大截面烧卫生瓷隧道窑的节能分析
胡松林+韦建国+曾令可
摘 要：唐山梦牌卫浴120 m×4.3 m×1.2 m超高、超宽体隧道窑一次投产成功，产品烧成合格率达98%以上，单位产品热耗776.36 kcal/kg瓷，单位电耗为12.18 kW·h/t瓷，窑炉的热效率达62.8%，取得非常理想的应用效果。本文结合窑炉结构及实测数据进行窑炉的节能分析，祈望能为行业的节能降耗，产质量更上一层楼，增加企业市场竞争力有所裨益。
关键词：卫生陶瓷隧道窑；超大截面；低能耗；高效率1 前言
卫生陶瓷生产是属于能耗较高的产业，尤其是烧成工序，占整个陶瓷生产总能耗的65%以上。由于卫生陶瓷坯体普遍比较大而结构复杂，在烧成过程中一定要按其坯体及工艺制度的特点，升降温度要求比较平缓、烧成时间比较长，有的多达几十小时，故想釆用快速烧成达到增加产量是较困难的。多年来，陶瓷行业为增加产量，节能减排倾注了大量的心血，特别是在窑炉结构的优化、新型窑炉、新型保温材料及新型烧成技术等方面花费了很大功夫，在超宽断面窑结构上取得了很大的成果，应唐山梦牌瓷业有限公司要求，佛山兴中信工业窑炉设备有限公司设计建造了长120 m、宽4.3 m、高1.2 m隧道窑并一次投产成功，取得了非常理想的节能效果，这既符合我国的节能减排政策，又为企业降低成本、增强企业市场竞争力发挥了积极的作用。
2 窑炉结构
2.1 宽窑是提高产量的关键
长期的实践证明，要想卫生陶瓷烧成产量高、质量好，窑炉的结构是关键，传统的隧道窑为了适应卫生洁具的烧成，其截面比较小，一般在1.5～2.5 m较常见，而窑高为了保证窑内同平面水平温差及预热带垂直方向上温差小一般在0.8 m以内。如果要把窑内宽和窑内高都扩大，实现用户对内宽4.3 m的要求，窑内截面加大之后如何满足烧成过程的温度、气氛及窑压分布等工艺要求及窑炉的结构要求，特别是如何保证窑炉内温度均匀性的要求，这便是宽体隧道窑设计上的关键，也是宽体窑实施中的瓶颈。
以常见的截面内宽为2 m×装高0.8 m为例，其装载截面为1.6 m2，若设计超大截面内宽为4.3 m×装高1.2 m，则装载截面为5.16 m2，接近增加3.23倍。按窑产量与窑炉结构关系：
G=V×k×g/t=L×W×H×k×g/t
其中，L-窑长；
W-窑宽；
H-窑高；k-产品合格率；
g-体积装窑密度；
t-烧成时间。
如果窑长、窑高、体积装窑密度、烧成时间及产品合格率不变，窑截面增加了3.23倍，窑产量理论上可增加3倍以上。据梦牌白总介绍，旁边有一条传统隧道窑日产约为1500件，耗燃气约4500 m3，本窑日产4800件，耗燃气约7600 m3，相比之下燃耗增加了1.7倍，而产量却增加了3.2倍。
若窑炉长度相同，进车速度相同，则进坯量也会3倍以上增加，坯体中的挥发物、含水量，坯体的吸热量，烧成制品后带入冷却带的余热量都将相应增加。为满足超大截面窑炉结构对烧成洁具的要求，相对于常规截面的隧道窑，一定要采取一些有效的技术措施，以觧决因窑截面增加所带来的矛盾。图1为本项目烧卫生瓷4.3 m宽、1.2 m内高隧道窑。
2.2 合理安排三带的长度以适应洁具的烧成
窑炉全长为120 m，每个单元模数长为2 m，共60单元。窑车装载尺寸1.52 m×4 m×1.2 m。
（1） 预热带长22 m，占全窑长的18.33%，编号为1-11单元，第10-11单元设置下排调温烧嘴。
（2） 烧成带长52 m，占全窑长的43.34%，单、双排烧嘴段长度各占一半，即长26m，占21.67%，编号分别为第12-24单元和第25-37单元。（第37为过渡段）。
（3） 冷却带长46 m，占全窑长的38.33%，其中，急冷段长度 10m，占8.3%，编号为第38-42单元，缓冷段长度 16m，占13.3%，编号为第43-50单元。
（4） 快冷段长度 20 m，占16.7%，编号为第51-60单元。
2.3 优化窑墙结构及砌筑材料保温节能
