天然气宽体窑炉-双碳双控政策下陶瓷行业的优选

胡乃友

摘 要：双碳双控即碳达峰、碳中和和能源消费总量、强度双控的顶层设计，旨在解决工业发展伴生的生态环境、能效问题，以最终达到经济社会发展全面绿色转型的目标。随着国家对环保压力的增大以及燃料价格的不断上涨，节能减排、碳达峰，碳中和必将是陶瓷产业的大势所趋，新建发生炉煤气窑炉会受到地域限制，而天然气宽体窑炉由于产量大，燃气能耗低，电耗低，可以积极响应国家节能环保的政策要求，会得到大力发展，也是当下陶瓷行业一个积极可行的突破口。

关键词：天然气宽体辊道窑;助燃风加热;碳达峰;碳中和;节能环保

1 天然气宽体窑技术特点

宽体窑炉，主要是指内宽 2.9m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 2.5m 左右，超过3m的宽体窑炉这几年出现的比较多。辊道窑炉宽度增大，横截面积也会增大，这样对窑内气体的流动、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，宽体窑炉要在结构及工艺制度的选择上非常关键，技术特点如下所示：

1.1窑顶结构上的特点

按照常规来说，对于短窑、小产量窑炉，由于拱形结构容易蓄热，容易造成辊棒上下温差，造成砖坯变形，对于这样的窑炉，用平顶结构的宽体窑比较合适;对于产量大、烧成烟气量大的窑炉，平顶窑炉烧成带上部通道空间小，会造成排烟風机抽不动，很难达到设计产量，对于这样的窑炉，用拱顶结构的宽体窑比较合适。大产量拱顶结构的宽体窑可以增加烧成带辐射层厚度，提高辐射传热效率，拱顶结构的传热有利于烧成带断面温差的减小，不建议排烟段采用拱顶结构，这样会造成上下温差大，抽力不均匀。而在排烟段采用平顶结构，有利于排烟段温度的均匀，不会引起产品的炸裂。

1.2断面温差问题

宽体抛釉砖窑炉内宽一般3100mm左右，宽体内墙砖窑炉一般3400mm左右;由于比普通窑内宽要宽600mm-900mm，处理窑内温差问题是一个技术难点，能否解决温差问题直接关系到产品质量，如色差、变形等。设计不好，就会出现中间温度低，靠窑墙两侧温度低，在窑断面上形成驼峰状的曲线，从而使烧出的产品出现色差和变形。为解决宽体窑断面温差问题，可采取如下几个措施：第一采取高速喷嘴，可以有利于窑内热气流的搅拌，使温度趋于均匀。第二是在烧成带交错布置一部分短焰烧嘴，提高靠窑墙两侧的温度。这样长短焰结合，既照顾了横断面中间部位温度，又照顾了断面两侧的温度，从而使断面上的温度趋于更均匀。第三是设置特殊形状的挡火板和挡火墙来缩小断面温差。

1.3预热段升温困难的问题

考虑在大产量宽体窑的生产过程中，由于产量特别大，在预热带升温区域，需要的热量比较多。针对这个问题，摩德娜公司通过无数次反复实验，开发出了适合宽体窑用的高速等温天然气烧嘴，以及在升温较快的预热区域的下部，每节设计有6支烧嘴，每组有12支烧嘴，以满足升温所需的大量热量，提高产量。

1.4传动系统的改进

（1）高温高强辊棒或异型棒的使用。由于天然气宽体窑窑内宽比较大，装载负荷加大了，普通辊棒容易弯曲变形，而且走砖时恢复不了，所以中间的砖坯会走得慢一些。为了克服这个问题，我们摩德娜公司首先要对不用使用温度下单支辊棒承重值都有严格的计算，科学合理的选择辊棒类型，另外在部分区域采用异形辊棒（即弧形棒），加强走砖效果，到急冷前段可做到快慢不超过1根棒，这样更方便调节砖的变形。

（2）传动主轴加大到35mm，手榴弹轴加大到25mm，20CrMnTi渗碳钢;用来解决设备的持久和耐磨和平稳运行，减少设备的故障率。我们公司采用独有的防尘结构，有效解决陶瓷厂生产车间灰尘污染油槽的情况，降低齿轮的磨损，延长设备的使用寿命。

（3）窑炉全部传动采用不同的棒径、棒距和不同温度需求的超高温棒，以解决其他普通窑炉普遍存在的砖坯釉面有辊棒纹缺陷的问题。

（4）设计有电机故障报警装置、传动断链报警装置、紧急开关摆动装置、断棒报警等等装置，以及空窑降频处理方式，使设备更加自动化，智能化，方便生产管理和保证产品品质要求。

