陶瓷烧成中的节能技术

陶瓷烧成中的节能技术1 引言中国陶瓷工业产量在世界上遥遥领先，2012 年我国陶瓷砖总量达到 90 亿 m2，卫生洁具 2亿件，日用陶瓷 300 亿件，工艺美术陶瓷 50 亿件，均占全球的 60%以上，总能耗达 23亿 t，占全国总能耗的 3%5%。窑炉是陶瓷企业最关键的热工设备，也是耗能最大的设备，干燥及烧成中的能耗占陶瓷生产总能耗的 60%80%，窑炉设备能耗的水平，主要取决于窑炉的结构与烧成技术，其中窑炉的结构是根本，烧成技术是保证;只有使两者合理的搭配才能既保证窑炉烧成质量的提高，又减少能源消耗。窑炉型式主要有梳式窑或倒焰窟、隧道窑及辊道窑。陶瓷窑炉烧成中的节能关键技术：(1)窑炉结构的优化;(2)烧成技术的创新;(3)烧嘴的选用;(4)余热回收利用;(5)自动控制技术的采用;(6)更先进的保温材料和涂层技术的研究开发等。2 窑炉结构优化2.1 窑炉内高随着窑炉内高的增加，单位制品热耗和窑墙散热量也增加。如：当辊道窑内高由 0.2m 升高至 1.2m 时，热耗增加 4.43%，窑墙散热升高 33.2%，窑内高度增加会引起通道内温度分层，增大窑内热气流的上、下分层，特别是隧通窑，有的内高达 1m 以上，其上、下温差，特别是预热带内的上、下温差高达 300500。某引进全纤维、烧卫生洁具辊道窑就是因窑内通道太高，温差太大无法烧成，不得不把窑内高度整体下降，才解决烧成质量问题，所以从烧成质量控制、节能降耗的角度讲，窑内高度越低越好。2.2 窑炉内宽随着窑炉内宽度的增大，单位制品热耗和窑墙散热减少。如：当辊道窑窑内宽从 1.2m 增大到 2.4m 时，单位制品热耗减少 2.9%，窑墙散热降低 25%。如把辊道窑的内宽由 2.5m 扩大到 3.0m，每天产量则可以从 10000m2 增加到 15000m2，窑体散热面积由 1206m2 增加到1422m2，每生产 1m2 砖，窑墙散热面积由 0.1206m2 减少到 0.0948m2;如果窑墙外表面温度与环境的温度差不变，则窑体外壁的散热损失可减少 27.2%。例如，中窑为佛山某企业改造内墙砖烧成窑炉，把原来两条长 140m、内宽 2.4m 的辊道窑改为一条长为 250m、内宽为 3.1m 的辊道窑，单窑年产量比原来两条窑总产量高，达 135789t，单位产品能耗由改造前的 171.19kgce/t 降为 133.36kgce/t，一年单窑的节能量达 5136.89tce。潮州市新高陶瓷窑炉窑具研究所和四通集团陶瓷股份有限公司合作，建造一条可装载内宽为 2.26m、可装载高度为 0.95m、长为 63.8m 烧卫生洁具隧道窑，取代两条内宽为 0.95m、内高 0.95m、长为 68.5m 的两条隧道窑，烧成产品品种相同，使用燃料相同，装载方式相同，单窑产量比原来两条还多，单耗由 0.468kgce 下降为 0.219kgce，下降将近 50%，窑炉的热效率由19.01%提高到 40.65%，提高了一倍多。所以在一定范围内，窑越宽越好 ;窑越宽，节能率越高，故只要能很好地解决断面温差的问题，宽体窑是发展的方向。2.3 窑炉长度当窑内宽和内高一定的情况下，随着窑长的增加，单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量均有所减少。如：当辊道窑的窑长由 50m 增加到 100m 时，单位制品热耗降低 1%，窑头热烟气带走热量减少 13.9%。