（1） 窑体砌筑部分全部采用高档轻质耐火保温材料分区段选材，内衬要求热稳定性好，不落脏。考虑窑炉的长期使用寿命，900 ℃以下窑墙内衬选用JM23轻质莫来石砖，900～1280 ℃窑墙内衬选用JM26轻质莫来石砖。窑体保温部分根据温度的不同分别采用导热系数低、蓄热量少的岩棉毡、普通纤维毯/毡、标准纤维毯、高纯纤维毯、高铝纤维毯等进行优化组合及多层砌筑，不但隔热保温效果好，而且使用寿命长，另外，为了进一步降低窑外表温度，全窑曲封以上外墙面增加一层8㎜厚硅钙板加强密封作用，防止窑内热量散失；硅钙板交接位置还用白色水泥密封，并延伸到窑墙砌筑凳上。整体保温效果理想，窑外表温度也较低。实測烧成带25-36单元窑外壁温度为45.1 ℃，窑顶表面温度为64.6 ℃。
（2） 加强窑体曲封处理
窑车边围砖与窑墙之间设有双磨擦曲封结构，曲封间隙为20㎜，窑墙曲封为重质砖，窑车曲封为中空砖，如有异物掉下发生磨擦不致损坏窑墙曲封，不影响窑体的使用寿命。窑墙与窑车除了多道曲封外，在最上层采用窑车耐火纤维与窑墙曲封砖全接触，既满足安全运行，又提高密封作用。窑车之间的密封除了采用曲封砖密封，还在曲封的垂直面处粘贴耐火纤维，利用纤维的弹性，弥补窑车安装及运行产生的间隙，加强密封。
（3） 做好砂封槽的设计
除了对砂封槽结构的精确设计和窑体框架焊接外，砂封也改变了过去单一粗裸粒，单号砂的习惯，因粗裸粒本来就孔隙大，且单号砂间隙得不到填补，漏风量大。所以，设计中采用了粗细不同级配的混合裸粒，合理搭配，提高了堆积密度，减少漏风量。
（4） 膨胀缝的留设
为了防止窑体膨胀和窑墙以后的检修方便，预热带和冷却带窑墙和窑顶每隔4 m预留折线膨胀缝（20 mm），膨胀缝内填塞高铝棉毯；烧成带窑墙和窑顶每隔2 m预留膨胀缝（20 mm），烧成带膨胀内填塞含锆棉毯。吊顶砖采用高铝吊片，保证耐高温不易粉化脱落。
2.4 强制预热带气流搅动
大家都知道，隧道窑窑内的前端是排烟区，是废热气体比较集中的区域，从烧成带、预热带耒的热湿烟气沿着窑内上部快速前移，窑头下部由于窑门或窑车下面的漏风，造成窑内上下温差大，在结构上，由于隧道窑窑内排烟口一般都安装在进窑端附近左右墙的偏下方，当宽度加大后难于抽取窑中间坯体的蒸发水份，而且高度加大后上下温差加剧，严重时将导致上部刚进窑的冷坯体升温过快、过热而炸坯。由于制品在预热带需要缓慢地升温，搅拌风采用冷风搅拌上层热风。本设计在预热带两侧窑墙上部设有搅拌风系统，搅拌风经过不锈钢总管、支管和球阀后进入窑的上部通道，搅拌气流、阻止气流分层，减少预热带上下温差，由于入风口小而多，两侧交错布置。经多组送风管向窑内送风，一方面可增加窑上部的气流阻力，降低由高温区来的热气流沿着上部拥向窑前部位及窑门口的速度，从而降低了上部的温度。同时，由于向上部直接送冷风或回收高温烟气余热引入预热带热风进行内循环，使高温区送至该段的热气体受到中和而降温，另一方面，由于是向该段窑内的上部强行送风，迫使气体穿行于各坯体间的空隙移向排烟口，使坯体间温度均匀搅动，而且增加了排烟区坯体表面的气体流速，有利于坯体的干燥、挥发物及水蒸气的排出。搅拌风机采用不锈钢材质，搅拌风管路均采用不锈钢板制作。吊板结构伸出窑外托住窑门横梁，防止落脏。所有可调整性阀门都有精准刻度。送风压力通过安装在主风管路上的压力检测装置检测并传送到总控制室。
2.5 预热带末端布设烧嘴
预热带处于中低温阶段，窑体内宽的增加使热气体上浮明显，同时由于烟囱排烟使窑内下部为负压区，冷风的漏入更加剧热气上浮，本来受热条件就较差，当截面加大后坯体装载量增大，吸热量增大，更增加了预热带上下及左右的温差。为弥补上述不足，在预热带末端布置下排调温烧嘴，向产品装截面的下部加热，以提高下部坯体温度，可有效地缩小上下温差。另一方面，靠近预热带未端附近提前布置烧嘴，对大截面窑炉坯体吸热需求大的问题可以得到热量的有效补充，可有效提高预热带下层坯体的温度。由于采取上述措施，既提高了坯体的物理化学反应及有机物质氧化所需要的热，提高产品的烧成质量，又降低了产品的烧成能耗。生产实践也证明，只有适当提高预热带后端的温度，才能提高预热带的相应功能，以保证制品的烧成质量，只有缩小预热带的温差，才能提高烧成窑的进车速度，提高产量，降低单位产品烧成能耗。
