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影响辊道窑节能效果的十大因素

影响辊道窑节能效果的十大因素

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(佛山佳窑    邹小芳,李真霖,程昭华)
 
  随着陶瓷销售市场的再一次步入低谷,加上新的环保标准的落实执行,行业里对陶瓷企业的节能降耗与清洁生产又再一次掀起了讨论的高潮。陶瓷企业已经把节能降耗降成本作为企业的重要攻关方向,各个陶瓷行业的窑炉公司也在不断向客户主张推销着自己的新型节能型窑炉,当然,这个过程也在促进着我们窑炉设备的技术提升。严格地说,针对陶瓷辊道窑的节能,是个综合性的深入话题,单从窑炉设备本身去设计探讨的话,那是片面的,因为不同的生产团队,会有不同的控制手法,就是同条窑炉,它最终的能耗效果体现也不一样;而如果单从生产控制上去挖掘的话,那也是存在局限性的,因为设备结构和材料使用太不合理,浪费的能耗始终是没什么办法得到控制的。陶瓷企业主、窑炉公司、陶瓷厂生产团队成员,在不同的角度,注重节能降耗控制的方向也是会有所差别的。鉴于笔者从陶瓷企业的生产实践中来,结合自身窑炉公司结构设计与选材的过程和思路,回到协助陶瓷企业热工技术指导生产的技术服务中去的经验,笔者认为影响辊道窑节能效果的因素细分起来有很多,目前笔者进行一次归纳后发现,可以分为三个系列十个大类。影响节能效果的三大系列就是“窑炉设备本身”、“窑炉技术操作”和“窑炉现场管理”;三大系列中的十大因素是“①窑炉干燥窑的结构设计合理性;②耐火隔热材料的选择与使用;③窑炉干燥窑配套设备的选型与使用;④窑炉干燥窑的施工精度;⑤产品的工艺特性与烧成制度控制;⑥窑炉干燥窑的余热利用方法与途径;⑦助燃风量控制、燃料热值与燃烧设备;⑧控制散热浪费;⑨窑炉车间数据化管理的盲区;⑩窑炉车间精细化管理”。在这里,我们从这十大影响因素中的第一系列展开探讨分析前面的第一至第四类,供同行们共勉。
 
  在我们建陶行业,节能主要有两大方面,一是节省燃耗,二是节省电耗。而之前我们一般说到节能,大家通常是从节省燃耗出发展开的。这里,我们对节省燃耗和节省电耗一并探讨。
 

第一系列:窑炉结构设计制作本身对窑炉能耗的影响

第一类、窑炉干燥窑的结构设计的合理性影响能耗:

  根据在建筑陶瓷企业生产过程中对窑炉的实际操作,以及对多个产区窑炉技术服务的经验,我们发现一个规律,一条生产线如果在结构设计上就不合理的话,不仅仅是会影响到日常生产的产量达标与否、质量达标与否,砖坯损耗达标与否,而且直接影响到窑炉了的能耗控制。总的来说,早期的窑炉生产线,因为产量要求不高,产品品质相对也简单,所以窑炉设计上对结构的要求也不是太高,相比较而言,早期国产窑炉的单位能耗相比相阶段大产量窑炉的单位能耗偏高。窑炉干燥窑结构的合理性与否,直接影响节能效果,具体体现在以下方面:
 

  1-1、 窑炉或干燥窑的分段合理性与热介质循环利用率:

  窑炉的三带划分,早期我们一般只是从“预热带—烧成带—冷却带”来粗略的划分,那是传统的划分方式,也未尝不可,因为那时的产品一般都是小规格,小吨位压机成型压力也小,所以砖坯的排水过程和氧化反应都比较容易进行,加上低产量,所以窑炉三带采用1:1:1也是存在过的。然而,现阶段,砖坯规格越来越大,在吨位压机成型压力越来越大,再加上产品工艺的特殊性(比如微粉砖、比如全抛釉面砖,比如一次烧微晶砖、比如超平釉)等,相比早期的单一坯料产品砖坯入窑排水速度、氧化反应进行的速度都大大减慢,烧结瓷化完全通透速度难度增大,再加上大产量的要求,那么传统的三带划分方式来设计的窑炉结构,肯定是达不到要求的。所以现阶段的窑炉分9段结构设计为 “预干段—氧化段—高温烧成前段—高温烧成后段—高火保温过度段—急冷段—缓冷段—强冷段—直冷段(尾冷段)”,而且相对来说是大大延长了窑炉的烧成段,大大提高了各段热能的利用效率。相同条件下,保证了质量的前提下提高产量,促进单位能耗的降低,是有效的节能方法。当然,只有保证产质量和砖坯损耗的前提下探讨节能,才是有意义的。
 
