（机械设计及理论专业论文）基于综合效益评价的陶瓷产品全生命周期理论研究及应用.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e d t o a c a d e m i cd e g r e e se v a l u a t i n g c o m m i t t e eo f m h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri ne n g i n e e r i n g t h e o r e t i c a lr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no f t h e l i f ec y c l et ot h e e v a l u a t i o no f t h ec e r a m i c p r o d u c t s ，c o m p r e h e n s i v e b e n e f i t s d o c t o r a lc a n d i d a t e ：t a n g l i a n g m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n a n dt h e o r y s u p e r v i s o r ：p r o f y a n g m i n g z h o n g m h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y w u h a n ，4 3 0 0 7 0 ，p r c h i n a n o v e m b e r 2 0 1 0 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研嘉生( 签名) ： 汤t 翱 日期沙，。，二岁研究生( 签名) ： 7 塑型一一日期一丝竺! 生竺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将木学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编木学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究叠( 盘名) ：翌垒导师( 砷1 0 。，i 五 日期 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学博士学位论文 摘要 建筑材料工业是重要的基础材料工业和原材料工业。近年来，经济的高速 发展以及大规模的基础设施建设虽然推动了传统建筑材料的发展，但是也带来 了资源过度消耗、能源短缺和环境污染等一系列问题。陶瓷是重要的建筑材料。 近些年来，我国陶瓷制造业取得了较大的发展，自1 9 9 3 年来生产和出口一直位 居世界首位，但在热耗、电耗、污染物排放等指标方面同国际先进水平仍存在 较大的差距。热工过程是实现节能、降耗、减少污染物排放的关键过程，也是 生产优质产品的重要保证，因此开展热工过程关键技术的研究不仅能促进我国 陶瓷制造技术的发展，增强我国陶瓷装备和陶瓷产品的国际竞争力，而且对实 现我国陶瓷制造行业的节能、降耗、清洁生产发展目标也具有重要的现实意义。 本文基于陶瓷行业的国内外研究现状，针对陶瓷产品综合效益相关的理论 及其若干关键问题进行了深入研究，主要内容如下： ( 1 ) 研究了陶瓷烧成的工艺过程，分析了窑炉内流体流动、传热、传质和物 理、化学反应等要素以及它们之间相互作用机理，结合烧成过程的建模方法， 根据实际工况，推导了窑炉内的换热与气体流动方程，建立了烧成过程的广义 数学模型，并确定了窑内气体流动与传热控制方程及其离散方法。在此基础上， 构建了基于c f d 的陶瓷窑炉热工过程建模与仿真平台。 ( 2 ) 研究了陶瓷热工生产过程的特点，分析了基于机理建模的局限性，考虑 到陶瓷烧成过程具有强非线性、强耦合性、不确定性和大滞后性的特点，建立 了基于动态优化的陶瓷烧成过程炉温预测模型，并通过改进的学习算法取得了 较高的预测精度，实现了预测模型的自适应性。 ( 3 ) 探讨了建筑陶瓷产品全生命周期理论，提出并分析了绿色陶瓷的生态友 好性、美学艺术性和经济性这三大基本要素和特点；研究了建筑陶瓷产品生命 周期评价l e a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n tl c a ) 的特殊性，并根据i s 0 1 4 0 4 0 系列标准 提供的生命周期评价的技术基础，评价了我国建筑陶瓷产品全生命周期的环境 表现；分析了基于全生命周期的建筑陶瓷涉及的生命周期成本构成，提出把建 筑陶瓷生命周期成本分为生命周期财务成本和生命周期环境成本，并分别建立 了各成本构成的相应计算方法和计算公式；根据建筑陶瓷全生命周期，建立了 h 武汉理工大学博士学位论文 b u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r yi s a l li m p o r t a n tb a s i cm a t e r i a li n d u s t r ya n dr a w m a t e r i a li n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , a sw e l la s l a r g e - s c a l ei n f r a s t r u c t u r a l c o n s t r u c t i o na r e p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e t r a d i t i o n a lb u i l d i n gm a t e r i a l s b u ti ta l s ob r i n g st h er e s o u r c e sc o n s u m p t i o n ，e n e r g y s h o r t a g e sa n dp o l l u t i o np r o b l e m s c e r a m i c s a r ei m p o r t a n t b u i l d i n g m a t e r i a l s r e c e n t l yc e r a m i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sd e v e l o p e dv e r yq u i c k l yi no u rc o u n t r y a l t h o u g ht h ep r o d u c t i o na n de x p o r to fc e r a m i c sh a v eb e e nr a n k e df i r s ti nt h ew o r l d s i n c e1 9 9 3 ，b u th e a tc o n s u m p t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，p o l l u t a n t se m i s s i o n se t c a r e c o n c e r n e d ，t h e r ei ss t i l lal a r g eg a pc o m p a r e dw i t ht h ea d v a n c e di n t e r n a t i o n a ll e v e l t h e r m a lp r o c e s si st h ek e yf o rs a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n gc o n s u m p t i o na n dd e c r e a s i n g t h ep o l l u t a n t se m i s s i o n ，a n da l s oa l li m p o r t a n tg u a r a n t e eo fh i g hq u a l i t yp r o d u c t t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nt h e r m a lp r o c e s st e c h n o l o g yn o to n l ym a yp r o m o t et h e d e v e l o p m e n t o fc e r a m i c m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , e n h a n c ei n t e r n a t i o n a l c o m p e t i t i v e n e s so fo u rc e r a m i ci n d u s t r ya n dc e r a m i cp r o d u c t s ，a n da l s oh a v e i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rs a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n gc o n s u m p t i o n ，c l e a n ，p r o d u c t i o ni nc e r a m i ci n d u s t r y b a s e do nt h es i