宽体辊道窑在建陶行业中的节能分析

王 慧 刘晓红 曾令可 程小苏 刘华锋

（华南理工大学材料学院，广东广州510640）

0 引言

在能源危机日益严峻的今天，国家对工业能源消耗及污染的控制不断加强，陶瓷行业面临越来越大的节能减排压力，如何有效的减少能源消耗，降低有害废气的产生及排放，特别是陶瓷窑炉等热能消耗设备的优化改进，已成为各陶瓷企业的当务之急。我国自上世纪八十年代引入辊道窑至今，通过技术引进消化吸收后获得长足的发展，由单线生产规模发展到多线生产，长度由几十米发展到现在的300～500 m，内宽从1 m左右发展到3 m以上，产量更是成倍甚至十几倍的增加。从依靠进口窑炉设备到大量出口国外，占领国外市场。在资源有限、成本高涨等不利条件下，宽体节能辊道窑的优势更不断显现出来，宽体窑的研制开发成为了中国窑炉未来发展的主流方向之一。

1 宽体窑的研究现状

宽体窑炉，主要是指内宽3 m以上的陶瓷窑炉。多年来，我国陶瓷行业中采用的窑炉内宽大部分是在2.5 m左右，超过3 m的宽体窑炉只是在最近几年才出现。图1为广东摩德娜科技股份有限公司设计的MF S宽体辊道窑，窑宽为3.1 m，窑长为240 m。中窑开发的超级节能辊道窑，窑宽在3 m以上，最长为429 m，可生产800×800 mm微粉砖2200 m2/d。宽体窑最初在内墙砖的生产中使用，效果也比较好，但用于大规格抛光砖的烧成中则出现了较大的问题。因为窑炉的宽度增加，容易造成窑内截面温差较大、烧成时间控制难、产品走砖紊乱、制品出现色差等问题，其中温差问题和快烧问题是制约宽体窑快速发展的瓶颈。宽体窑内同水平截面温差较大时，同一地砖在窑内烧成温度不一样，会引起色差和烧成收缩变形不一致，会对出窑坯体的颜色和平直度产生较大影响，同时会造成砖坯在抛光后出现阴阳色差和变形等缺陷；甚至有时局部温度过高会出现高温溶洞，而低温部分则出现欠烧等问题。宽体窑的烧成周期相对较慢一些，如果强制提高烧成速度，则会使制品烧成质量下降。随着窑内温差问题的解决和快烧烧成技术的发展，宽体窑在同等产量下，单位生产成本及能耗更低，更加符合陶瓷发展的方向。

2 结构上的特点

辊道窑炉宽度增大，无形中长度也相应增加，窑长的增加对窑内气体的流动、窑压的分布、温度梯度、窑内气氛及砖坯的运动等都有很大的影响。为了保证烧成质量，故在窑炉的结构及工艺制度的选择上非常关键。

（1）窑顶结构上的特点。早期辊道窑多数采用平顶吊顶方式，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，但由于窑通道矮，30～50 c m，故气体流动阻力大。特别在烧成带，通道不高，降低热辐射厚度，因在高温段的传热方式以辐射传热为主，约占80%左右，故热效率低。各窑炉、机械设备公司总结实践经验，一致认为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）窑墙结构优化。采用合理的窑墙结构和优质耐火材料，可减少窑壁的散热、减薄窑壁厚度、减少棍棒长度，或棍棒长度一定情况下，可增加窑内有效的宽度。如广东摩德娜经验可减薄75 mm，窑外壁温度60℃以下。

（3）高强度棍棒或异型棍棒采用。可减少高温下砖的变形，提高产品质量，特别是异型棍棒的使用，使窑内走砖平直，砖变形小，提高产品成品率，如图1所示为烧成后制品出窑情况，出砖整齐、平直。

（4）适用的烧嘴及助燃风的预热。在宽窑中烧嘴的选用是关键之一，佛山某厂10年前建了一条窑宽3 m的窑，不管采用什么手段，均烧不出合格的产品。然而十多年后的今天，采用二次预混烧嘴，完全可以烧制合格产品，不但成品率极高，而且可以节能10%左右，故宽窑中烧嘴的型式及火焰长度、火焰温度的控制十分重要。助燃风的预热非常关键，按科达、摩德娜等多家窑炉公司的经验，通过热交换等形式，把助燃风加热到150～250℃，节能可达8～12%。