  对于干燥窑来说,根据坯体干燥窑排水的特性,使生坯入干燥窑后尽早达到高温高湿状态但又不裂砖,有利于坯体内水分子内外拆散速度同步,是能达到快速干燥窑的效果的。所以根据坯体“升速阶段—等速阶段—降速阶段—坯体保温阶段”合理地对干燥窑进行分段,是十分有利于干燥窑的热能利用效率的。
 
  对于干燥窑,从坯体排水的速度和必要条件来说,在保证陶瓷坯体干燥效果和干燥质量不受影响的情况下,热能的有效利用率对整体节能很重要。干燥箱体内空增大,能减缓热风介质的对流速度,从而降低局面表面排水过快导致的开裂可能性,但又会因散热面积太大而增大热能损失。所以,选择多层自循环式(缓慢多次循环)式提高了干燥窑内的热风的重复有效利用,对干燥窑本身内部的节能是有益的,这也就是萨克米公司引进的并在国内窑炉公司吸收推广出来的五层干燥器被行业里(特别是大产量微粉抛光砖的企业)认可的重要原因之一。
 

  1-2、 窑炉的内宽内高结构

  同样的窑炉长度,产品工艺特性一样,窑炉控制手法相似的话,产量加大,则窑炉的单位能耗相对而言是会降低的,这是大家的共识,也是我们行业在极力推广和选择使用宽体窑的动力所在。所以内宽影响窑炉的能耗,道理很明显。同时,我们也不能忽视,宽体窑并非越宽越好,主要还得取决于我们的燃烧设备能否有效解决窑炉水平温差的问题,取决于我们的陶瓷辊棒能否有效解决窑内砖坯行进水平同步性要求的问题。同样,我们的窑炉内宽选择,主要还是得根据我们的产品而定,如果同样窑炉长度,同排走砖数量不变的情况下,内宽再加宽,自然就增大了窑顶和窑底的散热面积,相应的能耗还是会增大的。以此类推,如果同样窑炉长度,同排走砖数量不变的情况下,内高再加高,自然就增大了窑墙的散热面积,相应的能耗还是会增大的。实践总结,窑炉的内宽和内高选择,就生产控制上来说,对烧成产品的质量和产量,都是有明显影响的,但是我们又不得不重视,同样的烧成制度下,特别是窑炉压力制度恒定情况下,窑炉内宽内高的增加,势必要增大供给窑内的燃料和助燃风量,这样一来,也就增大了窑炉的能耗。
 

  1-3、 窑炉的管路配置

  影响到窑炉能耗的窑炉的管路主要是煤气管路(注:因为目前大多数建陶企业是用自制水煤气烧成,所以本文中泛指水煤气管路)、助燃风管路和排烟管路、余热风管路。如果煤气管路设置管径太小,煤气中的酚水分离就难以进行而被送入窑炉被烧成蒸发成水汽,因蒸发成水汽而吸热增加燃耗外,水汽也增大了烟气量,保证同样的压力制度则势必增大排烟风机抽力,也就是增大了电耗。如果煤气管路和助燃风管路设置得太靠后,则窑头预干段和氧化段的温度难以有效达到,则势必得增大排烟风机的抽力以将温度强行拉往窑头,但是这样既增大了热烟气排走量多损失了热能,同时因预干段和氧化段的窑内负压太大,一方面被吸入外界冷风而一定程度上降低窑头段热能的热效率,另一方面该段各喷枪烧嘴内的负压太大,火焰未完全燃烧就就被从燃烧室抽走造成煤气不完全燃烧而浪费了燃料。对于助燃风而言,窑前段的炉膛温度要升起来以提高氧化效果,则窑前段喷枪的煤气供给量要大(因为氧化过程是明显的吸热过程),那么对应的助燃风量供给量也得增大,否则极易造成弱还原甚至还原焰燃烧,达不到该段氧化效果提高的目的,反而浪费了煤气量。对于窑前段的热能利用效率来说,排烟风机的抽斗管径设计和排烟抽斗位置分布,尤其是辊上抽斗与辊下抽斗的分布方式与比例,是有很大关键性影响的。而窑炉的余热管道设计,又直接影响到窑炉余热利用效果,对整体能耗来说,也至关重要的。
 

