窑具对陶瓷烧成能耗的影响

郭俊平

摘要 窑具作为陶瓷产品的托烧用具,在生产中起着重要作用,但因其占用装窑空间,且烧成过程中吸热,增加了单位产品的烧成能耗。本文根据对不同隧道窑烧成能耗的实测数据,分析了窑具对陶瓷烧成能耗的影响,并提出合理选择窑具、降低烧成能耗的途径。

关键词 窑具;烧成能耗

1引 言

陶瓷属于能耗较高的行业,而在日用陶瓷单位产品综合能耗中,烧成约占80%。陶瓷烧成离不开窑具,目前国内日用陶瓷生产多以柴油或燃气为燃料明焰裸烧,能耗相对较低;且这类型窑炉多采用烧结碳化硅或堇青石-莫来石窑具,窑具相对于产品的重量比较小,但一般仍需要2倍以上,这样窑具在烧成过程的吸热量远大于产品的吸热量及产品物化反应热耗之和。由此可见,窑具在烧成过程中需消耗大量的热量,合理选用窑具,是降低产品烧成能耗的重要途径。

笔者通过对日用陶瓷燃气隧道窑的调查,分析了影响窑具能耗的因素,并就此提出几点意见,供大家参考。

2 调查及实测数据

2.1 窑具现状

目前,我国对燃料窑的环保要求日益提高,已逐步采用清洁燃料,如液化石油气、天然气等,对具有一定规模的陶瓷企业,多采用隧道窑或辊道窑,因其连续式使用,能耗较低。这类型的窑炉多采用烧结碳化硅或堇青石-莫来石棚板明焰裸烧,因棚板能适应于多种产品,且对多数产品而言空间利用率较高。

近年来,国内窑具发展迅速,高强度超薄棚板、反应烧结碳化硅、重结晶碳化硅等优质窑具,以其重量轻、性能优良深受人们关注,但窑具投资相对高,目前市场占有率仍不大。

2.2 测试方法

以日用陶瓷燃气隧道窑为代表,计量周期为连续12h,为缩小窑炉性能差异的影响,对同一组类型产品选择同一窑炉公司安装的窑炉。

测量方法如下:

(1) 产品总重量:统计12h内所烧成的各种规格型号的产品数量,分别计量各种规格型号的每百件重量,再统计出产品总重量。

(2) 窑具重量:由于窑具的主要重量来自于栅板,且托烧栅板为规格化,每片重量相同,所以统计各窑车所装的栅板数量,并按相同的12h计算出栅板的总重量。由于支撑栅板的支柱所占的窑具重量比例很小,故抽出10台窑车的支柱称重并计算出平均重量,再按相同的12h计算支柱重量,并与栅板重量合并为窑具重量。

(3) 液化石油气重量:液化石油气重量的统计是用台秤,称出在上述相同12h接上管道供气的全部钢瓶总重(含石油气),并称出在相同段从管道上卸下的空瓶总重(含未用完的石油气),上述两项之差即为石油气总消耗量。

(4) 根据上述测出的产品重量、窑具重量与液化石油气重量,计算出产品燃耗及“产品+窑具”的燃耗:

2.3 测试结果

甲组烧成条件:产品:日用餐具;温度:1250℃;气氛:氧化气氛;燃料:液化石油气,具体数据见表1。

由表1可以看出窑具重量比由1.57/1增大至4.22/1,其单位产品能耗由0.0783 LPG kg/kg瓷增加至0.2846 LPG kg/kg瓷,即随着窑具/产品重量比增大而能耗增加。其中A、C用户含窑具及产品总物重能耗最低,这是因为总装载密度小有利于缩短烧成周期,增加了产品的烧成重量,而H用户与A、B用户相反,能耗最高。

乙组烧成条件:产品:日用餐具;温度:1350℃;气氛:还原气氛;燃料:液化石油气。具体数据见表2。

由表2可以看出随着窑具重量比由1.08/1增至5.41/1,其单位产品能耗由0.1122LPG kg/kg瓷增至0.4936LPG kg/kg瓷,即随着窑具/产品重量比增加而能耗增加。其中A、B用户含窑具及产品总物重能耗最低,这同样是因为总装载密度小,有利于缩短烧成周期,增加了产品的烧成重量,而G用户与A、B用户相反,能耗最高。对于C、D、E用户,其窑具/产品重量比接近,则产品烧成能耗也接近。

