基于工业大数据陶瓷窑炉的节能降耗优化设计

吴 彤

清远职业技术学院 广东清远 511000

引 言

为了打赢“蓝天保卫战”，全国陶瓷行业“煤改气”工作都在逐步推进，截止到2020 年12 月，广东省清远市34家陶瓷企业的169条生产线，已全部完成了升级改造，即全部陶瓷企业窑炉均实现了天然气清洁能源热量供给。根据目前陶瓷企业生产的现状，窑炉烧成工序的能耗占据陶瓷工艺链能耗的60%至70%左右[1]。由于天然气能源的使用，窑炉运行工控能耗成本在现实生产中较使用水煤气时有所增加，根据窑炉的耗能情况，陶瓷企业对窑炉的技术改造呈持续状态，以实现节能降耗的目标。据调研，目前窑炉改造主要集中在窑炉喷嘴等设备的更新换代等方面，而柔性的管理形成的节能降耗较为少见。以广东清远建筑陶瓷企业为研究对象，基于大数据分析与应用基础上的智能化转型，陶瓷智能化数据分析反馈和工艺调整，通过设备状态监测、空窑率、温差、能耗、品质等数据在平台上集成共享，数据挖掘、机器学习和知识发现等大数据分析和处理技术，运用陶瓷窑炉的结构组成，通过天然气的热值换算，深入挖掘陶瓷企业工业数据价值，适时调整窑炉烧结工艺参数，降低尾气输出温度，有效地利用窑炉余热，更换窑炉使用的保温材料为轻质耐火材料，不同窑炉分段加以涂层等举措，提高窑炉热利用率，实现窑炉节能降耗，为企业实现了提质增效。

一、现代建筑陶瓷企业窑炉运行分析

1.1 陶瓷窑炉使用天然气的运行现状

随着“绿色生产”，“蓝天保卫战”，“绿水青山就是金山银山”环保举措的出台，陶瓷企业在能耗最大的生产工序—烧成中也迎接了巨大的挑战。截止到2020年底，广东省基本实现了从水煤气到天然气的全面改造。

“高耗能、高污染、资源型”企业一直是近年来国家调控的重点，其中陶瓷产业尤为突出，而陶瓷产业往往又是经济发展不可或缺的重要基础。经过长期调控，陶瓷企业不断升级，有些企业的能耗和污染物排放已经达到国际先进水平。根据目前天然气的供给市场，陶瓷企业所使用的天然气主要有两种，一种是管输气，一种是LNG，天然气价格采取政府定价，燃气公司根据陶瓷企业的具体用气量等因素最终确定，一般情况下，如果陶瓷企业每年天然气使用量超过5万平方米时，燃气公司以0.02元/m3进行价格的适度下调。根据相关的数据统计，目前政府指导的天然气最高销售价格较为稳定，广东清远的政府指导价格近九年的统计数据如图1（以清城区为例）。从图中可以看出，政府指导的天然气最高销售价格总体呈现下降趋势，以2022年政府指导的天然气最高销售价格为例，年用气量在1500万m3以上价格为3元/m3，用气量在500-1500万m3（含）期间价格为3.21元/m3，用气量低于500万以下的3.44元/m3。

图1 近九年非居民管道天然气政府指导销售价格变化趋势图

利用工业大数据，通过企业连接平台https://cloud.poi-t.cn/的数据采集和分析，对某建筑陶瓷企业近三年的窑炉用气量和非居民用天然气的价格进行了相关数据统计，具体见图1。一般情况下，燃气公司在政府指导的天然气最高销售价格基础上一般最多可上浮20%，下浮不限。从图中可以看出，从2020年下半年开始到2021年，陶瓷企业，以10条生产线的生产规模为例，用气量基本维持在年用气量25千万m3左右，尽管2019年初和年底天然气价格有一定上升，2021年底天然气价格也有所上涨，但天然气价格总体保持稳定，均低于3元/m3。

