天然氣寬體窯爐-雙碳雙控政策下陶瓷行業(yè)的優(yōu)選

胡乃友

摘 要：雙碳雙控即碳達(dá)峰、碳中和和能源消費總量、強(qiáng)度雙控的頂層設(shè)計，旨在解決工業(yè)發(fā)展伴生的生態(tài)環(huán)境、能效問題，以最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。隨著國家對環(huán)保壓力的增大以及燃料價格的不斷上漲，節(jié)能減排、碳達(dá)峰，碳中和必將是陶瓷產(chǎn)業(yè)的大勢所趨，新建發(fā)生爐煤氣窯爐會受到地域限制，而天然氣寬體窯爐由于產(chǎn)量大，燃?xì)饽芎牡?，電耗低，可以積極響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保的政策要求，會得到大力發(fā)展，也是當(dāng)下陶瓷行業(yè)一個積極可行的突破口。

關(guān)鍵詞：天然氣寬體輥道窯;助燃風(fēng)加熱;碳達(dá)峰;碳中和;節(jié)能環(huán)保

1 天然氣寬體窯技術(shù)特點

寬體窯爐，主要是指內(nèi)寬 2.9m以上的陶瓷窯爐。多年來，我國陶瓷行業(yè)中采用 的窯爐內(nèi)寬大部分是在 2.5m 左右，超過3m的寬體窯爐這幾年出現(xiàn)的比較多。輥道窯爐寬度增大，橫截面積也會增大，這樣對窯內(nèi)氣體的流動、窯壓的分布、溫度梯度、窯內(nèi)氣氛及磚坯的運動等都有很大的影響。為了保證燒成質(zhì)量，寬體窯爐要在結(jié)構(gòu)及工藝制度的選擇上非常關(guān)鍵，技術(shù)特點如下所示：

1.1窯頂結(jié)構(gòu)上的特點

按照常規(guī)來說，對于短窯、小產(chǎn)量窯爐，由于拱形結(jié)構(gòu)容易蓄熱，容易造成輥棒上下溫差，造成磚坯變形，對于這樣的窯爐，用平頂結(jié)構(gòu)的寬體窯比較合適;對于產(chǎn)量大、燒成煙氣量大的窯爐，平頂窯爐燒成帶上部通道空間小，會造成排煙風(fēng)機(jī)抽不動，很難達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量，對于這樣的窯爐，用拱頂結(jié)構(gòu)的寬體窯比較合適。大產(chǎn)量拱頂結(jié)構(gòu)的寬體窯可以增加燒成帶輻射層厚度，提高輻射傳熱效率，拱頂結(jié)構(gòu)的傳熱有利于燒成帶斷面溫差的減小，不建議排煙段采用拱頂結(jié)構(gòu)，這樣會造成上下溫差大，抽力不均勻。而在排煙段采用平頂結(jié)構(gòu)，有利于排煙段溫度的均勻，不會引起產(chǎn)品的炸裂。

1.2斷面溫差問題

寬體拋釉磚窯爐內(nèi)寬一般3100mm左右，寬體內(nèi)墻磚窯爐一般3400mm左右;由于比普通窯內(nèi)寬要寬600mm-900mm，處理窯內(nèi)溫差問題是一個技術(shù)難點，能否解決溫差問題直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，如色差、變形等。設(shè)計不好，就會出現(xiàn)中間溫度低，靠窯墻兩側(cè)溫度低，在窯斷面上形成駝峰狀的曲線，從而使燒出的產(chǎn)品出現(xiàn)色差和變形。為解決寬體窯斷面溫差問題，可采取如下幾個措施：第一采取高速噴嘴，可以有利于窯內(nèi)熱氣流的攪拌，使溫度趨于均勻。第二是在燒成帶交錯布置一部分短焰燒嘴，提高靠窯墻兩側(cè)的溫度。這樣長短焰結(jié)合，既照顧了橫斷面中間部位溫度，又照顧了斷面兩側(cè)的溫度，從而使斷面上的溫度趨于更均勻。第三是設(shè)置特殊形狀的擋火板和擋火墻來縮小斷面溫差。