（5）我们公司研发的窑内单独追砖装置，可以调整左中右砖坯的走向。

1.5适用宽体窑的烧嘴及助燃风的预热

我们公司设计部门根据预热助燃空气的特点，优化了助燃风通道，减小了风道的压力损失，设计出新型的可用预热空气的烧嘴，其特点如下：

（1）燃烧反应速度快、混合燃烧充分，产品氧化充分，在使用中可有效减少窑炉截面温差、产品色差等问题。

（2）火焰有刚性，射程远，沿程温差小

（3）直接在烧嘴内部形成二次燃烧系统，一氧化碳废气含量大大减少，热效率明显提高

（4）严格控制燃气与空气的比例，在保证燃烧充分的同时，最大限度的减少空气过剩量

（5）烧嘴配有先进的点火系统，容易点着火，可配紫外线火焰监测探头

1.6适用宽体窑风管路系统特点

（1）排烟管道设计要加大，而且下部管道从主、非边同时下管，保证排烟通畅，并可根据调试需要，利用排烟段前面几节的排烟管将窑内废烟气排完，有利于提高窑头温度，增大窑炉产量。排烟管每排间隔距离要合理，可以使抽口分布合理， 抽力更均匀，并可根据不同砖种类入窑水份的特性，可灵活调节排烟段温度曲线，利于砖的水分均匀排水，避免釉裂发生。

（2）助燃采用两级助燃风机，一级助燃风机为室温，以保证预热区的充足氧化气氛，适应砖坯有机物的氧化分解。而二级助燃风机设计成我司的SPR系统（即助燃风加热系统，助燃风加热温度高达220℃以上），以达到节能减排的目的。

（3）由于热交换管的阻力比其它冷却抽热管的大，所以热交换系统采用单独的风机来抽换热风，而冷却热风采用两台抽热风机来抽，前段抽热风机的热风由于温度比较高，可用于干燥窑或喷干塔等，充分做到节能减排。

（4）热交换管采用两端进风，中间抽风的方式，且中间管口比两端管口，以加大换热面积及冷风量，充分发挥热交换的作用。

（5）尾冷余热零排放系统（RCH）。全抛釉的生产车间需要利用余热的地方较多，如窑前干燥、釉线干燥，喷墨后干燥，淋釉后干燥，干燥窑都需要用到余热，而全抛釉相对来说烧成温度比微粉砖底，产量相对较少，余热与烟气可能会出现不够用的情况。我们摩德娜公司研发的尾冷余热零排放系统实现了余热的零排放，大大减少了这些干燥窑点枪的情况，减少能耗。

2天然气宽体窑炉节能减排效果分析

计算基础数据：（按我司SPR助燃加热系统能耗标准）

（1） 产量：800mm×800mm抛釉砖，20000平方米/天;

（2） 燃料：天然气（NG）;

（3） 产品能耗：内宽3100mm宽体窑，450kCal/Kg瓷，内宽2500mm普通窑 炉， 500 kCal/kg瓷;

（4）产品单重：26kg/m2。

（5）烧成周期：50分钟

2.1燃料方面的节省

陶瓷窑炉的产量跟窑的宽度成正比，窑越宽，产量越大，故天然气宽体辊道窑最大的优势在于提高了产能，降低了单位制品的能耗。 以我们广东摩德娜科技股份有限公司推出的 3.1m 宽、331.8m 长的宽体窑为例，传统窑炉走800mm×800mm 砖两片，而宽体窑内可以放置 3 片 800mm×800mm 砖，产能可以达20000 m2/天，产量提高了50%。若用于生产600mm×600mm砖，可以1排4片。内宽3100mm天然气宽体窑，能耗约450Kcal/Kg瓷，内宽2500mm普通窑炉，能耗约500Kcal/Kg瓷;一天可以节省燃气量为：（500-450）×20000×26÷8300=3132m

每年按330天计算：330×3132×5=5，167，800元。

从以上分析可以看到，达到相同产能，天然气宽体窑炉一年可以节省的燃料费用为5，167，800元，可以说是相当可观的。

取得可观效益的同时，CO的排放量也可以大大减少，一天可以减少CO的排放量约5.6吨，可以积极响应国家碳达峰，碳中和的號召。

2.2电耗方面的节省

根据以上基础数据，以下是相同产量的两种窑炉风机选型理论计算：

宽体窑耗气量Q1=20000×26×450/8300=28193 m/天/24=1175 m/h;