3 窑具及陶瓷产品烧成中的能耗分析

下面以隧道窑为例,分析窑具对单位产品能耗的影响。

3.1 隧道窑有效热

由隧道窑有效热计算所知,对于含窑具材料在内的隧道窑有效热:

Qxy=Q′q+ Q′h+ Q′g+ Q′x+ Q′jg

式中:

Qxy——窑炉有效热

Q′q ——坯体水份蒸发并加热至离窑的热耗

Q′h——产品烧成中物化反应热耗

Q′x——产品烧结时玻璃相热耗

Q′g——产品加热至烧成温度的升温热耗

Q′jg——窑具加热至产品烧成温度时的升温热耗

而式中Q′q、 Q′h、 Q′x相对于Q′g和 Q′jg所占比例一般较小,且由于窑具重量要比产品重量大得多,所以Q′jg比Q′g同样要大得多。对日用陶瓷而言,根据隧道窑热平衡测试所知各项相对于Qxy的比例:Q′q+ Q′h+ Q′x 约占15%,Q′g约占25%,Q′jg约占60%,窑具在产品烧成过程占用了大量的有效热,这是因为目前大多数日用瓷生产企业使用的窑具重量在其产品重量的2倍以上,有的甚至高达5倍,而窑具比热与陶瓷产品相当,由此可见,窑具在升温过程需吸收大量的热量,占用了大部分的有效热,可见,合理选用窑具、减少窑具重量,对降低产品烧成能耗意义重大。

3.2 窑具对隧道窑产量与单位产品烧成能耗的影响

从上面含窑具有效热计算可以看出,窑具所消耗的有效热可达60%,所以在升温过程中窑具需吸收大量的热量,吸热量增加,在一定程度上降低了升温速度,对于隧道窑而言必须降低推车速度,因而也降低了产量。另一方面,窑具重量增加,隧道窑窑腔装载的密度也增加,从而预热带的气流阻力也增加,为满足排烟及分解物排出,需加大排烟力度,预热带漏风量增加,此时由于下层冷风的进入,增加了预热带的温度分层,为确保下层产品有充分的氧化分解时间,必须降低推车速度,因而产量也随之降低。

此外,由上面叙述可知在,冷却带中,窑具重量增加,蓄热量也增加,带进冷却带的热量增加,从而加大了冷却负担,为使热量充分排出,需延长冷却时间,以降低冷却速度,即降低推车速度,使产量减少。

从上述的工艺分析可知,窑具/产品重量比的增加将降低产量,而对同一隧道窑,产品类型相同,烧成温度相同,总能耗相同,则单位产品烧成能耗增加。

3.3 窑具及烧成时间对热分配比例的影响

由上面加热、冷却过程可以看出,窑具重量增加,产量减少,而在此过程中窑体的表面散热量并没有减少,且排烟的烟气带出的显热增加,具体表现为两个方面:一方面,窑具吸热量增加,增加了燃料的消耗量,故燃料燃烧的干烟气量增加;另一方面,排烟阻力增加时,为满足烧成带的烟气排出需加大排烟的引风力度,故增加了预热带的漏风量,漏入的空气受加热后随烟气排出而增加烟气的显热。

目前多数的陶瓷隧道窑中,烟气显热、窑体表面散热占烧成总热支出的一大部分,而减小窑具重量可缩短烧成时间,从而可达到降低单位产品烧成能耗的目的。

4总 结

下列因素将增加隧道窑单位产品烧成能耗:

(1) 窑具重量增加,吸热量随之增加。

(2) 窑具重量增加,装载密度增加,排烟阻力增加, 预热带漏风量增加,造成气体分层,则必须降低推车速度,造成产量减少,能耗增加。

(3) 窑具重量增加,装载密度增加,排烟阻力增加,预热带漏风量增加,造成排烟显热增加,能耗增加。

(4) 窑具重量增加,带入冷却带热量增加,必须延长冷却时间,因而产量减少,单位产品能耗增加。

综上所述,选择优质、轻型窑具,是降低陶瓷单位产品烧成能耗的重要途径,也是降低陶瓷产品综合能耗的有效措施。

参考文献

[1] 中华人民共和国轻工行业标准——《日用陶瓷火焰隧道窑

热平衡、热效率测定与计算方法》 (QB/T1493-1992).