1.3預(yù)熱段升溫困難的問題

考慮在大產(chǎn)量寬體窯的生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)量特別大，在預(yù)熱帶升溫區(qū)域，需要的熱量比較多。針對這個問題，摩德娜公司通過無數(shù)次反復(fù)實驗，開發(fā)出了適合寬體窯用的高速等溫天然氣燒嘴，以及在升溫較快的預(yù)熱區(qū)域的下部，每節(jié)設(shè)計有6支燒嘴，每組有12支燒嘴，以滿足升溫所需的大量熱量，提高產(chǎn)量。

1.4傳動系統(tǒng)的改進(jìn)

（1）高溫高強(qiáng)輥棒或異型棒的使用。由于天然氣寬體窯窯內(nèi)寬比較大，裝載負(fù)荷加大了，普通輥棒容易彎曲變形，而且走磚時恢復(fù)不了，所以中間的磚坯會走得慢一些。為了克服這個問題，我們摩德娜公司首先要對不用使用溫度下單支輥棒承重值都有嚴(yán)格的計算，科學(xué)合理的選擇輥棒類型，另外在部分區(qū)域采用異形輥棒（即弧形棒），加強(qiáng)走磚效果，到急冷前段可做到快慢不超過1根棒，這樣更方便調(diào)節(jié)磚的變形。

（2）傳動主軸加大到35mm，手榴彈軸加大到25mm，20CrMnTi滲碳鋼;用來解決設(shè)備的持久和耐磨和平穩(wěn)運行，減少設(shè)備的故障率。我們公司采用獨有的防塵結(jié)構(gòu)，有效解決陶瓷廠生產(chǎn)車間灰塵污染油槽的情況，降低齒輪的磨損，延長設(shè)備的使用壽命。

（3）窯爐全部傳動采用不同的棒徑、棒距和不同溫度需求的超高溫棒，以解決其他普通窯爐普遍存在的磚坯釉面有輥棒紋缺陷的問題。

（4）設(shè)計有電機(jī)故障報警裝置、傳動斷鏈報警裝置、緊急開關(guān)擺動裝置、斷棒報警等等裝置，以及空窯降頻處理方式，使設(shè)備更加自動化，智能化，方便生產(chǎn)管理和保證產(chǎn)品品質(zhì)要求。

（5）我們公司研發(fā)的窯內(nèi)單獨追磚裝置，可以調(diào)整左中右磚坯的走向。

1.5適用寬體窯的燒嘴及助燃風(fēng)的預(yù)熱

我們公司設(shè)計部門根據(jù)預(yù)熱助燃空氣的特點，優(yōu)化了助燃風(fēng)通道，減小了風(fēng)道的壓力損失，設(shè)計出新型的可用預(yù)熱空氣的燒嘴，其特點如下：

（1）燃燒反應(yīng)速度快、混合燃燒充分，產(chǎn)品氧化充分，在使用中可有效減少窯爐截面溫差、產(chǎn)品色差等問題。

（2）火焰有剛性，射程遠(yuǎn)，沿程溫差小

（3）直接在燒嘴內(nèi)部形成二次燃燒系統(tǒng)，一氧化碳廢氣含量大大減少，熱效率明顯提高

（4）嚴(yán)格控制燃?xì)馀c空氣的比例，在保證燃燒充分的同時，最大限度的減少空氣過剩量

（5）燒嘴配有先進(jìn)的點火系統(tǒng)，容易點著火，可配紫外線火焰監(jiān)測探頭

1.6適用寬體窯風(fēng)管路系統(tǒng)特點

（1）排煙管道設(shè)計要加大，而且下部管道從主、非邊同時下管，保證排煙通暢，并可根據(jù)調(diào)試需要，利用排煙段前面幾節(jié)的排煙管將窯內(nèi)廢煙氣排完，有利于提高窯頭溫度，增大窯爐產(chǎn)量。排煙管每排間隔距離要合理，可以使抽口分布合理， 抽力更均勻，并可根據(jù)不同磚種類入窯水份的特性，可靈活調(diào)節(jié)排煙段溫度曲線，利于磚的水分均勻排水，避免釉裂發(fā)生。