普通窑耗气量Q2=20000×26×500/8300=34457 m/天/24=1305 m/h。

2.2.1排烟风机功率理论选择（只含窑炉，不包括输送到干燥窑）

天然气宽体窑：

（1）烟气量 Q=1175×14×（250+273）/（273+20）×2.5=73407 m/h。

（2）压头 宽体窑的排烟压头，根据理论计算以及专业软件动态模拟，压头选择为2200Pa比较合理。

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=73407×2200/2520000=64kW。

考虑排烟风机频率一般设置在35HZ时工作比较好，这样在调试时上下有比较大得的调整空间。以及考虑到烧成工艺所需的各组阀门可做的调整而不影响烧成，在选择风机压头及流量时要留比较大的余量（当烧成工艺要求人为地调整管路各组阀门，改变管道系统压头时，风机的工作效率出力会有比较大的改变）。即：N实际=64/（h/ h）=64/（35/50）=187kW。

普通窑：

（1）烟气量。Q=1435×14×（250+273）/（273+20）×2.5=81529 m/h。

（2）压头。压头根据理论计算以及专业软件动态模拟，选择为2800Pa比较合理。

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=81529×2800/2520000=90kW。

同理：N=90/（n/n）=90/（35/50）=264kW。

2.2.2助燃风机功率理论选择（助燃SPR加热节能系统）

天然气宽体窑：

（1）助燃风量。Q=1175×9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=23426 m/h。

（2）压头。根据理论计算以及专业软件动态模拟，压头选择为6000Pa比较合理。

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=23426×6000/2520000=56kW。

考虑助燃风机一般设置在40HZ左右工作比较好（风机出力大，各烧嘴压力均匀），助燃风调节不像排烟风机那样，会对管道的压头产生很大得影响。

即N=56/（n/n）=93/（40/50）=109kW。

常规窑

（1）助燃风量。Q=1305X9.5×（200+273）/（273+20）×1.3=26017 m/h。

（2）压头。根据理论计算以及专业软件动态模拟，压头选择为7000Pa比较合理

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=26017×7000/2520000=72kW。

同理：N实际=72/（n/n）=72/（40/50）=141KW。

2.2.3急冷风机、终冷风机

由于天然气宽体窑和普通窑的产量相当，虽普通窑的管路设置会长，但同时其窑体散热也多发挥一些作用。所以这两种风机功率相差不大，可忽略不计。

2.2.4抽热及热交换风机功率的理论选择

这两台风机是将砖坯从烧成温度冷却到80℃所需的冷风量以300℃的热风形式抽出（窑墙散热估计5%计算）。

天然气宽体窑：

1.热风量Q=20000×26/24×0.85×（1200-80）/（1×（300-20）×0.67×24）=109950 m/h（300℃）

2.压头。根据理论计算以及专业软件动态模拟，压头选择为2700Pa比较合理

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=109950×2800/2520000=117kW。

考虑抽热风机一般设置在40HZ时工作比较好。这个区域，调试工艺所需的阀门调整不多。

即N=117/（n/n）=117/（40/50）=230kW。

常规窑：

常规窑，风量相当，但是压头要选大，以3000Pa为好。

风机理论选择功率：N=PXQ/2520000=109950×3000/2520000=130kW。

同理：N=130/（n/n）=130/（40/50）=256kW。

宽体窑风机总装机功率（未包含急冷，尾冷）：187+109+230=526KW;

普通窯风机总装机功率（未包含急冷，尾冷）：264+141+256=661kW;

节电：661-526=135kW

节能比例135/661=20%。

2.3 窑墙散热面积能耗的节省

对于内宽3100mm宽体窑，800mm×800mm 的抛釉砖可以1排3片，而内宽 2500mm  普通窑炉，800mm×800mm 的抛釉砖1排2片，对于同样产量20000平方米/天，分别计算两种窑炉的长度。

L = S÷η÷成品砖面积÷（24x60÷T）÷n ×（砖坯长度+k）。

公式中  ：24×60÷T为每天烧成多少窑炉的砖

L÷（砖坯长度+k）x n为每条窑炉可容纳多少件砖坯

T为窑炉烧成周期，L为窑炉长度，S为窑炉的产量，k为前后砖坯间距，η窑炉窑炉产品合格率，n为单排进砖数。

（1）对于内宽3100mm宽体窑，产量20000平方米/天，窑炉的长度为：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷3×（0.89+0.01）=331.8m