  1-4、窑炉的燃烧室与喷枪的配置:

  窑炉的喷枪烧嘴砖内的通道,形成辊道窑的喷枪燃烧室,这个燃烧室的有效空间和火焰出口,直接影响到窑炉各支喷枪的火焰燃烧状况与火焰射程;同时,目前配置的烧嘴砖是重质材质,导热性能好,所以散热也就大。由此推理,烧嘴砖面积越大,散热面积也就越大,自然也就影响到窑炉的能耗控制了。很显然,窑炉设计上碳化硅烧嘴套比传统的方形烧嘴砖的散热面积小,同时窑墙上不需要重质的烧嘴过桥砖,这种设计,就有利于窑体节能控制。对于喷枪而言,喷枪上的枪杆长度、助燃风的配送方式、旋风片的结构以及喷枪头的分气孔的布置,也都在一定程度上影响到该烧嘴喷枪的燃烧效率和火焰刚度火焰长度。根据窑炉各段的功能不同,所需要的喷枪燃烧也会有所区别,所以,根据窑炉不同段分别配置不同的烧嘴燃烧室和喷枪,以有利于窑炉节能控制的。
 

  1-5、窑炉的分段燃烧设置:

  根据前段分析的,窑炉的分段精细化,各段的功能不同,所以对应区域的喷枪燃烧也应该不同,特别是对应大产量的长窑炉来说,全窑统一采用一种煤气压力控制或助燃风压力控制,会造成局部地区空气过剩系数太大而浪费能耗。所以采用分段燃烧设置技术,是有利于整节能的。同时,分段燃烧技术,还有利于砖坯烧成特性的及时针对性调整,有利于保证质量的前提下适应提主产量。
 

  1-6、窑炉的散热面积与散热通道:

  窑炉的散热面积越大,相应热损失也就会越大,所以控制窑炉节能,窑炉设计时必须尽可能地减少窑炉、管路的散热面积,尤其高导热能力区域的散热面积。同样,相同的散热面积,其散热通道会影响到单位时间内的散热量,即散热通道越顺畅,其受外界热交换的速度也就越大,热损失也就越大,能耗也就越高。
 

  1-7、窑炉的框架牢固度:

  窑炉的框架牢固度,直接影响到窑体耐火材料砌筑的紧凑性和密封能力,同时影响到窑炉在升温和降温过程中热胀冷缩应力吸收的同步性,从而决定了窑体耐火保温材料的抗破坏力,从而延长窑体高效的耐火隔热保温的周期。当窑体框架一旦变形或破坏,则耐火材料也就容易变形和断裂,从而大大降低了窑体的耐火隔热保温性能,能耗相应开始增大。
 

  1-8、窑体热胀冷缩应力吸收的结构

  前面说到窑体热胀冷缩产生的应力会破坏窑体结构的完整性,所以,针对各类型耐火材料和钢结构组合时的膨胀缝设计合理性是相当重要的。
 

  1-9、烧成方式的设计

  所谓的烧成方式,指的是隔焰燃烧还是明焰燃烧,两种不同的燃烧方式,对能耗的影响非常的大。早些年我们的建陶行业还存在隔焰燃烧的原始所谓的“土窑”,但随着窑炉技术的进步,这样的烧成方式出已经被彻底淘汰。
 
 
 