辊道窑长度低于 100m，产量 5000m2 左右，长度超过 100m产量可达 10000m2，长 200 300m，产量可达 20000m2，长 300m 以上，产量可达2500030000m2，故早期的窑炉均为几十米长，现在的辊道窑最长达 450m，隧道窑长140m 以上。因此，应重点研究和优化窑炉结构，减少能耗，并逐步缩小窑内各断面的温差，加快烧成周期，以达到节能、实现低碳的目的。2.4 平顶和拱顶早期辊道窑多数采用平顶吊砖方式，施工方便、气流流动顺畅。气流的流动靠布置一定的挡火墙及闸板以改变气流的流动及气流的搅拌，由于窑通道矮，一般为 3050cm，故气体流动阻力大。特别在烧成带，通道不高，降低热辐射层厚度，因在高温段的传热方式以辐射传热为主，约占总传热中 80%左右，故无法发挥辐射传热的优点。实践经验证明，宽窑的高温段采用拱顶结构，可增加辐射层厚度，大大地有利辐射传热，拱顶结构的传热有利于烧成带温差的减小，而在低温段采用平顶结构，有利于低温段温度的均匀，特别是把这两种窑顶结构相结合，更有利于窑内气流的搅拌和温度的均匀，减少窑内温差。2.5 加强窑体的密封和窑压的控制窑体的密封可减小窑内热气体的外流和冷气体的渗入，既有利于减小窑内温差的形成，又有利于节能、稳定窑内压力分布，特别有利于气氛烧成。潮州兴业陶瓷有限公司成功地把辊道窑应用于日用陶瓷的还原气氛烧成，其关键便是窑的密封及不同窑段窑压的控制。2.6 窑车窑具的轻质化(1)隧道窑窑车热损失占总能耗的 10%15%，较好的隧道窑低蓄热窑车只有传统窑车重量的 1/3，蓄热量的 2/7，节能量可达 17%。(2)烧日用瓷隧道窑，窑具质量是产品的 2 倍以上，最多达 5.4 倍。(3)烧外墙砖垫板由 10.5mm 厚改为 7.3mm(最薄为 6.5mm)，每块重由 4kg 减为 2.3kg，节能18.7%。(4)某厂把辊道窑辊棒及间距改为小辊间距省去垫板承烧，节能可达 60%。故在烧卫生瓷、日用瓷、工艺美术瓷等可以把多条梭式窑改为隧道窑或辊道窑烧成，而且可以大大地节约能耗。2.7 窑型的选择很关键潮州兴业陶瓷利用辊道窑进行日用瓷的快速高温还原烧成，节能显著，单耗 0.294tce/t 瓷，窑炉热效率达 68.8%。是隧道窑烧成热耗 1.71tce/t 瓷的 1/6。3 烧成技木的创新3.1 采用低温快烧技术在陶瓷生产中，烧成温度越低，能耗就越低。据热平衡计算，若烧成温度降低 100，则单位产品热耗可降低 10%以上，且烧成时间缩短 10%，产量增加 10%，热耗降低 4%。因此，应用低温快烧技术，不但可以增加产量，节约能耗，而且还可以降低成本，实现低碳目标。如佛山某企业和华南理工大学合作，采用超低温配方烧成，将现有的建筑陶瓷产品的烧成温度降低约 200，达到 1000以下烧成，单位制品的能耗降低 25%，每公斤瓷能耗为 35MJ，仅为普通烧成技术的 75%左右，大大降低了生产成本。潮州把卫生洁具烧成温度由 1280降低到 1200，节能达 15%，生产成本下降 5%。3.2 一次烧成技术采用一次烧成技术比一次半烧成(900左右低温素烧，再高温釉烧) 和两次烧成更节能，综合效果更佳。同时，可以解决制品的后期龟裂，延长制品的使用寿命，制品的合格率也大大提高。如广东某建筑陶瓷企业自从实现一次烧成后，烧成的综合燃耗和电耗都下降 30%以上，鹰牌陶瓷把二次烧成的微晶玻璃复合板改为一次烧成，节能率达 43%，大大节约了设备和其它设施的投资，也提高了产品的质量。