超寬截面衛(wèi)生陶瓷燃?xì)馑淼栏G能效測試與節(jié)能研究

潘 明，陳欽鴻，郭喜斌，楊 昭，余培旭，郭美美

(1.廣東省質(zhì)量監(jiān)督陶瓷燃?xì)飧G爐檢驗(yàn)站(潮州)，廣東 潮州 521000，2.潮州市索力德機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 潮州 521000)

潮州是國內(nèi)最大的日用瓷、衛(wèi)生潔具和電子陶瓷生產(chǎn)基地。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全市共計(jì)各類型窯爐超過5 000條，窯爐生產(chǎn)企業(yè)超過300家，形成較為完整的配套產(chǎn)業(yè)鏈。

陶瓷屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，節(jié)能降耗不僅是可持續(xù)發(fā)展的要求，更是提升產(chǎn)品競爭力的重要手段。近年來，潮州地區(qū)在陶瓷燃?xì)飧G爐設(shè)計(jì)制造方面取得長足進(jìn)步，能效水平在國內(nèi)領(lǐng)先地位，具備很高的技術(shù)水平，并出口至東南亞、南亞、東北亞等國家和地區(qū)。

近年來，陶瓷燃?xì)飧G爐發(fā)展趨勢，在本地區(qū)以隧道窯為代表，可用“寬體、薄殼、低蓄熱、強(qiáng)對流、高輻射、自動化、智能化”加以概括[1-3]。

首先是窯爐結(jié)構(gòu)方面“寬體、薄殼、低蓄熱”。在陶瓷燃?xì)飧G爐行業(yè)，將有效內(nèi)寬>3m的陶瓷窯稱為超寬體陶瓷窯。顯然，寬體陶瓷窯較普通陶瓷窯具有效率高、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過引進(jìn)使用高效、輕質(zhì)耐火保溫材料及新型涂料，窯墻厚度大大降低，降低窯爐本體結(jié)構(gòu)蓄熱，使窯爐本體結(jié)構(gòu)薄殼化，實(shí)現(xiàn)輕量化制造。

其次是窯爐傳熱方面“強(qiáng)對流、高輻射”。通過使用高速燒嘴燃燒技術(shù)及使用清潔能源明焰燒成，提升窯內(nèi)熱流擾動，保證窯內(nèi)溫度場的均勻，通過對流傳熱、輻射傳熱，實(shí)現(xiàn)快速燒成，充分利用余熱，進(jìn)一步提升輻射傳熱水平。

最后是窯爐控制方面“自動化、智能化”。燒成制度“溫度、壓力、氣氛”各要素通過自動控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)；通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)，建設(shè)窯爐管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、記錄，接入物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程可遠(yuǎn)程監(jiān)控。

文獻(xiàn)[4-5]對超寬截面陶瓷窯對比普通陶瓷窯節(jié)能情況進(jìn)行研究，證明更寬截面有利于提升熱效率，降低能耗。而對于相近截面，不同長度，從窯爐結(jié)構(gòu)與溫度均勻性、熱流流向相互關(guān)系對能耗的影響少有探究。同時(shí)產(chǎn)品類型、坯體成分不同，熱效率單耗不同(每t或kg成品燃?xì)馐褂昧?難以直接進(jìn)行對比。

為使能效測試更具合理的可比性，本文測試對象選擇同一陶瓷廠、燒制產(chǎn)品品種相同、使用燃料相同、裝載方式及使用窯具相同、相近截面、不同廠家生產(chǎn)的隧道窯(長度分別是112 m及93 m)進(jìn)行能效測試。通過能效測試，對熱流向與熱利用、溫度均勻性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上在窯爐結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)、熱流走向2個(gè)方向探討相應(yīng)節(jié)能優(yōu)化對策。

1 能效測試

1.1 參考技術(shù)依據(jù)

GB/T 23459—2009《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡、熱效率測定與計(jì)算方法》[6]。

1.2 測試對象

燒制產(chǎn)品品種相同、使用燃料相同、裝載方式及使用窯具相同、同一陶瓷廠的外寬4.1 m、內(nèi)寬3.3 m的2條長度分別是112 m陶瓷窯、93 m陶瓷窯，隧道窯參數(shù)見表1，坯體成分見表2。

表1 隧道窯基本情況

1.3 測試中使用的計(jì)量器具

TESTO煙氣分析儀、FLUKE紅外熱成像儀、風(fēng)速儀、鉑銠溫度計(jì)、鋼卷尺等。

表2 坯體成分

1.4 測試需測定相關(guān)參數(shù)

根據(jù)GB/T 23459—2009《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡、熱效率測定與計(jì)算方法》，熱平衡是通過全面考慮熱收支項(xiàng)目，對所涉及項(xiàng)目進(jìn)行全面測定。熱平衡分熱收入與熱支出兩大部分，熱收入主要是燃料燃燒化學(xué)熱，占熱收入96%～98%。