（2）助燃采用兩級助燃風(fēng)機(jī)，一級助燃風(fēng)機(jī)為室溫，以保證預(yù)熱區(qū)的充足氧化氣氛，適應(yīng)磚坯有機(jī)物的氧化分解。而二級助燃風(fēng)機(jī)設(shè)計成我司的SPR系統(tǒng)（即助燃風(fēng)加熱系統(tǒng)，助燃風(fēng)加熱溫度高達(dá)220℃以上），以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

（3）由于熱交換管的阻力比其它冷卻抽熱管的大，所以熱交換系統(tǒng)采用單獨的風(fēng)機(jī)來抽換熱風(fēng)，而冷卻熱風(fēng)采用兩臺抽熱風(fēng)機(jī)來抽，前段抽熱風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)由于溫度比較高，可用于干燥窯或噴干塔等，充分做到節(jié)能減排。

（4）熱交換管采用兩端進(jìn)風(fēng)，中間抽風(fēng)的方式，且中間管口比兩端管口，以加大換熱面積及冷風(fēng)量，充分發(fā)揮熱交換的作用。

（5）尾冷余熱零排放系統(tǒng)（RCH）。全拋釉的生產(chǎn)車間需要利用余熱的地方較多，如窯前干燥、釉線干燥，噴墨后干燥，淋釉后干燥，干燥窯都需要用到余熱，而全拋釉相對來說燒成溫度比微粉磚底，產(chǎn)量相對較少，余熱與煙氣可能會出現(xiàn)不夠用的情況。我們摩德娜公司研發(fā)的尾冷余熱零排放系統(tǒng)實現(xiàn)了余熱的零排放，大大減少了這些干燥窯點槍的情況，減少能耗。

2天然氣寬體窯爐節(jié)能減排效果分析

計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：（按我司SPR助燃加熱系統(tǒng)能耗標(biāo)準(zhǔn)）

（1） 產(chǎn)量：800mm×800mm拋釉磚，20000平方米/天;

（2） 燃料：天然氣（NG）;

（3） 產(chǎn)品能耗：內(nèi)寬3100mm寬體窯，450kCal/Kg瓷，內(nèi)寬2500mm普通窯 爐， 500 kCal/kg瓷;

（4）產(chǎn)品單重：26kg/m2。

（5）燒成周期：50分鐘

2.1燃料方面的節(jié)省

陶瓷窯爐的產(chǎn)量跟窯的寬度成正比，窯越寬，產(chǎn)量越大，故天然氣寬體輥道窯最大的優(yōu)勢在于提高了產(chǎn)能，降低了單位制品的能耗。 以我們廣東摩德娜科技股份有限公司推出的 3.1m 寬、331.8m 長的寬體窯為例，傳統(tǒng)窯爐走800mm×800mm 磚兩片，而寬體窯內(nèi)可以放置 3 片 800mm×800mm 磚，產(chǎn)能可以達(dá)20000 m2/天，產(chǎn)量提高了50%。若用于生產(chǎn)600mm×600mm磚，可以1排4片。內(nèi)寬3100mm天然氣寬體窯，能耗約450Kcal/Kg瓷，內(nèi)寬2500mm普通窯爐，能耗約500Kcal/Kg瓷;一天可以節(jié)省燃?xì)饬繛椋海?00-450）×20000×26÷8300=3132m

