陶瓷窯爐的節(jié)能技術(shù)

1、陶瓷窯爐的節(jié)能技術(shù)推薦本文 曾令可 劉 濤 王 慧 劉平安摘要 隨著“十一五”節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃的出臺(tái),國(guó)家對(duì)高能耗高排放產(chǎn)業(yè)的改革勢(shì)在必行。陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗、高污染的行業(yè),必然是改革的重點(diǎn)領(lǐng)域,節(jié)能減排也必將是陶瓷產(chǎn)業(yè)的大勢(shì)所趨。本文詳細(xì)綜述了當(dāng)前陶瓷窯爐一些先進(jìn)的節(jié)能技術(shù),并對(duì)未來節(jié)能的發(fā)展方向提出了一些展望。 關(guān)鍵詞 陶瓷窯爐,能耗,節(jié)能技術(shù) 1前 言 眾所周知,國(guó)家“十一五”計(jì)劃中明確提出了“十一五”節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃,要求調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu),遏制高能耗高污染行業(yè)過快增長(zhǎng),大力推進(jìn)節(jié)能工作,而陶瓷產(chǎn)業(yè)正是高能耗、高污染的行業(yè),尤其是對(duì)資源的消耗和環(huán)境的污染都非常嚴(yán)重,屬于政府和大眾“緊盯”的

2、行業(yè)之一。在佛山,建筑陶瓷行業(yè)的節(jié)能、排放和環(huán)保問題顯得尤為嚴(yán)重,在2007年,在佛山216家能源審計(jì)不合格企業(yè)的黑名單中,陶瓷企業(yè)赫然占了84家,陶瓷企業(yè)的變革必然首當(dāng)其沖。為此,國(guó)家出臺(tái)了一系列的強(qiáng)制性節(jié)能措施,如開征燃油稅、環(huán)境稅,建立政府節(jié)能減排工作問責(zé)制和一票否決制等機(jī)制,以此強(qiáng)制性督促陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)行節(jié)能改革。 中國(guó)陶瓷工業(yè)的能源利用率與國(guó)外相比,差距較大。發(fā)達(dá)國(guó)家的能源利用率一般高達(dá)50%以上,美國(guó)達(dá)57%,而我國(guó)僅為28%30%。在陶瓷工業(yè)的一般工藝流程中,能耗主要體現(xiàn)在原料的加工、成形、干燥與燒成這四部分。其中干燥和燒成工序,兩者的能耗約占80%。在建筑衛(wèi)生陶瓷方面,國(guó)內(nèi)外能耗存

3、在著一定的差距,如表1所示。 以日用陶瓷在國(guó)內(nèi)燒成能耗的狀況為例,燃煤隧道窯為4181654361kJ/kg瓷,折合1.421.85kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷;燃油隧道窯為3345345998kJ/kg瓷,折合1.141.57kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷;燃?xì)馑淼栏G為2927139725kJ/kg瓷,折合1.001.35kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷。而國(guó)外窯爐以氣體燃料為主,燒成能耗為1254525090kJ/kg瓷,折合0.430.86kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg瓷,燒成能耗只有我國(guó)的一半左右1。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單位能源消耗限額也已出臺(tái),如表2所示。 2 陶瓷窯爐的節(jié)能技術(shù) 在2008年,對(duì)廣東陶瓷生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行能源核查時(shí)

4、發(fā)現(xiàn),通過對(duì)陶瓷窯爐進(jìn)行改造和新技術(shù)的應(yīng)用,可以大大地減少能耗且潛力非常大,能滿足國(guó)家“十一五”計(jì)劃所要求“到十一五結(jié)束達(dá)到節(jié)能20%”的目標(biāo)。下面是在能源審查中看到的對(duì)窯爐進(jìn)行改造比較成功的三家工廠的案例: 甲廠把窯爐余熱(170)送到干燥窯及助燃風(fēng),可節(jié)能4900tce/年,通過在煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)中增加循環(huán)風(fēng)機(jī)、中轉(zhuǎn)汽缸及管道等設(shè)施,可以降低排煙溫度,提高余熱利用率并節(jié)煤1404tce。該廠在2006、2007年的單位綜合能耗分別為0.346、0.321tce/t,預(yù)計(jì)到2010年單位綜合能耗可降為0.285tce/t,節(jié)能量達(dá)30000tce。該廠的能源費(fèi)用占總成本的41.9%,而窯爐節(jié)能