图2 近三年某陶瓷企业用气量和企业天然气价格变化趋势图

1.2 陶瓷窑炉节能降耗举措分析

建筑陶瓷企业使用的窑炉基本是辊道窑，在窑炉结构允许范围内，窑炉高度越低、宽度越宽越有利于节能降耗[2]。当窑炉宽高比一定前提下，随着窑炉长度的增加，单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量会降低[3]。陶瓷窑炉节能降耗的另一个重要举措是通过耐火材料的选用，减少炉体的散热，如选用高铝轻质砖和轻质陶瓷纤维等对节能降耗有较大的意义。采用先进富氧燃烧技术，自控技术等也是目前比较有效的节能方法[4]。烧成过程中，充分利用余热也可以大大实现能源的二次利用，以实现节能降耗[5,6]。

二、建筑陶瓷企业窑炉节能降耗措施和成效

2.1 工业大数据实时监测发挥天然气最大热值效用

自控技术是目前国外普遍采用的、有效的节能方法，它主要用于窑炉的自动控制。通过在线的外部参数(温度、湿度、窑内氧浓度、窑内压力、气氛 等)测量来引导操作向最大的节能方向进行[]。以清远某陶瓷企业为例，利用数据大平台的数据采集，通过在线的外部参数抽湿，供热，排烟，助燃，急冷，尾冷，热交换，排烟压力，助燃压力，排烟超温，燃气超压等参数的监测，使天然气的使用达到最佳，对于该系列数据的监测，根据目前的核算，可节能5至10%左右，同时可将尾气含硫量控制在30%以下。同时通过测量控制系统，数字化的柔性生产技术，严控空窑率低于1.2%，优等品率达到96.5%以上。

表1 天然气的热值统计表

图3 窑炉在线监测控制系统现场图

2.2 先进保温技术应用和窑炉宽高比实现节能降耗

以清远某建筑陶瓷企业为例，利用企业连接平台的数据采集，窑炉冷却带热风温度会维持在220℃以下，而余热利用率大于90%，烟气余热利用率不低于85%，余热技术发展较为成熟，利用率较高。余热主要用于干燥窑和助燃气体的预热等用途，这在一定程度上提高了能源的再次利用，达到了节能降耗的目的。同时，适度调整了窑炉的宽高比，采取宽体窑，宽度达到3100mm，宽高比为310:9，这在热利用率上面，达到了一定的节能降耗。耐火材料选用莫来石轻质砖，堇青石轻质砖等，气孔率较高，保温性好，导热系数小，蓄热量仅为砖砌式炉衬的1/30至1/10、 窑外壁温度最低可降到30℃。为了提高陶瓷纤维的抗粉化能力，同时增加窑炉内的传热效率，目前建筑陶瓷企业中对窑炉内高温阶段进行了热辐射涂料处理，辐射率高达0.96，可节能138.3MJ/m2·h，每小时可节约4.41m3天然气，而在低温阶段涂上热辐射涂料HRC后，窑壁辐射率从0.7升为0.97，可节能20 MJ/m2·h，每小时可节约0.64m3天然气，目前涂料技术正处于推广阶段，故而其节能效益日趋凸显。建筑陶瓷企业窑炉所使用的烧嘴目前全部采用高速喷枪的节能喷枪，在一定程度上能够起到较好的节能效果。通过窑炉保温材料等的改进，窑炉内温差基本控制在5℃以内，窑炉温差的减小，也意味着能耗浪费的减少，具体见图4。

图4 陶瓷窑炉烧成曲线

三、结 论

1）利用工业大数据实时监测窑炉运行工况，通过在线的外部参数抽湿，供热，排烟，助燃，急冷，尾冷，热交换，排烟压力，助燃压力，排烟超温，燃气超压等参数的监测，发挥天然气最大热值效用，使天然气的使用达到最佳，可节能5至10%左右。

2）利用企业连接平台的数据采集，进一步监控窑炉余热的利用，达到了节能降耗的目的。轻质莫来石等耐火材料和热辐射涂料的使用，节能喷枪的更换，使节能效益日益凸显。利用了宽体窑，选用合适的宽高比，通过柔性管理，在线监测窑炉内温差，控制在5℃以下，进一步减少能耗的浪费。