陶瓷窑炉的节能技术

陶瓷窑炉的节能技术推荐本文□曾令可刘涛王慧刘平安摘要随着“十一五”节能专项规划的出台,国家对高能耗高排放产业的改革势在必行。陶瓷产业正是高能耗、高污染的行业,必然是改革的重点领域,节能减排也必将是陶瓷产业的大势所趋。本文详细综述了当前陶瓷窑炉一些先进的节能技术,并对未来节能的发展方向提出了一些展望。关键词陶瓷窑炉,能耗,节能技术1前言众所周知,国家“十一五”计划中明确提出了“十一五”节能专项规划,要求调整产业结构、能源结构,遏制高能耗高污染行业过快增长,大力推进节能工作,而陶瓷产业正是高能耗、高污染的行业,尤其是对资源的消耗和环境的污染都非常严重,属于政府和大众“紧盯”的行业之一。在佛山,建筑陶瓷行业的节能、排放和环保问题显得尤为严重,在2007年,在佛山216家能源审计不合格企业的黑名单中,陶瓷企业赫然占了84家,陶瓷企业的变革必然首当其冲。为此,国家出台了一系列的强制性节能措施,如开征燃油税、环境税,建立政府节能减排工作问责制和一票否决制等机制,以此强制性督促陶瓷产业进行节能改革。中国陶瓷工业的能源利用率与国外相比,差距较大。发达国家的能源利用率一般高达50%以上,美国达57%,而我国仅为28%~30%。在陶瓷工业的一般工艺流程中,能耗主要体现在原料的加工、成形、干燥与烧成这四部分。其中干燥和烧成工序,两者的能耗约占80%。在建筑卫生陶瓷方面,国内外能耗存在着一定的差距,如表1所示。以日用陶瓷在国内烧成能耗的状况为例,燃煤隧道窑为41816~54361kJ/kg瓷,折合1.42~1.85kg标准煤/kg瓷;燃油隧道窑为33453~45998kJ/kg瓷,折合1.14~1.57kg标准煤/kg瓷;燃气隧道窑为29271~39725kJ/kg瓷,折合1.00~1.35kg标准煤/kg瓷。而国外窑炉以气体燃料为主,烧成能耗为12545~25090kJ/kg瓷,折合0.43~0.86kg标准煤/kg瓷,烧成能耗只有我国的一半左右[1]。国家标准《建筑卫生陶瓷产品单位能源消耗限额》也已出台,如表2所示。2陶瓷窑炉的节能技术在2008年,对广东陶瓷生产企业进行能源核查时发现,通过对陶瓷窑炉进行改造和新技术的应用,可以大大地减少能耗且潜力非常大,能满足国家“十一五”计划所要求“到‘十一五’结束达到节能20%”的目标。下面是在能源审查中看到的对窑炉进行改造比较成功的三家工厂的案例:甲厂把窑炉余热(170℃)送到干燥窑及助燃风,可节能4900tce/年,通过在煤气发生炉系统中增加循环风机、中转汽缸及管道等设施,可以降低排烟温度,提高余热利用率并节煤1404tce。该厂在2006、2007年的单位综合能耗分别为0.346、0.321tce/t,预计到2010年单位综合能耗可降为0.285tce/t,节能量达30000tce。该厂的能源费用占总成本的41.9%,而窑炉节能占总节能量的83.2%。可见,窑炉改造能大大降低生产成本且节能潜力巨大。乙厂将窑炉余热引入喷雾干燥塔用于干燥粉料,可节能20400tce/年,并且改造了5条2.4m×238m窑炉,可节能14400tce/年。该厂2006、2007年的单位产品能耗分别为753.67和541kgce/t,2年共节能42351tce。其中,通过窑炉改造可节能34800tce/年,占总节能量的82.2%,可见,窑炉的节能潜力巨大。丙厂进行发生炉煤气顶部改造工程,改造了7台炉,可多产煤气量:100800m3/(2850m3/t)=35tce,则每月能多节煤1050tce,运行5个月内共节能3750tce。并加长窑炉,由158.6m改为199.95m,烧800mm×800mm的砖产量可从3800m2/日提高到4200m2/日,折合节能1114.17tce。该厂2006、2007年的单位产品能耗分别为0.476和0.458tce/t,2年共节能42351tce。预计2010年可达到0.4304tce/t,到十一五末可节能12249tce。