5、占總節(jié)能量的83.2%?？梢?窯爐改造能大大降低生產(chǎn)成本且節(jié)能潛力巨大。 乙廠將窯爐余熱引入噴霧干燥塔用于干燥粉料,可節(jié)能20400tce/年,并且改造了5條2.4m238m窯爐,可節(jié)能14400tce/年。該廠2006、2007年的單位產(chǎn)品能耗分別為753.67和541kgce/t,2年共節(jié)能42351tce。其中,通過窯爐改造可節(jié)能34800tce/年,占總節(jié)能量的82.2%,可見,窯爐的節(jié)能潛力巨大。 丙廠進(jìn)行發(fā)生爐煤氣頂部改造工程,改造了7臺(tái)爐,可多產(chǎn)煤氣量:m3/(2850m3/t) =35tce,則每月能多節(jié)煤1050tce,運(yùn)行5個(gè)月內(nèi)共節(jié)能3750tce。并加長(zhǎng)窯爐,由158.

6、6m改為199.95m,燒800mm800mm的磚產(chǎn)量可從3800m2/日提高到4200m2/日,折合節(jié)能1114.17tce。該廠2006、2007年的單位產(chǎn)品能耗分別為0.476和0.458tce/t,2年共節(jié)能42351tce。預(yù)計(jì)2010年可達(dá)到0.4304tce/t,到十一五末可節(jié)能12249tce。能源費(fèi)用占總成本的34%,通過窯爐改造節(jié)能占總節(jié)能的92.4%,可見通過窯爐改造,節(jié)能潛力十分顯著。 窯爐是陶瓷企業(yè)最關(guān)鍵的熱工設(shè)備,也是耗能最大的設(shè)備,但是窯爐能耗的水平,主要取決于窯爐的結(jié)構(gòu)與燒成技術(shù)。窯爐技術(shù)革新圍繞著以下幾個(gè)關(guān)鍵性問題進(jìn)行:窯爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;燒成技術(shù)的創(chuàng)新;合理選用

7、燒嘴;余熱回收利用;大范圍采用自動(dòng)控制技術(shù);研究開發(fā)更先進(jìn)的保溫材料和涂層技術(shù)2。 2.1 優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu) 隨著窯內(nèi)高的增加,單位制品熱耗和窯墻散熱量也在增加。如當(dāng)輥道窯窯內(nèi)高由0.2m升高至1.2m時(shí),熱耗增加4.43%,窯墻散熱升高33.2%,故從節(jié)能的角度看,窯內(nèi)高度越低越好;隨著窯內(nèi)寬度增大,單位制品熱耗和窯墻散熱均減少。如當(dāng)輥道窯窯內(nèi)寬從1.2m增大到2.4m,單位制品熱耗減少2.9%,窯墻散熱降低25%。如把輥道窯的內(nèi)寬由2.5米擴(kuò)大到3.0米,產(chǎn)量則可以從10000m2增加到15000m2,窯體散熱面積由1206m2增加到1422m2,每生產(chǎn)1m2磚,窯墻散熱面積由0.1206m2

8、減少到0.0948m2;如果窯墻外表面溫度與環(huán)境的溫度差不變,則窯體外壁的散熱損失可減少27.2%,故在一定范圍內(nèi),窯越寬越好;窯越寬,節(jié)能率越高,故只要能很好地解決斷面溫差的問題,寬體窯是未來發(fā)展的方向;當(dāng)窯內(nèi)寬和窯內(nèi)高一定的情況下,隨著窯長(zhǎng)的增加,單位制品的熱耗和窯頭煙氣帶走的熱量均有所減少。如當(dāng)輥道窯的窯長(zhǎng)由50m增加到100m時(shí),單位制品熱耗降低1%,窯頭煙氣帶走熱量減少13.9%。因此,應(yīng)重點(diǎn)研究和優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu),減少制品帶走的熱量,減少能耗,并逐步縮小窯內(nèi)各斷面的溫差,使燒成制品缺陷降低,加快燒成周期,并節(jié)約能耗3。 2.2采用先進(jìn)的燒成技術(shù) 2.2.1 采用低溫快燒技術(shù) 在陶瓷生產(chǎn)

9、中,燒成溫度越高,能耗就越高。據(jù)熱平衡計(jì)算,若燒成溫度降低100,則單位產(chǎn)品熱耗可降低10%以上,且燒成時(shí)間縮短10%,產(chǎn)量增加10%,熱耗降低4%。因此,在陶瓷行業(yè)中,應(yīng)用低溫快燒技術(shù),不但可以增加產(chǎn)量,節(jié)約能耗,而且還可以降低成本。如佛山某企業(yè)和華南理工大學(xué)合作,采用超低溫配方燒成,將現(xiàn)有的建筑陶瓷產(chǎn)品的燒成溫度降低約200,達(dá)到1000以下,單位制品的燃耗降低25%,每公斤瓷能耗為35MJ,僅為普通燒成技術(shù)的75%左右,大大降低了生產(chǎn)成本。 2.2.2 采用一次燒成技術(shù) 采用一次燒成技術(shù)一次燒成比一次半燒成(900左右低溫素?zé)?再高溫釉燒)和兩次燒成更節(jié)能,綜合效應(yīng)更佳,同時(shí)可以解決制品

