 言

陶瓷屬于能耗較高的行業(yè),而在日用陶瓷單位產(chǎn)品綜合能耗中,燒成約占80%。陶瓷燒成離不開窯具,目前國內(nèi)日用陶瓷生產(chǎn)多以柴油或燃氣為燃料明焰裸燒,能耗相對較低;且這類型窯爐多采用燒結(jié)碳化硅或堇青石-莫來石窯具,窯具相對于產(chǎn)品的重量比較小,但一般仍需要2倍以上,這樣窯具在燒成過程的吸熱量遠大于產(chǎn)品的吸熱量及產(chǎn)品物化反應(yīng)熱耗之和。由此可見,窯具在燒成過程中需消耗大量的熱量,合理選用窯具,是降低產(chǎn)品燒成能耗的重要途徑。

筆者通過對日用陶瓷燃氣隧道窯的調(diào)查,分析了影響窯具能耗的因素,并就此提出幾點意見,供大家參考。

2 調(diào)查及實測數(shù)據(jù)

2.1 窯具現(xiàn)狀

目前,我國對燃料窯的環(huán)保要求日益提高,已逐步采用清潔燃料,如液化石油氣、天然氣等,對具有一定規(guī)模的陶瓷企業(yè),多采用隧道窯或輥道窯,因其連續(xù)式使用,能耗較低。這類型的窯爐多采用燒結(jié)碳化硅或堇青石-莫來石棚板明焰裸燒,因棚板能適應(yīng)于多種產(chǎn)品,且對多數(shù)產(chǎn)品而言空間利用率較高。

近年來,國內(nèi)窯具發(fā)展迅速,高強度超薄棚板、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、重結(jié)晶碳化硅等優(yōu)質(zhì)窯具,以其重量輕、性能優(yōu)良深受人們關(guān)注,但窯具投資相對高,目前市場占有率仍不大。

2.2 測試方法

以日用陶瓷燃氣隧道窯為代表,計量周期為連續(xù)12h,為縮小窯爐性能差異的影響,對同一組類型產(chǎn)品選擇同一窯爐公司安裝的窯爐。

測量方法如下:

(1) 產(chǎn)品總重量:統(tǒng)計12h內(nèi)所燒成的各種規(guī)格型號的產(chǎn)品數(shù)量,分別計量各種規(guī)格型號的每百件重量,再統(tǒng)計出產(chǎn)品總重量。

(2) 窯具重量:由于窯具的主要重量來自于柵板,且托燒柵板為規(guī)格化,每片重量相同,所以統(tǒng)計各窯車所裝的柵板數(shù)量,并按相同的12h計算出柵板的總重量。由于支撐柵板的支柱所占的窯具重量比例很小,故抽出10臺窯車的支柱稱重并計算出平均重量,再按相同的12h計算支柱重量,并與柵板重量合并為窯具重量。

(3) 液化石油氣重量:液化石油氣重量的統(tǒng)計是用臺秤,稱出在上述相同12h接上管道供氣的全部鋼瓶總重(含石油氣),并稱出在相同段從管道上卸下的空瓶總重(含未用完的石油氣),上述兩項之差即為石油氣總消耗量。

(4) 根據(jù)上述測出的產(chǎn)品重量、窯具重量與液化石油氣重量,計算出產(chǎn)品燃耗及“產(chǎn)品+窯具”的燃耗:

2.3 測試結(jié)果

甲組燒成條件:產(chǎn)品:日用餐具;溫度:1250℃;氣氛:氧化氣氛;燃料:液化石油氣,具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出窯具重量比由1.57/1增大至4.22/1,其單位產(chǎn)品能耗由0.0783 LPG kg/kg瓷增加至0.2846 LPG kg/kg瓷,即隨著窯具/產(chǎn)品重量比增大而能耗增加。其中A、C用戶含窯具及產(chǎn)品總物重能耗最低,這是因為總裝載密度小有利于縮短燒成周期,增加了產(chǎn)品的燒成重量,而H用戶與A、B用戶相反,能耗最高。

乙組燒成條件:產(chǎn)品:日用餐具;溫度:1350℃;氣氛:還原氣氛;燃料:液化石油氣。具體數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出隨著窯具重量比由1.08/1增至5.41/1,其單位產(chǎn)品能耗由0.1122LPG kg/kg瓷增至0.4936LPG kg/kg瓷,即隨著窯具/產(chǎn)品重量比增加而能耗增加。其中A、B用戶含窯具及產(chǎn)品總物重能耗最低,這同樣是因為總裝載密度小,有利于縮短燒成周期,增加了產(chǎn)品的燒成重量,而G用戶與A、B用戶相反,能耗最高。對于C、D、E用戶,其窯具/產(chǎn)品重量比接近,則產(chǎn)品燒成能耗也接近。

3 窯具及陶瓷產(chǎn)品燒成中的能耗分析

下面以隧道窯為例,分析窯具對單位產(chǎn)品能耗的影響。

3.1 隧道窯有效熱

由隧道窯有效熱計算所知,對于含窯具材料在內(nèi)的隧道窯有效熱:

Qxy=Q′q+ Q′h+ Q′g+ Q′x+ Q′jg

式中:

Qxy——窯爐有效熱

Q′q ——坯體水份蒸發(fā)并加熱至離窯的熱耗

Q′h——產(chǎn)品燒成中物化反應(yīng)熱耗

Q′x——產(chǎn)品燒結(jié)時玻璃相熱耗

Q′g——產(chǎn)品加熱至燒成溫度的升溫?zé)岷?/p>

Q′jg——窯具加熱至產(chǎn)品燒成溫度時的升溫?zé)岷?/p>

而式中Q′q、 Q′h、 Q′x相對于Q′g和 Q′jg所占比例一般較小,且由于窯具重量要比產(chǎn)品重量大得多,所以Q′jg比Q′g同樣要大得多。對日用陶瓷而言,根據(jù)隧道窯熱平衡測試所知各項相對于Qxy的比例:Q′q+ Q′h+ Q′x 約占15%,Q′g約占25%,Q′jg約占60%,窯具在產(chǎn)品燒成過程占用了大量的有效熱,這是因為目前大多數(shù)日用瓷生產(chǎn)企業(yè)使用的窯具重量在其產(chǎn)品重量的2倍以上,有的甚至高達5倍,而窯具比熱與陶瓷產(chǎn)品相當(dāng),由此可見,窯具在升溫過程需吸收大量的熱量,占用了大部分的有效熱,可見,合理選用窯具、減少窯具重量,對降低產(chǎn)品燒成能耗意義重大。

3.2 窯具對隧道窯產(chǎn)量與單位產(chǎn)品燒成能耗的影響

從上面含窯具有效熱計算可以看出,窯具所消耗的有效熱可達60%,所以在升溫過程中窯具需吸收大量的熱量,吸熱量增加,在一定程度上降低了升溫速度,對于隧道窯而言必須降低推車速度,因而也降低了產(chǎn)量。另一方面,窯具重量增加,隧道窯窯腔裝載的密度也增加,從而預(yù)熱帶的氣流阻力也增加,為滿足排煙及分解物排出,需加大排煙力度,預(yù)熱帶漏風(fēng)量增加,此時由于下層冷風(fēng)的進入,增加了預(yù)熱帶的溫度分層,為確保下層產(chǎn)品有充分的氧化分解時間,必須降低推車速度,因而產(chǎn)量也隨之降低。

此外,由上面敘述可知在,冷卻帶中,窯具重量增加,蓄熱量也增加,帶進冷卻帶的熱量增加,從而加大了冷卻負擔(dān),為使熱量充分排出,需延長冷卻時間,以降低冷卻速度,即降低推車速度,使產(chǎn)量減少。

從上述的工藝分析可知,窯具/產(chǎn)品重量比的增加將降低產(chǎn)量,而對同一隧道窯,產(chǎn)品類型相同,燒成溫度相同,總能耗相同,則單位產(chǎn)品燒成能耗增加。

3.3 窯具及燒成時間對熱分配比例的影響

由上面加熱、冷卻過程可以看出,窯具重量增加,產(chǎn)量減少,而在此過程中窯體的表面散熱量并沒有減少,且排煙的煙氣帶出的顯熱增加,具體表現(xiàn)為兩個方面:一方面,窯具吸熱量增加,增加了燃料的消耗量,故燃料燃燒的干煙氣量增加;另一方面,排煙阻力增加時,為滿足燒成帶的煙氣排出需加大排煙的引風(fēng)力度,故增加了預(yù)熱帶的漏風(fēng)量,漏入的空氣受加熱后隨煙氣排出而增加煙氣的顯熱。

目前多數(shù)的陶瓷隧道窯中,煙氣顯熱、窯體表面散熱占燒成總熱支出的一大部分,而減小窯具重量可縮短燒成時間,從而可達到降低單位產(chǎn)品燒成能耗的目的。

4總 結(jié)

下列因素將增加隧道窯單位產(chǎn)品燒成能耗:

(1) 窯具重量增加,吸熱量隨之增加。

(2) 窯具重量增加,裝載密度增加,排煙阻力增加, 預(yù)熱帶漏風(fēng)量增加,造成氣體分層,則必須降低推車速度,造成產(chǎn)量減少,能耗增加。

(3) 窯具重量增加,裝載密度增加,排煙阻力增加,預(yù)熱帶漏風(fēng)量增加,造成排煙顯熱增加,能耗增加。

(4) 窯具重量增加,帶入冷卻帶熱量增加,必須延長冷卻時間,因而產(chǎn)量減少,單位產(chǎn)品能耗增加。

綜上所述,選擇優(yōu)質(zhì)、輕型窯具,是降低陶瓷單位產(chǎn)品燒成能耗的重要途徑,也是降低陶瓷產(chǎn)品綜合能耗的有效措施。

參考文獻

[1] 中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《日用陶瓷火焰隧道窯

熱平衡、熱效率測定與計算方法》 (QB/T1493-1992).