陶瓷窑炉热工技术的新进展

高力明 洪日辉 王伟林 李朝有 刘蓓瑛

（1.陕西科技大学，陕西西安710021；2.广西三环企业集团股份有限公司，广西北流537400）

0 引言

在国家“十二五”规划的大好开局之年，一起回顾过去的“十一五”规划期间的技术进步是一件很有意义的事情。在过去的五年中，我国的陶瓷工业又有了长足的发展和进步。在建筑卫生陶瓷行业，以大规格陶瓷薄板为代表的一大批节约原料和能源型的新产品应运而生。这些产品不仅满足了长盛不衰的建设市场的旺盛需求，而且更进一步地催生和促进了相关生产行业、装备制造产业的发展和技术进步。

陶瓷窑炉制造产业在这一期间中进行了重组，从以往的建筑卫生陶瓷、日用陶瓷等领域向冶金、化工、环保等领域渗透和进军，并且加大了窑炉等设备出口的力度，同时也有中高端技术的引进。这些大手笔的动作打破了处于技术发展“平台期”的窑炉制造产业的沉闷空气，并为新的、更大的技术进步做好了铺垫和准备[1]。

在陶瓷窑炉热工学界，这几年也有一些耀眼的成果问世。曾令可教授等人编著出版的《陶瓷窑炉实用技术》一书是著者在老一辈窑炉专家刘振群教授的带领下，与国内其他知名的窑炉热工理论研究者一起，积40年的研究成果的集其大成之作，鸿篇巨制，蔚为大观，极富指导性[2]。胡国林教授等人编著的《陶瓷工业窑炉》一书则是现代陶瓷教科丛书中的一本值得推荐的优秀教材[3]。此外，近年来陶瓷窑炉热工学界在节能减排、窑炉与干燥器研发等方面还有一些值得称道的成果。

近年来，陶瓷窑炉热工技术的新进展主要集中在以下五个方面。到了上世纪90年代中期，国家更是把节能减排工作放在了极端重要的地位和突出的位置上。1997年颁布，并于1998年1月1日开始施行的《节约能源法》，就是国家以立法的形式所做的宣示和努力。经过十年的实践，又于2007年颁布了新的《节约能源法》，并已于2008年4月1日开始施行。新的节约能源法对节能途径、合理使用与节约能源、节能技术进步、激励措施和法律责任等均做了非常详细的规定和说明。特别是在合理使用与节约能源一章中，在做出一般规定后，更是对工业、建筑、交通运输、公共机构和重点用能单位的节能分别列出了具体的条款，极具可操作性，便于实施、监督和管理。它的施行必将极大地促进节能减排工作的进程，可大大提高能源管理的水平，为使国民经济可持续地，健康、高速地发展起到保障和推进作用。

在国家发展与改革委员会的组织下，许多行业针对各自的一些产品制定了单位产品能源消耗限额的相关标准。建筑卫生陶瓷行业也随之制定了国家标准《建筑卫生陶瓷单位产品能源消耗限额（GB21252－2007）》，用于建筑陶瓷砖（干压）和卫生陶瓷生产企业能耗的计算、考核，以及对新建项目的能耗控制。

在建筑卫生陶瓷工厂设计中，为贯彻执行国家有关法规和方针政策，规范设计原则和主要技术经济指标，促进清洁生产，实现节能减排，做到安全可靠、技术先进、经济合理、保护环境，制定了国家标准《建筑卫生陶瓷工厂设计规范（GB50560－2010）》。另外，国家标准《建筑卫生陶瓷工厂节能设计规范》的送审稿也已编制完成，正在报批中，不久将可颁布实施。节能设计规范的颁布、实施将对保证国家节能目标的实现，促进建筑卫生陶瓷行业节能起到更直接的作用。

近年来，国家的有关部委还组织了大规模的工业企业的节能减排实态的调查工作，举办了多场节能减排高层论坛，并鼓励立项开展节能减排的研究与开发，从而大大推进了这方

1 加强能源管理，积极推进节能减排进程

我国对于能源管理和节能减排工作一向是十分重视的。面工作的进程。

2 开展洁净煤技术的试验与研究

新的《节约能源法》中对于工业节能明确提出：各级政府要“推进能源资源优化开发利用和合理配置，推进有利于节能的行业结构调整，优化用能结构和企业布局”，各管理节能工作的部门要会同有关部门“制定电力、钢铁、有色金属、建材、石油加工、化工、煤炭等主要耗能行业的节能技术政策，推动企业节能技术改造。”“国家鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备，采用热电联产、余热余压利用、洁净煤以及先进的用能监测和控制等技术。”