3.3 采用裸装明焰烧成技术目前我国陶瓷窑炉烧成方式主要有：钵装明焰、裸装隔焰和裸装明焰。其烧成方式各有特点。日用瓷、工艺美术瓷、卫生洁具等在隧道窑、辊道窑内的烧成均采用裸装明烧，相对于匣装烧可以大大减少烧成的能耗。3.4 采用玻璃制备工艺制备玻璃陶瓷潮州三元陶瓷等企业应用玻璃熔制工艺生产玻璃陶瓷，取消了矿物燃料，没有有害废气排出污染环境，采用电加热熔制，熔炉为六角形，分三层，每层三组钼电极，对角通电加热熔炼，采用连续加料并增加配合料层厚度，尽量降低料面层温度，既有利于各挥发性气体或物质冷凝并贮存在配合料中，不易挥发污染环境及保证加配合料成分的稳定，又可保护热量的外逸耗散，减少氟化物和热量的散发，节约原料和能源，降低了生产成本、提高产品质量。生产工艺与周期比普通日用陶瓷可缩减 80%，可节省燃料 70%以上。3.5 采用洁净液体和气体燃料采用洁净的液体、气体燃料，不仅是裸装明焰快速烧成的保证，而且可以提高陶瓷的烧成质量，大大节约能源，更重要的是可以减少对环境的污染。采用洁净气体作为燃料，节能降耗明显。3.6 采用可替代的低价燃料在单位产品燃料费用中，烧煤高达 1.197 元/kg 产品; 重油 0.138 元/kg 产品;发生炉冷煤气0.0997 元/kg 产品，因而应在保证环保的前提下发展发生炉冷煤气。其不仅价格低廉，而且燃烧效率高，燃料消耗低，但由于水煤气中含氮量高，热值较低，燃烧时产生废气量较大，引起排烟热损失大。值得注意的是，近几年发展迅速的二甲醚(DME)，其是以煤为原料生产的一种新型洁净能源，特点主要体现在燃烧性能好、热效率高;燃烧过程中无残液、无黑烟; 成本低、节能显著等优势，以及具备比液化石油气(LPG)更多的优点，取代液化石油气作为民用及工业用燃料已成可能。我们在日用陶瓷烧成中进行实验，结果可以节能 12%左右。云南省已在某些瓷区推广使用 DME。3.7 采用先进的燃烧设备采用高速烧嘴提高气体流速，是强化气体与制品之间传热的有效措施，一般可比传统烧嘴节约燃料 25%30%。目前，高速烧嘴朝着高效节能低污染发展，如高效节能环保型蓄热式烧嘴，其可以节约燃料 20%40% ，减少废气的排放温度和减少废气的大量排放，达到节能高效低污染效果。预混式二次燃烧器空气过剩系数控制在 1.051.2，节能率达 9.8%，已列入国家重点节能技术推广项目。3.8 微波辅助气体烧成技术微波辅助气体烧成技术(MAGF)是一种较实用、合理的烧成方法。微波被用来加热制品，使制品从内到外快速升温，燃气产生辐射热源，使坯体表面升温，防止表面热损失而使温度偏低，减少制品中不均匀性温度分布的产生。采用微波辅助气体烧成技术，制品的热应力和非均质性比普通工艺要低得多，温度分布均匀，而且由于坯体内外温差小，可快速烧成，故能耗低。据资料报道，采用 MAGF 技术烧成可增产 4 倍，节能 70%以上，能源成本下降 40%，有害物质的挥发量大大减少，而且由于烧成中的热应力小，产品的机械性能亦有所改善。3.9 富氧燃烧技术针对陶瓷烧成的燃烧技术，一般认为，助燃空气中的氧气含量大于 21%所采取的燃烧技术，简称为富氧燃烧技术。燃料在富氧状态下能降低燃点温度，且使燃烧速度加快，燃烧完全，从而提高了火焰强度，获得较好的热传导。由于采用富氧燃烧技术，燃烧相对完全，火焰长度相对缩短，火焰上部温度降低，减轻了窑炉、蓄热室的热负荷，即减轻了对其的侵蚀，窑炉寿命相应延长。采用富氧空气后可以适当减少二次助燃风量，从而减少了废气排放量，也就减少了废气带走的热量，提高了热效率，达到节能的目的，进而达到减少二氧化碳的排放达到低碳目标。