每年按330天計算：330×3132×5=5，167，800元。

從以上分析可以看到，達(dá)到相同產(chǎn)能，天然氣寬體窯爐一年可以節(jié)省的燃料費用為5，167，800元，可以說是相當(dāng)可觀的。

取得可觀效益的同時，CO的排放量也可以大大減少，一天可以減少CO的排放量約5.6噸，可以積極響應(yīng)國家碳達(dá)峰，碳中和的號召。

2.2電耗方面的節(jié)省

根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以下是相同產(chǎn)量的兩種窯爐風(fēng)機(jī)選型理論計算：

寬體窯耗氣量Q1=20000×26×450/8300=28193 m/天/24=1175 m/h;

普通窯耗氣量Q2=20000×26×500/8300=34457 m/天/24=1305 m/h。

2.2.1排煙風(fēng)機(jī)功率理論選擇（只含窯爐，不包括輸送到干燥窯）

天然氣寬體窯：

（1）煙氣量 Q=1175×14×（250+273）/（273+20）×2.5=73407 m/h。

（2）壓頭 寬體窯的排煙壓頭，根據(jù)理論計算以及專業(yè)軟件動態(tài)模擬，壓頭選擇為2200Pa比較合理。

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=73407×2200/2520000=64kW。

考慮排煙風(fēng)機(jī)頻率一般設(shè)置在35HZ時工作比較好，這樣在調(diào)試時上下有比較大得的調(diào)整空間。以及考慮到燒成工藝所需的各組閥門可做的調(diào)整而不影響燒成，在選擇風(fēng)機(jī)壓頭及流量時要留比較大的余量（當(dāng)燒成工藝要求人為地調(diào)整管路各組閥門，改變管道系統(tǒng)壓頭時，風(fēng)機(jī)的工作效率出力會有比較大的改變）。即：N實際=64/（h/ h）=64/（35/50）=187kW。

普通窯：

（1）煙氣量。Q=1435×14×（250+273）/（273+20）×2.5=81529 m/h。

（2）壓頭。壓頭根據(jù)理論計算以及專業(yè)軟件動態(tài)模擬，選擇為2800Pa比較合理。

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=81529×2800/2520000=90kW。

同理：N=90/（n/n）=90/（35/50）=264kW。

2.2.2助燃風(fēng)機(jī)功率理論選擇（助燃SPR加熱節(jié)能系統(tǒng)）

天然氣寬體窯：

（1）助燃風(fēng)量。Q=1175×9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=23426 m/h。

（2）壓頭。根據(jù)理論計算以及專業(yè)軟件動態(tài)模擬，壓頭選擇為6000Pa比較合理。

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=23426×6000/2520000=56kW。

考慮助燃風(fēng)機(jī)一般設(shè)置在40HZ左右工作比較好（風(fēng)機(jī)出力大，各燒嘴壓力均勻），助燃風(fēng)調(diào)節(jié)不像排煙風(fēng)機(jī)那樣，會對管道的壓頭產(chǎn)生很大得影響。

即N=56/（n/n）=93/（40/50）=109kW。

常規(guī)窯

（1）助燃風(fēng)量。Q=1305X9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=26017 m/h。

（2）壓頭。根據(jù)理論計算以及專業(yè)軟件動態(tài)模擬，壓頭選擇為7000Pa比較合理

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=26017×7000/2520000=72kW。

同理：N實際=72/（n/n）=72/（40/50）=141KW。

2.2.3急冷風(fēng)機(jī)、終冷風(fēng)機(jī)

由于天然氣寬體窯和普通窯的產(chǎn)量相當(dāng)，雖普通窯的管路設(shè)置會長，但同時其窯體散熱也多發(fā)揮一些作用。所以這兩種風(fēng)機(jī)功率相差不大，可忽略不計。

