大截面烧卫生瓷隧道窑的节能分析

　　摘 要：唐山梦牌卫浴120 m×4.3 m×1.2 m超高、超宽体隧道窑一次投产成功，产品烧成合格率达98%以上，单位产品热耗776.36 kcal/kg瓷，单位电耗为12.18 kW・h/t瓷，窑炉的热效率达62.8%，取得非常理想的应用效果。本文结合窑炉结构及实测数据进行窑炉的节能分析，祈望能为行业的节能降耗，产质量更上一层楼，增加企业市场竞争力有所裨益。

　　关键词：卫生陶瓷隧道窑；超大截面；低能耗；高效率1 前言

　　卫生陶瓷生产是属于能耗较高的产业，尤其是烧成工序，占整个陶瓷生产总能耗的65%以上。由于卫生陶瓷坯体普遍比较大而结构复杂，在烧成过程中一定要按其坯体及工艺制度的特点，升降温度要求比较平缓、烧成时间比较长，有的多达几十小时，故想�用快速烧成达到增加产量是较困难的。多年来，陶瓷行业为增加产量，节能减排倾注了大量的心血，特别是在窑炉结构的优化、新型窑炉、新型保温材料及新型烧成技术等方面花费了很大功夫，在超宽断面窑结构上取得了很大的成果，应唐山梦牌瓷业有限公司要求，佛山兴中信工业窑炉设备有限公司设计建造了长120 m、宽4.3 m、高1.2 m隧道窑并一次投产成功，取得了非常理想的节能效果，这既符合我国的节能减排政策，又为企业降低成本、增强企业市场竞争力发挥了积极的作用。

　　2 窑炉结构

　　2.1 宽窑是提高产量的关键

　　长期的实践证明，要想卫生陶瓷烧成产量高、质量好，窑炉的结构是关键，传统的隧道窑为了适应卫生洁具的烧成，其截面比较小，一般在1.5～2.5 m较常见，而窑高为了保证窑内同平面水平温差及预热带垂直方向上温差小一般在0.8 m以内。如果要把窑内宽和窑内高都扩大，实现用户对内宽4.3 m的要求，窑内截面加大之后如何满足烧成过程的温度、气氛及窑压分布等工艺要求及窑炉的结构要求，特别是如何保证窑炉内温度均匀性的要求，这便是宽体隧道窑设计上的关键，也是宽体窑实施中的瓶颈。

　　以常见的截面内宽为2 m×装高0.8 m为例，其装载截面为1.6 m2，若设计超大截面内宽为4.3 m×装高1.2 m，则装载截面为5.16 m2，接近增加3.23倍。按窑产量与窑炉结构关系：

　　G=V×k×g/t=L×W×H×k×g/t

　　其中，L-窑长；

　　W-窑宽；

　　H-窑高；k-产品合格率；

　　g-体积装窑密度；

　　t-烧成时间。

　　如果窑长、窑高、体积装窑密度、烧成时间及产品合格率不变，窑截面增加了3.23倍，窑产量理论上可增加3倍以上。据梦牌白总介绍，旁边有一条传统隧道窑日产约为1500件，耗燃气约4500 m3，本窑日产4800件，耗燃气约7600 m3，相比之下燃耗增加了1.7倍，而产量却增加了3.2倍。

　　若窑炉长度相同，进车速度相同，则进坯量也会3倍以上增加，坯体中的挥发物、含水量，坯体的吸热量，烧成制品后带入冷却带的余热量都将相应增加。为满足超大截面窑炉结构对烧成洁具的要求，相对于常规截面的隧道窑，一定要采取一些有效的技术措施，以�n决因窑截面增加所带来的矛盾。图1为本项目烧卫生瓷4.3 m宽、1.2 m内高隧道窑。

　　2.2 合理安排三带的长度以适应洁具的烧成

　　窑炉全长为120 m，每个单元模数长为2 m，共60单元。窑车装载尺寸1.52 m×4 m×1.2 m。

　　（1） 预热带长22 m，占全窑长的18.33%，编号为1-11单元，第10-11单元设置下排调温烧嘴。

　　（2） 烧成带长52 m，占全窑长的43.34%，单、双排烧嘴段长度各占一半，即长26m，占21.67%，编号分别为第12-24单元和第25-37单元。（第37为过渡段）。

　　（3） 冷却带长46 m，占全窑长的38.33%，其中，急冷段长度 10m，占8.3%，编号为第38-42单元，缓冷段长度 16m，占13.3%，编号为第43-50单元。

