陶瓷工業(yè)輥道窯窯體散熱分析與節(jié)能措施探討

黃秀文

摘 要：陶瓷工業(yè)窯爐是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是能耗最大的熱工設(shè)備。本文以行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的輥道窯為例，通過(guò)對(duì)不同筑爐材料組合結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)、熱流密度和各層筑爐材料溫度場(chǎng)的傳熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，采用高性能耐火保溫絕熱材料，能顯著減少窯體散熱。另外，通過(guò)對(duì)輥道窯上傳動(dòng)輥棒等特殊部件形成的熱橋效應(yīng)進(jìn)行分析，從生產(chǎn)管理角度保證窯體密封保溫，降低窯體局部的散熱損失，減少窯爐運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。最后，對(duì)于窯爐在生產(chǎn)過(guò)程中降低能耗與節(jié)能減排措施提出其它方面著手點(diǎn)，以進(jìn)一步提高窯爐的能源利用率。

關(guān)鍵詞：陶瓷工業(yè);輥道窯;窯體散熱;熱橋效應(yīng);節(jié)能措施

1 前 言

陶瓷工業(yè)窯爐是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中最重要的工藝設(shè)備之一，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)以及成本起著關(guān)鍵性的作用。在建國(guó)初期，整體工業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，陶瓷工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備在很長(zhǎng)一段時(shí)期里，與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家存在著較大的差距。自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)陶瓷工業(yè)的蓬勃發(fā)展，通過(guò)引進(jìn)、消化吸收國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)，我國(guó)在陶瓷工業(yè)設(shè)備制造領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。再經(jīng)廣大技術(shù)人員這二十多年來(lái)的自主研發(fā)與創(chuàng)新，目前我國(guó)在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域已取得了較大的成就，逐漸在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。智能制造工業(yè)4.0已成為陶瓷工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展方向。

陶瓷工業(yè)窯爐是陶瓷工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是能耗最大的熱工設(shè)備，其能耗占生產(chǎn)總能耗的60%以上。窯爐的節(jié)能減排是生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，與窯爐相關(guān)的節(jié)能措施也成為陶瓷領(lǐng)域中最熱點(diǎn)的問(wèn)題。目前，在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)上輥道窯的應(yīng)用較為廣泛，特別是建筑衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)，因?yàn)楫a(chǎn)量大，耗能為陶瓷行業(yè)之首。本文從陶瓷工業(yè)輥道窯窯體結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程的角度分析，通過(guò)計(jì)算分析采用不同筑爐材料組合結(jié)構(gòu)以及窯體特殊部件形成的熱橋效應(yīng)，為優(yōu)化窯爐耐火隔熱結(jié)構(gòu)，減少窯體散熱，探索節(jié)能減排措施探討提供技術(shù)依據(jù)。

2 窯體耐火隔熱結(jié)構(gòu)散熱分析

陶瓷工業(yè)窯爐窯體筑爐材料及其厚度的選擇是窯爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，需要對(duì)不同的窯體耐火隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱計(jì)算，并進(jìn)行分析比較，綜合考慮窯爐筑爐材料投入成本、使用壽命和運(yùn)行能耗三個(gè)方面因素對(duì)比分析而確定窯體結(jié)構(gòu)方案。一般須遵循以下原則：①選用的材料長(zhǎng)期允許使用溫度必須大于其所處位置的最高溫度;②盡可能使窯體散熱損失要小;③考慮各耐火隔熱材料的綜合成本。

窯爐窯體散熱為多層平壁傳熱過(guò)程，具體熱量傳遞見(jiàn)圖1所示：①窯內(nèi)高溫氣體介質(zhì)通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射把熱量傳遞給窯內(nèi)壁;②經(jīng)窯體筑爐材料由內(nèi)向外熱傳導(dǎo)把熱量傳遞給窯外壁;③窯外壁通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射對(duì)周圍環(huán)境空氣進(jìn)行熱量傳遞。

