陶瓷輥道窯熱平衡測定與計算方法的若干問題探討＊

李 萍 曾令可 閻常峰 麥振華

（1中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640）（2華南理工大學(xué) 廣州 510640）（3佛山市啟迪節(jié)能科技有限公司 廣東 佛山 528211）

陶瓷輥道窯熱平衡測定與計算方法的若干問題探討＊

李 萍1曾令可2閻常峰1麥振華3

（1中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640）（2華南理工大學(xué) 廣州 510640）（3佛山市啟迪節(jié)能科技有限公司 廣東 佛山 528211）

筆者就陶瓷輥道窯熱平衡測定與計算方法提出了一些看法，對一些問題進行了探討，并創(chuàng)新性地首次提出了在陶瓷窯爐中進行碳平衡分析的概念，對陶瓷窯爐的測定及熱平衡計算具有一定的指導(dǎo)意義。

陶瓷 輥道窯 熱平衡 測定 計算 熱效率

前言

20世紀80年代以來，我國通過引進、消化吸收和創(chuàng)新，采用陶瓷輥道窯這種優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、自動化程度較高的現(xiàn)代化熱工設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)、日用陶瓷行業(yè)、特種陶瓷及其它行業(yè)，大大地促進了我國陶瓷生產(chǎn)技術(shù)水平的提高［1］。

目前，我國雖然在陶瓷輥道窯的設(shè)計、建造和生產(chǎn)使用方面已經(jīng)取得了不少經(jīng)驗和進步，具備了相當(dāng)高的技術(shù)水平，并大量出口東南亞、印度等國家與地區(qū)。但是，在陶瓷輥道窯的能源管理和總體性能標定方面，仍存在著一些問題。陶瓷輥道窯的熱平衡測定與計算不夠規(guī)范和準確就是其突出表現(xiàn)。

陶瓷輥道窯熱平衡測定與計算，在我國尚無專門的國家標準和規(guī)定。1982年11月，國家建材局生產(chǎn)辦公室出版了《硅酸鹽工廠熱平衡》，其中對隧道窯的熱工測量與熱平衡進行了介紹。最近發(fā)布的GB/T 23459—2009《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法》也沒有針對陶瓷輥道窯作相應(yīng)的規(guī)定。在實際生產(chǎn)中，常借用陶瓷隧道窯的熱平衡計算方法，二者雖然都屬于連續(xù)式生產(chǎn)熱工設(shè)備，但在結(jié)構(gòu)特點、產(chǎn)品特性、工作制度及制品的裝載輸送等方面卻有著顯著的差別，從而導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)在輥道窯的實際熱平衡測試與計算中的一些方法不恰當(dāng)，計算欠準確，誤差較大。

在陶瓷窯爐的使用中，輥道窯的總數(shù)遠大于隧道窯，為了加強陶瓷輥道窯的能源管理，適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進輥道窯的升級換代。筆者對我國陶瓷墻地磚輥道窯進行了廣泛的調(diào)研，對有代表性的某瓷廠的燃水煤氣墻地磚輥道窯進行了熱平衡測定，并系統(tǒng)地作了一些測定及實驗。從中發(fā)現(xiàn)在陶瓷墻地磚輥道窯熱平衡測定與計算方面普遍存在的一些問題，現(xiàn)分別探討如下。

1 燃料消耗量的測定

目前，陶瓷輥道窯一般所采用的燃料都是氣體，利用氣體流量計來測定燃料的消耗量，但相關(guān)的標準并沒有對其測定條件、測定方法作具體的說明，導(dǎo)致誤差較大。由于氣體的體積隨溫度與壓力的不同而變動，所以經(jīng)常會發(fā)生較大的計量誤差。如工作壓力經(jīng)常變動，使計量更加困難，因此這就要求氣體流量計本身要有溫度補償和壓力補償，將計量的體積轉(zhuǎn)換至標準狀態(tài)下的體積。然而有些廠家生產(chǎn)出來的氣體流量計沒有溫度補償和壓力補償，通常是將溫度和壓力作為常數(shù)參數(shù)設(shè)定在儀表內(nèi)存中，在壓力和溫度波動較大的條件下，將會導(dǎo)致較大的誤差。即使在壓力和溫度較穩(wěn)定的情況下，如果設(shè)定的參數(shù)不準確，也將導(dǎo)致一定的誤差。在這種情況下，就需要同時測定燃氣的溫度和壓力，利用理想氣體的狀態(tài)方程公式（1），將計量的體積轉(zhuǎn)換至標準狀態(tài)下的體積。因為，在計算燃料燃燒熱時，需要用這個體積乘以燃氣的低位熱值，而燃氣的低位熱值是每標準立方燃氣的低位發(fā)熱量。另外，不同的氣體流量計對氣體介質(zhì)有不同的要求，當(dāng)燃氣容易結(jié)焦時，經(jīng)過一段時間使用，會導(dǎo)致某些流量計產(chǎn)生較大誤差。因此，對于不同的燃氣應(yīng)該對其選用的流量計作相應(yīng)的規(guī)定。

