某一级能耗日用瓷隧道窑热平衡测试与节能分析

陈钦鸿，潘 明，杨 昭

（广东省质量监督陶瓷燃气窑炉检验站（潮州），广东 潮州 521000）

2021年全国两会，“碳达峰”和“碳中和”首次列入政府工作报告，陶瓷制品制造属于非金属矿物制品业，是高耗能行业。节能降耗不仅是提升产品竞争力的重要手段，更是“碳达峰”、“碳中和”和可持续发展的内在要求。

近年来，陶瓷燃气窑炉在潮州陶瓷产区应用得越来越多，以隧道窑为代表，发展趋势可用“宽体、薄壳、低蓄热、强对流、高辐射、自动化、智能化”加以概括。窑炉制造水平不断提升，窑炉能效水平不断提高，燃耗日益降低。

推进普遍性窑炉能效测试是推广节能技术的基础，特别是通过热平衡测试，能够全面了解窑炉热利用情况，进行节能分析。虽然行业内对窑炉能效测试的需求日益增加，但目前除了根据GB/T 23459-2009进行热平衡测试以外，尚缺乏统一的评价标准对窑炉性能进行节能评价。

因此，本文依据DB44/591-2009对隧道窑进行能耗测试，筛选出能效最高的一级能效窑炉，依据GB/T 23459-2009进行热平衡测试及节能分析研究，旨在推广先进节能技术及有益设计经验做法。

1 能耗测试

1.1 参考技术依据

DB44/591-2009《日用陶瓷燃气隧道窑能耗规范》。

1.2 测试中使用的计量器具与仪器

天然气色谱仪、钳形万用表、台秤等。

1.3 测试对象基本情况

68 m日用瓷隧道窑，基本情况见表1。

表1 隧道窑基本情况

1.4 能耗测试

表2 能耗测试

2 热平衡测试

2.1 参考测试与评价依据

GB/T 23459-2009《陶瓷工业窑炉热平衡热效率测定与计算方法》。

GB/T 24565-2009《隧道窑节能监测》。

2.2 测试中使用的计量器具与仪器

天然气色谱仪、烟气分析仪、红外热成像仪、手持式红外测温仪（400～2 000℃）、红外测温仪（30～500℃）、智能风速仪、台秤、卷尺等。

2.3 热平衡测试

热平衡测试评价主要指标如表3所示，热平衡计算结果如表4所示。

表3 热平衡主要评价指标

表4 热平衡计算结果

3 热平衡测试与节能分析

烧成带产生热量通过窑头排烟引风经预热带、干燥带对坯品进行预加热、烘干，热量传递过程温度逐步降低，而通过窑尾抽热引风进行冷却并充分利用抽热余热。

根据长期的实践总结陶瓷窑设计根本原则，其中有两条是：热效率高、余热利用好。

隧道窑不是单一的热工设备，高效热综合利用取决于合理的排烟、抽热引风设置、窑炉内部热流动相互动态平衡。

根据表2各路拳法的应用情况统计可知：1）冲拳和贯拳在比赛中使用的频数较多，这也是诸多选手习惯操作和应用最为广泛的拳法技术，对于抄拳和鞭拳的应用情况则相对较低，并且冲拳和贯拳的使用率占到拳法应用总数的90%以上；2）对于各路拳法每局应用的数量来看，冲拳占据明显优势，然而出拳成功率却较低，可见冲拳和贯拳战术上属于虚招，有利于配合其他技术动作的应用和战略战术上的制衡；3）在各路拳法使用成功率上，鞭拳和抄拳的成功率是比较高的，可见这两路拳法技术适合比赛中的关键制胜环节，对于战胜对手取得比赛胜利有着决定性意义[8]。

