隧道窑电气煅烧陶瓷节能减排技术的研究与应用

2013-06-01杨云山

机电工程技术 2013年2期

杨云山

（大埔县陶瓷产业管理办公室，广东梅州 514247）

0 前言

大埔县位于广东省东北部，陶瓷工业是大埔的支柱产业，县内瓷土资源丰富，陶器生产始于商周时代，瓷器生产始于宋代，已具有4 000多年的陶瓷生产历史。目前，大埔陶瓷企业使用的窑炉有连续式隧道窑和间歇式梭式窑两大类，所采用的燃料有煤、油、电和液化石油气等。而间歇式梭式窑因其具有灵活、方便、造价低的优点，广泛应用于大埔中小陶瓷企业进行煅烧瓷器。但是，间歇式窑炉存在着能耗高、污染大等缺点，窑炉综合能耗所占的生产成本比例已经由原来的25%上涨到40%左右，并且有持续增加的趋势，严重制约着中小陶瓷企业的发展。特别是近几年来，随着我国经济社会的高速发展，国家对能源消耗和环境保护等方面的要求越来越高，传统的隧道窑和间歇式梭式窑因其能耗高已不适应时代发展的要求，节能降耗和减少环境污染成为广大陶瓷企业可持续发展的重要条件。

1 分析

大埔陶瓷企业之前也进行过节能减排技术的研究与改造，取得过一定的进展。有的通过改进窑炉结构，采用新型隔热保温材料，加强窑体密封与保温，防止窑内热能外泄；有的通过改进烧成工艺，采用高速烧嘴、窑内喷涂节能涂料，提高燃料燃烧率；有的在坯、釉料中引入复合矿化剂，降低坯、釉料成瓷温度和利用窑内余热干燥坯体等等。通过这些措施，有效地推动了大埔陶瓷企业节能减排工作开展，但是节能减排效果不明显，实现低碳生产的目标还有较大的差距。

因此，针对本县某陶瓷厂使用的62 米燃气隧道窑，在节能减排方面存在的实际问题，开展了隧道窑电气煅烧陶瓷节能减排技术的研究与应用。

2 研究

2.1 隧道窑的结构

某陶瓷厂使用的隧道窑结构基本参数：窑长62 m，外宽2.2 m，有效内宽1.05 m，窑高1.85 m，有效内高0.7 m，快速烧嘴23 对；预热带长10 m，氧化带长12 m、烧成带长8 m，还原带长4 m，冷却带长28 m；窑车长1.62 m，全窑有效容积为45.57 m3；生产能力为5.95 m3/h；烧成温度1 300℃～1 350℃；煅烧工艺采用一次裸烧还原气氛烧成。

2.2 电气煅烧节能技术烧成原理

烧成原理与一般的日用陶瓷隧道窑基本相符，不同的是热的主要来源是通过电阻元件将电能转变为热能。

2.3 研究过程

（1）隧道窑电气煅烧功率计算

1）隧道窑电气煅烧理论功率的确定

隧道窑各带的基本参数如下：

预热带：A 炉膛尺寸6 m×0.7 m，温度范围：30 ℃～400 ℃；

B 炉膛尺寸4 m×0.7 m，温度范围：400 ℃～800 ℃；

氧化带：C 炉膛尺寸12 m×0.7 m，温度范围：800 ℃～1 000 ℃；

烧成带：D 炉膛尺寸为8 m×0.7 m，温度范围：1 000 ℃～1 200 ℃；

还原带：E 炉膛尺寸为4 m×0.7 m，温度范围：1 200 ℃～1 350 ℃。

2）隧道窑各温度段电热功率的确定

隧道窑炉膛内表面每平方米上布置功率大，炉温就高。反之，布置功率越小，炉温就低。根据面积负荷法，确定隧道窑各带温度段的功率。功率计算公式为：N＝KF（K 表示炉膛内每平方米的布置功率，F 表示炉膛内表面积）。即隧道窑各带的理论功率和全窑理论功率（详见表1）。

表1 隧道窑各带的理论功率和全窑理论功率

3）隧道窑电气煅烧实际功率的确定

由于理论功率不是窑炉实际功率，考虑到电压的波动、电热体长期使用后的老化现象使电阻增大，以及缩短升温、冷却时间等因素对功率的影响，在设计隧道窑电气煅烧实际功率时，一方面考虑隧道窑安全系数，另一方面考虑隧道窑功率储备。所以实际功率应为：