2.2.4抽熱及熱交換風(fēng)機(jī)功率的理論選擇

這兩臺風(fēng)機(jī)是將磚坯從燒成溫度冷卻到80℃所需的冷風(fēng)量以300℃的熱風(fēng)形式抽出（窯墻散熱估計5%計算）。

天然氣寬體窯：

1.熱風(fēng)量Q=20000×26/24×0.85×（1200-80）/（1×（300-20）×0.67×24）=109950 m/h（300℃）

2.壓頭。根據(jù)理論計算以及專業(yè)軟件動態(tài)模擬，壓頭選擇為2700Pa比較合理

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=109950×2800/2520000=117kW。

考慮抽熱風(fēng)機(jī)一般設(shè)置在40HZ時工作比較好。這個區(qū)域，調(diào)試工藝所需的閥門調(diào)整不多。

即N=117/（n/n）=117/（40/50）=230kW。

常規(guī)窯：

常規(guī)窯，風(fēng)量相當(dāng)，但是壓頭要選大，以3000Pa為好。

風(fēng)機(jī)理論選擇功率：N=PXQ/2520000=109950×3000/2520000=130kW。

同理：N=130/（n/n）=130/（40/50）=256kW。

寬體窯風(fēng)機(jī)總裝機(jī)功率（未包含急冷，尾冷）：187+109+230=526KW;

普通窯風(fēng)機(jī)總裝機(jī)功率（未包含急冷，尾冷）：264+141+256=661kW;

節(jié)電：661-526=135kW

節(jié)能比例135/661=20%。

2.3 窯墻散熱面積能耗的節(jié)省

對于內(nèi)寬3100mm寬體窯，800mm×800mm 的拋釉磚可以1排3片，而內(nèi)寬 2500mm? 普通窯爐，800mm×800mm 的拋釉磚1排2片，對于同樣產(chǎn)量20000平方米/天，分別計算兩種窯爐的長度。

L = S÷η÷成品磚面積÷（24x60÷T）÷n ×（磚坯長度+k）。

公式中? ：24×60÷T為每天燒成多少窯爐的磚

L÷（磚坯長度+k）x n為每條窯爐可容納多少件磚坯

T為窯爐燒成周期，L為窯爐長度，S為窯爐的產(chǎn)量，k為前后磚坯間距，η窯爐窯爐產(chǎn)品合格率，n為單排進(jìn)磚數(shù)。

（1）對于內(nèi)寬3100mm寬體窯，產(chǎn)量20000平方米/天，窯爐的長度為：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷3×（0.89+0.01）=331.8m

從排煙帶到急冷前約占一條窯爐的65%，其總散熱面積為 （3.95×2+1.17×2）×331.8×0.65=2208m

對于內(nèi)寬2500mm普通窯爐，產(chǎn)量20000平方米/天，窯爐的長度為：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷2×（0.89+0.01）=497.7m

從排煙帶到急冷前約占一條窯爐的65%，其總散熱面積為? ? （3.35×2+1.17×2）×497.7×0.65=2924m

窯長縮短比例（497.7-331.8）/446=33.3%

散熱面積減少比例（2924-2208）/2924=24.5%

從以上分析可以看到，達(dá)到相同產(chǎn)能，寬體窯比常規(guī)窯窯體短33.3%，散熱面積減小了716m，減小了近24.5%。

（2）熱量損失計算：

假定窯墻外表平均溫度為70℃，環(huán)境溫度為30℃。

對流輻射換熱系數(shù)a=2.56×（70-30）0.25+4.56（704-304）/（100×（70-30））= 14W/m2 ℃。

最大熱流量為：

Q=a（70-30）=14×40=560W/m

總熱損失功率：Q=716×560=401kW/h。

（3）熱損失費用計算：

換算為每小時天然氣量：

401×861/8300=42m/h

每天節(jié)約天然氣量：42×24=998 m;