t u a t i o no ft h ec e r a m i ci n d u s t r ya l lo v e rt h ew o r l d ，t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o nt ot h ee v a l u a t i o no ft h ec e r a m i cp r o d u c t s c o m p r e h e n s i v eb e n e f i th a v e b e e ns t u d i e di nt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ef i r i n gp r o c e s so fc e r a m i cm a n u f a c t u r i n gi ss t u d i e d ，a n dt h ef l u i df l o w , h e a tt r a n s f e r , m a s st r a n s f e r , p h y s i c o c h e m i c a lc h a n g e si nt h ek i l n ，a sw e l la st h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h e ma r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，c o m b i n e dw i t ht h em o d e l i n go ff h i n gp r o c e s s ，t h ee q u a t i o n so fg a sf l o w a n dh e a tt r a n s f e ri nt h ek i l na r ed e r i v e d ，t h eg e n e r a l i z e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i r i n g p r o c e s sa r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o n t r o l a n dd i s c r e t i o nm e t h o d su s e df o rt h e c a l c u l a t i o no ft h eg a sf l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h el 【i l na r ed e t e r m i n e d o nt h ea b o v e a n a l y s e s ，b ym e a n so fc f d ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rf i r i n gp r o c e s s i nc e r a m i ck i l na r ep r o p o s e d 。 ( 2 ) t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c si nc e r a m i cf i r i n gp r o c e s sa r es t u d i e d ，a n dt h e 1 1 武汉理工大学博士学位论文 l i m i t a t i o no f m o d e l i n g b a s e do nm e c h a n i s mi s a n a l y z e d c o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r o n gn o n l i n e a r , s t r o n gc o u p l i n g , u n c e r t a i n t ya n db i gl a gi nk i l n t h e r m a lp r o c e s s ，b a s e do nt h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nt h e o r y , t h em o d e li se s t a b l i s h e d t op r e d i c tt h et e m p e r a t u r e si nt h el 【i l n t h r o u g hi m p r o v e dl e a r n i n ga l g o r i t h m ，h i g h e r f o r e c a s ta c c u r a c yi sa c