陶瓷工业辊道窑窑体散热分析与节能措施探讨

来源:用户上传      作者:黄秀文

　　摘 要：陶瓷工业窑炉是陶瓷工业生产的关键设备，也是能耗最大的热工设备。本文以行业应用较为广泛的辊道窑为例，通过对不同筑炉材料组合结构的综合传热系数、热流密度和各层筑炉材料温度场的传热过程进行计算分析，采用高性能耐火保温绝热材料，能显著减少窑体散热。另外，通过对辊道窑上传动辊棒等特殊部件形成的热桥效应进行分析，从生产管理角度保证窑体密封保温，降低窑体局部的散热损失，减少窑炉运转能耗。最后，对于窑炉在生产过程中降低能耗与节能减排措施提出其它方面着手点，以进一步提高窑炉的能源利用率。
　　关键词：陶瓷工业;辊道窑;窑体散热;热桥效应;节能措施
　　1 前 言
　　陶瓷工业窑炉是陶瓷工业生产中最重要的工艺设备之一，对陶瓷产品的产量、品质以及成本起着关键性的作用。在建国初期，整体工业基础较为薄弱，陶瓷工业生产设备在很长一段时期里，与世界工业发达国家存在着较大的差距。自改革开放以来，随着国内陶瓷工业的蓬勃发展，通过引进、消化吸收国外的先进设备与技术，我国在陶瓷工业设备制造领域取得了飞速的发展。再经广大技术人员这二十多年来的自主研发与创新，目前我国在陶瓷工业领域已取得了较大的成就，逐渐在市场上占据主导地位。智能制造工业4.0已成为陶瓷工业生产设备的发展方向。
　　陶瓷工业窑炉是陶瓷工业生产的关键设备，也是能耗最大的热工设备，其能耗占生产总能耗的60%以上。窑炉的节能减排是生产企业技术进步和可持续发展的必然选择，与窑炉相关的节能措施也成为陶瓷领域中最热点的问题。目前，在陶瓷工业生产上辊道窑的应用较为广泛，特别是建筑卫生陶瓷生产，因为产量大，耗能为陶瓷行业之首。本文从陶瓷工业辊道窑窑体结构传热过程的角度分析，通过计算分析采用不同筑炉材料组合结构以及窑体特殊部件形成的热桥效应，为优化窑炉耐火隔热结构，减少窑体散热，探索节能减排措施探讨提供技术依据。
　　2 窑体耐火隔热结构散热分析
　　陶瓷工业窑炉窑体筑炉材料及其厚度的选择是窑炉设计的关键之一，需要对不同的窑体耐火隔热结构进行传热计算，并进行分析比较，综合考慮窑炉筑炉材料投入成本、使用寿命和运行能耗三个方面因素对比分析而确定窑体结构方案。一般须遵循以下原则：①选用的材料长期允许使用温度必须大于其所处位置的最高温度;②尽可能使窑体散热损失要小;③考虑各耐火隔热材料的综合成本。
　　窑炉窑体散热为多层平壁传热过程，具体热量传递见图1所示：①窑内高温气体介质通过热对流和热辐射把热量传递给窑内壁;②经窑体筑炉材料由内向外热传导把热量传递给窑外壁;③窑外壁通过热对流和热辐射对周围环境空气进行热量传递。
　　图中，q是单位时间内通过单位面积传递的热量，即热流密度。在稳态情况下，通过串联着的上述三个环节的热流密度应该是相同的，则可得出传热方程式表示如下：
　　q=         （1）
　　式中：q——热流密度，W/m2;tf1——窑内高温气体介质温度，℃;αΣ1——窑内气体与壁面间的综合传热系数，W/（m2·K）;tbn——窑内壁表面温度，℃;tb1、tb2、tb3 …——窑体各层冷面温度，℃;tbw——窑外壁表面温度，℃;tf2——窑外周边环境空气温度，℃;αΣ2——窑外空气与壁面间的综合传热系数，W/（m2·K）;δ1、δ2、δ3 … ——各层筑炉材料的厚度，m;λ1、λ2、λ3 … ——各层筑炉材料的导热系数，W/（m2·K）。