3 宽体窑的节能分析

3.1 提高产量及效率达到节能

陶瓷窑炉的产量跟窑的宽度成正比，窑越宽，产量越大，故宽体辊道窑最大的优势在于提高了产能，减少了单位制品的能耗。以广东摩德娜科技股份有限公司推出的3.1 m宽、240 m长的宽体窑为例，传统窑炉走800 mm×800 mm砖两片，而宽体窑内可以放置3片800 mm×800 mm砖，产能可以达到15000 m2/天，产量提高了50%。若用于生产600 mm×600 mm型号的砖时则可以并排放置4块砖。而国际知名陶瓷机械设备制造商萨克米为金舵抛光砖生产设计的“四机一线”设备，即四台压机配置一条窑炉，该窑内宽达3.15 m，窑长270 m，产量能够达到16000 m2/天-18000 m2/天。另外，萨克米公司在2012年广州陶瓷工业展上首次推出内宽为3.85 m超宽体辊道窑，使得宽体窑向着更高产能的方向发展。

3.2 节约燃料达到节能

不断降低陶瓷窑炉单位能耗，也是窑炉设计的发展方向。国内陶瓷窑炉的单位能耗为750～800千卡/公斤瓷，与国际领先标准430～450千卡/公斤瓷相比，仍具有较大的差距。在同等生产条件下，宽体窑不仅能够提高陶瓷产量，同时能够大幅度降低产品生产的单位能耗。表1为某天然气宽体窑在生产600 mm×600 mm砖时与普通宽度窑炉在单位气耗和单位电耗的对比情况，表2为某水煤气宽体窑在生产800 mm×800 mm砖时与普通宽度窑炉在单位气耗和单位电耗的对比情况。

由上述两表可以看出，宽体窑在单位气耗上比普通窑能够节能14%左右，在单位电耗上比普通窑能够节省15%以上，产品单位能耗明显下降，节能效果显著。另外，采用S P R助燃风加热节能系统，将窑热交换区的高温余热风打入窑炉急冷区进一步加热后，作为烧嘴燃烧的助燃风，经加热后的助燃风的温度可达250℃，节能达12%以上。

3.3 改变烧成制度达到节能

宽体窑虽然在陶瓷产量和燃料节能方面具有显著的效果，也被越来越多的陶瓷企业所青睐，但是宽体窑在烧成制度上仍有很大的改进空间。目前陶瓷企业内所应用的内宽3 m以上的宽体窑烧成周期相对较慢，同时产品的出窑质量部分也没有比传统窑炉有更明显的优势。快速烧成给宽体窑的烧成迅速发展提供了一个很好的机会。通过辊棒、产品配方工艺和窑炉运行等工艺等参数及操控技术的改善，使得产品能够在宽体窑上实现快速烧成，可以使宽体窑具有更优的节能效果。某陶瓷窑炉企业通过改善窑炉的氧化时间和氧化效果，使得抛光砖的烧成时间由原来40～50 min降低到38 min，突破性地缩短了烧成时间，提高了生产效率，降低了单位生产能耗。

表1 天然气宽体窑与普通窑能耗对比情况（600 mm×600 mm砖）Tab.1 Energy consumption comparison between a gas-fired wide kiln and a conventional kiln

表2 水煤气宽体窑与普通窑能耗对比情况（800 mm×800 mm砖）Tab.2 Energy consumption comparison between a water gas kiln and a conventional kiln

3.4 加强保温减少窑壁散热达到节能

我国传统的陶瓷窑炉采用的保温材料都是普通的耐火砖、轻质陶瓷纤维板或硅酸钙板等导热系数相对较大的保温材料，保温效果不够理想，高温区的外墙表面温度达80～90℃，有时甚至高达120℃以上，远远高于国际上对外墙表面温度必须低于60℃的要求。随着科技的进步及新型耐火材料的出现，各窑炉公司都通过采用导热系数小、保温效果好的纳米微孔保温板作为保温材料，能够有效地减少窑墙的散热，降低热量的耗散，如图2所示各种不同保温材料在不同温度下的导热系数对比。纳米微孔保温板能够实现良好的保温效果，是因为那些能够实现热传导的气孔被微小的单元所包裹，而这些单元比空气的平均自由程还小，可以有效的阻止气体的分子碰撞，有效地减小气体间的导热。广东摩德娜科技股份有限公司及其他一些公司推出的比重为0.25、保温系数为0.7 W/(m·K)，以抛光砖废料为主要原料的高效保温“泡沫陶瓷”，能够有效的降低宽体窑高温区外墙表面温度，不仅实现了陶瓷废料的回收利用，使得窑炉具有良好的保温效果；而应用的纳米微孔保温板的导热系数在800℃更是低至0.036 W/(m·K)，在相同烧成温度下能够将窑墙厚度减少75 mm，同时降低窑墙外表温度5℃，有效地实现了陶瓷窑炉的节能减排目标。

