双间歇窑之烟气余热互用

冯长清， 吴 俊

（江西省陶瓷研究所， 景德镇，333000）

0 引言

我国是生产瓷器的鼻祖，从商开始就开始制作瓷器，瓷器的发展过程，也是窑炉的发展过程，瓷器的生产工序繁杂多样，而至关重要的一步“烧成”是决定产品成败的关键因素，也是最后一步，一件完美的瓷器离不开一座性能达标的窑炉，而窑炉又离不开燃料，在古代烧制瓷器都是用上等的松柴作为燃料，至今仍然有少数作坊采用，但是现在松柴短缺，也不利自然环境保护政策，普遍都采用液化石油气、天然气作为现代窑炉的燃料，现代窑炉操作简单，烧成时间短，可调节手段众多，从古至今间歇窑炉的烟气热量并未得到合理的利用，或者是完全没有利用，双间歇窑采取最直接，最有效的手段来加热坯体，从而降低公斤瓷的能耗，降低了瓷器的生产成本，非常有利于瓷器厂家的长期发展。

1 间歇窑炉烧成过程中的能源消耗分析

1.1 以一座5立方间歇窑炉为例：

⑴ 产品种类：陶瓷；

⑵ 装载重量：1500 kg；

⑶ 天然气热值：35530 KJ/m3；

⑷ 最高烧成温度：1330 ℃；

⑸ 烧成时间：9 h；

⑹ 烧成气氛：前期氧化气氛、高温还原气氛；

⑺ 烧成过程中理论能耗计算：该计算采用热平衡计算为依据，以下计算采用1 小时为基准，0 ℃作为基准温度。

1.1.1 热收入项目

a.坯体带入的显热Q1

取烧成灼减8 %，入窑干制品重量为G1= 1500×0.95 = 1425 kg，入窑制品自由水含量为3 %，湿制品重量G2= 1425×0.97 = 1382 kg，制品的比热容C1= 0.88 + 26×10-5×25 = 0.09 KJ/(kg·℃)。

所以Q1= G2C1×25 = 1382×0.09×25 = 3109 （KJ）

b.燃料带入的化学显热Q2

天然气的热值为QDW= 35530 KJ / m3,入窑天然气温度Tf= 25 ℃，25 ℃时天然气的比热容为Cf= 1.86 KJ/(m3·℃)，烧制1500 kg坯体所需的天然气量设为Y（m3），所以Q2= Y（QDW+ TfCf） = Y（35530 + 1.86×25 = 35576Y（KJ）。

c.助燃空气带入的显热Q3

助燃空气温度为T3= 25 ℃，25 ℃时空气的比热容为1.36 KJ/(m3·℃)，助燃空气实际总量V3= 1.3 Y（m3），所以Q3= V3C3T3= 1.3 Y×1.36×25 = 44.2 Y （KJ）

d.外界漏入空气所带的显热Q4

取空气的过剩系数a4= 2.0，漏入的空气温度T4= 25 ℃，此温度空气的比热容为C4= 1.36 KJ/(m3. ℃)，漏入空气总量为V4= Y（a4- a ）×1.36 = （2.0 - 1.25）×1.36 = 1.02Y（m3），所 以Q4= V4C4T4= 1.02 Y×1.36×25 = 34.68Y（KJ）。

1.1.2 热支出项目

a.产品带出显热Q5

烧成产品质量G3= G1×95 % = 1425×0.95 = 1353（kg），制品的最高烧成温度为T5= 1330 ℃，制品的平均比热容C5= 0.86 + 26×10-5×1330 = 1.26 KJ/(kg·℃)，所以Q5= G3C5T5= 1353×1.26×1330 = 2267357.4（KJ）。

b. 窑体散失热Q6

由于间歇窑炉点火以后每个时间段的温度都在随时间而变化，所以窑体窑墙和窑顶散失热量都是一个变化量，根据多年烧成经验，一般窑体的散失热量为产品带出显热的30 %,所以Q6= Q5×30 % = 2267357.4×0.3 = 680207（KJ）。

c.物化反应耗热Q7

自由水质量GW= G2- G3= 1382 - 1353 = 31（kg），根据以往间歇窑炉检测装置显示烟气离窑的平均温度为Tg= 300 ℃，所以QW= GW（2490+1.93Tg） = 31×（2490 + 1.93×350） = 98115（KJ）。

d.其余物化反应热Qr

用Al2O3反应热近似代替物化反应热量，入窑干制品质量G1= 1425 kg，Al2O3的含量约占22 %，所以Qr= G1×2100× Al2O3%=1425×2100×22 % = 658350（KJ），所以Q7= 98115 + 658350 = 756465（KJ）。

e.烟气带走显热Q8

离窑烟气总量为V8= [ Vg0+ （ag- a）Va0] Y = [ 1.91 + （2 - 1）×1.07 ] Y = 2.9 Y （m3）。

烟气在整个烧成过程中的平均温度为Tg= 300 ℃，此温度下烟气的比热容Cg= 1.46 KJ/(m3·℃)，所以Q8= V8CgTg= 2.9 Y×1.46×300 = 1270 Y （KJ）。

f.其它热损失Q9

根据经验占热收入的6%，所以Q9=（Q1+ Q2+ Q3+ Q4）×0.06 = 187 （KJ）+ 31375.52 Y（KJ），依据能量守恒原理，热量平衡方程为，热收入项=热支出项，即：

求得Y = 865（m3），即烧成1500公斤制品所需的天然气为865 m3。其中烟气所带走的热量为1270 Y = 1270×865 = 1098550（KJ），约合天然气30 m3。

2 双窑结构示意图及工作原理分析

2.1 两座5立方引射窑炉烟气余热互用示意图：

2.2 两座引射窑炉在运行中的流程分析

如上图所示，两座窑炉同时装满制品左边窑炉开始点火，1#窑炉烟囱闸板完全关闭，2#窑炉闸板调到适合的开度，再将两窑之间的两道闸板同时打开，1#窑炉产生的带热量烟气经过2#窑炉炉膛逐步预热制品，最大限度的提高了热量的利用率，在两座窑炉的升温阶段，2#窑炉根据温度检测，在温度难以提高的时候开始点燃其燃烧器，由于1#窑炉先于2#窑炉点火，所以1#窑炉首先达到其烧成温度，此时关闭1#窑炉燃烧器，并关闭两窑之间的两道闸板，让1#窑炉独立冷却，直至开窑，在1#窑炉熄火的时候，2#窑炉也即将达到烧成温度，直至冷却。

3 结论

窑炉是能耗大户，如何提高能源的利用率是我国乃至世界没有终点的追求目标，就单窑产量1500kg的窑炉而言，一窑可节约30 m3天然气，按照5天一个烧成周期的转换时间段，一年就可以节约将近2160 m3的天然气，按目前天然气的市场价格5元/ m3的标准来算，可直接节省10800元，这非常有利于一些中小型的陶瓷企业的长期发展和壮大。