我们利用梭式窑进行富氧燃烧实验，节能率达 21%，和番禺忠信世纪玻纤有限公司合作在玻纤池窑上应用全氧燃烧，节能率达 30%以上。3.10 高温空气燃烧技术HTAC 技术，即高温空气燃烧技术，是一种将回收烟气余热与高效燃烧、降低 NOX 排放等技术有机结合起来，实现余热极限回收和极限降低 NOX 排放量的燃烧技术，在陶瓷行业也得到较快的发展。在陶瓷窑炉上采用高温空气燃烧技术，可以扩展火焰燃烧区域，使炉膛内温度均匀，从而炉膛的平均温度增加，加强了炉内传热，导致在同样长度的炉子上其产品的产量可以提 20%以上 ;由于燃烧过程在炉膛空间内才开始出现，降低了燃烧噪音，同时加热了助燃空气，使得烟气中 NOX 量大大减少。使用高温空气燃烧技术，能够平均节能达 25%以上，燃料节约率可达 50%60%，具有显著的经济效益。我们在梭式窑上，用蜂窝多孔陶瓷做成换热器，节能率达 26%左右。4 余热回收利用技术采用先进的烟气余热回收技术，降低陶瓷窑炉排烟热损失是实现工业窑炉节能的主要途径。当前国内外烟气余热利用主要用于干燥、烘干制品和生产的其他环节。采用换热器回收烟气余热来预热助燃空气和燃料，具有降低排烟热损失、节约燃料和提高燃料燃烧效率、改善炉内热工过程的双重效果。一般认为:空气预热温度每提高 100，即可节约燃料 5%。(1)在换热器中用烟气余热加热助燃空气和煤气烟气余热加热助燃空气和煤气在日用瓷、卫生瓷、工艺美术瓷都可应用，窑头废烟气热交换结构图如图 1 所示。图 1 窑头换热器结构图利用烟囱排放的废热气循环进入热交换器进行热交换处理，干净并被加热的空气作为预热带的热气幕或助燃风，部分作为干燥窑热风，废烟气中的废物和水份在热交换器中因为温度降低而沉积被消化，使烟囱的废热气温度降低排量减少。(2)设置预热段或辊道干燥窑，用烟气余热干燥湿坯：建筑陶瓷常用。(3)设置余热锅炉，用烟气余热生产蒸汽;电瓷、日用瓷、美术瓷。(4)加热空气作为烘干坯件的热源：日用瓷、美术瓷、卫生瓷。1)日用陶瓷辊道窑中应用日用陶瓷辊道窑冷却带采用平顶结构，窑体尾部在 740的阶段之后，铺满无缝不锈钢管，在管内鼓入冷空气，通过不锈钢管壁的热交换，吸收窑尾热气，被加热后的热风分三条管路输送至坯体烘干线，用以烘干进窑前的陶瓷湿坯体。2)卫生陶瓷烧成中应用卫生陶瓷烧成中，在冷却带结构处理方面，除了采取延长冷却段比例外，还在冷却带的窑体内层墙和内层顶部采用耐热金属波纹板，将窑炉内腔和窑车制品隔离，形成马福式窑墙(如图 2 所示) ，由于截面大、且车速快，从烧成段带入冷却段的热量大，若得不到很好冷却，会造成出窑产品温度过高易产生产品风裂，如果冷却得太快，即鼓冷风量太大，不符合烧成产品的冷却曲线要求，则会产生炸裂等缺陷。所以，一方面需延长冷却带长度，即延长了降温周期，另一方面，要尽量减少鼓入的冷风对烧成产品的影响，故在冷却段相当一部分长度采用耐热波纹板做成的内金属墙的马福壁板，把烧成的产品连窑车一起包封起耒，波纹板和窑内壁形成一空腔，冷却风在空腔内流动，通过波纹板间接冷却烧成后的制品，既提高了热交换效率，加快了降温速度，又有利于提高推车速度，减少冷却风对坯体的直接影响。图 2 冷却带马福式窑墙结构图(5)利用烟气余热发电和供暖：电瓷、卫生瓷(6)利用冷却带余热作为喷雾塔干燥热源可取代原有的热风炉：建筑陶瓷5 先进的燃烧器是关键喷嘴使用时的温度控制容易出现偏差。