衛(wèi)生陶瓷超大截面隧道窯的設(shè)計(jì)

郭俊平，曾令可

衛(wèi)生陶瓷超大截面隧道窯的設(shè)計(jì)

郭俊平1，曾令可2

(1. 潮州市窯爐窯具研究所，廣東 潮州 521000，2. 華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

制備寬斷面隧道窯是衛(wèi)生陶瓷增加產(chǎn)量、節(jié)能降耗最有效的手段之一，本文就寬斷面隧道窯設(shè)計(jì)及建造中的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行陳述，祈望能為行業(yè)的節(jié)能降耗，產(chǎn)量更上一層樓，增加企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力作貢獻(xiàn)。

衛(wèi)生陶瓷隧道窯；超大截面；節(jié)能降耗

0 引 言

衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)是屬于能耗較高的產(chǎn)業(yè)，尤其是燒成工序，占整個(gè)陶瓷生產(chǎn)總能耗的65%以上。由于衛(wèi)生陶瓷坯體普遍比較大而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在燒成過(guò)程中一定要按其坯體及工藝制度的特點(diǎn)，升降溫度要求比較平緩、燒成時(shí)間比較長(zhǎng)，多達(dá)幾十小時(shí)，故想采用快速燒成達(dá)到增加產(chǎn)量是較困難的。多年來(lái)，陶瓷行業(yè)為增加產(chǎn)量，節(jié)能減排傾注了大量的心血，特別是在窯爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、新型窯爐、新型保溫材料及新型燒成技術(shù)等方面花費(fèi)了很大功夫，在超寬斷面窯結(jié)構(gòu)上取得了一定的成果[1]，這既符合我國(guó)的節(jié)能減排政策，又為企業(yè)降低成本、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮了積極的作用。當(dāng)前，在陶瓷衛(wèi)生潔具、日用陶瓷、工藝美術(shù)陶瓷等多種陶瓷的生產(chǎn)中，寬斷面隧道窯的出現(xiàn)，為增大產(chǎn)量、節(jié)能降耗起著關(guān)鍵的作用，故對(duì)寬斷面隧道窯的研究和節(jié)能措施的實(shí)施意義重大。

1 設(shè)計(jì)總體原則

⑴產(chǎn)量比傳統(tǒng)隧道窯增加一倍以上；

⑵窯內(nèi)溫度均勻易控制；

⑶熱效率高、余熱利用好；

⑷產(chǎn)量高、質(zhì)量好。

長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，要想衛(wèi)生陶瓷燒成產(chǎn)量高、質(zhì)量好，窯爐的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，傳統(tǒng)的隧道窯為了適應(yīng)衛(wèi)生潔具的燒成，其截面一般比較小，以保證窯內(nèi)同平面水平溫差及預(yù)熱帶垂直方向上溫差小，故窯爐內(nèi)寬比較小，內(nèi)寬一般在1500-2500 mm較常見(jiàn)，而窯高一般在800 mm以內(nèi)。如果要把內(nèi)寬擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)內(nèi)寬3500 mm以上，肯定會(huì)使節(jié)能效果更加顯著。但是，窯內(nèi)截面加大之后如何滿足燒成過(guò)程的溫度、氣氛及窯壓分布等工藝要求及窯爐的結(jié)構(gòu)要求，特別是如何保證窯爐內(nèi)溫度均勻性的要求，這便是寬體隧道窯設(shè)計(jì)上的關(guān)鍵，也是寬體窯實(shí)施中的瓶頸。

以常見(jiàn)的截面內(nèi)寬為2300 mm×高900 mm為例，其裝載截面為2.07 m2，若設(shè)計(jì)超大截面內(nèi)寬為3500mm×裝高1200mm，則裝載截面為4.02 m2，接近增加一倍。按窯產(chǎn)量與窯爐結(jié)構(gòu)關(guān)系：