h i e v e d ，a n dt h ea d a p t a b i l i t yo f f o r e c a s t i n gm o d e l i sr e a l i z e d ( 3 ) t h el i f ec y c l et h e o r yo fb u i l d i n gc e r a m i c si sd i s c u s s e d a st h r e ef u n d a m e n t a l ， e l e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，e c o l o g yf r i e n d s h i p ，a e s t h e t i c sa n de c o n o m ya r e p r o p o s e da n de x p o u n d e d t h es p e c i f i c i t yo fl c a ( 1 i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) f o rb u i l d i n g c e r a m i c si ss t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lf r a m e w o r ko fl c ai ni s 0 1 4 0 4 0s e r i e s s t a n d a r d ，t h el i f ec y c l ee n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c eo fb u i l d i n gc e r a m i c si no u r c o u n t r yi sa s s e s s e d t h ec o n s t i t u t i o no fl c c ( 1 i f ec y c l ec o s t ) r e l a t e dt ob u i l d i n gc e r a m i cl i f ec y c l ei s a n a l y z e d i ti sp r o p o s e dt h a tb u i l d i n gc e r a m i cl i f ec y c l ec o s ti sc o m p o s e do fl i f ec y c l e f i n a n c i a lc o s ta n dl i f e c y c l ee n v i r o n m e n t a lc o s t t h em e t h o d sa n df o r m u l a s t o c a l c u l a t et h e s ec o s t sa r ea l s oe s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lb u i l d i n gc e r a m i c l i f ec y c l e ，t h ea n a l y s i sp r o c e s so fb u i l d i n gc e r a m i cl i f ec y c l ec o s ti sp r e s e n t e d ( 4 ) t h ei n t e g r a t e df r a m e w o r k o fl c aa n dl c ci ss t u d i e d ，a n db a s e do nt i m i n g m a t r i x ，t h ea l g o r i t h mf o r t h ei n v e n t o r ya n a l y s i si sp r o p o s e d t h ei n t e g r a t e de v a l u a t i o n i n d e xs y s t e mo fl c aa n dl c ci se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt ot h ee v a l u a t i o no ft h e c e r a m i cp r o d u c t s c o m p r e h e n s i v eb e n e f i t t h ei n d e xw e i g h t so ft h i s s y s t e ma r e d i s c u s s e d b a s e do nf a h p ( f u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ) a n de n t r o p y , c o m