陶瓷行业节能减排新技术——分述陶瓷坯体烘干环节与陶瓷窑炉余热利用新装置＊

钟湘粤 朱展鹏 王荣杰

（1湖南顺通能源科技有限公司 湖南 醴陵 412200）（2咸阳陶瓷研究设计院 陕西 咸阳 712000）

前言

陶瓷生产过程中的坯体、模具的烘干环节是整个陶瓷生产过程中的重要环节。然而这一环节给众多的陶瓷生产企业造成了能耗大、污染重、环境差、经济效益低的后果。为了降低能耗、减少污染、改善环境、提高经济效益，陶瓷企业在苦苦地寻求一条烘干陶瓷坯体环节比较节能的新思路。

陶瓷窑炉余热利用新装置，科学系统的利用陶瓷窑炉余热，将其作为全部热源进行坯体、模具烘干的新技术装置，可大大降低能耗、减少污染、改善生产企业内外的工作、生活环境，提高了经济效益。

现就陶瓷坯体烘干环节和陶瓷窑炉余热利用新装置分述如下：

1 陶瓷坯体烘干环节的内容

陶瓷产品是经过由湿泥做成坯体（也叫湿法成形），湿坯体通过烘干、修坯、上釉后进入窑炉烧成。从湿坯体、湿模具到烘干进入窑炉前的过程我们把它称之为坯体烘干环节。这一环节的内容包括：烘干热源的选择（自身热源有：窑炉余热利用。外增热源有：热风炉、锅炉、等热源输送和气烧红外线炉、电热炉、藕煤炉等供热）、链干机脱模干燥、烘房脱模干燥、坯体洗水、施釉后再烘干和生产车间整套热风输送管道布局等。

2 陶瓷坯体烘干的现状

根据我们对湖南、江西、河南、河北、四川、重庆、广东、广西、江苏、山东等陶瓷产地的调查，陶瓷坯体烘干主要存在以下几个方面的问题：

2.1 窑炉取热的问题

人们取热采取在冷却带分段取热的办法，不分产品的大小与形状，机械地分段取热。结果是取热不充分，窑尾出瓷温度高达100℃左右，需要通过一段时间机械冷却后才能进行质检工序。

2.2 输送热的问题

首先如果没有处理好进风管与供热点出风管的关系问题，一般都是进风管直径太小，没有形成一定的风速，造成只有热量而没有热风流动的高温烘烤现象。其次是在输热管道架设的过程中，常常出现90°或小于90°的对接角（也叫死角），这样使热量经过死角时，减慢了热气流的流速，损失了热量。因此，在热气流的输送过程中损失了大量的热量，不能达到及时烘干湿坯体的作用。

2.3 用热的问题

由于窑尾取热和输送热的过程达不到要求，所需湿坯体仅靠窑炉余热想要全部及时烘干就很难做到，更谈不上合理调配用热的问题，只能增加补助热源，用高温烤干湿坯体和模具。

由于存在以上3个问题，仅靠窑炉自身余热无法烘干其烧成产品，企业一般只好沿袭原来的做法：

1）只要加热就能使坯体得到烘干。因此增加辅助热源对坯体盲目加热，认为温度越高对湿坯体的干燥速度就会越快。例如：株洲某陶瓷有限公司，采取高温烘（烤）干湿坯体的办法。1条80m长的4板辊道窑增加了2台燃气热风炉，这2台热风炉每天燃气1 120m3左右，年耗天然气392 000m3。由于增加2台热风炉供热，增加电机的装机容量为46.5kW·h，年多耗电量387 600kW·h。从经济成本方面计算：一年增加成本112万元、电费27万元、热风炉操作工资及热风炉维修费8万元，共计147万元。造成在生产成本增加的同时还使生产车间环境温度升高，影响企业的正常生产，同时还危及工人的身体健康。