其中，L為窯長(zhǎng)，W為窯寬，H為窯高，k為產(chǎn)品合格率，g為體積裝窯密度，t為燒成時(shí)間。如果窯長(zhǎng)、窯高、體積裝窯密度、燒成時(shí)間及產(chǎn)品合格率不變，窯寬增加一倍，產(chǎn)量會(huì)增大一倍，再加上窯高增加1/3，窯產(chǎn)量會(huì)更大的增加。

若窯爐長(zhǎng)度相同，進(jìn)車速度相同，進(jìn)坯量成倍以上增加，則坯體中的揮發(fā)物、含水量，坯體的吸熱量，燒成制品后帶入冷卻帶的余熱量都將增加一倍以上。為滿足超大截面窯爐結(jié)構(gòu)的要求，相對(duì)于常規(guī)截面的隧道窯，一定要采取一些有效的對(duì)策，以解決因窯寬增加所帶來(lái)的矛盾。圖1為燒衛(wèi)生瓷3.5米寬隧道窯。

2 窯頭排煙區(qū)的設(shè)計(jì)

眾所同知，隧道窯窯內(nèi)的前端是排煙區(qū)，是廢熱氣體比較集中的區(qū)域，從燒成帶、預(yù)熱帶的熱濕煙氣沿著窯內(nèi)上部快速前移，窯頭下部由于窯門或窯車下面漏風(fēng)，造成窯內(nèi)上下溫差大。在結(jié)構(gòu)上，由于隧道窯窯內(nèi)排煙口一般都安裝在進(jìn)窯端附近左右墻的偏下方，當(dāng)寬度加大后難于抽取窯中間坯體的蒸發(fā)水份，而且高度加大后上下溫差加劇，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致上部剛進(jìn)窯的冷坯體升溫過(guò)快、過(guò)熱而炸坯。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在窯內(nèi)窯車裝坯的上部安裝多組送風(fēng)管，向窯內(nèi)送風(fēng)，一方兩可增加窯上部的氣流阻力，降低由高溫區(qū)來(lái)的熱氣流沿著上部擁向窯前部位及窯門口的速度，從而降低了上部的溫度。同時(shí)，由于向上部直接送冷風(fēng)，使高溫區(qū)送至該段的熱氣體受到中和而降溫，另一方面，由于是向該段窯內(nèi)的上部強(qiáng)行送風(fēng)，迫使氣體穿行于各坯體間的空隙移向排煙口，使坯體間溫度均勻攪動(dòng)，而且增加了排煙區(qū)坯體表面的氣體流速，有利于坯體的干燥、揮發(fā)物及水蒸氣的排出。

圖1 燒衛(wèi)生瓷3.5米寬隧道窯Fig.1 3.5-meter-wide tunnel kiln for sanitary ceramics

3 預(yù)熱帶布設(shè)燒嘴

預(yù)熱帶處于中低溫階段，窯體內(nèi)寬增加使熱氣體上浮明顯，同時(shí)窯內(nèi)下部為負(fù)壓區(qū)，冷風(fēng)的漏入更加劇了熱氣上浮，本來(lái)受熱條件就較差，當(dāng)截面加大后坯體吸熱量增大，更增加了預(yù)熱帶上下及左右的溫差。為彌補(bǔ)上述不足，一方面預(yù)熱帶應(yīng)布置下燒嘴，向產(chǎn)品裝截面的下部加熱，以提高下部坯體溫度，縮小上下溫差；另一方面，靠近預(yù)熱帶入口附近提前布置燒嘴，這樣，對(duì)大截面窯爐坯體吸熱需求大的問(wèn)題可以得到熱量的補(bǔ)充，同時(shí)，可以提高預(yù)熱帶下層坯體的溫度。由于采取上述措施，既提高了坯體的物理化學(xué)反應(yīng)及有機(jī)物質(zhì)的氧化，提高產(chǎn)品的燒成質(zhì)量，又降低了產(chǎn)品的燒成能耗。生產(chǎn)實(shí)踐也證明，只有適當(dāng)提高預(yù)熱帶的溫度，才能提高預(yù)熱帶的相應(yīng)功能，以保證制品的燒成質(zhì)量，只有縮小預(yù)熱帶的溫差，才能提高燒成窯的進(jìn)車速度，提高產(chǎn)量，降低單位產(chǎn)品燒成能耗。