由于高温火焰流因浮力而上升，形成窑内温度上高下低，使热电偶检测到的温度偏高，故造成热电偶所连接的仪表显示温度与窑内制品实际温度发生很大的偏差。采用新型高速喷嘴或脉冲烧成技术，可以使窑内温度变得均匀，减小了窑内上下温差，不但能缩短烧成周期，降低能耗，而且可以提高制品的烧成效果。特别对于宽断面的窑炉，采用脉冲比例烧嘴或高速烧嘴;对于烧成用水煤气的宽断面辊道窑，采用我们研制的二次预混式烧嘴，不但可以减小窑断面温差，而且可以节约能源 10%左右。6 选用高效的保温材料和涂层技术窑体热损失主要分为蓄热损失与散热损失。对于间歇式窑炉来说两者均存在，但连续式窑炉仅存在散热损失。减少热损失的主要措施是加强窑体的有效保温。并且在保证窑墙外表温度尽可能低的情况下，选用最合理最经济的材料以取得最薄的窑墙结构。高性能保温材料或绝热材料在陶瓷窑炉上的应用，将使陶瓷窑炉的窑墙结构发生革命性的变化，不但可以减少窑墙的蓄散热，而且可以大大地减薄窑壁的厚度，使窑壁的结构简单化。采用纳米保温棉的导热系数为 0.036w/(m k)，比常用的保温棉 0.15w/(m k)小近 3 倍，窑墙可减薄 75mm，窑炉外表温度下降 5，可达到 1:4 的效果。另外，为了提高陶瓷纤维抗粉化能力，增加窑炉内传热效率，节能降耗，可使用多功能涂层材料，如热辐射涂料。在高温阶段，将其涂在窑内壁的耐火材料上，材料的辐射率由 0.7提高到 0.96，可节能 138.3MJ/h;而在低温阶段涂上该涂料后，窑内壁辐射率从 0.7 提高到0.97，可节能 19.0MJ/h。7 计算机模拟和智能控制技术通过计算机对陶瓷制品的烧成过程进行模拟，可以对窑炉结构，烧嘴结构进行优化。利用计算机对在不同烧成制度、窑炉保温性能等条件下的窑内传热过程情况进行模拟，可以找出它们对窑内传热过程影响的定量关系。加强对陶瓷烧成过程的精确控制，利用智能模糊控制及计算机一体化控制技术做到有的放矢，可以大大提高生产效率，减少能源的消耗和浪费，而且可以达到控制有害气体排放的目的。在陶瓷窑炉中采用多变量模糊控制技术，为现场操作工人的操作起到了较好的指导作用，同时为生产车间的管理提供了科学的手段，大大加强了车间生产管理水平，还能够降低窑炉的燃料消耗，提高产品质量和合格率，给企业带来显著的经济效益。按生产实践证明，理想的控制系统可以节能 5%10% 。8 其他节能低碳技术8.1 陶瓷薄型化陶瓷的簿型化，除了瓷砖外，也包括日用瓷、卫生陶瓷和电瓷等。目前市面上的大规格陶瓷砖厚度一般都在 10mm 以上，大规格瓷片也在 10mm 左右，而大规格抛光砖厚度则超过14mm， “砖王”甚至厚达 25mm。如果瓷砖厚度由 10mm 降到 8mm，按目前我国墙地砖 90亿 m2 年产量计算，瓷砖减薄了 20%，则每年可节约原料 36006000 万 t，同时每年的综合能耗可减少约 1530 顿标准煤，经济效益和社会效益都非常可观，瓷砖的薄型化将成为行业未来发展的主要方向。蒙娜丽莎是国内陶瓷薄板的先行者，一经推出，就在行业内引发了一场节能减排的风暴;超薄板砖一般规格为 1000mm3000mm，厚度 36mm，比传统的陶瓷砖每平方米节约原料 30%60%，节约用水 63%，节约用电 26%，减少污染物排放 70%以上。8.2 陶瓷废料的资源化应用瓷砖的减轻不仅可以通过减薄来实现，还可以通过改变瓷砖的内部结构来实现。目前轻质砖是采用陶瓷生产废料为主要原料，通过加入特殊的发泡材料，在高温下烧制而成的一种具有陶瓷性能、比重小的功能性新型保温装饰材料。