b i n i n gt h es u b j e c t i v ew e i g h t i n gm e t h o da n do b j e c t i v ew e i g h t i n gm e t h o d ，t h e s e t t i n gm e t h o do fi n d e xw e i g h t si n t h i ss y s t e mi sp r o p o s e df r o mt h r e ea s p e c t s ( e c o n o m i cc o s t ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o no fe n v i r o n m e n t a l ) t h ec a l c u l a t i o n o ft h ew e i g h t si sd e m o n s t r a t e di nd e t a i l ；t h eo b j e c t s ( m i n i m i z i n gl i f ec y c l ef i n a n c i a l c o s t ，m i n i m i z i n gl i f ec y c l ee n v i r o n m e n t a le m i s s i o n ，a r t i s t i cp e r f o r m a n c eo p t i m u m a n dm i n i m i z i n gl i f ec y c l ee n e r g yc o n s u m p t i o n ) a r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h el i f ec y c l eo ft h eb u i l d i n gc e r a m i cp r o d u c t s c o m p r e h e n s i v eb e n e f i t ， t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o di se s t a b l i s h e df i n a l l y k e yw o r d s ：c e r a m i c , t h e r m a lp r o c e s s e s ，l c a ( 1 i f e ，c y c l ea s s e s s m e n t ) ，g r e e n c e r a m i c ，l c c ( 1 i f ec y c l ec o s t ) i v 2 4 1 陶瓷窑炉c f d - n h t 分析技术2 8 2 4 2f l u e n t 软件的特点2 9 2 4 3 陶瓷窑炉建模与仿真平台的总体结构。2 9 2 4 4 陶瓷窑炉建模与仿真平台的功能模块。3 1 2 4 5 仿真平台案例研究3 2 2 5 本章小结3 4 第3 章基于动态优化的陶瓷烧成过程炉温预测：3 5 v 武汉理工大学博士学位论文 3 1 陶瓷的热工生产过程特点3 6 3 2 面向窑炉热工过程的动态预测模型3 7 3 2 1 动态神经网络。3 7 3 2 2 陶瓷烧成过程炉温分布预测模型3 9 3 3 3 预测模型中的神经网络结构4 1 3 3 4 预测模型中的数据集( 输入输出样本) 。4 2 3 4 回归神经网络的学习算法4 3 3 4 1b p 学习算法及其收敛性分析j 4 3 3 4 2r b f 神经网络j 4 4 3 5 改进的g q 心r b f 的学习算法4 6 3 6 基于改进学习算法的陶瓷烧成过程炉温预测与仿真5 2 3 6 1 预测模型的实现5 2 3 6 2 网络参数的设置及结果讨论5 5 3 6 3 基于时间窗的自适应组合预测模型5 6 3 7 本章小结5 6 第4 章建筑陶瓷产品全生命周期评价5 8 4 1 产品生命周期评价的相关理论与方法6 0 4 1 1 生命周期评价的概念及产生的背景。6 0 4 1 2 生命周期评价的实施框架，6 1 4 1 3 生命周期评价的指标体系6 3 4 1 4 生命周期评价的应用领域：6 3 4 1 5 生命周期评价的意义及其局限性：6 4 4 2 建筑陶瓷产品全生命周期理论6 6 4 2 1 生命周期评价对建筑陶瓷生产企业的作用6 6 4 2 2 我国建陶企业的绿色战略6 6 4 3 建筑陶瓷产品生命周期评价的特征：。6 8 4 4 建筑陶瓷产品生命周期评价6 9 4 4 1 目标与范围：7 0 4 4 2 清单分析7 0 4 4 3 环境负荷分析：。7 2 4 5 建筑陶瓷产品生命周期成本评估7 4 4 5 1 建筑陶瓷产品成本评估的概念7 4 4 5 2 建筑陶瓷产品生命周期成本的构成。