4 燒成帶的平-拱頂結(jié)合及燒成帶擋火板的設(shè)置

窯爐截面加大后，容易出現(xiàn)燒成溫差，特別是同斷面同一水平面上的溫差。 寬斷面隧道窯窯頂?shù)脑O(shè)計(jì)采用平頂和拱頂相結(jié)合的方式，在預(yù)熱帶和冷卻帶的窯頂采用平頂，燒成帶窯頂則采用拱頂結(jié)構(gòu)。這樣，在預(yù)熱帶和冷卻帶的平頂結(jié)構(gòu)可降低窯頂空間，增大熱氣流的流阻，有利于兩帶溫度的均勻及減少窯外冷空氣的漏入，而燒成帶的拱頂有利于輻射傳熱及窯內(nèi)溫度的均勻。因?yàn)樵跓蓭У膫鳠嶂幸暂椛鋫鳠釣橹?，約占80%以上，而輻射傳熱的效率與溫度的四次方成正比，與輻射層的厚度(即拱高度)成正比，故采用拱頂結(jié)構(gòu)可大大地提高輻射層厚度，提高傳熱效率和溫度的均勻性。由于熱幅射的傳熱效率與溫度的四次方成正比，與輻射層的厚度及面積成正比，溫度越高，輻射面積越大，則傳熱強(qiáng)度越大。按該原理，為解決溫差問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)，在高溫?zé)蓭ЦG頂增加多道擋板(如圖2所示)，擋板雙面受熱，起到雙面幅射作用，擴(kuò)大了幅射面積，提高了傳熱效率，使溫度更加均勻。與此同時(shí)，由于擋板下端貼近產(chǎn)品裝載的頂面，氣流前移時(shí)受到擋板的阻擋，必然會(huì)改變流向(如圖2)，強(qiáng)迫熱氣流流向裝載面的深處，使燒成帶內(nèi)上部的氣流成“≈”型氣流走向，加速熱氣流的攪動(dòng)，達(dá)到溫度均勻的特別效果。

圖2 燒成帶的擋板結(jié)構(gòu)及熱氣流的流向圖Fig.2 The damper structure and the flow direction of hot air in the firing zone

5 冷卻帶的馬弗式冷卻系統(tǒng)

由于隧道窯的截面很大，制品燒至高溫時(shí)儲(chǔ)存的熱量也很大，燒成后制品必然帶入冷卻帶的熱量也很大，僅靠常規(guī)的冷卻方法無(wú)法滿足降溫的要求，在超大截面隧道窯設(shè)計(jì)中，冷卻段采用了內(nèi)金屬墻的馬福式冷卻方法(如圖3)。

傳統(tǒng)的隧道窯設(shè)計(jì)都需要將冷卻帶制品的余熱充分抽出才能得到冷卻，如果直接開(kāi)孔通向窯內(nèi)抽取窯內(nèi)熱氣體，雖能將熱量抽出，但改變了窯內(nèi)冷卻帶各部位的設(shè)計(jì)窯壓，使之改變氣流走向，甚至增加了外部氣體漏入干擾，造成煙氣倒流及氣體分層，如不將余熱抽出，將造成降溫緩慢，達(dá)不到燒成產(chǎn)品低溫出窯的要求，所以在超大截面窯冷卻帶，把冷卻氣流與窯內(nèi)的坯件隔離開(kāi)來(lái)，坯體把余熱傳給鋼板，冷卻風(fēng)吹在鋼板外表面而不直接吹在制品上，在確保余熱抽出的情況下，不但不會(huì)影響窯內(nèi)(即內(nèi)金屬墻內(nèi))的壓力和氣流走向，也不會(huì)使大型制品受直接吹風(fēng)而降溫過(guò)急、受熱不均而破裂或變形，提高了制品的冷卻質(zhì)量。余熱抽出過(guò)程中，氣流沖刷內(nèi)金屬墻的外表面，將金屬墻的熱量交換給余熱氣流，同時(shí)，利用金屬墻的金屬?gòu)?qiáng)導(dǎo)熱性特點(diǎn)，將窯內(nèi)的熱量快速交換給余熱氣流，在不用加長(zhǎng)冷卻帶長(zhǎng)度情況下達(dá)到快速降溫的目的，滿足了大截面隧道窯燒成制品對(duì)冷卻過(guò)程的要求。由于冷卻問(wèn)題得到解決，從而提高了燒成的進(jìn)車速度，提高產(chǎn)品冷卻質(zhì)量，降低了單位產(chǎn)品的燒成能耗。