　　（4） 快冷段长度 20 m，占16.7%，编号为第51-60单元。

　　2.3 优化窑墙结构及砌筑材料保温节能

　　（1） 窑体砌筑部分全部采用高档轻质耐火保温材料分区段选材，内衬要求热稳定性好，不落脏。考虑窑炉的长期使用寿命，900 ℃以下窑墙内衬选用JM23轻质莫来石砖，900～1280 ℃窑墙内衬选用JM26轻质莫来石砖。窑体保温部分根据温度的不同分别采用导热系数低、蓄热量少的岩棉毡、普通纤维毯/毡、标准纤维毯、高纯纤维毯、高铝纤维毯等进行优化组合及多层砌筑，不但隔热保温效果好，而且使用寿命长，另外，为了进一步降低窑外表温度，全窑曲封以上外墙面增加一层8�L厚硅钙板加强密封作用，防止窑内热量散失；硅钙板交接位置还用白色水泥密封，并延伸到窑墙砌筑凳上。整体保温效果理想，窑外表温度也较低。实�y烧成带25-36单元窑外壁温度为45.1 ℃，窑顶表面温度为64.6 ℃。

　　（2） 加强窑体曲封处理

　　窑车边围砖与窑墙之间设有双磨擦曲封结构，曲封间隙为20�L，窑墙曲封为重质砖，窑车曲封为中空砖，如有异物掉下发生磨擦不致损坏窑墙曲封，不影响窑体的使用寿命。窑墙与窑车除了多道曲封外，在最上层采用窑车耐火纤维与窑墙曲封砖全接触，既满足安全运行，又提高密封作用。窑车之间的密封除了采用曲封砖密封，还在曲封的垂直面处粘贴耐火纤维，利用纤维的弹性，弥补窑车安装及运行产生的间隙，加强密封。

　　（3） 做好砂封槽的设计

　　除了对砂封槽结构的精确设计和窑体框架焊接外，砂封也改变了过去单一粗裸粒，单号砂的习惯，因粗裸粒本来就孔隙大，且单号砂间隙得不到填补，漏风量大。所以，设计中采用了粗细不同级配的混合裸粒，合理搭配，提高了堆积密度，减少漏风量。 　　2.10 抽热风及余热利用系统

　　在缓冷段采用窑墙和窑顶抽热方式，抽热风机抽出热风送烧成窑旁的干燥窑，供热风机将过滤后的空气鼓入换热器，经烟气加热后也送到干燥窑作传导辐射加热（直吹方式）和辐射加热（暖气方式）热源。潮湿气体经排潮口由排潮风抽出，经烟囱排出。排潮风机为变频控制，控制风机的排湿量，保证干燥窑前部空气温度、湿度满足干燥工艺要求。为了保证较好的干燥效果，并满足产品的干燥工艺要求，在干燥窑侧部不同位置设有相应的热工测量孔，根据温度检测来控制干燥。测温点选用温度计，现场显示。

　　干燥窑为框架结构，钢架主要采用优质方钢管精密焊接而成。窑墙及窑顶保温材料由内到外为：8 mm硅钙板外+50 mm带铝箔岩棉板+装饰板结构。

　　送热风机为7.5 kW不锈钢高压离心风机（进口设计过滤器），送热风管路为不锈钢，其外用纤维毯保温，外包铝皮，排潮风管为A3钢卷管，排潮风为7.5 kW普通风机，并置于风机平台上。干燥窑整体美观实用。通过干燥窑干燥，实测坯体的含水率为1.2%以下，为适应烧成窑中预热带的升温要求创造必要条件，经测算余热利用率可达55.01%，达到较为理想的余热利用效果。

　　2.11 车下冷却风系统

　　为防止车下温度过高，车下设有冷却风系统。在烧成带和冷却带窑车下部设置吹风管，向车下吹入冷空气。

　　3 烧成技术

　　隧道窑是一种横焰式窑炉，结构上容易引起同一截面上下温度不均匀的缺点，特别是在预热带，截面上下温差大，严重地影响着陶瓷产品烧成质量。这也是早期隧道窑多是窄断面、内高低的主要原因。要想实现宽断面，除了要有好的窑炉结构外，一定要有好的烧成技术以�n决窑炉内温差大的瓶颈。