　　一般窑内壁表面温度即为窑内温度测量仪表显示温度，为已知条件，则计算式可从tbn开始。由于窑外表面温度较低，一般小于100℃，热量传递以热对流方式为主，窑体外壁的对流辐射综合传热系数，取15～20W/m2，窑外周边环境温度（即车间温度）为30℃。目前，典型陶瓷工业辊道窑烧成温度≤1250℃时，窑墙厚度一般为300～400mm。此处窑内壁表面温度为1250℃，各层筑炉耐火隔热材料（由内向外）结构如表1所示。
　　参考各耐火材料主要供应厂家的产品手册的筑炉材料性能参数，各层筑炉材料的导热系数按各自平均工作温度下的导热系数取值，带入式（1）中分别计算得出窑体散热的热流密度与窑内、外壁表面温度、窑体各层冷面温度如表（2）所示。
　　相互比较上述四种窑体筑炉耐火隔热材料结构可得出：①结构Ⅱ和结构Ⅲ在结构Ⅰ的基础上仅采用25mm厚的纳米微孔绝热板代替25mm厚的陶瓷纤维板，但是通过计算得出结构Ⅱ和结构Ⅲ的热流密度分别减少16.5%和18.2%，窑外壁表面温度分别降低7～8℃，节能效果较为明显;②结构Ⅱ和结构Ⅲ区别为纳米微孔绝热板所处位置的不同，结构Ⅲ窑体的热流密度更小，纳米微孔绝热板热面、冷面两侧温降也更大，所以纳米微孔绝热板处在相对较低温环境下，起到的保温绝热效果也更好;③结构Ⅳ与结构Ⅰ比较，窑体筑炉材料利用高性能耐火保温绝热材料，可减小窑体筑炉材料厚度、降低窑体散热和节约空间。
　　3 辊道窑传动辊棒散热分析
　　陶瓷工业辊道窑是由一系列平行排列的辊棒在窑内构成辊道，每根辊棒均横穿窑墙支撑在窑墙外两侧，由传动系统带动辊棒统一转动，辊棒承载制品按预定的速度由窑炉进口经预热带、烧成带、冷却带移动，完成烧成工艺。辊棒是组成辊道窑的基本部件之一，辊棒在窑内不断转动，承载制品的重量，同时要经受窑内高温，其质量的好坏直接影响到煅烧制品的品质。因此，要求辊棒的性能好、能满足使用要求、成本低。
　　目前，陶瓷工业辊道窑上使用辊棒的材质主要有金属材料和非金属材料。金属材料辊棒主要为普通无缝钢管，使用温度在450℃以下、非腐蚀介质气氛中，常用于冷却带后段和辊道式干燥窑。非金属材料辊棒主要为陶瓷管辊棒和碳化硅管辊棒，陶瓷辊棒使用温度一般在1300℃以下，烧成温度达1300℃以上时一般采用碳化硅辊棒。辊道窑辊棒材质和规格的选择，与窑内温度、气氛和承载制品载荷等有直接关系，需要专业人员计算分析确定，此处就不做叙述。 　　以下来分析窑炉辊棒的散热损失问题。窑内热量先通过辊棒热传导的方式由内向外传递，然后伸出窑墙外侧的辊棒通过热对流和热辐射对周围环境空气进行热量传递。由于辊棒处在不断转动过程，与周边环境空气形成强制对流，则辊棒外侧与周边空气间的对流辐射综合传热系数较大，取50W/m2进行计算。此处以窑内侧辊棒表面温度为1250℃，窑外周边环境温度（即车间温度）为30℃，窑墙厚度为380mm，高温陶瓷辊棒平均导热系数为3.0 W/（m·K），碳化硅辊棒平均导热系数为45 W/（m·K），代入式（1）中分别计算得出高温陶瓷辊棒散热的热流密度为8318W/m2，碳化硅辊棒散热的热流密度为42890W/m2。
　　高温陶瓷辊棒、碳化硅辊棒分别与窑墙筑炉耐火隔热结构Ⅰ对比，高温陶瓷辊棒的热流密度为窑墙的14倍，碳化硅辊棒的热流密度为窑墙的72倍。窑炉使用辊棒的材料导热系数较大，在窑体上形成较为明显的“热桥效应”。高温陶瓷辊棒与碳化硅辊棒两者比較，碳化硅辊棒的热流密度是高温陶瓷辊棒的5倍多，选用低导热系数的材料作为窑炉辊棒，能起到节能效果。
