试论当前陶瓷窑炉的结构能否改变

摘要 本文就当前陶瓷窑炉的结构特点提出了一些看法，例如能否解决预热带辐射份额低、烧成带对流换热份额低等现象。

关键词 窑炉，节能减排，高温空气燃烧，辐射管，红外辅助加热，微波加热

1前 言

随着工业的发展，能源的节约利用和环境压力成为世人瞩目的两大问题。在中国，目前煤还是我国的主要燃料，石油和天然气次之。可这类化石燃料在全国、乃至全世界的储量都是有限的，因此开发新能源和寻找有效充分利用当前能源的工艺成为热工工作者和科研开发人员的两大重要课题。相应地，当前化石燃料的使用是造成我国空气污染的主要根源，据统计，全国70%以上的污染物来自这些化石燃料的燃烧产物。如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、未燃碳氢化合物和烟尘；而二氧化碳、一氧化氮和甲烷等温室气体更是引起全球气候恶化的根本原因。

目前，烧成是陶瓷生产工艺中最重要的环节，因此窑炉是陶瓷生产中最重要的生产设备，被称为陶瓷生产的心脏。在陶瓷工业生产中，烧成工序是保证生产质量、决定产量、降低成本、节约能耗的重要环节。因此，对其热工过程进行研究，以求改进窑炉的设计和操作非常重要。

2热工技术的新发展

最近几年，热工领域引进了诸多先进技术，如高温空气燃烧技术、红外辅助燃烧技术、微波燃烧技术和辐射管加热技术等。但据资料统计，这些先进技术应用在陶瓷热工上少之甚少。因此笔者认为，陶瓷热工还是有很大的发展空间。

3陶瓷窑炉热工的特性

现在先从陶瓷烧成过程的热工特性进行分析：（1）升降温速度。即最快升温曲线和最快降温曲线满足制品各部分温差小的要求。从另一个角度说，要保证制品内外温差所产生的热应力必须小于制品热强度的允许应力；（2）温度均匀。如辊道窑和隧道窑等连续窑炉的断面温度均匀，抽屉窑窑内保证在每个时刻温差都最小；（3）气氛满足产品的物理化学反应要求。如对于一些含铁量高的产品，坯体要求还原气氛烧成，在不同的烧成阶段要求气氛容度也不同。

根据陈功备的描述：日用陶瓷的烧成虽然已从原来的几十小时缩短到了十几个小时甚至几小时，但并没有达到极限。无论是理论还是实践都证明，在烧成过程中必须保证完成一系列的物理化学反应，即在某些温度范围必要给予充足的反应时间，以免造成制品的缺陷和报废，则其余时间就越少越好。研究表明,在2～3h内烧成的瓷器与长时间烧成的瓷器内部结构组成都是一样，在几分钟内将瓷器从1300℃冷却到100℃也不会影响其质量。也就是说，如果能够保证制品快速和均匀加热，完成所需的理化反应，短时间烧成也是可以实现的。此时烧成时间的长短只关系到窑炉的结构[1]。

我们可以把窑炉主要的结构分为三个部分：窑体、热源和气氛源等系统。这三者都是陶瓷烧成的必备因素，同时三者与热工制度和节能密切相关。目前陶瓷窑炉大多都采用化石燃料作为热源和气氛源（除电窑外）。因此对于目前流行的连续窑炉可分为典型的三带：预热带、烧成带和冷却带。

因此，欲制造先进的陶瓷窑炉，必须满足以上陶瓷烧成的热工特性，再追求其他更好的热工制度技术以满足节能减排的目的。窑炉节能特性由窑炉结构、筑炉材料、施工质量、窑炉操作等许多因素决定。本文只针对窑炉结构介绍一些改进的意见。