轻质新型建材与同类产品相比，单位面积建筑陶瓷材料用量降低 50%以上，节约 60%以上的原料资源，降低综合能耗 50%以上，主要性能指标均达到或超过国家相关标准，可广泛运用。2009 年以来陆续面市的轻质砖包括欧神诺的轻质砖、晶立方及蒙娜丽莎的 QQ 板等产品，在抛光砖的废渣循环利用上取得了突破。梅州某陶瓷企业用废瓷和低品位原种制备青花瓷，废料利用率 20%30%，烧成温度降低5080，节能 15%20%。潮州某企业利用 30%35%的废瓷和尾矿制备卫生陶瓷，烧成温度 1210，综合节能 10%，年节标煤 560t，CO2 减少排放 20%，年减少排放 1250tCO2，年处理工业废料 17500t，废料 15000t，尾矿 2500t。窑炉热效率 48.57%，余热利用率 39.29%，烧成工序能耗 162.8kgce/t 瓷。佛山摩德娜科技有限公司利用工业固废及陶瓷废料作原料，用湿法挤出成型技术制备陶板，与传统半干压成型方法相比较，可节约用水 50%，节省燃料 25%，节电 18%，固废排放可减少 20%，固废利用率可达 50%。9 因红外热成像测试热工设备外表面温度场9.1 窑墙外壁温度的测试辊道窑作为近三十年发展起来的新型快速连续式工业窑炉，目前已广泛应用于建筑陶瓷、日用陶瓷、卫生陶瓷工业生产中。为计算辊道窑墙体散热，不仅需要知道各层耐火材料和保温材料的导热系数与温度的关系，还要知道窑墙内外壁面的温度。而外壁面温度值的获取，一直是陶瓷热工技术人员所面临的一个难题。为此，选取某建筑陶瓷厂正常运行的辊道窑作为测试对象，尝试使用先进的红外热像仪对高温区窑墙外表温度进行测试，不仅可以直观的看到墙壁整体的温度分布情况，还能获得整体壁面的温度平均值和所需的各点温度值。图 3 是辊道窑烧成带辊棒上和辊棒下外墙表面温度的热像图。图 3 辊道窑烧成带辊上和辊下外侧墙表面温度热像图从图 3 中可以看出，棍棒位置周围是温度最高区域，越靠近棍棒外表温度就越高;而棍棒上整个区域的外表面平均温度为 86.8，辊棒下外表面为 87.5。利用日本产DRKCTHERMOMETER 表面测温仪(-50999) 进行相关点的测温，即从每个测试区域内的不同位置选取了六个点进行取点温度测试，每个点的具体温度见表 1 所示;辊棒上外墙表面六个点温度的平均值为 87.07，辊棒下外墙表面六个点的平均值为 90.63。由此可以看出，通过测点温度后取平均值所获的温度都要高于红外热像仪对整个平面温度测试后由仪器通过数据处理后所取平均值。取点测试由于取点位置的不同以及取点数的多少都会对最后的测试结果有很大影响，如把测量点放在靠近辊棒端头处，温度可过 300以上。而利用红外热像仪对整个表面温度进行扫描后取区域的平均值，实际上是测试面积内每个光点温度的平均值，不仅测试结果更精准，还可以同时获得整个外墙表面温度分布的直观热像图。另外，从热像图中可以清楚地看出，在每一根棍棒的周边形成一个圆环，在圆环处的温度特别高，有的点高达 400600。这是因为棍棒不断转动，使填塞在棍棒与棍棒砖之间的保温棉间形成缝隙，由于窑内为微正压，火焰便从缝隙中往外露即所谓的漏热现象。故加强此处保温棉的填塞和维护是关键。表 1 是图 3 中热像图中测试区域在不同位置选取的六个点的温度及其平均值，另外表格的最后一栏为红外热像仪对整个测试区域面所测试的平均温度值，其值都低于取点测试取平均温度值。图 4 辊道窑外侧某段表面整体温度热像图图 4 是辊道窑烧成带某一段区域包括辊上和辊下外侧墙的温度分布热像图。从图中可以看出，窑墙外壁中