　　现在陶瓷工业辊道窑上使用的辊棒普遍为空心管状，管内采用填塞陶瓷纤维散棉进行密封保温。若辊棒管内不进行塞棉密封，直接与外界连通，则窑炉生产时辊棒管内高温气体在几何压头的作用下自然向上逸出，外界冷空气从管内底部进入管内加热，形成冷热循环对流现象，大量散失热量的同时，外界冷空气进入管内也会对辊棒正常运转存在较大影响。所以，辊棒管内的塞棉密封工作十分重要，按常理辊棒管内塞棉厚度应与窑炉侧墙厚度一致，但从经济角度出发，塞棉厚度一般为100～200mm之间，辊棒管内塞棉要求紧实，确保密封保温效果。
　　4 辊道窑其它散热损失分析
　　陶瓷工业辊道窑上辊孔砖为窑墙的特殊构件，辊孔砖厚度一般小于窑墙耐火隔热材料的厚度，在外侧预留100～150mm的空缺部分，采用陶瓷纤维棉填塞方式进行密封保温。由于传动辊棒在不断转动，会使辊棒与填塞陶瓷纤维棉接触位置的间隙逐渐增大，使此处的密封保温效果减弱。若窑内正压时，窑内高温气体会经此间隙直接逸出，造成热量损失的同时高温气体还会对窑外其它部件存在损坏的情况;若窑内负压时，窑外冷空气会经间隙进入窑内，造成窑内两侧截面温差加大，影响煅烧制品的品质，同时也会增加窑炉运行能耗。所以在窑炉运转过程中，对辊孔处的塞棉密封保温工作十分重要，能直接影响窑炉运转稳定性、煅烧制品的品质和窑炉运行能耗等方面。对辊孔处的塞棉要求有三点：①塞棉松紧适宜，过紧会影响到传动辊棒的正常转动，太松使此处密封保温效果不佳，增加此处热量散失;②塞棉用的陶瓷纤维棉在相对应工况下能够长期稳定发挥密封保温效果;③制定和落实相应的生产管理巡检制度，确保此处塞棉密封保温持续稳定。
　　以上对辊道窑辊孔处的散热问题进行了分析阐述，同样辊道窑上各挡火板处、事故处理孔、观察孔以及各管道孔洞等处的密封保温较为薄弱，存在局部散热损失较大的风险。所以在窑炉砌筑施工过程和日常维护保养方面应加强管理控制，降低窑体各处局部散热损失情况，使窑体能发挥最佳的密封保温性能，减少窑炉运转能耗。
　　5 节能措施探讨
　　通过以上对陶瓷工业辊道窑窑体的散热损失分析，对减少窑体散热的节能措施总结几点建议如下：
　　（1）根据窑炉各区之间实际使用工况，通过窑体传热过程计算配置最优的筑炉耐火隔热材料结构，综合考虑窑炉筑炉材料投入成本、使用寿命和运行能耗三个方面因素，采用高性能耐火保温绝热材料，能显著减少窑体散热的同时降低窑体筑炉材料的蓄热量，达到节能效果。
　　（2）对窑炉窑体上形成热桥效应的结构进行优化，如选用传动辊棒时，考虑辊棒材料本身的导热系数，窑体重质喷枪砖采用轻质耐火隔砖代替，以及减少各部件的导热截面积等措施，减小窑体上热桥效应的局部散热损失。
　　（3）在窑炉日常运转维护保养方面，制定和执行相应的生产管理制度以及对操作技术员进行相关专业知识培训，确保窑炉整体正常运转稳定，减少窑体散热损失，可减少窑炉日常运转能耗。
　　以上仅通过陶瓷工业辊道窑窑体散热方向进行分析以及提出几点节能措施。窑炉的节能减排措施还可以从其它方面考虑，如对助燃风加热、提高烟气余热的利用、优化燃料燃烧的控制以及改善煅烧制品的烧成工艺等进行具体分析。
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