第二类:耐火隔热保温材料的选择与使用影响能耗

  窑炉节能性能如何,是与窑炉的的耐火材料、保温隔热材料的使用是息息相关的,也是至关重要的。从技术性来说,窑炉的节能效果,除了各耐火保温材料的型号、产地有差别而有关联之外,还与不同类型的耐火保温材料的搭配使用有关。
 

  2-1、高温耐火砖、隔热砖的选择与使用位置

  通常我们陶瓷行业的窑炉,都是高温型的居多,但因不同的产品,其配方温度与烧成工艺的不同,其最高烧成温度是有所差别的。而我们所用的耐火材料中的耐火砖,同样有其不同配方(比如说铝含量),有其不同的前期烧成温度。当耐火砖里的铝含量不足,或前期的烧成温度不够,直接影响到耐火砖的重烧线收缩度增大,就会随着温度的不断升高或烧成时间增长,耐火砖收缩后形成灰缝加大,也就会影响到窑炉的密封性,自然后期窑炉的能耗会增大。窑墙窑顶或窑底表面散热温度会很高。在陶瓷辊道窑行业,主要耐火砖分为轻质莫来石的JM28系列、JM26系列、JM23系列和重质堇青莫来石、重质高铝等等系列。轻质莫来石质的标号越高,其耐火度越高,同样的产品烧成制度下,重烧后线收缩度越小。所以,不同的烧成温度要求下,要严格选择好对应标号的轻质莫来石砖,甚至应该选择标号高一级的砖就更好,比如早期从意大利进口的100米左右长的窑炉,用了近20年后,其内的莫来石砖都还处于比较完好的状态,其保洁隔热性能也是比较好的。
 
  从耐火度的影响到来,虽然重质莫来石砖(比如烧嘴砖、多孔砖等、过桥砖等)的耐火度高,但其热导性强,相同条件下的传导散热量较轻质砖的传导散热量要大得多,所以,窑炉的高温区如果用太多的重质材料,是不利于节能控制的。从导热系数的角度看,同样耐火度的材料,其比重越大,强度会相应增大,但同样其导热散热能力增强,对能耗控制来说,又是不利的。
 
  隔热保温砖,主要分为两类,一类是高铝聚轻球砖,另一类是轻质漂珠砖、轻质硅藻土砖、轻质粘土砖。根据相关生产经验,通常轻质粘土砖保温砖的使用温度应低于850℃,高铝聚轻球砖的使用温度应低于1200℃,否则长时间的高温状态,其重烧线收缩,会导致保温砖的体积和外观尺寸变小,从而灰缝增大,进而窑体的保温隔热性能下降,能耗开始增大。
 

  2-2、高温耐火隔热纤维板、纤维毡、纤维毯、纤维棉、纤维泡沫的选择与使用位置

  窑体的保温隔热节能效果,很大程度上还取决于窑炉的耐火隔热纤维制品。陶瓷辊道窑上用的传统耐火纤维制品,根据其比重,分为五大类,一是纤维板、二是纤维毡,三是纤维毯,四是纤维棉,五是纤维泡沫;根据耐火度和实际高温使用粉化度情况,又通常分为含锆系列、高铝系列、高纯系列、标准系列、普通系列。正是因为耐火保温纤维制品的多样性,所以一条窑的节能效果如何,与选择的纤维制品及其组合搭配使用位置是有相当关系的。
 

  2-3、高温耐火泥粉、高温粘结剂的选择与使用位置

  耐火泥粉和高温粘结剂,是填补耐火砖之间灰缝的耐火材料,是保证高温状态下耐火砖砌体整体稳固和密封的关键材料。但是,这点上却有很多单位曾经因没重视造成砖与砖之间灰缝里的耐用火泥和粘结剂高温状态下烧流,灰缝间开始出现间隙,进而导致窑体外窜火,严重的导致耐火砖脱落、坍塌。
 

  2-4、新型纳米保温隔热板的使用

  新型纳米保温隔热板,在同样密度的隔热材料之间比较,以其明显的低导热性耐起来更好的隔热保温作用。目前是我们陶瓷行业窑墙设计和施工中极为推广使用的节能环保材料之一,但却因其价格相对高昂,在较多一部分窑炉公司和陶瓷企业不易接受,所以推广范围并不太普遍。
 