从排烟带到急冷前约占一条窑炉的65%，其总散热面积为 （3.95×2+1.17×2）×331.8×0.65=2208m

对于内宽2500mm普通窑炉，产量20000平方米/天，窑炉的长度为：

L=20000÷0.98÷0.64÷（24X60÷50）÷2×（0.89+0.01）=497.7m

从排烟带到急冷前约占一条窑炉的65%，其总散热面积为    （3.35×2+1.17×2）×497.7×0.65=2924m

窑长缩短比例（497.7-331.8）/446=33.3%

散热面积减少比例（2924-2208）/2924=24.5%

从以上分析可以看到，达到相同产能，宽体窑比常规窑窑体短33.3%，散热面积减小了716m，减小了近24.5%。

（2）热量损失计算：

假定窑墙外表平均温度为70℃，环境温度为30℃。

对流辐射换热系数a=2.56×（70-30）0.25+4.56（704-304）/（100×（70-30））= 14W/m2 ℃。

最大热流量为：

Q=a（70-30）=14×40=560W/m

总热损失功率：Q=716×560=401kW/h。

（3）热损失费用计算：

换算为每小时天然气量：

401×861/8300=42m/h

每天节约天然气量：42×24=998 m;

节约资金：998×5=4990元。

每年按330天计算：330×4990=1646700元。

从以上分析可以看到，达到相同产能，天然气宽体窑炉散热面积减小了716m，一年可以节省费用1646700元。

2.4其他

2条宽体窑产量相当于3条普通窑产量，不单是从窑炉方面节能。同时也减少一条生产线的工作人员。

3100 mm内宽的宽体窑做800mm×800mm微粉砖，每排进三片。同样长度的2500 mm內宽的普通窑，每排进两片。宽体窑产量大出1/3。也就是说，同样的长度的窑炉，2条宽体窑的产量相当于3条普通窑的产量。比如，两条20000平方米/天的内宽3100 mm宽体窑，产量相当于三条长度一样的、产量6700平方米/天的内宽2500 mm普通窑。单单从这点看，宽体窑不论是在节能，还是在其他方面都有相当大的优势。

3实际案例验证

3.1 案例1详情

国外项目，我公司在印度某公司生产的瓷质砖天然气宽体窑项目，烧成周期60分钟，最高烧成温度1210度左右，窑炉尾三片800砖出窑比较整齐，相差仅一根多棒。出窑砖平整度也比较好，无色差，窑炉单位能耗1.05立方米（NG）/平方米砖。这与印度常规窑炉1.2-1.5立方米（NG）/平米砖的能耗节能了12%以上，节能效果非常的可观。

3.2 国内项目

MOD.;MFS-3100型高效节能宽体窑（NG）运行的性能参数。

（1）窑内截面温差：通过测温环检测小于3℃;

（2）窑外表温度，≤外界温度+30℃;

（3）自控情况

温度自控，仪表控温精度为±1.0℃。

（4）利用SPR系统，助燃风温度可达到220℃。

3.3 宽体窑与普通宽度窑炉生产对比，见表1所示。

4节能效果

对于这两年火爆的岩板窑炉，天然气宽体窑炉的优势依然比较明显，我公司在肇庆某厂生产的岩板产品，800×2600×9，可以走3片，窑炉3.1/249.2米，产量达到了13150平方米/天，天然气能耗是1.36 m/m砖，达到了行业领先的水平。对于2500的普通窑炉，只能走2片，能耗约2.2 m/m砖，天然气宽体窑的节能减排的作用还是比较明显的。

5总结

宽体辊道窑具有占地面积小、能耗少、效率高、产量大等特点，是未来窑炉升级换代的主要设备。天然气宽体辊道窑不仅具有广阔的应用前景，而且提升了陶瓷行业的生产水平，也是当下陶瓷行业在能源和环保困局下积极可行的突破口。

随着“十三五”的结束和“十四五”的实施，在国家不断重视环保，推行双碳双控的大环境下，以及国家及地方政府要求煤改气，上线天然气窑炉的会逐渐增多，发生炉煤气窑炉会相应的减少。企业会越来越重视窑炉的节能效果，节能减排必将是陶瓷产业的大势所趋，陶瓷窑炉工作者的责任会越来越大，节能挖潜任务会愈来愈重。天然气宽体窑炉是摩德娜的强项，作为有使命感和社会责任感的摩德娜公司，为“成为世界一流的节能环保建材成套装备企业”的愿景而努力奋斗。

参考文献

[1]张雨. 宽体窑新型天然气喷枪的特点、节能效果及优势[J]. 佛山陶瓷， 2014（7）：3.