我们都知道，热量按传递的性质可分为辐射传热、对流换热和热传导传热三种传递方式。在燃烧燃料的窑炉中，热量通常大部分由辐射和对流来传递。热量的辐射包括窑壁辐射和窑内气体的辐射两部分。低温区以对流为主，而高温区则以辐射传热起决定作用。由于当前窑炉低温区的热量主要由烟气通过烧成带流经预热带，产生对流换热而得来，不能过多依赖燃料在此区燃烧，这是由化石燃料必须在一定的温度下才能稳定燃烧的机理决定的（目前在陶瓷连续窑炉的低温区布置高速烧嘴只是为了调节该区温度而设置的）。其传热方式的份额分布为：气体对流占53%、气体辐射占14%、窑内壁辐射占33%。可见气体对流和窑内壁辐射在该区是制品升温的主要来源。同时对于窑内壁的热量来源来看，气体对流换热占67.89%、气体辐射占31.21%；而在热量去向中，辐射给坯体占了87.86%，通过窑墙散热占12.41%。在烧成带，制品热量53%来源于气体辐射，窑内壁的辐射占44%、气体对流占3%，可见烧成带气体辐射和窑墙辐射传热起决定作用。对于窑墙来看，在其热量来源中，气体辐射占94.6%，气体对流占5.4%，在其热量去向中，辐射热量占77.8%，通过窑墙散热占22.2%，故辐射是此带的主要传热方式[2]。

4 陶瓷窑炉能否引进新技术

通过传统的窑炉传热热工特性能否增加预热带的辐射传热，增加烧成带的对流换热来提高制品在窑炉内的加热速度，从而达到快速烧成的目的？答案是肯定的。

假如提高预热带的排烟量和排烟温度，并过多地把烧成带的热烟气流经预热带来提高烧成带的辐射成分。这样做单单从对制品加热方面是可行的，但势必会增加烧成带的燃料消耗，并导致烧成带温度提得不够高；提高了预热带的窑外壁温度，增加散热量；提高了预热带排烟热量支出总量；同时无法避免火焰喷射的地方产生过热现象，更有甚者，火焰会飞溅到制品上造成制品釉面局部提前玻化，产生缺陷，这样显然得不偿失。在传统的窑炉中欲提高烧成带的对流传热比例，通常的做法是采用高速烧嘴，使得在该区域的气体产生强烈扰动，可只是平均气体流速增加（很难超过5m/s），但在制品表面附近的气体流速却很低；再者，该带燃料燃烧使气体产生强烈扰动，该流速产生的对流换热的份额相对于辐射换热几乎甚微。

那么该怎样才能达到上述假设呢？笔者认为可以在预热带应用辅助辐射加热装置，在烧成带装设强烈对流装置。下面介绍当前应用在热工上的新技术。

4.1 高温空气燃烧技术

高温空气燃烧技术是二十世纪九十年代发展起来的一种新型燃烧技术，它的特征是烟气余热被最大限度地回收，助燃空气被预热到1000℃以上的同时把高温烟气的温度降到200℃以下，更有人提到可以把烟气温度降低到60℃以下（即烟气酸的露点以下）[3]。燃料在高温低氧混合气体的环境下与混合气体强烈快速混合燃烧，使得火焰迅速充满整个燃烧空间；从而避免了传统火焰易产生局部高温峰值及大量热力型氮氧化物的可能。高温空气燃烧技术可以实现燃料化学能的高效利用和有效控制燃烧主要污染物的排放，达到节能与环保的双目的，被世人评为理想的黄金燃烧技术。

不过这项技术的具体装置设计仍存在很多困难，如燃料燃烧所产生的实际烟气量远远大于所需的实际空气量，烟气的平均比热在相同的条件下远比空气大，因此烟气携带的热量远比空气升温需加热的热量多，这样就使换热装置的余热回收效果并不能达到最理想的状态。笔者曾经计算过以发生炉煤气作燃料产生烟气来预热空气，此时回收余热效率只有75%。不过采用烟气循环利用，可能会提高烟气余热的回收效率。这样就无法避免要大大提高换热体的体积，目前此项技术仍存在很多问题有待解决。