10、的后期龜裂,延長(zhǎng)制品的使用壽命1。 2.3 合理選用噴嘴 過去在噴嘴使用時(shí),溫度控制容易出現(xiàn)偏差。由于高溫火焰流因浮力而上升,形成窯道內(nèi)溫度上高下低,使熱電偶檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)偏高,故造成熱電偶儀表上顯示的溫度與窯內(nèi)燒成品實(shí)際溫度出現(xiàn)很大的偏差。采用新型高速噴嘴或脈沖燒成技術(shù),可以使窯內(nèi)溫度變得均勻,減少窯內(nèi)的上下溫差,不但能縮短燒成周期,降低能耗,而且可以提高制品的燒成效果。特別對(duì)于寬斷面的窯爐,宜采用脈沖比例燒嘴或高速燒嘴;對(duì)于燒水煤氣的輥道窯,采用預(yù)混式燒嘴,不但可以減少窯斷面上的溫差,而且可以節(jié)約能源近15%20%2。 2.4 余熱回收循環(huán)利用 積極采用先進(jìn)的煙氣余熱回收技術(shù),降低排煙熱

11、損失是實(shí)現(xiàn)工業(yè)窯爐節(jié)能的主要途徑。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外煙氣余熱的利用主要用于干燥、烘干制品和生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)。采用換熱器回收煙氣余熱來預(yù)熱助燃空氣和燃料,具有降低排煙熱損失、節(jié)約燃料和提高燃料燃燒效率、改善爐內(nèi)熱工過程的雙重效果,一般認(rèn)為:空氣預(yù)熱溫度每提高100,即可節(jié)約燃料5%。 現(xiàn)有的余熱利用方式主要有以下幾種:在換熱器中用煙氣余熱加熱助燃空氣和煤氣;設(shè)置預(yù)熱段或輥道干燥窯,用煙氣余熱加熱濕坯;設(shè)置余熱鍋爐,用煙氣余熱生產(chǎn)蒸汽;加熱空氣作為烘干坯件的熱源;將窯爐熱煙氣直接送至噴霧塔干燥漿料進(jìn)行制粉;利用煙氣余熱來發(fā)電和供暖等4。 蓄熱式熱交換技術(shù)為上世紀(jì)80年代興起的新型節(jié)能技術(shù),該技術(shù)的最大特點(diǎn)是

12、高效節(jié)能,平均節(jié)能率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可再提高30%。傳統(tǒng)工業(yè)爐的蓄熱室由耐火材料砌成,能承受高溫。但是為了保證足夠的換熱面積,導(dǎo)致體積過于龐大,換熱效果也不盡如人意。陶瓷蜂窩體等新型蓄熱體的出現(xiàn),不僅保持了傳統(tǒng)蓄熱室的熱回收率高、節(jié)能效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),而且克服了體積龐大等缺點(diǎn),為進(jìn)一步提高陶瓷窯爐的熱效率、節(jié)約能源及減少CO2的排放量帶來了新的希望5。 某企業(yè)在不改變窯爐現(xiàn)有設(shè)備和結(jié)構(gòu)的情況下,安裝了一部其自主研制的熱交換器,以回收煙氣中的部分余熱,可以使廢熱中的90%被重新回收利用,節(jié)能達(dá)10%左右。某窯爐節(jié)能科技有限公司,將窯爐急冷段的熱風(fēng)直接抽出送至噴霧塔用來干燥粉料,循環(huán)利用窯爐余熱,

13、而噴霧塔無須另外配置熱風(fēng)爐,一年可以節(jié)約幾百萬元的燃料支出。 2.5 富氧燃燒節(jié)能技術(shù)針對(duì)陶瓷燒成的燃燒技術(shù),一般將助燃空氣中氧氣含量大于21%時(shí)所采取的燃燒技術(shù),簡(jiǎn)稱為富氧燃燒技術(shù)。燃料在富氧狀態(tài)下能降低燃點(diǎn)溫度,且使燃燒速度加快,燃燒完全,從而提高了火焰強(qiáng)度,獲得較好的熱傳導(dǎo)。由于采用富氧燃燒技術(shù),燃燒相對(duì)完全,火焰長(zhǎng)度相對(duì)縮短,火焰上部溫度降低,減輕了小爐、蓄熱室的熱負(fù)荷,即減輕了對(duì)其的侵蝕,窯爐壽命也得到相應(yīng)延長(zhǎng)。采用富氧空氣后可以適當(dāng)減少二次助燃風(fēng)量,從而減少?gòu)U氣排放量,也就減少了廢氣帶走的熱量,提高了熱效率,達(dá)到節(jié)能的目的6。富氧燃燒技術(shù)具有可以減少二次風(fēng)的需求量,減少煙氣的排放量