2）每条窑炉因坯体（干燥）原因不能按其设计烧成产品总量去生产，而是有多少坯体就烧成多少。这样一来等于用大的窑炉生产少量的产品，为了达到完成产量的目的，只好增加窑炉的数量，利用回收的余热进行坯体的烘干。表面上看，湿坯体是利用窑炉余热烘干的，但实际其窑炉所消耗的能源不少于热风炉所消耗的能源。同时在无形中又增加了大量的劳动力消耗。例如，山东淄博市某陶瓷有限公司，采用余热烘干湿坯体的办法。该公司拥有2条日烧成5万件左右杯类产品的天然气隧道窑及配套生产线和1条日烧成6万件左右杯类产品的天然气隧道窑及配套生产线。而生产需求量只要日产10万件杯类产品就够了。由于湿坯体（干燥）问题，他们多使用了1条日烧成6万件左右杯类产品的天然气隧道窑及配套生产线。因此每天多耗天然气2 400m3，每年多耗天然气840 000m3。增加电机的装机容量70kW·h，年多耗电量588 000kW·h。每天多增加33个劳动工作日，年增加11 550个劳动工作日。从经济成本方面计算：1年多耗成本为天然气238万元、电费47万元、劳动工资67万元，共计352万元。根据该厂的方法，日烧成10万件产品所需坯体仍无法正常烘干，从链干机下来的坯体还需利用坯架，占据大量生产场地，通过4～5d时间的自然干燥后才能进入窑炉烧成。在现有设备、设施及窑炉余热利用情况下，冷天无法正常脱模干坯，而热天生产环境温度高，员工工作环境差，生产场地拥挤等现象非常严重。

3）增加厂房，增加坯架，延长坯体干燥周期，让部分坯体自然干燥。其结果是：浪费了厂房面积，坯体自然干燥受天气和环境的影响，其干燥时间快慢不一致，严重影响企业的生产效益，坯体排出的湿废气污染车间环境。例如，广东潮州市某陶瓷厂，该厂是一家生产卫生洁具的企业，有1条日烧成卫生洁具600件产量的液化气隧道窑，窑炉余热（包括窑头窑尾余热）全部用于装坯烘房。注浆区域模具、坯体烘干根本没有热源供应，主要靠自然室温加上电动吊风扇搅拌，经过长时间的自然烘干来完成。因此配套注浆成形、烘坯体工作场地所占用面积为20 000m2（4 000m2×5层）共5层楼，每层楼分布注浆模具432套，共安装电动吊风扇170台。按其正常用热理念只需3层就够了，不需要使用吊风扇。从经济成本方面计算：浪费二层楼房8 000m2，也就是说多用了二层生产厂房的面积，年多耗电10万元。

陶瓷坯体烘干环节的现状，主要是没有很好地利用窑炉余热，而且没有将窑炉余热与坯体烘干很好地结合起来，使大量的余热被白白浪费，给企业带来巨大的生产成本，给环境带来很大的污染，严重影响企业经济效益。

3 陶瓷窑炉余热利用新装置的诞生

湖南某能源科技有限公司负责人带着他的团队从自办风机厂到做干燥设备，后来又对陶瓷机械进行认真的钻研，不断总结，对整个陶瓷机械包括陶瓷窑炉等产生了极大的性趣。经过十几年的努力，他们在陶瓷窑炉余热利用和陶瓷坯体烘干技术方面有了重大的突破，研制出了一整套陶瓷窑炉余热利用新技术与新设备。新技术包括取热技术、输热技术、用热技术。结合其新技术的设备包括风机、输热管道、各种类型的链式干燥机及烘房等成套新设备。新技术设备全称叫陶瓷窑炉余热利用装置，已获国家专利（ZL 200720065120.5），并在几十家陶瓷企业得到了推广应用。

4 陶瓷窑炉余热烘干湿坯体的理论依据

在陶瓷烧成过程中，人们将连续式烧成陶瓷窑炉的烧成流程分为预热带、烧成带、冷却带，陶瓷窑炉余热出自预热带和冷却带。预热带的余热也叫做窑头烟气余热，其热气不能直接使用，因为其含有大量的腐蚀烟气。冷却带的余热也叫窑尾余热，其热清洁可靠，主要来自产品通过烧成带后所排出来的热量。

针对余热能不能满足该窑炉设计烧成产品总量的湿坯体烘干所需热量的问题，株洲市能源利用监测站对醴陵某日用炻瓷厂1条4组板的辊道窑的能源利用监测数据就足以得到证明：

基本数据：1d烧成炻瓷20t，耗天然气4 000m2，每立方米天然气发热量38 385.62KJ。1d生产湿坯27t，需要蒸发的水量为27×0.21＝5.67t。全月用工作模具90t，日干燥模具为3t，需要蒸发的水量为3×0.3＝0.9t。

根据理论计算，每蒸发1kg水，需要2 511.6KJ热量，则每天用于坯体干燥需要热量为5.67×1 000×600×4.186＝14 240 772KJ，每天用于干燥模具需要热量为0.9×1 000×600×4.186＝2 260 440KJ，则每天干燥坯体和模具需要利用余热量合计为16 501 212KJ，根据窑炉日消耗天然气4 000m2，产生总热量为153 542 480KJ。