式中：PN——標準狀態(tài)下的壓力，101 325Pa；

VN——標準狀態(tài)下的體積，Nm3；

TN——標準狀態(tài)下的溫度，273.15K；

PC——實際測定的絕對壓力，Pa；

VC——實際測定的體積，m3；

TC——實際測定的溫度，K。

2 助燃風(fēng)、冷卻風(fēng)和煙氣的測定

在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法》中，煙氣的測定內(nèi)容有動壓、組成、溫度和濕度，并在附錄中給出了計算干煙氣量的方法，計算公式見式（2）［2］：

式中：Vg——氣體燃料的干煙氣量，m3/m3；

α——排出煙氣中的空氣過剩系數(shù)。

從公式（2）可以看出，該計算方法是由空氣過剩系數(shù)和燃氣組分來計算煙氣量的。然而對于陶瓷輥道窯，這種方法是不適用的，主要原因是空氣過剩系數(shù)不易確定和陶瓷輥道窯排煙出口一般有多個。

以圖1這種較典型的陶瓷輥道窯結(jié)構(gòu)為例，該窯共有86個倉位，其中1～10倉為排煙帶，上下布置有抽濕風(fēng)管道；11～18倉為預(yù)熱帶，在第12倉布置有擋火板；19～54倉為燒成帶，在第21、30、38、46、54倉布置有擋火板，26～27倉兩側(cè)墻上布置有燃燒器，28～49倉兩側(cè)墻上下布置有燃燒器；55～62倉為急冷帶，兩側(cè)墻上下布置有急冷風(fēng)管道，并在第62倉布置有擋火板；63～76倉為緩冷帶，兩側(cè)墻上布置有抽熱風(fēng)管道，并在第76倉布置有擋火板；77～86倉為冷卻帶，上下布置有冷卻風(fēng)管道，窯頂布置有抽熱風(fēng)管道。

圖1 陶瓷輥道窯結(jié)構(gòu)示意圖

在該陶瓷輥道窯中，進入窯爐的氣體主要有燃氣、助燃風(fēng)、急冷風(fēng)和冷卻風(fēng)，排出窯爐的氣體主要有抽熱風(fēng)和抽濕風(fēng)。抽熱風(fēng)主要是急冷風(fēng)和冷卻風(fēng)吸收熱后被排出的風(fēng)，比較干凈，是很好的余熱利用資源。抽濕風(fēng)主要是燃氣和助燃風(fēng)在窯爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)后被排出的風(fēng)、預(yù)熱帶輥棒兩端漏入的風(fēng)、濕坯體干燥的水蒸氣成分及坯體化學(xué)反應(yīng)過程生成的氣體、有機成分等，比較臟，是廢氣處理的主要對象。窯爐在給定的壓力制度下，這些氣體的進出必須處于一種動態(tài)平衡的狀態(tài)，這樣才能使窯爐不間斷地穩(wěn)定運作，這也是維持窯內(nèi)壓力制度穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此，煙氣帶出顯熱應(yīng)該是抽熱風(fēng)帶出顯熱與抽濕風(fēng)帶出顯熱之和，此時公式（2）在此處是不適用的，需要在各煙氣出口進行實測。另外，在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法》的熱平衡表中，規(guī)定以環(huán)境溫度為基準，助燃風(fēng)、冷卻風(fēng)等熱收入項目為零，有所欠妥。比如當(dāng)助燃風(fēng)被預(yù)熱時，這時助燃風(fēng)帶入的顯熱是不能被忽略的。

3 窯體表面散熱的測定

陶瓷輥道窯是以輥棒作為產(chǎn)品輸送的工具，每根輥棒在原地轉(zhuǎn)動，不會像隧道窯的窯車在輸送中發(fā)生吸熱、放熱現(xiàn)象，其兩端部會伸出窯外一定的長度，一般在0.1～0.2m，有的達到0.3～0.4m，全窯輥棒數(shù)量很多。我們曾做過測試實驗，對54m長輥道窯的所有輥棒端頭進行測試計算，總散熱量約占全窯總供給熱量的2%以上，特別是現(xiàn)在的輥道窯長都在200m以上，甚至有的長達400多m，故輥棒數(shù)量是我們測窯爐的幾倍甚至10倍，故輥棒端部的散熱在輥道窯熱平衡計算中應(yīng)予以考慮。要準確全面地評價陶瓷輥道窯的性能，單獨分項計算輥棒端部的散熱量很有必要［3］。

在測定方法中應(yīng)規(guī)定詳細測定方法，特別是要明確測點的位置，并給出計算公式。如測量窯側(cè)墻的溫度，傳統(tǒng)的方法是測3點（上、中、下），特別是中間一點，如果靠近輥棒兩端附近，有的高達400～500℃，而遠離端頭測量可能只有100℃左右，可見測點的位置不同時，其測定的偏差及計算結(jié)果是很大的，會導(dǎo)致很大的誤差［4］。