7 4 v i 武汉理工大学博士学位论文 4 5 3 建筑陶瓷产品生命周期成本分析的流程7 9 4 6 本章小结8 0 第5 章生命周期评价和生命周期成本评估的集成8 1 5 1l c a 与l c c 集成框架8 1 5 2 基于矩阵的l c a 与l c c 集成框架的实现8 2 5 3 陶瓷制造阶段集成评价模型8 5 5 4 基于模糊层次分析法和信息熵法的影响评价集成8 7 5 4 1 建筑陶瓷综合效益评价指标体系确定原则及方法8 7 5 4 2 影响评价指标体系的集成9 0 5 4 3 评价指标赋权方法9 0 5 4 4 层次分析法a h p 9 3 5 4 5 模糊层次分析法f a h p 9 6 5 4 6 基于模糊层次分析法f a h p 和信息熵权e n t r o p y 的组合赋权9 7 5 5 基于多目标决策的陶瓷产品综合效益评价1 0 3 5 6 本章小结1 0 6 第6 章总结与展望。1 0 7 6 1 总结1 0 7 6 2 本文研究的创新点1 0 8 6 3 展 望1 0 9 参考文献1 1 1 i 改谢1 1 9 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文。1 2 0 附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目。1 2 1 v 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着国内经济的发展以及基础设施建设的不断升温，我国已成为建材生产 与消费的第一大国，建筑陶瓷工业成为我国建材行业5 大支柱产业之一【1 j ，在国 民生产和生活中占有了重要的地位。以2 0 1 0 年前五个月的统计数据为例，我国 的陶瓷砖产量已经达到了2 7 亿平方米，比去年同比增长了2 3 5 ，卫生陶瓷前 五个月比去年同期增长了1 0 ，达到5 4 0 0 万平方米1 2 j 。 我国是世界上陶瓷生产的第一大国，年出口量与出口额均居世界前列。2 0 1 0 年1 5 月出口达到3 0 9 亿平方米，比去年增长3 5 1 3 ，出口创汇额在全世界更 是独树一帜，达到1 3 亿美元，同比增长了3 5 【2 1 。总体上我国陶瓷装备整体技 术水平还处于发展阶段，陶瓷窑炉的开发目前主要以仿制和跟踪国外先进技术 为主。在高效燃烧器的开发、轻质窑衬材料的推广应用和新的燃烧技术研究方 面，比发达国家滞后近2 0 年。 陶瓷的生产是典型的流程制造过程，陶瓷工业的发展在外部条件上依赖于 原材料采掘、电力、燃料能源、水资源及至运输工业等行业的配合和支持；在 陶瓷生产流程内部，依赖于陶瓷装备制造以及陶瓷制备工艺的发展和进步；同 时陶瓷制造流程工序多、物理化学变化过程复杂，制造流程伴随着大量的物质 和能量排放，陶瓷工业链条上所产生的c 0 2 、污水及粉尘，噪声等废弃物，最终 又严重影响着人类赖以生存的生态系统。 陶瓷工业已成为我国各行业中的“耗能大户之一，能源成本也已占到整 个陶瓷生产成本的2 3 - 4 0 1 3 】。为此，在国家发改委公布的“十一五 十大 重点节能工程实施意见中，“燃煤工业锅炉( 窑炉) 改造工程位居十大重 点节能项目首位【4 1 。与国外先进水平相比，综合热耗高、环境污染较大、产品质 量受限已经成为我国陶瓷行业可持续发展的主要障碍。 资料显示，2 0 0 9 年我国陶瓷砖进v i 平均单价为1 8 6 9 美元i n 2 ，出1 2 1 均价4 1 8 美元m 2 ，出1 2 1 价格仅为进口价格的2 2 3 。卫浴陶瓷进口平均单价为9 4 9 3 美元 件，出口均价为1 3 9 4 美元1 牛，出口价格为进口价格的1 4 7 。随着国际市场 能源的需求不断加大，供应不断紧张，能源的价格不断攀升，陶瓷制造企业如 何以“低能耗、高环保、优质量参与全球行业竞争成为我国广大陶瓷制造企 就生产制造环节而言，陶瓷的生产链较短，在生产工艺确定后，关键是窑 炉内热交换过程及坯体内部传热过程的紧密配合。窑炉的结构是根本，如果没 有一个合理的结构设计，再好的烧成工艺，要想提高窑炉的热工性能，也是非 常困难，甚至是无能为力的。 2 武汉理工大学博士学位论文 陶瓷装备业属于机械装备制造领域，并不是高能耗高污染行业，其对资源与 环境的压力是通过下游的制陶企业间接感知的。在2 0 0 9 年举行的第六届中国陶 瓷装备发展高层论坛上，与会专家学者和行业代表一致认为：陶瓷装备是陶瓷 产业发展的基础，必须从优化产品结构入手，推动陶瓷产业把节能减排落到实 处。因此，亟需陶瓷装备企业与下游制陶企业密切合作，以设备的大型化、自 动化和智能化实现规模效益与节能降耗。本课题通过对陶瓷烧成过程传热传质 特性的分析以及窑炉内温度分布特点的研究，运用生产和热测数据寻求陶瓷烧 成过程热工性能的规律性，旨在构建一个通用的陶瓷窑炉的仿真平台并且为窑 炉内温度合理分布的控制提供科学的依据，这对于指导开发高效、低耗新型陶 瓷烧成装备具有重要的理论和现实意义。 ( 2 ) 对于陶瓷制造企业 陶瓷产品的缺陷一般都要经过烧成后才能发现，而且烧成后缺陷一旦产生 就无法挽回，故俗话说陶瓷是“生在原料、死在烧成 。传统陶瓷制造技术的产 品设计过程和制造过程相分离，使得从产品设计开始到生产工艺的定型需要大 量的反复修改；依靠“经验+ 试验 方法制订工艺。这种传统方式，开发周期长， 创新能力和可持续发展能力不强，其主要原因就是因为缺少一个科学的能全面 描述整个陶瓷生产制造过程的模型，因此，在陶瓷制造企业现场测试实际工况， 并与陶瓷装备制造企业开展积极合作，为窑炉的仿真设计平台和先进控制技术 提供数据支撑，让陶瓷装备的制造更加具有针对性，从而保证先进的工艺能有 优秀的设备平台去实现，打造陶机和陶瓷制造企业的利益共同体，实现全行业 的技术创新，去积极占领世界陶瓷行业的“高地。 我国是能源资源相对贫乏的国家，随着能源环境的代价越来越高，人类越 来越关注和重视能源消耗和环境排放问题。兼顾环境、友好共处、和谐发展的 人类社会进步理念日益得到人们的共鸣。企业永远是趋利的，要求单个企业站 在整个行业的高度去承担所有的社会责任是不合理的【6 1 。本课题通过引入生命周 期评价，并结合陶瓷行业的特点，使陶瓷企业在综合评价能源消耗、环境排放 的基础上保证经济效益的最大化和可持续发展，这样更加符合企业运营的规律， 让企业在严格遵守国家强制性标准的前提下，更加积极的投资技术的革新和先 进设备的引进，提高企业的核心竞争力并为全行业实现节约型、清洁化、可循 环的绿色经济生产方式奠定基础。 “加快建设资源节约型、环境友好型社会 是全面建设小康社会的一个重 3 陶瓷窑炉是陶瓷、建材等行业广泛使用的大型非标准热工设备，主要用于 制品的烧成，其设计与运行质量，在很大程度上决定产品的质量与企业经济效 益r 刀。改革开放以来，我国工业窑炉技术的发展有了长足的进步，但总体上仍落 后于世界先进水平，主要原因在于燃烧系统及其优化节能控制技术、污染物生 成和排放控制技术等方面存在瓶颈。目前，我国具有一定规模的陶瓷装备制造 企业已达到2 0 0 多家，东南沿海已形成出口陶机整套装备的产业集群，仅佛山 4 武汉理工大学博士学位论文 一地就聚集了陶机企业1 0 0 多家【刀，我国工业窑炉的平均热效率只有3 2 左右， 而发达国家的工业窑炉的平均热效率却已达到5 0 左右，同时，工业窑炉排放 出大量的c 0 2 、n o x 、s 0 2 等有害气体，是大气污染的主要污染源之一嗍。 当今工业窑炉正朝数字化、智能化和绿色化的方向发展 9 1 。美国的p a r a g o n 公司于2 0 0 4 年率先推出了基于电热的“多功能数字窑炉 ，该窑炉最高烧成为 1 2 8 0 度，在烧成时由上下左右及两侧总共6 个部位同时进行加热，大大提高热 效率利用，减轻劳动强度，缩短烧成时间，其还配备有先进的数字化自动控制 系统，并且设计了专门用于烧成陶瓷釉料产品采用的自动控制程序1 1 0 】。 在陶瓷工业中，使用较多的主要窑炉有：隧道窑、辊道窑和梭式窑三大类。 其中，辊道窑是近几十年发展起来的新型快烧连续式工业窑炉，具有产量大、 质量好、烧成周期短，能耗水平低，自动化程度高等特点，而且其窑内温差小， 气氛均匀稳定，易于控制，使得产品质量得以保证，是当今陶瓷窑炉的发展方 向【1 1 】。目前已广泛用于釉面砖、墙地砖、彩釉砖等建筑陶瓷工业生产。辊道窑 属连续性工作窑炉，是一个包括燃料燃烧、流体流动、传热、传质等多种热工 过程的综合系统。辊道窑的结构设计包括：窑体主要尺寸计算、燃料燃烧计算、 热平衡计算、通风阻力计算等。我国现在的窑炉设计主要以在采集先进窑炉的 数据和实践中得到的经验数据基础上，加以模仿、类比、推绎。对工业炉的整 体研究开发明显不足，特别是科技含量高的工业炉工程技术非常缺乏。总体上 设计体系的完整性和深度与世界一流窑炉制造商仍然有很大的差距。 目前，窑炉技术水平已达到运行辊道化，燃料气体化，烧成自动化、窑体 轻量化及节能化等目标与水平。为了满足客户个性化的需求以及当前多品种、 小批量生产方式，传统的辊道窑正朝大型化和微型化( 小型化) 两个方向发展。 辊道窑的大型化主要体现在其窑宽和窑长上，目前宽体辊道窑的最大窑宽已经 超过3 米，最长的辊道窑已经超过3 0 0 米。近年，有一款被国际窑炉界称之为 “新一代袖珍辊道窑”问世，该窑炉长度为1 5 米，炉内宽为0 4 0 米，可运用于 连续烧制宽度为0 3 6 米，高0 5 5 米的陶瓷制品。烧成温度为1 3 0 0 度，最高可 达2 0 0 0 度，烧成不需要燃烧设备，不需要通风设备。烧成方法采取侧面上下夹 烧方式，烧成气氛可以很方便地任意调整。适宜于现在国际市场变化快，定货 品种多，但定货量小等特点。 1 3 2 窑炉热工烧成过程的数值模拟 5 燃烧过程的分析和预测问题，为工程应用提供可靠依据。 