圖3 冷卻帶采用馬弗式冷卻系統(tǒng)Fig.3 The cooling zone with a muffle-type cooling system

6 其他的特點(diǎn)

6.1 燃燒器及控制方法

采用預(yù)混式的燃燒器，并配備空/燃比例調(diào)節(jié)裝置，使燃燒器穩(wěn)定在合理的燃燒狀態(tài)，提高了燃燒效率。

6.2 窯墻結(jié)構(gòu)及保溫材料的選取

選用輕質(zhì)莫來(lái)石聚輕磚，利用其多孔而封閉圓孔的特點(diǎn)。一方面抗壓強(qiáng)度高，滿足了大截面的窯墻承重；另一方面閉孔能阻止熱氣體的流動(dòng)，提高隔熱保溫性能。

6.3 窯墻與窯車的曲封設(shè)計(jì)

窯墻與窯車除了多道曲封外，在最上層采用窯車耐火纖維與窯墻曲封磚全接觸，既滿足安全運(yùn)行，又提高密封作用。

6.4 砂封槽的設(shè)計(jì)

改變了過(guò)去粗裸粒，單號(hào)砂的習(xí)慣，因粗裸粒本來(lái)就孔隙大，且單號(hào)砂間隙得不到填補(bǔ)，漏風(fēng)量大。所以，設(shè)計(jì)中采用了粗細(xì)不同級(jí)配的混合裸粒，合理搭配，提高了堆積密度，減少漏風(fēng)量。

6.5 窯車之間連接密封

窯車之間的密封除了采用曲封磚密封，還在曲封的垂直面處粘貼耐火纖維，利用纖維的彈性，彌補(bǔ)窯車安裝及運(yùn)行產(chǎn)生的間隙，加強(qiáng)密封。

7 效 果

由于在超寬隧道窯的設(shè)計(jì)和實(shí)施中采用上面各種的措施，在衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮了很大作用，燒成單窯日產(chǎn)量可達(dá)50噸瓷，單耗可達(dá)160公斤標(biāo)煤/噸瓷，單窯年節(jié)能量可達(dá)1500噸標(biāo)煤。

[1] 郭俊平, 曾令可. 大截面日用陶瓷隧道窯的節(jié)能分析[J]. 中國(guó)陶瓷工業(yè), 2014, 21(1): 43-46.

[2] 曾令可, 等. 陶瓷窯爐實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)建材工業(yè)出版社出版, 2010.

Design of Ultra-wide Tunnel Kiln for Sanitary Ceramics

GUO Junping1, ZENG Lingke2
(1. Chaozhou Research Institute of Kilns and Furnaces, Chaozhou 521000, Guangdong, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Building an ultra-wide tunnel kiln is one of the most effective ways to increase sanitary ceramic output and reduce energy consumption. This paper discusses critical issues on wide tunnel kiln design and construction with the aim to contribute to the energy conservation, product quality and quantity enhancement, and market competitiveness improvement of enterprises in this industry.

tunnel kiln for sanitary ceramics; ultra-wide cross section; energy conservation

TQ174.76+9

A

1006-2874(2015)01-0042-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.01.010

2014-10-10。

2014-10-15。

曾令可，男，教授。

Received date: 2014-10-10. Revised date: 2014-10-15.

Correspondent author:ZENG Lingke, male, Professor.

E-mail:lingke@scut.edu.cn