 
 

第三类:窑炉、干燥窑的配套设备选型影响能耗

  一条整线窑炉节能情况,综合起来,除了自身结构的设计,还与其配套设备选择的节能效率有关。窑炉公司自己不生产风机、不生产变频器等电器元件、不生产电机,这些统统都是采购来使用,而这些又是分别有不同的能效等级的,所以,在一开始窑炉、干燥窑的设计理念上就决定了窑炉的能耗,这里主要是影响到电耗情况。
 

  3-1、节能型风机与电机

  风机,尤其是大功率的风机,其功率越大,其实际有效使用效能比例反而下降,也就是相对电能利用率会下降。所以就这一点而言,窑炉越长越大,必然选择的风机功率也得相应增大才能得以配套,但同时也存在该类型的风机电能浪费的隐患,尤其是在风管路设计不合理时更为明显。目前我们窑炉行业的风机上配套的电机和我们的家用电器一样,国家在强制执行能效标识,所以我们在为窑炉选择风机配套的电机时,应该是强制使用能效等级好的为基准出发点。
 

  3-2、窑炉风机的选型与合理搭配

  窑炉风机的电能能耗,与风机电机的能效有关外,从生产实践中看,还是窑炉风机的选型与搭配有直接关系。比如窑炉上的排烟风机和抽热风机,可选用的有Y8或Y9系列的锅炉引风机,也有Y4或Y5系列的锅炉引风机。有什么区别呢?一种是高压力型(Y8或Y9系列),而另一种是大流量型(Y4或Y5系列)。主要得从生产实际出发作为型依据。如果风机输送热风的管路很远并且风压风速要得以保障,比如说送到较远距离的干燥设备上或其它余热利用或者热风脱硫加工处理等等,如果我们选择表面看起来相对省电的大流量型的Y4或Y5系列的风机,结果热风输送不了,达不到生产工艺指标要求,这样不但省不了电,反而是生产损失更大。但如果是直接排空到厂房外,沿程顺畅,又有烟囱自然形成的“抽力”,则我们的抽热风风机选择大流量型(Y4或Y5系列)在长期使用中就相对要省电一些了。
 
  风机的搭配合理性也是很有关系的。有些企业以为只要采用变频器控制,什么风机都是越大越好,其实这是不正确的。首先,各种风机都是有各自工作职能的,给风、抽风各不相同,“给的”不够,“抽的”过大,那就意味着抽风风机存在隐性浪费电(风机通电存在线损,变频器存在热能电能自身损失,风机越大,对应的电缆也就越大,对应的变频器也就越大)。
 

  3-3、变频器的使用

  变频器在窑炉上的广泛使用,是显著的节电措施。比如早期窑炉的风闸板,采用手动调闸开大关小的方式来控制风机开度,这样既操作不便,同时浪费电能,很多时候操作人员仅仅通过闸板调节多次都难以达到所要求的工艺控制参数时,往往缺乏耐性而不重视电能的浪费。同时,对数据管理起来也增大了难度,在窑炉上就难以建立电能消耗指标的数据考核,无考核,就难以节能的主观能动性,不论是对窑炉公司,还是我们的陶瓷企业里的生产管理人员而言,都是如此。小型变频器配上摆线针传动电机或齿轮减速机来替代传统的无级调速机,省电也自然就是情理之中的。
 

  3-4、齿轮减速机的运用

  齿轮减速机是用来替代传统摆线针的趋势,因为齿轮减速机的波箱内完全斜齿轮啮合所产生的扭力,比起摆线针电机波箱内的行星摩擦片产生的扭力要大而且要稳定,所以如果需要同样的驱动力,齿轮减速机的电机功率选择就可以略小于摆线针电机的功率选择,这样的节电能也就显而易见了。
 
 
 