而熱支出主要是以下三部分：

(1)燒成產(chǎn)品的有效熱，日用瓷約占12%～18%，衛(wèi)生潔具約占18%～22%，由坯體成分直接決定。

(2)抽熱風(fēng)及排煙部分：冷卻帶抽出熱風(fēng)帶出顯熱，以及煙氣中已利用的熱，合計(jì)約占40%～55%；這里需要說明的是，按參考標(biāo)準(zhǔn)需要測定煙氣中已利用的熱。而現(xiàn)有熱利用較高，排煙溫度一般在120～150 ℃，煙氣中SOx、NOx、微小顆粒物等雜質(zhì)多，低于200 ℃煙氣經(jīng)處理后利用經(jīng)濟(jì)性較低，通常做法是經(jīng)廢氣處理后直排。

(3)窯體表面散熱及其他熱損失，約占25%～35%。此部分差異較大，主要由窯體保溫隔熱材料性能優(yōu)劣，窯爐蓄熱高低決定。

2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果計(jì)算

經(jīng)過現(xiàn)場對2臺不同陶瓷窯進(jìn)行能效測試，涉及熱平衡、熱效率相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 熱平衡計(jì)算結(jié)果

熱平衡計(jì)算包含熱收入與熱支出部分，部分收支項(xiàng)目由于熱量所占比較小，如熱收入項(xiàng)目中：助燃空氣、攪拌風(fēng)、急冷風(fēng)、冷卻風(fēng)、窯具、耐火磚、窯車等帶入物理熱，合計(jì)占熱收入不超3%～5%，對計(jì)算影響不大，在此作必要簡化；又如熱支出項(xiàng)目中：成品、窯具、耐火磚、窯車等帶出物理熱，合并歸入其他熱損失，熱效率計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 熱效率計(jì)算結(jié)果

3 測試分析與對策探討

3.1 測試結(jié)果分析

長期的實(shí)踐總結(jié)陶瓷窯設(shè)計(jì)總體原則是：①熱效率高，余熱利用好；②窯內(nèi)溫升小，溫度均勻易控制；③產(chǎn)量高、質(zhì)量好。三者相輔相成，圍繞上述三者對測試結(jié)果進(jìn)行分析[7-9]。

燒成帶產(chǎn)生熱量通過窯頭排煙引風(fēng)經(jīng)預(yù)熱帶、干燥帶對坯品進(jìn)行預(yù)加熱、烘干，熱量傳遞過程溫度逐步降低，而通過窯尾抽熱引風(fēng)進(jìn)行冷卻并充分利用抽熱余熱。陶瓷窯不是單純的熱工設(shè)備，熱高效綜合利用取決于合理的排煙、抽熱引風(fēng)設(shè)置、窯爐內(nèi)部熱流動相互動態(tài)平衡。

3.1.1 熱流向與熱利用

測試發(fā)現(xiàn)，測試對象在排煙、抽熱熱量引風(fēng)采用截然不同的控制策略，陶瓷窯各段引風(fēng)涉及相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 窯爐各段引風(fēng)溫度、流量、熱量相關(guān)參數(shù)

其中,112 m陶瓷窯排煙帶出物理熱1 794 MJ/h，冷卻帶抽熱帶出物理熱951 MJ/h，熱量總體流向以窯頭排煙為主；而93 m陶瓷窯排煙帶出物理熱522 MJ/h，冷卻帶抽熱帶出物理熱2 303 MJ/h，熱量總體流向往窯尾抽熱為主。

在相同單位時(shí)間內(nèi)燃耗條件(154.4 m3/h)下，93 m陶瓷窯排煙帶出物理熱408 MJ/h，冷卻帶抽熱帶出物理熱1 800 MJ/h，通過冷卻通風(fēng)抽熱獲得較112 m陶瓷窯多將近1倍的熱量，熱效率相差5.5%，綜合熱效率更高。

與此同時(shí)，如表6所示，112 m陶瓷窯排煙溫度151 ℃，93 m陶瓷窯排煙溫度121 ℃，同比高30 ℃，造成更高的熱損耗。

表6 其他參數(shù) ℃

3.1.2 溫度均勻性對產(chǎn)量的影響

陶瓷燃?xì)飧G爐屬于非標(biāo)能源產(chǎn)品，實(shí)際中常需根據(jù)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)場地限制在窯爐結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行必要調(diào)整。目前，新型隧道窯長度多在100 m及以上，在截面、長度增大后，如何滿足溫度、氣氛、壓力等燒成制度要求，特別需要保證窯爐內(nèi)溫度均勻性。窯爐頂、底部之間溫升小、溫度均勻性高，可保證溫度燒成制度，縮短燒制時(shí)間，提升推車速度，最終體現(xiàn)在產(chǎn)量的提升上。

如表1所示，112 m陶瓷窯在窯爐干燥段、預(yù)熱段長度設(shè)計(jì)較93 m陶瓷窯長6.25 m。因此，在窯爐長度增加情況下，需增加排煙風(fēng)機(jī)功率，窯頭排煙負(fù)壓增大，窯爐底部沙封易漏風(fēng)，導(dǎo)致窯爐頂部與底部存在溫升，測量外表面平均溫度，112 m陶瓷窯溫升較大，如表7所示。