3.1 热流向与热利用

通过测试发现：

（1）排烟风机引风在预热带进行坯体干燥预热，经换热后，排烟温度仅为109.4℃，温度较低，作为余热继续利用价值较低，烟气直排，排烟散热损失较小。

（2）从余热利用来看，冷却带对产品进行冷却，产品出窑温度仅为55.9℃（见表5），冷却换热充分。

表5 相关参数

（3）该隧道窑总体热流向偏向窑尾，通过抽取余热气体温度高达365.7℃，具有极高利用价值，可作为余热输送至“干燥房”二次利用，大大提高余热利用率及综合热效率。

（4）该隧道窑窑尾采用大风量送风，平均流速达37.47 m/s，气体小时标态流量高达6 214.48 m3/h（见表6），使冷却带热量不易从窑尾出口处散失。

表6 窑炉各段引风温度、流量、热量相关参数

3.2 节能分析与建议

3.2.1 预热带中烟气换热

预热带长度达21.20 m，通过排烟风机引风，抽取烧成带释放热量，以预热并干燥瓷坯中所含水分，需增加排烟风机压力。此时窑内负压增大，极可能导致窑顶与窑底产生温差，有益做法是在此段内侧增设送风气幕朝烧成带方向向下送风。

一方面，窑头送风与烟气交会，对烟气产生行进阻力，降低行进速度，有利于烟气热量在预热带更为充分地进行交换，充分预热瓷坯排除瓷坯中的水蒸气，最终排烟烟气温度仅为109.4℃，反映出烟气换热充分，直排热量损失小。

另一方面，窑头送风使烟气强制下行，降低窑顶部与窑底部间的温差，提升窑内温度均匀性。此处分两段测试预热带表面温度，靠近窑头部分由于送风气幕向下送风的影响，窑墙与窑顶温升达14.8℃，较靠近烧成带部分温升小，有利于烟气直排前在预热带充分换热，见表7。

表7 预热带窑体表面温度 （℃）

3.2.2 冷却带中坯体换热与余热抽取

陶瓷燃气窑炉不是单一的热工设备，其抽取余热可输送至干燥房，用于干燥模具、坯品等。

从结构上来看，冷却带长26.4 m，较预热带（21.2 m）长5.2 m，使得产品可更为充分冷却换热，充分冷却换热后的产品出窑温度仅为55.9℃，而抽取余热温度高达365.7℃。

其次，窑尾送风采用大流速气幕37.47 m/s，气体小时标态流量6 214.48 m3/h，仅次于排烟风流量11 008.76 m3/h。一方面使热量不易从窑尾出口处散失，另一方面增加冷却带中气体扰动，提升冷却换热效果。

3.2.3 排烟温度与产品出窑温度

从排烟温度与产品出窑温度来看，该隧道窑在预热带与冷却带长度设计上较合理，排烟温度与产品出窑温度均反映出在窑内已充分换热，最终反映出热效率与综合热效率均有所提升。即：排烟温度低，热效率高；产品出窑温度低，余热抽取多，综合热效率高。

4 总结

从隧道窑热平衡测试结果分析来看，隧道窑热主要来源于烧成带中天然气在烧嘴处燃烧释放出来的热量，隧道窑节能需要重点准确把握两个平衡，一个是预热带烟气换热平衡，另一个是冷却带成品冷却换热与余热抽取的平衡。

4.1 合理的窑内热流向

隧道窑热流向尽量以冷却带余热抽取为主，排烟直排为辅，抽热热量可输送至干燥房进行二次利用。同时，预热带中干燥瓷坯水分所需热量不应全部依赖排烟引风，可通过预热带烧嘴补热补充热量，避免因负压过大，增加窑内温度波动。

4.2 合理的预热带、冷却带长度结构

从测试结果来看，隧道窑应合理匹配预热带及冷却带长度比例。增大冷却带长度，以提升余热抽热与成品换热效率；减小预热带长度，避免因预热带、干燥带长度过长，导致排烟引风阻力增加，负压增大，增加窑顶部与窑底部间的温差。

4.3 在预热带中增设气幕

在预热带中靠近窑顶内侧增设送风气幕，朝烧成带方向向下送风，强制烟气下行，降低窑内窑顶部与窑底部间的温差，有利于烟气热量在预热带更为充分交换，干燥瓷坯中所含水分，降低排烟温度，减少热量散失。

4.4 在冷却带中增设大流速气幕

在冷却带中增设往烧成带方向大流速气幕，一方面减少隧道窑出口处热量散失，另一方面可提升窑内气体扰动，提升成品换热效率，以增加抽取余热温度，提升综合热效率。