N实＝KN理（K取1.1～1.5）。

根据该厂实际生产需要和从经济考虑角度为切入点，增大窑炉安全系数，K取1.1，

则N实＝KN理＝515.2 kW×1.1＝566.72 kW。

即全窑实际设计功率N实＝566.72 kW。

（2）电热元件的选择与应用

1）电热元件的要求

对于隧道窑电气煅烧电热体元件，要求其最高使用温度应比隧道窑窑内的最高操作温度高，其次还要满足以下要求：

①电热体的发热温度要满足产品烧成工艺要求；

②具有较高的比电阻和较小的电阻温度系数；

③在高温下，化学性质稳定，不易氧化，不与隧道窑的内衬砖和气体发生反应；

④具有优良的机械性能；

⑤电热体成本低，价格要便宜。

2）电热元件的选择

隧道窑电气煅烧的电热体，根据生产工艺等条件要求选择合适的电热体材料，即做到技术合理，又节约投资。在研究过程中，对几种常用的电热材料（如钼、钨、镍铬合金、铁铬铝合金、硅碳棒、U 型硅钼棒）等进行了熔点、抗腐蚀性、经济性和使用环境等性能比较，最终确定铁铬铝合金作为隧道窑预热带、氧化带的电热体。因铁铬铝合金具有抗腐蚀性和抗氧化性能强的特点，加热后其表面生成一层氧化铝膜起保护作用。同时具有良好的焊接性能，制作工艺简单，所以用它做隧道窑电气煅烧预热带、氧化带的电热体。

烧成带采用硅碳棒作为电热体，还原带以U型硅钼棒为电热体。

（3）电热体元件的安装

1）铁铬铝合金带的加工与安装

铁铬铝合金带电热元件的加工是根据隧道窑预热带、氧化带各段的功率要求，确定每组电热体的长度，并将铁铬铝合金带按图加工成波浪型电热体。把加工好的每组电热体水平悬挂于隧道窑预热带、氧化带窑体内壁两侧，用耐火材料制成的固定栓将电热体固定在窑体内壁，分段、分组安装。另外，为了保证电热体端部正常导电和接导线，冷却端延伸出窑体外约50 mm。

2）硅碳棒、U型硅钼棒电热体的安装

根据隧道窑烧成带、还原带各段的功率要求，确定每组电热体硅碳棒、U 型硅钼棒的功率，采用耐火材料制成的固定栓将硅碳棒、U 型硅钼棒固定于隧道窑烧成带、还原带窑体内壁两侧，并将硅碳棒、U 型硅钼棒的连接导线引出窑体外，便于连接电源。

（4）供电电路及温度调节

1）供电电路

隧道窑电气煅烧的电热体采用工业频率50 Hz三相交流电，电压为380 V，接线方式采用Y型接法，以获得功率与表面负荷的相对平衡，使电热体获得较长的寿命。

2）温度调节

隧道窑在电气煅烧过程中，电热体通过控制元件实现自动控制，以控制窑内温度按烧成工艺制度要求均匀地变化。当窑内温度低于预定值时，控制元件接通电热体的电流进行加热。当温度高于预定值时，情况相反，控制元件切断电热体的电流，使窑内温度保持恒定不变。

（5）解决电热隧道窑只能氧化烧成的问题

在隧道窑电气煅烧节能技术的研究过程中，针对瓷土矿含铁量高要还原气氛烧成的特征，为使坯釉中的高价铁还原成低价铁，保留了原隧道窑23对高效节能环保型蓄热式烧嘴，在1 200℃～1 350℃的温度范围内引入一定数量的液化石油气作还原介质，增加窑内的还原气氛，解决电热隧道窑只能氧化烧成的问题。

3 应用效果

通过工程技术人员的共同努力下，隧道窑电气煅烧陶瓷节能技术试验获得成功，并应用到本县某陶瓷厂的62 m 隧道窑中。在产品品种、件数、烧成温度、进车速度等相同的条件下，产品质量合格率由原来的89%提高到94%以上。吨瓷产品烧成能耗由原来的0.307 3吨标准煤，下降至0.245 4吨标准煤，产品烧成能耗节约20.14%，每年可节约液化石油气114.39吨，价值80万元。