2.6 烧成带的平顶结构及烧成带挡火板的设置
窑炉截面加大后，容易出现烧成带温差，特别是同断面同一水平面上的温差，宽断面隧道窑窑顶的设计目前多采用平顶和拱顶相结合的方式，预热带和冷却带的窑顶采用平顶，烧成带窑顶则采用拱顶结构。这样，在预热带和冷却带的平顶结构可降低窑顶空间使迫近窑车顶面，增大热气流的流阻，有利于两带温度的均匀及减少窑外冷空气的漏入，而烧成带的拱顶有利于辐射传热及窑内温度的均匀，本窑在烧成带采用的是平顶结构，在烧成带的传热中以辐射传热为主，约占传热总量的80%以上，而辐射传热的效率与温度的四次方成正比，与辐射层的厚度（即平顶与装坯面高度）成正比，故为了保证有足够的辐射层厚度，烧成带的内顶面提高20～50 cm，以提高辐射层厚度，提高传热效率和温度的均匀性。由于热幅射的传热效率与温度的四次方成正比，与辐射层的厚度及面积成正比，温度越高、辐射面积越大，则传热强度越大。故在设计时，在高温烧成带窑顶增加多道挡板（如图2所示），挡板双面受热，起到双面辐射作用，既扩大了辐射面积，提高了传热效率，可使温度更加均匀。与此同时，由于挡板下端已贴近产品装载的顶面，气流前移时受到挡板的阻挡，必然会改变流向（见图2），强迫热气流流向装载面的深处，使烧成带内上部的气流成“≈”型气流走向，加速热气流的搅动，达到温度均匀的特别效果。
2.7 合理的排烟系统
排烟系统采用窑内多点排烟，窑外集中排烟形式。在预热带两侧窑墙上设置多对排烟口，排烟口位于窑墙靠近窑车台面处，这样热烟气在排出前多次向下流动，有效降低预热带气流分层，窑顶设置堇青石莫来石材质吸罩。同时通过调节排烟口的开度，可以灵活地调整预热带的温度曲线，在排烟主管上设有配风口和热电偶，必要时可吸入部分室外空气，降低排烟温度。另外窑前第一对排烟风口设置成分散式小口径，多口排布结构，有利于纵向烟气的均匀排布。送风压力通过安装在主风管路上的压力检测装置检测并传送到总控制室。排烟风机采用变频控制，通过变频器来控制风机的转速和流量，从而灵活地调节窑内压力制度。
2.8 助燃风系统
助燃风系统包括高压离心送风机、过滤器、调节闸阀、送风管路及变频调节器等装置，全套管路均为不锈钢材质。送风压力通过安装在主风管路上的压力检测装置检测并传送给仪表间压力自控仪显示并控制。助燃风机和燃气压力进行连锁控制，当燃气压力超限时，助燃风机会停止工作，发出警报信号。
2.9 急冷风、缓冷风、尾冷却风系统
急冷风系统主要是起到冷却制品的目的，同时降低制品出窑温度和更有效地冷却制品。为了达到冷却效果，急冷风机选用流量大的风机。在急冷段，设有多对密集的高速冷风吹入管，急冷风机采用变频技术对急冷温度进行自动控制，有效提高了产品的冷却效果。在窑墙内的支管采用瓷管，窑墙外的管路和阀门采用不锈钢材质并有刻度。
缓冷风系统由窑炉两侧吹入降低产品温度使出窑产品温度达到90℃左右。
尾冷却风系统在直接冷却段的窑尾两侧墙设有风箱和顶吹，由风机向窑内鼓入大量冷风冷却制品和控制窑内气氛。
2.10 抽热风及余热利用系统
在缓冷段采用窑墙和窑顶抽热方式，抽热风机抽出热风送烧成窑旁的干燥窑，供热风机将过滤后的空气鼓入换热器，经烟气加热后也送到干燥窑作传导辐射加热（直吹方式）和辐射加热（暖气方式）热源。潮湿气体经排潮口由排潮风抽出，经烟囱排出。排潮风机为变频控制，控制风机的排湿量，保证干燥窑前部空气温度、湿度满足干燥工艺要求。为了保证较好的干燥效果，并满足产品的干燥工艺要求，在干燥窑侧部不同位置设有相应的热工测量孔，根据温度检测来控制干燥。测温点选用温度计，现场显示。