圖中，q是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量，即熱流密度。在穩(wěn)態(tài)情況下，通過(guò)串聯(lián)著的上述三個(gè)環(huán)節(jié)的熱流密度應(yīng)該是相同的，則可得出傳熱方程式表示如下：

q=? ? ? ? ?（1）

式中：q——熱流密度，W/m2;tf1——窯內(nèi)高溫氣體介質(zhì)溫度，℃;αΣ1——窯內(nèi)氣體與壁面間的綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;tbn——窯內(nèi)壁表面溫度，℃;tb1、tb2、tb3 …——窯體各層冷面溫度，℃;tbw——窯外壁表面溫度，℃;tf2——窯外周邊環(huán)境空氣溫度，℃;αΣ2——窯外空氣與壁面間的綜合傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;δ1、δ2、δ3 … ——各層筑爐材料的厚度，m;λ1、λ2、λ3 … ——各層筑爐材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）。

一般窯內(nèi)壁表面溫度即為窯內(nèi)溫度測(cè)量?jī)x表顯示溫度，為已知條件，則計(jì)算式可從tbn開(kāi)始。由于窯外表面溫度較低，一般小于100℃，熱量傳遞以熱對(duì)流方式為主，窯體外壁的對(duì)流輻射綜合傳熱系數(shù)，取15～20W/m2，窯外周邊環(huán)境溫度（即車間溫度）為30℃。目前，典型陶瓷工業(yè)輥道窯燒成溫度≤1250℃時(shí)，窯墻厚度一般為300～400mm。此處窯內(nèi)壁表面溫度為1250℃，各層筑爐耐火隔熱材料（由內(nèi)向外）結(jié)構(gòu)如表1所示。

參考各耐火材料主要供應(yīng)廠家的產(chǎn)品手冊(cè)的筑爐材料性能參數(shù)，各層筑爐材料的導(dǎo)熱系數(shù)按各自平均工作溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)取值，帶入式（1）中分別計(jì)算得出窯體散熱的熱流密度與窯內(nèi)、外壁表面溫度、窯體各層冷面溫度如表（2）所示。

相互比較上述四種窯體筑爐耐火隔熱材料結(jié)構(gòu)可得出：①結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ在結(jié)構(gòu)Ⅰ的基礎(chǔ)上僅采用25mm厚的納米微孔絕熱板代替25mm厚的陶瓷纖維板，但是通過(guò)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的熱流密度分別減少16.5%和18.2%，窯外壁表面溫度分別降低7～8℃，節(jié)能效果較為明顯;②結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ區(qū)別為納米微孔絕熱板所處位置的不同，結(jié)構(gòu)Ⅲ窯體的熱流密度更小，納米微孔絕熱板熱面、冷面兩側(cè)溫降也更大，所以納米微孔絕熱板處在相對(duì)較低溫環(huán)境下，起到的保溫絕熱效果也更好;③結(jié)構(gòu)Ⅳ與結(jié)構(gòu)Ⅰ比較，窯體筑爐材料利用高性能耐火保溫絕熱材料，可減小窯體筑爐材料厚度、降低窯體散熱和節(jié)約空間。

3 輥道窯傳動(dòng)輥棒散熱分析

陶瓷工業(yè)輥道窯是由一系列平行排列的輥棒在窯內(nèi)構(gòu)成輥道，每根輥棒均橫穿窯墻支撐在窯墻外兩側(cè)，由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)輥棒統(tǒng)一轉(zhuǎn)動(dòng)，輥棒承載制品按預(yù)定的速度由窯爐進(jìn)口經(jīng)預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶移動(dòng)，完成燒成工藝。輥棒是組成輥道窯的基本部件之一，輥棒在窯內(nèi)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，承載制品的重量，同時(shí)要經(jīng)受窯內(nèi)高溫，其質(zhì)量的好壞直接影響到煅燒制品的品質(zhì)。因此，要求輥棒的性能好、能滿足使用要求、成本低。

目前，陶瓷工業(yè)輥道窯上使用輥棒的材質(zhì)主要有金屬材料和非金屬材料。金屬材料輥棒主要為普通無(wú)縫鋼管，使用溫度在450℃以下、非腐蝕介質(zhì)氣氛中，常用于冷卻帶后段和輥道式干燥窯。非金屬材料輥棒主要為陶瓷管輥棒和碳化硅管輥棒，陶瓷輥棒使用溫度一般在1300℃以下，燒成溫度達(dá)1300℃以上時(shí)一般采用碳化硅輥棒。輥道窯輥棒材質(zhì)和規(guī)格的選擇，與窯內(nèi)溫度、氣氛和承載制品載荷等有直接關(guān)系，需要專業(yè)人員計(jì)算分析確定，此處就不做敘述。