能源费用占总成本的34%,通过窑炉改造节能占总节能的92.4%,可见通过窑炉改造,节能潜力十分显著。窑炉是陶瓷企业最关键的热工设备,也是耗能最大的设备,但是窑炉能耗的水平,主要取决于窑炉的结构与烧成技术。窑炉技术革新围绕着以下几个关键性问题进行:①窑炉结构的优化;②烧成技术的创新;③合理选用烧嘴;④余热回收利用;⑤大范围采用自动控制技术;⑥研究开发更先进的保温材料和涂层技术[2]。2.1优化窑炉结构随着窑内高的增加,单位制品热耗和窑墙散热量也在增加。如当辊道窑窑内高由0.2m升高至1.2m时,热耗增加4.43%,窑墙散热升高33.2%,故从节能的角度看,窑内高度越低越好;随着窑内宽度增大,单位制品热耗和窑墙散热均减少。如当辊道窑窑内宽从1.2m增大到2.4m,单位制品热耗减少2.9%,窑墙散热降低25%。如把辊道窑的内宽由2.5米扩大到3.0米,产量则可以从10000m2增加到15000m2,窑体散热面积由1206m2增加到1422m2,每生产1m2砖,窑墙散热面积由0.1206m2减少到0.0948m2;如果窑墙外表面温度与环境的温度差不变,则窑体外壁的散热损失可减少27.2%,故在一定范围内,窑越宽越好;窑越宽,节能率越高,故只要能很好地解决断面温差的问题,宽体窑是未来发展的方向;当窑内宽和窑内高一定的情况下,随着窑长的增加,单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量均有所减少。如当辊道窑的窑长由50m增加到100m时,单位制品热耗降低1%,窑头烟气带走热量减少13.9%。因此,应重点研究和优化窑炉结构,减少制品带走的热量,减少能耗,并逐步缩小窑内各断面的温差,使烧成制品缺陷降低,加快烧成周期,并节约能耗[3]。2.2采用先进的烧成技术2.2.1采用低温快烧技术在陶瓷生产中,烧成温度越高,能耗就越高。据热平衡计算,若烧成温度降低100℃,则单位产品热耗可降低10%以上,且烧成时间缩短10%,产量增加10%,热耗降低4%。因此,在陶瓷行业中,应用低温快烧技术,不但可以增加产量,节约能耗,而且还可以降低成本。如佛山某企业和华南理工大学合作,采用超低温配方烧成,将现有的建筑陶瓷产品的烧成温度降低约200℃,达到1000℃以下,单位制品的燃耗降低25%,每公斤瓷能耗为3~5MJ,仅为普通烧成技术的75%左右,大大降低了生产成本。2.2.2采用一次烧成技术采用一次烧成技术一次烧成比一次半烧成(900℃左右低温素烧,再高温釉烧)和两次烧成更节能,综合效应更佳,同时可以解决制品的后期龟裂,延长制品的使用寿命[1]。2.3合理选用喷嘴过去在喷嘴使用时,温度控制容易出现偏差。由于高温火焰流因浮力而上升,形成窑道内温度上高下低,使热电偶检测到的温度数据偏高,故造成热电偶仪表上显示的温度与窑内烧成品实际温度出现很大的偏差。采用新型高速喷嘴或脉冲烧成技术,可以使窑内温度变得均匀,减少窑内的上下温差,不但能缩短烧成周期,降低能耗,而且可以提高制品的烧成效果。特别对于宽断面的窑炉,宜采用脉冲比例烧嘴或高速烧嘴;对于烧水煤气的辊道窑,采用预混式烧嘴,不但可以减少窑断面上的温差,而且可以节约能源近15%~20%[2]。2.4余热回收循环利用积极采用先进的烟气余热回收技术,降低排烟热损失是实现工业窑炉节能的主要途径。当前国内外烟气余热的利用主要用于干燥、烘干制品和生产的其他环节。采用换热器回收烟气余热来预热助燃空气和燃料,具有降低排烟热损失、节约燃料和提高燃料燃烧效率、改善炉内热工过程的双重效果,一般认为:空气预热温度每提高100℃,即可节约燃料5%。现有的余热利用方式主要有以下几种:①在换热器中用烟气余热加热助燃空气和煤气;②设置预热段或辊道干燥窑,用烟气余热加热湿坯;③设置余热锅炉,用烟气余热生产蒸汽;④加热空气作为烘干坯件的热源;⑤将窑炉热烟气直接送至喷雾塔干燥浆料进行制粉;⑥利用烟气余热来发电和供暖等[4]。蓄热式热交换技术为上世纪80年代兴起的新型节能技术,该技术的最大特点是高效节能,平均节能率在现有基础上可再提高30%。