干燥窑为框架结构，钢架主要采用优质方钢管精密焊接而成。窑墙及窑顶保温材料由内到外为：8 mm硅钙板外+50 mm带铝箔岩棉板+装饰板结构。
送热风机为7.5 kW不锈钢高压离心风机（进口设计过滤器），送热风管路为不锈钢，其外用纤维毯保温，外包铝皮，排潮风管为A3钢卷管，排潮风为7.5 kW普通风机，并置于风机平台上。干燥窑整体美观实用。通过干燥窑干燥，实测坯体的含水率为1.2%以下，为适应烧成窑中预热带的升温要求创造必要条件，经测算余热利用率可达55.01%，达到较为理想的余热利用效果。
2.11 车下冷却风系统
为防止车下温度过高，车下设有冷却风系统。在烧成带和冷却带窑车下部设置吹风管，向车下吹入冷空气。
3 烧成技术
隧道窑是一种横焰式窑炉，结构上容易引起同一截面上下温度不均匀的缺点，特别是在预热带，截面上下温差大，严重地影响着陶瓷产品烧成质量。这也是早期隧道窑多是窄断面、内高低的主要原因。要想实现宽断面，除了要有好的窑炉结构外，一定要有好的烧成技术以觧决窑炉内温差大的瓶颈。
3.1 脉冲喷枪烧成
影响陶瓷窑炉烧成质量的三大关键因素是温度制度、压力制度和气氛制度。烧成温度高低及温度的均匀性是直接影响产品的烧成质量关键。一般的喷枪很难适应大截面（超宽超高窑炉烧成），脉冲燃烧的实质是调节喷枪加热时间的长短，当热电偶检测到本温区温度偏低时，经过分析处理后转换成脉冲信号送脉冲执行器，打开电磁阀以大火状态喷入燃气，待温度达到设定的温度后转换为小火脉冲状态喷入燃气，通过改变大、小火脉冲时间的长短可以达到设定温度的目的。全窑共设置108支脉冲控制烧嘴，每组燃气烧嘴分别设有电磁阀、空燃比例阀和燃气手动阀门。助燃风路设有脉冲执行器和风路手动阀门。每个控制组包括：3只脉冲烧嘴，1只分组空燃比例阀，1只分组电磁阀，1只风路分组脉冲执行器，3只气路手动球阀，3只风路带刻度阀脉冲燃烧时，燃烧器只需设定有最大火、最小火状态。当烧嘴系统调整好这两种状态以后，在以后的工作中，只要对其不作新的变动，这两种状态的重复性非常好，而且只需要这两种状态就可以满足各种烧成的需要，这一特点从两方面反映出来，一是脉冲燃烧系统中，它可以对窑内某一个控制区域的温度做出合理调节；二是烧嘴高速脉冲会在窑内产生强烈搅动，气流流动更加强烈和均匀，炉膛内温度均一性非常好。
本窑在预热带、高温带每个断面设置2-3个热电偶，急冷和尾冷顶部设置热电偶，窑体共计66个测温点，实时显示温度，严格监控同一断面温度分布情况。为了使窑内达到理想的温度制度及温度的均匀性，窑前预热带末端设计安装8支烧嘴为手动调节二次风烧嘴，设有烧嘴控制及自动点火器。一般情况下，要使燃气和助燃空气始终保持理想的配比是不太容易的，这是因为各种比例调节阀或其他调节器实际上只是近似于线性的。但脉冲燃烧系统中，只需在烧嘴最大火这一个工作点上调节到理想配比，则每一次燃烧都处于理想配比，因此燃烧非常充分，节能效果非常明显。
3.2 降低烧成温度、稀码快烧
据热平衡计算可知，若陶瓷的烧成温度降低100 ℃，则单位产品热耗可降低10%以上；烧成时间可缩短10%、产量可增加10%。合作企业梦牌卫浴通过选择适合低温快烧的坯釉原料、添加适量的助溶剂和改善坯釉料的烧成方式，使烧成温度从传统配方的1280 ℃左右降为1205 ℃，足足降低了75 ℃，降低烧成温度有利于提高陶瓷成品率、质量和档次，以及延长窑炉和窑具的使用寿命；同时可以显著降低烧成中的能耗，降低生产成本。
从图1可见，所烧成制品均为座厕及水厢，分两层码坯，整齐而有规律，典型的稀码，垫板和支柱均为空心耐火材料而减少蓄热量，这种低蓄热式窑车及垫板材料有利于快速烧成，坯体的稀码更有利于热气流搅拌和旋转，加快热的传递和升降温速度，推车速度快至12 min左右，这也是窑炉产量大（4087 kg/h）、能耗低（110.73 kgce/t）、烧成质量高（成品率达98%以上）原因之一。
3.3 燃气总管控制