作为长期的燃料政策，陶瓷制品烧成用燃料应更多地鼓励使用一些洁净燃料，如天然气、液化石油气、柴油等，这样有利于提高产品质量和降低单位产品的能耗。但是根据中国的燃料资源构成的现实状况，决定了我国的燃料以煤为主的基本国策。然而，陶瓷工业如果直接烧煤，则产品档次低、能耗高，污染又十分严重，显然是行不通的。当前广为采用的一些煤制气技术，如一段式发生炉煤气，含酚废冷却水的净化问题未彻底解决，环境污染问题比较难以解决；二段式发生炉煤气技术较好，但投资大，对煤种和操作上又有专门的要求，大部分小企业难于使用。这些问题使陶瓷工业陷入了极大的困境，亟待寻找出路。

洁净煤技术最早于上个世纪80年代中期由美国提出，并于1986年推出“洁净煤技术示范计划”。欧盟和日本也从上世纪80到90年代开始相继投入巨资，开展洁净煤技术的研发。1997年我国也批准通过了洁净煤技术发展规划，明确了我国洁净煤技术的主要领域及主攻的技术项目。这一规划是在吸收国外技术并结合我国国情实际制定的，尽管与国外的情况不尽一样，但总的方向并无太大差别。

洁净煤技术包含从煤炭开发到转化利用及其净化处理的全过程，因此洁净煤技术的开发应用范围很广、种类很多。水煤浆制备、输送和使用技术，煤的气化技术等是与陶瓷工业关系比较密切，且又比较成熟而典型的技术[4]。

水煤浆是一种新型流体燃料，它可以在锅炉和窑炉内稳定地着火燃烧。由于在加工制造过程中可以通过技术处理除去原煤中一部分灰分和硫分，所以水煤浆是一种较为洁净的燃料。近年来，在建筑卫生陶瓷行业中，将煤加工成水煤浆用于陶瓷砖喷雾干燥制粉，已在广东、山东等瓷区推广使用，节能效果和经济效益显著。但是由于水煤浆直接喷入窑炉内燃烧后，其灰分会沾污制品，尤其是对于有釉的高档产品是不能允许的，因此限制了水煤浆在陶瓷工业中的进一步推广应用。据报道：在玻璃行业中，已有利用低硫、低灰的石油焦制成水焦浆，在浮法玻璃熔窑中成功应用。这对陶瓷工业可能有一定的借鉴意义和参考价值。

经过100多年的技术研究和开发，多种煤炭气化技术得到了工业应用。近一些年来，又开发了一系列新型的煤的气化技术。随着这些新型的煤的气化技术的开发与成熟，煤气化又方兴未艾、蓬勃发展起来。

煤炭气化技术的选择要综合考虑其先进性、气化炉装置生产能力、可靠性、煤质、煤气用量和用途等。可以说没有一种气化技术是万能的。面对规模庞大、多元化的中国的市场需求，每一种先进的气化技术均有其生存发展的理由和空间。笼统地讲，所有的煤种都可以气化。不同的煤种适合于不同的气化技术，只是并非所有煤种对于同一种气化方法都是经济的。在陶瓷工业中，应该适当鼓励，并积极引进、开发、推广一些成熟的新型气化方法及炉型，并允许不同的煤的气化技术共存使用，还可以采用配煤和分粒级在不同的气化装置中利用等方法提高资源利用率。我们相信煤的气化还是一条有前途的技术路线。

3重视新的燃烧技术的开发与研究

在窑炉和干燥器等热设备中，燃烧是最基本的过程，是其“源”，而各种传递过程则不过是“流”。我们理应对燃烧给予更多的关注，并通过对它的充分研究，更好地达成节能和减排的目标。近一些年来，对于燃烧过程的研究，不论是数学分析，还是实验与试验研究，以及数值模拟研究均有了很大的进展。在某些领域，诸如对富氧燃烧、全氧（纯氧）燃烧、高温低氧燃烧等方式的研究与应用方面，甚至有较重大的突破性进展，从而使燃烧技术有了许多质的飞跃。一些研究成果在生产实践中应用后，节能、减排效果明显，引起了各有关方面的极大关注和浓厚兴趣[5]。