产品烧成后，产品及窑具将热量带到冷却带，根据株洲市能源监测站对该窑的监测数据，每天产生的总余热量为燃烧产生的总热量31.7%，则有36 680 000×31.7%×4.186＝48 672 966.16KJ，由于热效率影响、窑体散热、窑具带走热量，以及余热管道热损耗，干燥烘房热量流失等，只要有50%的余热能得到利用，则11 627 560×50%×4.186＝24 336 483.08KJ，此热量大于每天需要利用余热量16 501 212KJ。因而利用余热烘干坯体和模具，是绰绰有余。这就是陶瓷余热利用新装置利用陶瓷窑炉余热烘干其湿坯体和模具的理论依据。

5 陶瓷窑炉余热利用新装置的技术内容

在实际生产中如何将余热利用好，做到窑炉余热能及时烘干其窑炉设计烧成产品总量的湿坯体问题，这就是陶瓷窑炉余热利用新装置所解决的问题。

湿坯体的烘干与温度和风速有着密切的关系，温度和风速是湿坯体快速烘干的2个重要因素。有温度没有风速湿坯体难以及时很好地烘干，有风速没有温度湿坯体也难以及时很好地烘干。根据这一理念陶瓷窑炉余热利用新装置很好地解决了取热、输热、用热三大技术。

1）取热。取热是将窑炉余热取出。真正的余热是从高温瓷和窑具中取出来的热，热从瓷内和窑具内取出来，要有一定的风速和过程才能及时将余热取出。

陶瓷窑炉在烧成过程中，烧成带的热不能进入冷却带，只能通过急冷风进行阻拦，而急冷风的出现为取出高温瓷和窑具内的热开启了方便之门。因此，陶瓷窑炉余热利用装置要求：最大限度的从窑炉冷却带中的“缓冷区”后（距急冷风远一些的地方）按产品形状大小设立灵活的分散取热点（也叫“远程取热”）。在保证窑炉压力曲线稳定的前提下（也就是说抽出的热风与打入的急冷风保持一定的平衡），加大抽出真实的热（产品内吐出的热）的热风量。保证产品和窑具得到有效的降温，最后使产品和窑具通过冷却后的出窑温度只比环境温度高5～10℃，达到有效的降低产品和窑具的热强度，而且克服产品因冷却不合理造成的烧成缺陷，确保窑具的使用次数增加50～80次。

2）输热。输热就是将窑炉内取出来的余热输送到每一个供热点（链干机或烘房）。输热的过程是将热从一个空间转移到另一个空间的过程。也就是说将多的余热转换成有用的热的过程暨由热量变为热风的过程。

在热风的输送过程中，既要保持一定的风速又要将热量的损耗降到最低。因此，陶瓷窑炉余热利用新装置要求：增大流量，加快流速，合理布局热风输送管道走向，合理设计制造管道规格，确保热风流动顺畅。在管道与管道的连接上，不能有90°或小于90°的死角。在3板以上的辊道窑或隧道窑余热利用中，使用流量为64 000m3／h，功率为45kW的锅炉引风机，热风在直径为1 000mm的主管道中的流速达到了22.6m／s。由于在余热取出汇集管中的热风温度达240～270℃，而风机的正常使用温度则≤250℃，所以在风机前掺入冷（环境温度）空气，热风温度将降至供热点的55～70℃，既保证了风机的安全运行又增加了热风总量，最重要的是热风温度的降低减小了热风与环境介质的温度梯度，有效地降低了热损失。在干燥室（链干机和烘房）内设计了可控制的热风出口，热风以不同的角度并以高于原2倍以上的风速喷出，形成了相互搅拌，使干燥室（链干机和烘房）内温度更均匀，高速的热风将产品表面的水分及时带出，加快了干燥速率。

3）用热。用热就是如何将余热用好，首先要考虑的是用热的对象所需热的规律，而陶瓷窑炉余热用热的对象是陶瓷湿坯体及模具。

陶瓷坯体和模具内的水分排出有其规律，要想将湿坯体和模具烘干，就必须让其水分排出。而这个排出的过程是一个相对缓慢的过程，如果温度过高用烤的方法，反而湿坯体、模具内部的水分不容易排不出来，同时还会造成坯体开裂，模具受损，降低其使用寿命。因此，只能用适当的温度和风速让湿坯体、模具内的水分相对缓慢排出，然后将水分带走，这样才能得到良好的烘干效果。