4 氣體比熱容

表1 不同出處的CO在不同溫度下的比熱容（kJ/（m3·℃））

表1為不同出處的CO在不同溫度下的比熱容。表1中的手冊是指純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊，在手冊中可查得不同溫度下的比熱容，單位為kJ/（K·mol），可換算為kJ/（Nm3·℃）的單位［5］；表中的“標準”是指陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法。兩個出處列出的結(jié)果有所偏差，溫度越高偏差越大。因此，測定方法中應(yīng)該給出準確的、較全面的氣體數(shù)據(jù)。

5 碳平衡分析的提出

我國煤炭資源豐富，決定了一次能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭所占份額很高，并且短期內(nèi)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不會有根本性變化，因此，燃氣的燃燒就離不開碳元素。進入窯爐的碳元素質(zhì)量和排出窯爐的碳元素質(zhì)量是相等的，由此筆者提出了碳平衡分析。碳平衡分析可以作為熱平衡測定結(jié)果可靠性的一個判斷依據(jù)。由于測量燃氣流量、煙氣量的儀器和測定方法都會導(dǎo)致一定的偏差，最終導(dǎo)致熱平衡結(jié)果偏差較大。偏差的程度有多大，是負偏差還是正偏差，沒有一個判斷標準。碳平衡分析就可以作為衡量這個偏差的依據(jù)［6］。

筆者利用Visual Basic設(shè)計了陶瓷輥道窯熱平衡計算分析系統(tǒng)，其中在計算分析模塊中就包括碳平衡分析。其界面如圖2所示。碳收入只包括燃氣帶入碳，只需測定燃氣中含有碳元素的成分組成和測試周期內(nèi)的流量；碳支出包括抽濕風(fēng)帶出的碳和抽熱風(fēng)帶出的碳，需要測定各排出風(fēng)中CO2和CO含量和測試周期內(nèi)各排出風(fēng)的風(fēng)量。根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律，分別計算收入碳元素的質(zhì)量和支出碳元素的質(zhì)量，并進行對比。

圖2 碳平衡分析界面

6 熱效率的計算方法

在《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法》的熱效率計算中，有效熱包括一項焙燒至最高燒成溫度時的耗熱，有所欠妥。對于不同的產(chǎn)品，其溫度制度是不同的，有的保溫時間長，有的保溫時間短。當(dāng)最高燒成溫度相同時，保溫時間過長則耗熱多，為過燒；保溫時間過短則耗熱少，為欠燒。對于相同的產(chǎn)品，在相同的溫度制度下，坯體吸附水分、結(jié)晶水分的蒸發(fā)及水蒸氣加熱所需的熱量和坯體燒成過程分解粘土耗熱兩項有效熱為定值，熱效率與燃料燃燒熱成反比關(guān)系，就可反映窯爐的能耗情況。在實際生產(chǎn)過程中，溫度制度通常是人為設(shè)定的，其浮動的空間較大，會使熱效率的計算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，因為焙燒至最高燒成溫度時耗熱所占的比例是很大的［7］。

7 結(jié)語

按陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法來計算陶瓷輥道窯熱平衡，不能全面地反映輥道窯的性能特征，在熱平衡的各項計算上也存在較大的誤差。因此，應(yīng)盡快制訂出能反映陶瓷輥道窯熱平衡熱效率測定與計算方法的標準。

1 趙新力.陶瓷輥道窯熱平衡計算探討.陶瓷研究，1993，8（2）：81～88

2 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 23459—2009.陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡熱效率測定與計算方法.北京：中國標準出版社，2009－7－1

3 曾令可，李萍，劉艷春.陶瓷窯爐實用技術(shù).北京：中國建材工業(yè)出版社，2010

4 曾令可，莫曉.輥道窯窯墻耗熱分析及窯墻結(jié)構(gòu)的改進.中國陶瓷，1988（2）：24～27

5 伊赫?！ぐ蛡愔?純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊.程乃良，牛四通，等譯.北京：科學(xué)出版社，2003

6 張興春，曾志軍，朱紹芬.丙烯腈反應(yīng)器碳平衡計算方法的探討.煉油與化工，2004，15（2）：14～16

7 于麗達，陳慶本.陶瓷設(shè)備熱平衡計算.北京：輕工業(yè)出版社，1990

TQ174.6

A

1002－2872（2012）01－0031－03

＊ 中國博士后科學(xué)基金（20110490873）；廣東省部產(chǎn)學(xué)研合作專項（2010B90400085）；廣東省重大科技專項（2011A080802007）

李萍（1980－），博士，副研究員；研究方向為窯爐熱工及節(jié)能減排。E－mail：liping@ms.giec.ac.cn