采用富氧燃烧，甚至全氧或纯氧燃烧，由于大大减少了化学惰性的氮的引入量，因此（理论）燃烧温度会大大提高，从而加快辐射传热，提高产量和产品品质，降低对助燃空气的预热温度的要求，缩小热交换器、蓄热室等设备的尺寸，还有可能扩大低热值劣质燃料的应用范围。如果能进一步采用局部增氧技术，则不仅可以大大减少富氧空气的用量，降低设备投资额度和运行成本，更可以改善火焰中的温度分布，从而强化生产、减轻火焰对窑膛耐火材料的冲刷侵蚀，延长炉龄。更重要的是可以大幅度减少废烟气排放量，节能与减排效果十分显著。能源节约率一般可达10％～15％，甚至更多。

对于富氧燃烧来讲，实现这项技术的前提条件是要求有充足，而且价廉的富氧空气供应。因为在富氧燃烧时，富氧空气只是被用来助燃，所以较低纯度的氧气就能满足要求。目前，工业上制取富氧空气的主要方法有深冷分离法、变压吸附法和膜渗透法（简称“膜法”）等。

另一种新的燃烧技术是高温低氧燃烧方式。它是20世纪80年代末至90年代初才发展起来的全新的燃烧观念和方法。实验表明：在助燃空气被预热到1000℃以上时，燃烧区内即使含氧量降低至2％，仍能稳定燃烧。人们据此开发出高温低氧燃烧技术。该技术主要通过两种手段来实现：（1）采用蓄热式烟气余热回收装置，将助燃空气预热到800℃以上，并最大限度地回收高温烟气的显热，实现余热的极限回收；（2）控制燃烧区内的氧的浓度在15～2％的范围，以达到燃烧过程中氮氧化物NOx的最低排放。为了实现这种燃烧方式，相继研制、开发了一些新型蓄热材料、自蓄热式烧嘴，并相应地改造了窑炉的结构。该种燃烧方法具有一些独特的优点：火焰温度分布更加均匀，燃烧充分，噪音低。最可贵的是因为不存在常规燃烧时的局部高温富氧区，产生的氮氧化物NOx极少，因而节能与减排效果更佳。

综合起来看，高温低氧燃烧和富氧燃烧都是在燃烧理论发展后出现的新的燃烧方式。虽然高温低氧燃烧在减排方面可能略优于富氧燃烧方法，但组织燃烧要复杂、困难一些。两者各有千秋，可能分别适合一些不同的行业及炉型，但都有望在我国的陶瓷工业中获得应用与推广。到目前为止，在一些工业领域中，富氧燃烧的研究和应用更普遍一些，但高温低氧燃烧方式的研究和应用之进展也较快。

近年来，陶瓷工业界对于应该重视新的燃烧技术的开发与研究，已经有了共识，并开始尝试运作。但囿于富氧空气的来源和制取成本等方面的问题得不到突破，在陶瓷工业中富氧燃烧方式的应用和推广尚且举步为艰，反而是高温低氧燃烧方式已经有开始成功应用的报道。

4 干燥技术的进步

对于卫生陶瓷和高压电瓷这类采用注浆或可塑法挤压成形的大件产品，干燥工序是生产过程中重要的一环。传统的干燥设备有室式、隧道式、辊道式和吊篮式等。这些干燥器均采取连续供热和排湿的运行方式，由于热风与产品热交换的时间短，随即排出，造成产品干燥能耗高、干燥周期长、干燥不均，并容易导致产品局部收缩不均而引起开裂。近年来，国外相继推出了少空气快速干燥器。我国的一些卫生陶瓷生产企业引进该设备后，取得了较好的效果。咸阳陶瓷研究设计院随后也成功地研究开发出少空气快速干燥设备，并加以应用和推广[6]。