3.5 充分利用余热达到节能

在窑炉烧成中，能够真正被产品吸收的热量不到总热量的30%，其余的热量都以窑炉排烟（占10～15%）、冷却抽热（占50～56%）和窑体（占6～8%）、棍棒（占2～5%）等散热排掉，浪费了大量的热能。因此，能够将窑炉排放的烟气废热回收和冷却余热全部有效利用起来，将能够达到明显的节能减排效果。传统窑炉的余热利用主要是用在陶瓷坯体的干燥上，较少地应用于助燃风的加热。各窑炉公司在新研制的宽体窑的余热回收利用上加大了力度，将通过热交换后的高温气体用于助燃空气的加热，温度可达250℃，可以节省燃料8～12%。另外，宽体窑在窑炉风机选择、管道设计等方面进行了优化设计，在一级排烟区放置功率较大的风机，便于将窑内烟气余热更多的抽至窑头入口；而在二级排烟区选择功率较小的风机，能够有效地调节温度及温度梯度，降低产品的缺陷率。增加窑炉前段箱体的内高，一方面能够有利的减缓窑内烟气的流动，同时延长烟气对坯体的加热时间，大大提高了余热利用率；另一方面烟气流速的降低，能够减少热气体对坯体的冲击，可使产品裂纹减少。而在排烟支管上则采用多管分阶段式设计，不仅能够有效地调节窑内温度制度，而且能够充分地利用烟气余热，使窑炉达到显著的节能减排效果。

4 宽体窑的应用

由于受宽体辊道窑截面温差及烧成速度的影响，辊道窑不但适用抛光砖烧成用，同样也适用于釉面砖、仿古砖、挤出类陶瓷板及西瓦等陶瓷砖的烧成，在日用瓷、卫生瓷、工艺美术瓷等烧成亦适用。宽体辊道窑的标准因产品不同而有所差异，如生产瓷片，窑内宽一般为3.2 m；若生产抛光砖，则窑内宽一般为3.1 m。当然，窑炉的长度和宽度不是毫无限制的增加，是有一定限度的，窑宽不断地增加，意味着窑内温差会更大，也更难控制，同时辊棒的强度和质量跟不上。因此，要进一步扩展宽体窑在陶瓷行业中的应用，得与宽体窑相配套的有关设备也应有相应的发展和突破。

5 展望

宽体窑的出现，无论是在结构设计上还是烧成技术实施上都是窑炉的一大创新，打破了传统陶瓷窑炉的原有格局，同时也符合国家发展低碳经济、绿色窑炉的政策要求。随着科学技术的不断革新，相应设备的发展，只要能解决好宽体窑内温差及烧成技术等问题，便能得到更广泛的应用，这种节能型、环保型的宽体窑炉将是未来陶瓷窑炉发展的主流方向之一。

1 曾令可,李萍,刘艳春.陶瓷窑炉实用技术.北京:中国建材工业出版社,2010

2 曾令可,张明,王慧.陶瓷辊道窑宽断面需解决的问题.中国陶瓷工业,2002,9（1）：37-39

3 曾令可等.陶瓷窑炉动态温度场测试及操作优化.陶瓷学报,1999,20(3):158～163

4 张明，曾令可.辊道窑内动态温差产生的原因研究.华南理工大学研究生学报，1997,11（3）：141～145

5 张明,曾令可.挡火板在辊道窑中设置的作用研究.中国陶瓷工业，1997,4（3）：30～33

6 荆海山.MF S宽体窑节能辊道窑关键技术介绍及应用.宽体窑技术论坛，2012,8,22

7 徐景福,王爱纯.试论宽体辊道窑的优势、问题及对策.陶瓷，2006，（8）：39～42

8 潘雄.关于宽体辊道窑炉温差原因的探讨.佛山陶瓷，2012，187（3）：67

9 程昭华.关于进口宽体窑进一步提产的答疑.佛山陶瓷，2011,21（12）：64

10 林楚馥.宽体窑更符合陶业发展方向.陶瓷壹周，2009