笔者认为，如果能够在陶瓷窑炉成功应用此项技术，将大大提高燃料的利用率，并且可以完全解决目前陶瓷窑炉燃料排烟温度高、污染严重、余热利用率低等缺点。

4.2 辐射管技术

燃气辐射管加热装置采用在密封套管内燃烧的方式，受热的套管表面通过热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，燃烧产物不与被加热物体直接接触，不会造成燃烧气氛污化或者影响产品质量的情况，炉内气氛及加热温度便于控制和调节，非常适用于产品质量要求高的场合。辐射管加热装置主要由管体、烧嘴和废热回收装置等组成[4]。

由于管体是将燃料燃烧释放的热能辐射给被加热物体的关键部件。目前此技术还不完全成熟，存在很多难题，如沿辐射管长度方向温差大，辐射套管抗氧化性能差等。可喜的是，最近相关工作者在结构设计和选择材料上都作出了努力，在一定程度上克服了这些缺点[5]。

这项技术可以弥补预热带辐射强度不足的问题。增加的辐射不会引起其他问题，如其燃料排烟系统独立，避免了前面所述的利用增加烟气的排放来提高预热带温度从而导致燃料消耗增加等缺点。

4.3 红外辅助加热技术

远红外线辐射加热方法与传统加热方法不同，它是以辐射为主，靠物体本身吸收红外线光能达到内部升温的目的。在升温过程中，内外温度比较均匀；这样水分容度从外到内增加，达到方向的一致；而传统的加热方法是以热气体对流和传导加热为主,当被加热物件较大时,容易出现物体内外温差大、产品易变形等缺陷。传统的加热方式能耗大、热效率低，而远红外辐射加热的热效率相对较高。

此项技术可以在陶瓷窑炉低温段使用或在生产坯体湿度大的窑炉内预热带前段使用，这样对增加辐射量有利，同时对均匀快速升温有利。

4.4 微波加热技术

微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在300～300000MHz之间(相应的波长为100～0.1cm)。它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。加热原理是其能够使含氢键、疏水键的偶极矩分子以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。陶瓷原料具有诸多成分，完全可以使用该项技术。

目前该项技术只使用在干燥器上，在陶瓷窑炉高温区上能否明显提高加热速度还有待于证明。不过可以相信的是，该项技术完全可以应用在陶瓷窑炉低温区，以弥补陶瓷窑炉低温区辐射份额和增加该区的温度均匀性。

4.5 其他技术

在烧成带装设类似冷却带的伸入高速高温气体，来提高坯体表面的气体流速和制品的对流换热份额。如可以引入高速气膜等概念性设备，类似于在玻璃加工行业中使用的高速高温气枪来加工不符合的玻璃坯体。这个概念的引入，笔者认为是可行的。很多资料都显示，高温耐火材料的发展，应用在高温环境的喷射管完全可以实现市场化。在设计合理的情况下，在陶瓷坯体形成气膜完全可以实现。

5结 束 语

目前我国陶瓷行业已扩容至位居世界第一，同时全世界面临能源紧缺的时期，而我国陶瓷窑炉节能减排方面及性能方面还远低于发达国家，寻求有效解决节能和减排双目的是当前热工的重中之重。本文仅就当前燃料燃烧窑炉的结构方面提出意见，希望能给热工工作者起到参考作用。

参考文献

1 陈功备.论快速烧成与燃烧器的关系[J].陶瓷研究，1998,13(4):23～25

2 曾令可，孙宇彤，童晓濂，贺海洋.辊道窑内传热及影响热耗因素分析[J]．佛山陶瓷，1998，4

3 徐 华,高温空气燃烧技术的研究[D]．北京：北京工业大学，2002

4 欧俭平，彭好义，吴道洪，蒋绍坚，萧泽强.蓄热式高温空气燃烧技术在燃气辐射管中的应用[J]．加热设备,2003，32(3)

5 陈仰鑫．高效节能内燃烧式热管的创新设计[J]．佛山陶瓷，2008，2