大截面日用陶瓷隧道窑的节能分析

郭俊平，曾令可

(1.潮州市窑炉窑具研究所，广东 潮州 521000；2.华南理工大学，广东 广州 510640)

大截面日用陶瓷隧道窑的节能分析

郭俊平1，曾令可2

(1.潮州市窑炉窑具研究所，广东 潮州 521000；2.华南理工大学，广东 广州 510640)

采用现代的设计理念，在长度相仿的基础上扩宽隧道窑的可装载截面，结合改进窑顶结构、冷却带结构、新型烧嘴的选配等。保证宽窑温度均匀性好，上下温差小，确保了烧成质量，提高产量。与普通隧道窑相比，具有良好的节能效果。

日用陶瓷隧道窑；大截面；节能降耗

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。多年来，陶瓷行业为节能减排倾注了大量的心血，取得了一定的成果。这既符合我国的节能减排政策，又为企业降低成本发挥了积极的作用。当前，在日用陶瓷、陶瓷卫生洁具、艺术陶瓷等多种陶瓷的生产中，隧道窑烧成占了重要的位置。研究隧道窑的节能措施意义重大，通过对近期投入运行的大截面日用陶瓷隧道窑进行测试，并与同长度不同断面隧道窑进行比较，节能明显。

1 基本参数

目前，在日用陶瓷烧成过程中，普遍使用的还是燃气隧道窑，其可装载宽度大多在1000mm左右，小规格隧道窑可装宽度仅560mm左右，一般是900mm至1160mm，较大规格有1350mm。我们和四通集团股份有限公司合作设计建造的大截面隧道窑，内宽为2380mm，可装载宽度为2260mm。为了保证窑炉有更合理的可比性，选择了同一陶瓷生产企业、烧成产品品种相同、使用燃料相同、装截方法相同的、内宽950mm的普通隧道窑，并由同一检测单位进行热平衡测试。

受测试两窑的基本参数如表1所示。

从表1中数据可以看出，大截面隧道窑的可装载截面积是普通隧道窑可装截面积的2．4倍。由于窑内宽增大，如何保证窑内温度曲线的合理，以及每一断面温度的均匀性，即窑高度方向上温差小，故在设计及制作中采取了如下技术措施：

(1)减小预热带的长度比例

大截面隧道窑的预热带长度为10．3m，占窑总长63．8m的16%。而小断面隧道窑预热带长度为16．15m，占总窑长68．5m的24%，即宽断面窑预热带长度减少了8%。为什么大截面隧道窑的预热带长度要比普通隧道窑比例小，因为在总长度不变（受车间埸地限制）的情况下，大截面隧道窑进窑物料量大（产品及窑具），吸热量多，从烧成带流过来的高温烟气向窑头前移时容易被进窑物体吸收，造成窑头温度偏低。所以，必须提前布置烧嘴，给预热带补充足够的热量，以提高预热带温度，为产品的氧化及烧成留出时间余地。

表1 所测试的两窑的基本参数Tab.1 Main parameters of the two kilns

(2)加长冷却带的长度比例

冷却带长度为26．5m，占窑总长度的42%，比普通隧道窑冷却带长21．35m(占窑炉总长度的31%)，即减少了11%。因为大截面隧道窑的制品烧成后离开烧成带时，由于窑车装载量大，宽窑的单车装载量为2m3，是普通隧道窑装载量的两倍。而推车速度（3．5－2．62／2．62＝1．34）提高了1．34倍，故带出的热量大，而且宽体窑窑车上堆积大体积的烧成制品更难散热，需要更充足的冷却时间。

(3)特殊的预热带结构

由于推车速度比普通隧道窑大，考虑到大截面隧道窑的特点，在预热带作了相应的结构处理。在预热带窑顶内侧，装有多道送风气幕，送风口的方向朝向烧成带并向下倾斜约30°角，因为隧道窑的预热带垂直装载面热气体会自动上浮使上层温度高，下层温度低，形成窑内高度上的温差，并引起上层窑压增大。而烧成带热气沿窑长流向窑头，当设置窑顶气幕后，气幕的吹向与热烟气的流向相反，使热烟气产生前移阻力，降低了移动速度，有利于热量充分交换，使进窑坯体干燥更充分、加热更均匀。同时，上层气体阻力增大后，迫使烟气下行，降低上下温差，增加了下层坯体的吸热，由于气幕送入的是常温空气，限制了上层坯体的急剧升温。

图1 冷却带马福式窑墙结构图Fig.1 The muff l e wall structure of the cooling zone

大家都知道，当预热带气体分层时，为了照顾下层坯体的预热时间，必须降低推车速度。所以，采取上述措施后，大大地缩小了预热带温差，提高了热交换效率，有利于提高车速，增加产量。

(4)波纹式耐热金属马福板的应用

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1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来，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。

(5)预混式燃烧器和空／燃比例调节阀的配合作用

在烧成带安装预混式燃烧器，燃烧完全，燃气通道上设有用于检测空气通道中的空气压力并根据空气压力调节燃气通道流量的空气／燃气比例阀。按比例调节燃气量，加上配套PLC自动控制，可以对燃烧时的空气过剩系数进行控制，有效地提高窑内温度、气氛、压力的稳定，优化烧成周期，提高余热回收利用率。

表2 大截面与普通隧道窑热平衡表(最高烧成温度1270℃，计算基准：1h)Tab.2 The heat balances of the large cross-section and the ordinary tunnel kilns