陶瓷窑炉余热利用新装置要求：将热风循环使用和错开时间段使用。如将链式干燥机后箱已烘坯体的带湿热风输送到链式干燥机前箱进行脱模。根据企业的生产工艺流程将余热利用时间错开分配合理利用，白天余热主要供给链式干燥机脱模干坯，晚上余热主要供给坯烘房干坯、干模。干燥室（链干机和烘房）内的相对湿度达到一定饱和时，及时启动排湿系统，将饱和湿气排出。至使当天的湿坯体第二天能全部及时进行下一工序后进窑烧成。

陶瓷窑炉余热利用新装置的技术内容，要求在取热、输热、用热方面都必须遵循其内在的规律，科学、系统地结合成一个整体。从取热到用热后的排湿，整个过程一环紧扣一环，在有限的热量（陶瓷窑炉余热）范围内，保证窑炉设计烧成产品总量的坯体、模具的及时烘干，并提高产品的合格率和延长模具的使用次数。达到节能减排，改善环境，提高经济效益的效果。

6 陶瓷窑炉余热利用新装置的实际案例

陶瓷窑炉余热利用新装置先后在醴陵市范围内的湖南华联瓷业集团有限公司、醴陵陶润实业发展有限公司、丰年华集团丰德利瓷业有限公司、湖南泰鑫瓷业有限公司、醴陵市华日瓷业有限公司等30多家企业进行了实施，实施的企业全部取消了原加热的热风炉、锅炉、耦煤炉等，完全解决了利用窑炉自身余热按时烘干其窑炉设定烧成产品总量坯体的问题，企业环境焕然一新。以湖南华联瓷业集团有限公司为例，该公司有日用陶瓷窑炉10条，年生产陶瓷17 860万件，原来烘干坯体需用补充热能的热风炉、锅炉、耦煤炉等，年消耗原煤达11 829.8t，增加输热电机耗电476.5万kW·h，两项每年共补充能源多耗资金1 364.87万元。该公司经过改造使用陶瓷窑炉余热利用新装置后，完全停用了燃煤转换热源全套的设备使用，全部实现了余热干坯，不到10个月就收回全部投资。同时减少了大量的废渣、废气、烟尘的排放，改善了生产、生活及厂区周边的环境。

根据取热、输热、用热的新技术，陶瓷窑炉余热利用新装置在湖北枝江玖源包装制品有限公司被采用，该公司是生产陶瓷酒瓶的企业，一条长75m3的3板的天然气辊道窑，日耗气量3 500m3和一个日耗天然气量为2000m3热风炉，每天共耗天然气5 500m3。本来这条窑炉的日设计烧成产品总量为6.5万件，由于坯体不能按时烘干，只能生产3.8～4.2万件。通过改造后日烧成产量达到了6.5万件；热风炉的用气量每天下降到只耗1000m3。从经济方面核算：按每立方天然气2.46元计算，陶瓷窑炉余热利用装置在使用前每只陶瓷酒瓶所耗的燃气成本为0.322 14元，使用后每只陶瓷酒瓶所耗的燃气成本为0.170 3元。每年可减少生产成本340多万元。同时生产车间的工作环境得到了很大的改善。

又如，湖南铜官星光炻瓷厂是专业生产日用炻瓷的企业，有86m的4板天然气辊道窑一条，改造前还使用了2台热风炉用来烘干坯体，热风炉每天烧原煤7t左右，年耗原煤达2 460t。日烧成产量3.7万件左右；成形车间5条链式干燥机均为前后箱结构，除5号链式干燥机是利用辊道窑余热干坯外，其余4条链干机和制模烘房均由热风炉供热干坯、干模，能源耗费大，生产成本高，而且不能保证正常干坯。陶瓷窑炉余热利用新装置利用窑头余热烘干模具，用窑尾余热烘干坯体的理念，经过改造后，保证了生产的产量，取消了2台热风炉和减少了多台抽热电机的使用。从经济成本方面计算：每年节约耗煤成本205万元、电成本25.5万元、热风炉操作工资及热风炉维修费10万元，共计年节约成本240.5万元。同时，产品合格率提高了5%，大大改变了周边环境。车间风机的大量减少，使生产车间内的噪声大幅度下降，对生产车间工作环境得到很好的改善。在保证日生产坯体、模具的正常烘干的同时还使坯体的日产量加大，则窑炉日烧成产量也相应增加了，生产产量得到了大幅度的提高。