第四类:窑炉干燥窑的施工精度影响能耗

  4-1、框架结构的尺寸精度

  窑炉的砌筑体是建立在框架结构基础上的,如果框架精度事先没有制作好,存在精度误差,极易造成砌筑体的密封性、紧凑性、稳固性存在隐患,进而直接影响到窑炉的能耗。
 

  4-2、膨胀缝的设计与技术

  因为窑体由框架结构和耐火保温材料砌体两部分组成,但钢材的热胀冷缩与耐火砖的热胀冷缩率存在很大差别,所以为保温窑体的不易被热胀冷缩应力破坏,所以对砌箱进行膨胀缝设计。从节能的角度来说,通常膨胀缝设计讲究一定的技术控制参数,比如每隔多长设计一道?每道缝宽度多少?留缝方法与位置?缝内填充棉毯散棉的温度梯度和数量等等,都是影响到一条窑节能效果的因素之一。
 

  4-3、灰缝的设计与技术

  窑炉的灰缝,直接影响到窑体的密封性,也就影响到窑炉的节能效果。严格地控制,灰缝的设计是错缝比直缝,在节能效果上更为合理。
 

  4-4、曲封的设计与技术

  窑体的转角位,采用曲封式结构设计,大大提高了窑体的密封性和极大地吸收了因热胀冷缩而产生的破坏应力,保证了窑体的稳固性,进而也就影响到了窑炉的能效。
 
  第二系列:窑炉生产中操作技术手法对窑炉能耗的影响
 
  (鉴于篇幅所限,此处略过,另见分析文章详细阐述)
 
 
 

第五类:产品工艺特性与烧成制度控制影响能耗

  5-1、最高烧成温度的影响
 
  5-2、烧成周期的长短的影响
 
  5-3、前段,后段气压分布控制技术的影响
 
  5-4、前段,后段风压分布控制技术的影响
 
  5-5、实际点枪使用分布技术的影响
 
  5-6、零压位控制技术的影响
 
  5-7、外排风温度控制的影响
 
 

 

第六类:余热利用率影响能耗

  6-1、干燥利用余热对节能的作用
 
  6-2、助燃用余热加热对节能的作用
 
  6-3、尾热用作生活用水加热对节能的作用
 
  6-4、尾热用作抛光烘干、包装铺贴对节能的作用
 
  6-5、尾热用作蒸气加热驱动车间制冷设备对节能的作用
 
 
 

第七类:燃料热值与燃烧设备影响能耗

  7-1、燃料种类与热值高低对能耗的影响
 
  7-2、酚水分离技术对能耗的影响
 
  7-3、风气配比技术对能耗的影响
 
  7-4、火焰射程(燃烧室)优化技术对能耗的影响
 
  7-5、内焰补氧燃烧技术对能耗的影响
 
  7-6、富氧燃烧技术对能耗的影响
 
  7-7、节能喷枪选择与分布使用对能耗的影响
 
 
 

第八类:散热浪费影响到能耗

  8-1、窑体表面温度对能耗的影响
 
  8-2、风管路散热对能耗的影响
 
  8-3、辊棒口散热对能耗的影响
 
  8-4、反射涂料的使用对能耗的影响
 
  8-5、增强性保温材质对能耗的影响
 
  第三系列:窑炉现场管理方法与力度对窑炉能耗的影响
 
  (鉴于篇幅所限,此处略过,另见分析文章详细阐述)
 
 

 

第九类:窑炉车间的数字化管理盲区对能耗的影响

  9-1、窑炉、干燥窑各风闸板开度的数据化标识与记录管理不到位
 
  9-2、分段煤气压力与喷枪助燃风压数据化对比目视化不到位
 
  9-3、窑炉负压区(辊棒口、事故处理口、挡火板位)吸入外界冷风的统计与问责不到位
 
  9-4、窑炉各排出风温度数显监控不到位
 
  9-5、窑炉出砖砖坯表面的实际温度及时数显不到位
 
 

 

第十类:窑炉车间的精细化管理对能耗的影响

  10-1、能耗的考核指标与利益挂钩制度,用得好,可以降低单位能耗
 
  10-2、提高设备运行率,是很有效的降低单位能耗的措施
 
  10-3、空窑转产的关枪和风机开度配合的操作方法,用得好,可以降低单位能耗
 
  10-4、加强风扇风机的管理,避免不必要的浪费,可以促进降低单位能耗
 
  10-5、加强全车间的照明管理,避免不必要的浪费,可以促进降低单位能耗

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