少空气快速干燥器的工作原理为：在干燥期间的升温、保温过程中，只送入少量的助燃空气，而没有外界的大量的新鲜空气进入干燥器内。由热风发生系统产生的热风则在干燥器内形成闭路循环系统，并在整个干燥过程中不断地被补充加热，以使干燥过程的绝大部分时间中保持高温、高湿状态。根据干燥制度要求，坯体干燥一定的时间后，首先进行保温排湿，然后停止燃烧器的燃烧供热，开始冷却。由于少空气快速干燥器内循环流动着大流量的高温、高湿的热风，因而能快速地干燥坯体，并提高产品合格率；另一方面，又由于补充送入的新鲜空气量很少，因此可同时使热损耗少，达到节能的效果。

少空气快速干燥器主要适用于卫生陶瓷、电瓷和日用陶瓷等可塑法和注浆法成形产品坯体的干燥。该设备不受单件产品尺寸大小的限制，对于坯体厚度在10～40mm，水分含量在20％以下的产品均适用，干燥后坯体水分可降至0.4％～1％。

此外，近年来还开发出多层的连续式快速干燥器，可用于建筑陶瓷砖（干压）坯体的干燥。

5 热工设备的最优化设计方法的研究与开发

陶瓷工业窑炉（以隧道窑为代表）的传统设计方法是围绕物料平衡、燃烧计算和热平衡进行的。窑炉的结构尺寸（长度、内宽等）是先行给定或确定的，对于产量只做核算。热工计算的目的是求出燃耗或热耗，附带算出冷却风用量和可供抽出的热风量。而优化设计方法则与传统设计方法有很大的不同。优化设计方法是围绕以经济性指标作为目标函数的极大化（或极小化），即最优化进行的，而将产量、单位产品热耗、气体流动阻力等仅作为约束条件，至多是列作权系数较小的、次要的分目标函数。人们把主要的努力放在关乎经济性指标的主要的分目标函数之上。通过优化设计，最终才给出窑炉的主要结构尺寸以及一些热工参数等。

优化设计方法源于传统设计方法，但高于后者。优化设计方法吸收了当代一些先进的设计理念，以效益最大化作为经济性准则进行自动寻优，并且在其设计计算过程中广泛地利用计算机、数据库及网络技术等一些现代化技术手段，从而大大提高了设计精度和效率，因而能够适应我国经济体制的转轨和社会主义市场经济的发展所提出的新要求。因此可以说优化设计方法是设计领域中的一次重大变革与革新，其应用前景是十分看好的。

对于陶瓷工业热工设备，引入优化设计方法同样会收到显著的效果。虽然还有很多的基础工作需要我们认真、细致地去做，但这是值得去做的。采用优化设计方法后，可以将陶瓷工业热工过程和设备如同一般的化工过程和设备一样，使其成为“单元操作”和标准化设备，并且在此基础上对陶瓷工厂进行流程、系统及其设备的优化设计。这些系统和设备的最优化一旦实现，就有可能使陶瓷工厂的流程系统更加合理，生产效率、节能减排、经济与社会效益都迈上一个新台阶。而且，还可以大大促进热工设备的标准化设计、制造水平。有望使这些长期以来的“非标准”设备变成“标准”设备，以其标准化、规格化、系列化、量产化、预制化、组装化的窑炉、干燥器等展现在世人面前，同时也为窑炉产业的发展和制造商带来无限的商机[7]。

目前，陶瓷学界已经在着手热工设备的最优化设计方法的研究与开发，并且通过对热工设备的特性方程和报价方程的探索与研究，正在与产业界加强交流与沟通，以求达成共识，并为设计方法的大变革做好必要的准备。

1高力明.中国陶瓷热工技术和窑炉的发展水平与前景.中国陶瓷，2005，41（1）：1～6，19

2曾令可，李萍，刘艳春.陶瓷窑炉实用技术.北京：中国建材工业出版社，2010

3胡国林，周露亮，陈功备.陶瓷工业窑炉.武汉：武汉理工大学出版社，2010

4高力明.陶瓷工业的燃烧技术进步与节能减排.中国陶瓷工业，2008，15（4）：1～6

5高力明.采用新的燃烧方式是陶瓷工业节能减排的一条根本途径.陶瓷，2007（11）：5～8

6刘明福，贾书雄，郭俊利等.少空气快速干燥设备的研制与开发前景.陶瓷，2003（2）：20～21

7高力明.陶瓷工业热工设备设计优化之探讨.中国陶瓷工业，2010，17 （5）：43～46