　　3.1 脉冲喷枪烧成

　　影响陶瓷窑炉烧成质量的三大关键因素是温度制度、压力制度和气氛制度。烧成温度高低及温度的均匀性是直接影响产品的烧成质量关键。一般的喷枪很难适应大截面（超宽超高窑炉烧成），脉冲燃烧的实质是调节喷枪加热时间的长短，当热电偶检测到本温区温度偏低时，经过分析处理后转换成脉冲信号送脉冲执行器，打开电磁阀以大火状态喷入燃气，待温度达到设定的温度后转换为小火脉冲状态喷入燃气，通过改变大、小火脉冲时间的长短可以达到设定温度的目的。全窑共设置108支脉冲控制烧嘴，每组燃气烧嘴分别设有电磁阀、空燃比例阀和燃气手动阀门。助燃风路设有脉冲执行器和风路手动阀门。每个控制组包括：3只脉冲烧嘴，1只分组空燃比例阀，1只分组电磁阀，1只风路分组脉冲执行器，3只气路手动球阀，3只风路带刻度阀脉冲燃烧时，燃烧器只需设定有最大火、最小火状态。当烧嘴系统调整好这两种状态以后，在以后的工作中，只要对其不作新的变动，这两种状态的重复性非常好，而且只需要这两种状态就可以满足各种烧成的需要，这一特点从两方面反映出来，一是脉冲燃烧系统中，它可以对窑内某一个控制区域的温度做出合理调节；二是烧嘴高速脉冲会在窑内产生强烈搅动，气流流动更加强烈和均匀，炉膛内温度均一性非常好。

　　本窑在预热带、高温带每个断面设置2-3个热电偶，急冷和尾冷顶部设置热电偶，窑体共计66个测温点，实时显示温度，严格监控同一断面温度分布情况。为了使窑内达到理想的温度制度及温度的均匀性，窑前预热带末端设计安装8支烧嘴为手动调节二次风烧嘴，设有烧嘴控制及自动点火器。一般情况下，要使燃气和助燃空气始终保持理想的配比是不太容易的，这是因为各种比例调节阀或其他调节器实际上只是近似于线性的。但脉冲燃烧系统中，只需在烧嘴最大火这一个工作点上调节到理想配比，则每一次燃烧都处于理想配比，因此燃烧非常充分，节能效果非常明显。

　　3.2 降低烧成温度、稀码快烧

　　据热平衡计算可知，若陶瓷的烧成温度降低100 ℃，则单位产品热耗可降低10%以上；烧成时间可缩短10%、产量可增加10%。合作企业梦牌卫浴通过选择适合低温快烧的坯釉原料、添加适量的助溶剂和改善坯釉料的烧成方式，使烧成温度从传统配方的1280 ℃左右降为1205 ℃，足足降低了75 ℃，降低烧成温度有利于提高陶瓷成品率、质量和档次，以及延长窑炉和窑具的使用寿命；同时可以显著降低烧成中的能耗，降低生产成本。

　　从图1可见，所烧成制品均为座厕及水厢，分两层码坯，整齐而有规律，典型的稀码，垫板和支柱均为空心耐火材料而减少蓄热量，这种低蓄热式窑车及垫板材料有利于快速烧成，坯体的稀码更有利于热气流搅拌和旋转，加快热的传递和升降温速度，推车速度快至12 min左右，这也是窑炉产量大（4087 kg/h）、能耗低（110.73 kgce/t）、烧成质量高（成品率达98%以上）原因之一。

　　3.3 燃气总管控制

　　燃烧系统控制包括对燃气主管设备、燃气支管路系统、助燃供风系统等的综合控制。

　　供气管道均为成型不锈钢无缝钢管制作而成。阀门为密封良好的优质球阀，燃气经过总管、过滤、稳压、支管等到烧嘴。为保证供气系统的安全，在供气主管上配置有手柄球阀、压力表、过滤器、调压阀、电磁阀、上下限压力开关、旋极旋流流量计、溢流放散阀等，进口和出口各有一块压力表现场显示进出口管路压力。压力开关分别控制燃气压力最高限和最低限。总管示意图如图3所示。

　　3.4 可靠的计算机控制系统

　　该窑烧成过程采用浙大中控计算机控制，包括电脑、智能调节仪、电磁阀、电动执行器和热电偶等。并配置数据采集卡和机内机外的隔离器件，利用计算机专用工控软件包进行编程开发。温度的正常与否由热电偶来检测，火焰的大小由电动执行器来调节，它们都由电脑和智能调节仪按设定的烧成曲线进行控制。计算机控制系统不仅能实现对窑炉温度的自动控制，还能实现对窑炉各系统的综合控制，并能自动记录、打印及画面语言提示，另外计算机还能根据烧成要求模拟并储存多种烧成制度曲线，同时烧成曲线参数可按需要随时修改。