燃烧系统控制包括对燃气主管设备、燃气支管路系统、助燃供风系统等的综合控制。
供气管道均为成型不锈钢无缝钢管制作而成。阀门为密封良好的优质球阀，燃气经过总管、过滤、稳压、支管等到烧嘴。为保证供气系统的安全，在供气主管上配置有手柄球阀、压力表、过滤器、调压阀、电磁阀、上下限压力开关、旋极旋流流量计、溢流放散阀等，进口和出口各有一块压力表现场显示进出口管路压力。压力开关分别控制燃气压力最高限和最低限。总管示意图如图3所示。
3.4 可靠的计算机控制系统
该窑烧成过程采用浙大中控计算机控制，包括电脑、智能调节仪、电磁阀、电动执行器和热电偶等。并配置数据采集卡和机内机外的隔离器件，利用计算机专用工控软件包进行编程开发。温度的正常与否由热电偶来检测，火焰的大小由电动执行器来调节，它们都由电脑和智能调节仪按设定的烧成曲线进行控制。计算机控制系统不仅能实现对窑炉温度的自动控制，还能实现对窑炉各系统的综合控制，并能自动记录、打印及画面语言提示，另外计算机还能根据烧成要求模拟并储存多种烧成制度曲线，同时烧成曲线参数可按需要随时修改。
隧道窑自动控制系统是以隧道窑装置的安全、经济、优化运行为目标的分散控制系统，它紧密结合隧道窑装置的实际运行过程，采用新型的WEB化体系结构，突破了传统控制系统的层次模型，在保证系统高度的安全性、稳定性的同时，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成的“网络化控制系统”，国内外各种DCS、PLC等控制设备，它们都能成为系统中一个成员，这些成员不仅具有独立的服务于对象的处理能力和信息结构，同时又可以共享系统中任何成员的过程信息，十分适用于辅助设备较多、需要连续稳定运行的隧道窑控制装置。
隧道窑自动控制系统基于Web On Field结构的公共通信环境和信息流传送，简化了隧道窑装置自动化的体系结构，增强了过程控制的功能和效率，提高了隧道窑装置自动化的整体性和稳定性，最终节省了隧道窑装置企业为自动化而作出的投资。真正体现了工业基础自动化WEB的应用特性，使工业自动化系统真正实现了网络化、智能化、数字化，突破了传统DCS、PLC等控制系统的概念和功能，也是企业内过程控制、设备管理的有机统一。
3.4.1典型系统结构
（1） 现场控制站
系统具有强大的模拟量与开关量处理的能力，并具有高速、可靠、开放的通讯网络，具有分散、独立、功能强大的控制站、多功能的协议转换接口、全智能化设计和任意冗余配置的特点。
（2） 操作员站
系统的每台操作站均装Windows操作系统和组态软件实现实时监控、数据管理及报表打印等功能。
操作站提供流程图画面、控制分组、趋势图画面、报警画面显示等功能，如图4所示。
操作站配备打印机可以定时、即时打印实时报表或历史报表等。
（3） 工程师站（下转第50页）
系统工程师站可以进行控制组态画面的在线修改，对系统数据库进行管理，并可对现场控制站进行维护。
3.4.2主要技术特点
通过几个月的运行表明该控制系统具有如下特点：① 系统高度的稳定性；② 系统高度的安全性；③ 系统良好的开放性；④ 强抗干扰性的DI输入卡件；⑤ IO通道级的自诊断功能；⑥ 强大的软件功能。
4 展望
由于在超宽隧道窑的设计和实施中采用了各种有效的技术措施，在卫生陶瓷生产应用中取得了很理想的效果，烧成单窑日产量可达100多吨瓷，单位产品热耗低达776.36 kcal/kg瓷，与传统隧道窑（单位产品热耗1200 kcal/kg瓷）相比，节能率可达35%以上，节能优势明显。
参考文献
[1] 佛山兴中信工业窑炉设备有限公司.XZX120/4.3m卫生洁具燃气隧道窑件[Z].2015，11，2.
[2] 国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心.梦牌卫浴120米隧道窑热平衡测试报告[R].2015，10，25.