14、,增加火焰溫度,提高燃燒效率,以及有效地節(jié)約能源消耗等優(yōu)勢(shì)7。一般認(rèn)為,采用富氧燃燒技術(shù)可以節(jié)能約10%左右。 2.6 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 以前對(duì)陶瓷窯爐的模擬多數(shù)采用模型模擬的方法,建設(shè)模擬模型耗資大、時(shí)間長(zhǎng),操控不方便。而采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以模擬窯內(nèi)的流體的對(duì)流換熱過程,模擬輥道窯噴嘴的布設(shè)角度及結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)窯內(nèi)流場(chǎng)的影響;模擬梭式窯內(nèi)流場(chǎng)對(duì)流換熱規(guī)律及對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)窯內(nèi)換熱不均勻度的影響,還可以模擬陶瓷燒成過程中影響NOx生成的各個(gè)因素。通過計(jì)算機(jī)對(duì)陶瓷的燒成過程進(jìn)行模擬,可以對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,加強(qiáng)對(duì)陶瓷燒成過程的精確控制,做到有的放矢,可以大大提高生產(chǎn)效率,減少能源的消耗和浪費(fèi),

15、而且可以達(dá)到控制有害氣體排放的目的。 2.7 選用高效的保溫材料 窯體熱損失主要分為蓄熱損失與散熱損失。減少熱損失的主要措施就是加強(qiáng)窯體的有效保溫,并且在保證窯墻外表溫度盡可能低的情況下,選用最合理最經(jīng)濟(jì)的材料以取得最薄的窯墻結(jié)構(gòu)。保溫材料的合理選擇對(duì)節(jié)能降耗起到很大的效果,如輕質(zhì)陶瓷纖維與重質(zhì)耐火磚相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、重量只有輕質(zhì)材料的1/6、容重為傳統(tǒng)耐火磚的1/25、蓄熱量?jī)H為磚砌式爐襯的1/301/10、窯外壁溫度可降到3060。纖維節(jié)能方面,從總能耗的20.6%下降到9.02%,節(jié)能達(dá)到16.67%1。 將高性能保溫材料或絕熱材料應(yīng)用在陶瓷窯爐上,不但可以減少窯墻

16、的蓄散熱,而且可以大大地減薄窯壁的厚度,使窯壁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。如佛山科達(dá)機(jī)電股份有限公司在高效節(jié)能輥道窯上使用低溫超級(jí)隔熱保溫材料,利用多層屏蔽阻隔及納米SiO2顆粒的特性,大大提高了窯墻的隔熱性能,使窯體外表面的熱損失大大降低。窯外壁的溫度在5060,其導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)照如圖1所示。筆者承擔(dān)的廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目,利用硅鈣板、超多孔陶瓷材料等和SiO2氣凝膠復(fù)合,采用超臨界干燥技術(shù)制備出性能優(yōu)異的超級(jí)絕熱材料,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/mK。 2.8 選擇低成本燃料 目前,大多陶瓷生產(chǎn)企業(yè)使用的燃料多為液化氣、煤、煤氣、輕柴油、重油等。煤因不易控制、燃燒不充分、溫差大、熱效率低且污染大而很少被采用。雖然煤氣發(fā)生爐一次性投資較大,但由于煤價(jià)波動(dòng)較小,且年平均價(jià)格穩(wěn)定、成本較低,一般一年就可收回投資,所以煤氣越來越被重視和選用8。 發(fā)生爐煤氣(煤轉(zhuǎn)氣)的應(yīng)用是窯爐的燃料費(fèi)用降低及能源消耗大幅度下降的有效途徑。發(fā)生爐煤氣是一種潔凈的氣體燃料,可避免環(huán)境污染,同時(shí)又降低了窯爐燃料費(fèi)用,減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,是提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常有效的替代燃料。就燃料的成本而言,若以柴油為窯爐燃料,則燃燒1公斤的柴油,相當(dāng)于燃燒23公斤煤。1公斤柴油的價(jià)格為4.00元左右,23公斤煤的價(jià)格約為2.00元(按700元/t算),不考慮其他費(fèi)用,兩者