表3 节能效果对比表Tab.3 Comparison of energy saving results

(6)平-拱顶结合及烧成带挡火板的合理设置

宽断面隧道窑窑顶的设计采用平顶和拱顶相结合的方式，在预热带和冷却带的窑顶采用平顶，烧成带窑顶则采用拱顶结构。这样，在预热带和冷却带的平顶结构可降低窑顶空间使迫近窑车顶面，增大热气流的流阻，有利于两带温度的均匀及窑外冷空气的漏入。而烧成带的拱顶有利于辐射传热及窑内温度的均匀，因在烧成带的传热中以辐射传热为主，占80%以上，而辐射传热的效率与温度的四次方成正比，与辐射层的厚度（即拱高度）成正比，故采用拱顶结构可大大地提高传热效率和温度的均匀性。同时在拱顶处设置一个以上的挡火板，档火板的上端与拱顶连接，档板的下端靠近隧道窑内产品装载的上平面，热气流沿着顶拱的内高加速向前时受到挡板的阻档会改变流向，使烧成带内上部的气流成“≈”型气流走向，加速热气流的搅动，达到温度均匀的特别效果。

2 热平衡测试结果分折

由广东某省属研究所对两种窑型进行热平衡测试，数据如表2所示。测试数据表中热收入Q1只取燃料燃烧化学热单项，其它物料进窑带入的显热勿略不计。

从表2可以看出，大截面隧道窑由于产量的增加坯体水份蒸发及物化反应耗热明显增加。出窑产品及窑具带出显热增加不大，窑车带出显热、烟气带出显热、抽热风带出显热、窑体表面散热4项相差不大。结合大截面隧道窑结构特点，各项数据分析如下：

(1)坯体水份蒸发及加热水蒸气耗热、坯体烧成过程分解粘土耗热两项都比普通隧道窑大幅增加，因大截面隧道窑进窑坯体量大，蒸发、分解热量是不能避免吸热。

(2)出窑产品及窑具带出显热略为增加，但未按产品比例量增加，因为设计中，考虑到大截面隧道窑产量大的特点，冷却段窑墙及窑顶，内衬采用耐热波纹金属墙，强化热交换效率。同时，窑尾强制送风，使出窑产品、窑具温度大为降低，使带出的显热并未按产量增加的比例而增加。

(3)窑车是周期性加热的窑炉附属设备，为降低窑车的吸热，设计中采用低吸热材料砌筑。即下层轻质耐火砖，上层耐火纤维，大大减少预热带的吸热量，进入冷却带后大大减少带入冷却段的热量及窑车出窑带出的显热，所以，虽然增加了窑车的面积，但窑车带出的显热增加不大。

(4)烟气从烧成段往预热段移动的过程中，烟气的热量交换传给坯体及窑具。由于大截面隧道窑进窑的坯体及窑具量大，相应吸热量也大，更有利于烟气的热量传给坯体，从而降低了烟气的排出温度，减少了烟气的离窑显热。

(5)大截面隧道窑产量大，带入冷却段的热量也多，传统的冷却方法是不能满足要求的，由于在窑墙、窑顶内衬采用耐热金属墙，特别指出的是：该金属墙是马福壁式，即从炉膛外空腔抽热，既达到快速换热，又不影响窑内气流。而在普通隧道窑中，冷却段抽热风的风口大多都与窑内相通，影响了窑内的气流，导致烧成段热量后移。既增加了冷却段的负担，又增加了热风的抽出量，导致能耗增加。所以，本窑炉虽然窑车中产品带入冷却带的热量增加，但抽热风带出的显热基本上没增加。

(6)对于大截面隧道窑，装载截面增加很大，但墙体表面积增加只有窑顶加宽部分，再加上对比中的大截面隧道窑长度略短。所以，窑体表面的散热基本没增加。

3 节能效果

在热效率及产品单耗中，充分体现了大截面隧道窑的节能优势，计算数据见表3。从表3得知，普通隧道窑每公斤产品能耗0．468kg标煤，而大截面隧道窑每公斤产品能耗0．219kg标煤，下降了约50%，窑炉的热效率提高了一倍多，达到了当前国内外日用陶瓷烧成能耗的先进水平。这不仅是当前国家政策上需要的节能效果，也是企业迫切要求的经济效益。

4 结 论

(1)大截面隧道窑，要得到好的烧成效果及提高推车速度，必须解决好截面的温差问题，特别是预热带的上下温差，在设计中可采用预热段平衡气幕。

(2)为解决大截面隧道窑带入冷却段的大量热量，提高降温速度，冷却段内墙可采用耐热金属波纹板制成的马福壁结构。

(3)采用平顶—拱顶结合的窑顶结构有利于窑内温度的均匀，提高窑炉的热效率。

(4)大截面隧道窑单位产量大，能耗低，节能显著，在日用陶瓷生产中仍是推广的方向之一。

Energy Conservation of Large Cross-Section Tunnel Kiln for Domestic Ceramic Production

GUO Jianping1, ZENG Lingke2
(1.Chaozhou Research Institute of Kilns and Furnaces, Chaozhou, Guangdong 521000; 2. South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640)

In this study, modern concepts have been introduced to improve the design of a tunnel kiln for domestic ceramic production. While the length of the kiln remains the same, the cross section for loading the kiln is broadened, the top of the kiln and the structure of the cooling zone are altered, and new types of burners are used. The changes in these aspects can produce the uniformly-distributed temperature prof i le on the wide cross section of the kiln and small top-bottom temperature difference, and consequently ensure better fi ring quality and larger output. Compared with an ordinary tunnel kiln, the larger cross-section option yields a higher energy saving result.

tunnel kiln for domestic ceramic production; large cross-section; energy conservation and cost reduction

TQ174.6+53

A

：1006-2874(2014)01-0043-04

2013-11-02 Received date: 2013-11-02

曾令可，教授Correspondent author: ZENG Lingke, Professor E-mail: lingke@scut.edu.cn