在国内，自上世纪九十年代以来，对陶瓷窑炉内气体流场的研究较集中， 主要研究窑内气体流场的分布情况，分析了流场对窑内气体温度场的影响。高 力明、胡国林、曾令可【2 1 彩l 等分别对辊道窑窑内壁温度场、烧成带气体流场与 温度、烧嘴等进行了卓有成效的研究。提出了计算辊道窑内壁温度的数学模型 武汉理工大学博士学位论文 及模拟方法，并对辊道窑内壁温度场进行了计算机模拟，得出了辊道窑预热带 与烧成带的内壁温度比制品温度高的定量结论；2 0 0 1 年，李竞先、吴基球、尹 虹【2 5 1 ，研究了宽断面隧道窑中，窑炉结构、材质、燃料以及产品烧成曲线与综 合热耗之间的关系，并利用计算机仿真，模拟了各项参数与烧成温度曲线和综 合热耗优化之间的关系；2 0 0 4 年，中南大学欧俭平等【2 6 , 2 7 对应用了蓄热燃烧技 术的加热炉的燃烧、传热过程进行了研究；上海电力学院仇中柱等i 冽建立了燃 气红外热水锅炉无焰燃烧炉膛内流动和传热的三维数学模型，并运用f l u e n t 辐射 模型中的d o ( d i s c r e t eo r d i n a t e ) 模型对炉膛的换热计算进行了数值模拟；2 0 0 6 年， 华南理工大学李萍，曾令可等【2 9 】设计了窑墙温度场数值模拟系统，并利用所开发 的系统程序进一步研究了窑墙各层材料物理性能参数及其厚度等对升温过程中 窑墙内温度场、温度梯度、窑墙蓄热及散热的影响；华南理工大学吴建青等侧 建立了梭式窑空气动力模型，并对内部紊流流动与传热进行了数值模拟研究， 得出了烧嘴射流的流动过程以及烟气速度场和温度场的分布特征，分析了料垛 之间以及料垛局部换热的不均匀分布特征和成因；武汉理工大学孙巍1 3 l j 利用计 算流体力学商业软件f l u e n t 对陶瓷辊道窑高温带的流场进行了研究，并通过数 值模拟，得到了窑内流场的基本结构、分布特点、分布规律及其对窑炉性能的 影响，研究不同入口速度及有烟气流动等因素对窑炉内流场的影响；2 0 0 7 年， 山东大学王世峰【1 l 以某卫生陶瓷煤气明焰隧道窑为研究对象，在大量实验数据的 基础上研究了运行控制变量对烧成制度及排烟量等参数的影响；2 0 0 9 年，武汉 理工大学饶文碧等【3 2 】通过试验中采集到的窑长、窑宽、窑高、燃料的流速、喷 嘴的位置坐标以及窑炉内的氧气气氛等信息，将粒子群优化算法和计算流体力 学相结合，通过f l u e n t 软件的数值模拟，得出了炉内温度场分布的最优状态。 1 3 3 烧成过程炉温制度的研究 陶瓷制品的烧成过程，要求在特定的烧成制度下进行口3 1 。维持这一热工制 度的稳定，是陶瓷窑炉正常生产的前提。现代陶瓷工业窑炉烧成制度的控制方 式是以温度控制为主，压力和气氛的调节为辅，即在满足烧成温度制度的基础上， 对压力和气氛制度进行辅助调节。在生产实际条件下，较多的不稳定因素使得 陶瓷工业窑炉普遍存在着温度控制难以达到满意效果的问题，严重地影响了陶 瓷工业产品的产量和质量。目前，对于窑炉温度制度的研究主要集中以下两个 7 武汉理工大学博士学位论文 方面： ( 1 ) 通过数学建模的方法构建窑炉的控制模型，并将先进控制技术及控制策 略引入陶瓷窑炉中，以实现较为精确的温度和压力控制，提高其控制质量，从而 提高产品质量，并在此基础上寻求最佳的燃烧过程，提高热效率，以达到节能、提 高制品质量的目的。 ( 2 ) 新型燃烧技术的应用，也使得燃烧器的研究成为行业内的热点。 基于这两方面，国内外学者以及企业都做了大量的研究工作。 1 烧成制度的控制系统 传统的控制方式采用仪表控制或计算机和仪表双重控制的控制方式， 由于仪表控制分散性大，无法实现协同控制，温控精度低，实时性、可靠性差， 难以达到工艺水平要求，虽然在中小企业中仍在广泛使用，但是其市场份额正 在逐年减少。目前辊道窑采用的控制系统主要有p i d 智能仪表控制、嵌入式系 统控制、p l c 控制、集散式控制系统( d c s ) ，另外，现场总线控制系统( f c s ) 、 工业以太网控制系统、嵌入式控制系统等新型控制系统也已经开始研究，或实 现初步应用。有的窑炉公司进口了国外的燃烧控制设备或系统，但难以与企业 现有的设备资源有效融合，发挥不了进口产品的最大效益。中国科技大学王嵩 等【3 4 1 对一上世纪9 0 年代初从意大利引进的采用p i d 控制的燃油辊道窑进行改 造，设计了基于c a n 总线的计算机控制系统；武汉理工大学陈作炳、张鸿宇【3 5 ，3 6 】 等设计了基于高速以太网现场总线的陶瓷辊道窑控制系统、c a n 总线的陶瓷辊 道窑控制系统、基于嵌入式的辊道窑控制系统，还利用面向对象的设计方法研 究了陶瓷窑炉的智能c a d 系统。 在控制策略上，国内外的研究主要集中在多变量的解耦控制【3 7 。3 9 1 、模糊控 制【3 0 , 4 0 , 4 、神经网络 4 2 , 4 3 1 等在工业窑炉中的应用，国外研究人员也提出了将遗传 算法、神经网络、模糊控制等多种控制策略相结合h *