表7 進(jìn)車速度，干燥段、預(yù)熱段上下溫升

為保證溫度燒成制度要求，確保生產(chǎn)質(zhì)量，降低進(jìn)車速度，112 m陶瓷窯29.3 min/車，而93 m陶瓷窯24.5 min/車，使得112 m陶瓷窯在產(chǎn)量上較93 m陶瓷窯少。

3.2 對策探討

3.2.1 改進(jìn)預(yù)熱帶結(jié)構(gòu)

首先，超寬截面陶瓷窯從燒成帶遷移過來的高溫?zé)煔馊菀走M(jìn)窯物料(坯品、窯具等)被吸收，本身易造成窯頭溫度偏低，需提前預(yù)設(shè)燒嘴預(yù)熱帶補(bǔ)充足夠熱量提高溫度。

排煙風(fēng)機(jī)負(fù)壓增大，導(dǎo)致窯內(nèi)頂部與底部產(chǎn)生溫差，在窯頂內(nèi)側(cè)增設(shè)送風(fēng)氣幕，朝燒成帶方向向下送風(fēng)，氣幕送風(fēng)方向與熱煙氣流向相反。一方面，產(chǎn)生煙氣行進(jìn)阻力，降低行進(jìn)速度，有利于熱量更為充分交換；另一方面，強(qiáng)制煙氣下行，降低窯內(nèi)頂部與底部間的溫差，增加底部坯品的吸熱，確保溫度制度。

3.2.2 調(diào)整預(yù)熱帶與冷卻帶長度比例

112 m陶瓷窯在干燥段、預(yù)熱段長度設(shè)計(jì)上較93 m陶瓷窯長6.25 m，而在冷卻帶長度設(shè)計(jì)上較93 m陶瓷窯長12 m。

陶瓷窯干燥段、預(yù)熱段長度增加，排煙風(fēng)機(jī)負(fù)壓增大，窯內(nèi)溫度均勻性減小，如表7所示，112 m陶瓷窯干燥段上下溫升為37.6 ℃，而93 m陶瓷窯干燥段上下溫升為7.6 ℃。因此，有必要縮短預(yù)熱段長度比例。

在相同冷卻換熱，推車速度，帶出熱量相近條件下，更長冷卻段有利于更好散熱，具備充足冷卻時(shí)間，如表6所示。112 m陶瓷窯產(chǎn)品出窯溫度52.2 ℃，較93 m陶瓷窯低24.6 ℃。

3.2.3 調(diào)整排煙與抽熱的熱流向

陶瓷燃?xì)飧G爐不是單一的熱工設(shè)備，其抽熱余熱可輸送至“干燥房”干燥模具、坯品等進(jìn)行利用。從上文所述，112 m陶瓷窯更強(qiáng)調(diào)在干燥段、預(yù)熱段的熱利用，增大窯頭排煙負(fù)壓，導(dǎo)致窯內(nèi)上下溫升，增加燒制時(shí)間，且煙氣熱量未充分利用。而重點(diǎn)通過冷卻帶抽熱進(jìn)行熱利用，可更大程度通過“干燥房”等余熱利用設(shè)備進(jìn)行二次利用。

4 總 結(jié)

基于隧道窯能效測試的基礎(chǔ)上，對測試數(shù)據(jù)分析對比，對熱流向與熱利用、溫度均勻性進(jìn)行分析，相對應(yīng)從窯爐結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)、熱流走向探討相關(guān)節(jié)能優(yōu)化對策。

4.1 窯爐結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

(1)在預(yù)熱段、干燥段預(yù)設(shè)預(yù)混式燃燒器與空燃比例調(diào)節(jié)閥，遇預(yù)熱段、干燥段熱量不足情況下，通過該設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)熱，配套PLC自動控制，保證預(yù)熱段、干燥段溫度均勻性。

(2)在窯頂內(nèi)側(cè)增設(shè)送風(fēng)氣幕，朝燒成帶方向向下送風(fēng)，氣幕送風(fēng)方向與熱煙氣流向相反。強(qiáng)制煙氣下行，降低窯內(nèi)頂部與底部間的溫差，增加底部坯品的吸熱，確保溫度制度。

(3)根據(jù)熱流總體走向，合理匹配預(yù)熱帶、冷卻帶長度比例，增大冷卻帶長度比例，以提升抽熱換熱效率，同時(shí)減小預(yù)熱帶場地比例，避免因預(yù)熱帶、干燥帶長度過長，導(dǎo)致排煙引風(fēng)阻力增加，負(fù)壓增大，窯內(nèi)上下溫度分層。

4.2 熱流走向

隧道窯熱流向盡可能以抽熱為主，排煙為輔，抽熱熱量可通過“干燥房”等余熱利用設(shè)備充分利用，在合理排煙負(fù)壓，窯內(nèi)溫度均勻性條件下，預(yù)熱段、干燥段熱量不全部依賴排煙引風(fēng)，通過預(yù)熱燒嘴補(bǔ)熱補(bǔ)充熱量。