節(jié)約資金：998×5=4990元。

每年按330天計算：330×4990=1646700元。

從以上分析可以看到，達(dá)到相同產(chǎn)能，天然氣寬體窯爐散熱面積減小了716m，一年可以節(jié)省費用1646700元。

2.4其他

2條寬體窯產(chǎn)量相當(dāng)于3條普通窯產(chǎn)量，不單是從窯爐方面節(jié)能。同時也減少一條生產(chǎn)線的工作人員。

3100 mm內(nèi)寬的寬體窯做800mm×800mm微粉磚，每排進(jìn)三片。同樣長度的2500 mm內(nèi)寬的普通窯，每排進(jìn)兩片。寬體窯產(chǎn)量大出1/3。也就是說，同樣的長度的窯爐，2條寬體窯的產(chǎn)量相當(dāng)于3條普通窯的產(chǎn)量。比如，兩條20000平方米/天的內(nèi)寬3100 mm寬體窯，產(chǎn)量相當(dāng)于三條長度一樣的、產(chǎn)量6700平方米/天的內(nèi)寬2500 mm普通窯。單單從這點看，寬體窯不論是在節(jié)能，還是在其他方面都有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

3實際案例驗證

3.1 案例1詳情

國外項目，我公司在印度某公司生產(chǎn)的瓷質(zhì)磚天然氣寬體窯項目，燒成周期60分鐘，最高燒成溫度1210度左右，窯爐尾三片800磚出窯比較整齊，相差僅一根多棒。出窯磚平整度也比較好，無色差，窯爐單位能耗1.05立方米（NG）/平方米磚。這與印度常規(guī)窯爐1.2-1.5立方米（NG）/平米磚的能耗節(jié)能了12%以上，節(jié)能效果非常的可觀。

3.2 國內(nèi)項目

MOD.;MFS-3100型高效節(jié)能寬體窯（NG）運行的性能參數(shù)。

（1）窯內(nèi)截面溫差：通過測溫環(huán)檢測小于3℃;

（2）窯外表溫度，≤外界溫度+30℃;

（3）自控情況

溫度自控，儀表控溫精度為±1.0℃。

（4）利用SPR系統(tǒng)，助燃風(fēng)溫度可達(dá)到220℃。

3.3 寬體窯與普通寬度窯爐生產(chǎn)對比，見表1所示。

4節(jié)能效果

對于這兩年火爆的巖板窯爐，天然氣寬體窯爐的優(yōu)勢依然比較明顯，我公司在肇慶某廠生產(chǎn)的巖板產(chǎn)品，800×2600×9，可以走3片，窯爐3.1/249.2米，產(chǎn)量達(dá)到了13150平方米/天，天然氣能耗是1.36 m/m磚，達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先的水平。對于2500的普通窯爐，只能走2片，能耗約2.2 m/m磚，天然氣寬體窯的節(jié)能減排的作用還是比較明顯的。

5總結(jié)

寬體輥道窯具有占地面積小、能耗少、效率高、產(chǎn)量大等特點，是未來窯爐升級換代的主要設(shè)備。天然氣寬體輥道窯不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，而且提升了陶瓷行業(yè)的生產(chǎn)水平，也是當(dāng)下陶瓷行業(yè)在能源和環(huán)保困局下積極可行的突破口。

隨著“十三五”的結(jié)束和“十四五”的實施，在國家不斷重視環(huán)保，推行雙碳雙控的大環(huán)境下，以及國家及地方政府要求煤改氣，上線天然氣窯爐的會逐漸增多，發(fā)生爐煤氣窯爐會相應(yīng)的減少。企業(yè)會越來越重視窯爐的節(jié)能效果，節(jié)能減排必將是陶瓷產(chǎn)業(yè)的大勢所趨，陶瓷窯爐工作者的責(zé)任會越來越大，節(jié)能挖潛任務(wù)會愈來愈重。天然氣寬體窯爐是摩德娜的強(qiáng)項，作為有使命感和社會責(zé)任感的摩德娜公司，為“成為世界一流的節(jié)能環(huán)保建材成套裝備企業(yè)”的愿景而努力奮斗。

參考文獻(xiàn)

[1]張雨. 寬體窯新型天然氣噴槍的特點、節(jié)能效果及優(yōu)勢[J]. 佛山陶瓷， 2014（7）：3.