传统工业炉的蓄热室由耐火材料砌成,能承受高温。但是为了保证足够的换热面积,导致体积过于庞大,换热效果也不尽如人意。陶瓷蜂窝体等新型蓄热体的出现,不仅保持了传统蓄热室的热回收率高、节能效率高、寿命长等优点,而且克服了体积庞大等缺点,为进一步提高陶瓷窑炉的热效率、节约能源及减少CO2的排放量带来了新的希望[5]。某企业在不改变窑炉现有设备和结构的情况下,安装了一部其自主研制的热交换器,以回收烟气中的部分余热,可以使废热中的90%被重新回收利用,节能达10%左右。某窑炉节能科技有限公司,将窑炉急冷段的热风直接抽出送至喷雾塔用来干燥粉料,循环利用窑炉余热,而喷雾塔无须另外配置热风炉,一年可以节约几百万元的燃料支出。2.5富氧燃烧节能技术针对陶瓷烧成的燃烧技术,一般将助燃空气中氧气含量大于21%时所采取的燃烧技术,简称为富氧燃烧技术。燃料在富氧状态下能降低燃点温度,且使燃烧速度加快,燃烧完全,从而提高了火焰强度,获得较好的热传导。由于采用富氧燃烧技术,燃烧相对完全,火焰长度相对缩短,火焰上部温度降低,减轻了小炉、蓄热室的热负荷,即减轻了对其的侵蚀,窑炉寿命也得到相应延长。采用富氧空气后可以适当减少二次助燃风量,从而减少废气排放量,也就减少了废气带走的热量,提高了热效率,达到节能的目的[6]。富氧燃烧技术具有可以减少二次风的需求量,减少烟气的排放量,增加火焰温度,提高燃烧效率,以及有效地节约能源消耗等优势[7]。一般认为,采用富氧燃烧技术可以节能约10%左右。2.6计算机模拟技术以前对陶瓷窑炉的模拟多数采用模型模拟的方法,建设模拟模型耗资大、时间长,操控不方便。而采用先进的计算机模拟技术可以模拟窑内的流体的对流换热过程,模拟辊道窑喷嘴的布设角度及结构参数等对窑内流场的影响;模拟梭式窑内流场对流换热规律及对流换热系数对窑内换热不均匀度的影响,还可以模拟陶瓷烧成过程中影响NOx生成的各个因素。通过计算机对陶瓷的烧成过程进行模拟,可以对烧嘴结构进行优化,加强对陶瓷烧成过程的精确控制,做到有的放矢,可以大大提高生产效率,减少能源的消耗和浪费,而且可以达到控制有害气体排放的目的。2.7选用高效的保温材料窑体热损失主要分为蓄热损失与散热损失。减少热损失的主要措施就是加强窑体的有效保温,并且在保证窑墙外表温度尽可能低的情况下,选用最合理最经济的材料以取得最薄的窑墙结构。保温材料的合理选择对节能降耗起到很大的效果,如轻质陶瓷纤维与重质耐火砖相比,具有以下优点:质量轻、导热系数小、重量只有轻质材料的1/6、容重为传统耐火砖的1/25、蓄热量仅为砖砌式炉衬的1/30~1/10、窑外壁温度可降到30℃~60℃。纤维节能方面,从总能耗的20.6%下降到9.02%,节能达到16.67%[1]。将高性能保温材料或绝热材料应用在陶瓷窑炉上,不但可以减少窑墙的蓄散热,而且可以大大地减薄窑壁的厚度,使窑壁的结构简单化。如佛山科达机电股份有限公司在高效节能辊道窑上使用低温超级隔热保温材料,利用多层屏蔽阻隔及纳米SiO2颗粒的特性,大大提高了窑墙的隔热性能,使窑体外表面的热损失大大降低。窑外壁的温度在50~60℃,其导热系数对照如图1所示。笔者承担的广东省自然科学基金项目,利用硅钙板、超多孔陶瓷材料等和SiO2气凝胶复合,采用超临界干燥技术制备出性能优异的超级绝热材料,其导热系数为0.023W/m•K。2.8选择低成本燃料目前,大多陶瓷生产企业使用的燃料多为液化气、煤、煤气、轻柴油、重油等。煤因不易控制、燃烧不充分、温差大、热效率低且污染大而很少被采用。虽然煤气发生炉一次性投资较大,但由于煤价波动较小,且年平均价格稳定、成本较低,一般一年就可收回投资,所以煤气越来越被重视和选用[8]。发生炉煤气(煤转气)的应用是窑炉的燃料费用降低及能源消耗大幅度下降的有效途径。发生炉煤气是一种洁净的气体燃料,可避免环境污染,同时又降低了窑炉燃料费用,减轻了工人劳动强度,是提高经济效益和社会效益非常有效的替代燃料。就燃料的成本而言,