中国陶瓷工业窑炉的新技术与新工艺
2010-07-23
来源:陶城报
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来源：陶城报
陶瓷工业的可持续发展正面临自然生态环境的严峻挑战，能源短缺又给陶瓷行业的发展提出了越来越严格的要求。节能降耗和减少陶瓷窑炉污染是陶瓷生产的大势所趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要条件。在今年“第三届国际陶瓷工业发展论坛”上，华南理工大学博士导师曾令可教授为中国陶瓷窑炉的新技术与新工艺发展指明了方向。本文是其发言的纲要，希望对业内人士有所启迪。
一 窑炉结构
●间歇式窑炉
能耗大，产量较低，排烟温度在６００℃～８６０℃ 。
影响梭式窑内温度场均匀性的关键因素：
①采用新型烧嘴，如：等温烧嘴，脉冲烧嘴，高速烧嘴。
②调整烧嘴的布设，
③改善码坯的放置，
④合理布设烟道，
⑤对于梭式窑，余热利用，
⑥选择适当的温度检测点和控制方法。
●连续式窑炉
①隧道窑
温差大，特别是预热带； 窑墙、窑车蓄热量大，能耗高２４００－１２０００×４．１８ｋＪ／ｋｇ产品；采用一些新技术能耗可降至１１００－５２００×４．１８ｋＪ／ｋｇ。采用新技术：无匣裸烧，轻质保温，轻质窑车。存在关键问题：还原烧成气氛的检测与控制
②辊道窑
●能耗较低：最低可达２００－３００×４．１８ｋＪ／ｋｇ产品；
●产量大：窑长２２０ｍ以上，墙地砖产量１００００ｍ２／ｄ以上；
●合理控制雾化风压和助燃风量
●合理调节排烟风机，抽热风机的抽出量
●合理设置挡火墙，挡火板
●延长烧嘴或延长火焰的长度″引火归心″
●在结构上，将全窑平顶或全窑筑拱的结构改造为烧成带筑拱的结构，可有效的减少断面温差。
二 保温技术
●重质耐火砖：质量、热容、导热系数大蓄热、导热量大，窑墙外表面温度高达３００℃～４００℃ 。
●轻质保温砖，
●莫来石轻质砖，
●高铝轻质砖，
●轻质陶瓷纤维，质量轻，导热系数小，重量只有轻质材料的１ ／６，容重为传统耐火砖的１／２５，蓄热量仅为砖砌式炉衬的１／３０～１／１０窑外壁温度降到３０℃～６０℃ 。采用轻质陶瓷纤维，降低产品与窑具的质量比。
●纤维节能，总能耗的２０．６％下降到９．０２％，节能达到１６．６７％。
●纤维粉化，
●粉化研究，
●抗粉化，
●窑墙结构越合理，节能效果越好。
三 烧成技术
●采用新型烧嘴：等温烧嘴，脉冲烧嘴，高速烧嘴。
●调整烧嘴的布设。
四 涂层技术
●涂层技术范围很广，其中红外辐射涂层和多功能涂层在窑炉中的应用值得关注。
●红外涂层加热工艺简单、成本较低、红外发射率高具有显著的节能效果。
●保护窑墙不受到粉化： 窑内落脏，纤维粉化
●增加红外辐射传热和热能利用率：在高温阶段，将其涂在窑壁耐火材料上，材料的辐射率由０．７
升为０．９６，每平方米每小时可节能３３０８７×４．１８ｋＪ，而在低温阶段涂上ＨＲＣ后，窑壁辐射率从０．７升为０．９７，每平方米每小时可节能４５４７ｋｃａｌ。
●避免二次落脏。
五 有害气体生成机理
●陶瓷窑炉烟气中有害成份：ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＲＯｘ粉尘
●ＮＯ生成机理：
①热力型ＮＯｘ： 空气中的氮气被氧化，主要受到烟气温度和氧浓度的影响，烟气温度达１５０００℃以上时，ＮＯｘ呈指数增加。
②燃料型ＮＯｘ：燃料中的Ｎ被氧化，与燃料中含Ｎ量有关。
③快速型ＮＯｘ：含量较少，一般在５％以下，主要在富燃料的火焰断面。
●ＳＯｘ的生成
①坯体原料中硫酸盐的分解，如：黄铁矿，硫酸盐的氧化。
②燃料中硫的氧化，如：有机硫，黄铁矿，硫酸盐等的氧化。
六 抑制技术
●还原法：选择性催化还原ＳＣＲ，加入还原剂如ＮＨ３在催化剂作用下还原ＮＯｘ ，还原率９０％以上；选择性非催化还原ＳＮＣＲ，加入还原剂如ＮＨ３在高温作用下还原ＮＯｘ，还原率３０％－７０％。易造成二次污染、催化剂失活、腐蚀设备。
●等离子技术：等离子体过程烟气ＮＯｘ治理技术的核心是通过一定的方式在烟气中产生等离子体，ＮＯｘ等污染性气体在等离子体区被分解或氧化。设备造价贵，还处于实验阶段。
●微生物法：适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用ＮＯｘ做为氮源，将ＮＯｘ氧化成最基本的无害的Ｎ２，而脱氮菌本身获得生长繁殖，脱除效率达到９９％。厌氧环境难保证。
●电化学法：利用电子作为中间产物氧化或还原ＮＯｘ，脱除率９０％以上。处理工艺温度较低，电解液不易运输。
●氯酸氧化法：利用氯酸的强氧化特性处理，脱除ＮＯｘ和ＳＯｘ率９５％以上。
●微波技术：
① 高温热解炭（或活性炭）既是一种性能优良的射频能吸收剂，又是一种性能良好的还原剂。当将活性炭置于射频能量场中时，气相中的ＳＯ２、ＮＯｘ与射频能量场中的焦炭接触时，炭能迅速地夺取这些氧化物中的氧，其夺取氧的速度要比没有射频能量场存在时快得多。
② 工艺简单、处理效率高、无二次污染 、投资小，装置简单、能耗低 。
●多功能涂层脱除ＮＯｘ：
① 在紫外光和太阳光对多功能复合涂膜的照射下，ＮＯｘ光催化降解率可达５５％左右。
②在刚开始反应时，ＮＯｘ的降解率很快就达到了５０％以上，６ｈ后变化不大，达到了饱和值８０％左右。
③当ＮＯｘ流速为０．１Ｌ／ｍｉｎ，反应物接触时间为７６．３ｓ时的ＮＯｘ降解率最高，达到４０．２％以上。
④将涂有光催化涂料的玻璃板放置于室外，每隔１０天用水冲洗１次，每个月测试１次对ＮＯｘ降解效果，结果表明，在室外放置６个月后，该涂料对ＮＯｘ的氧化降解作用降低很少，大约只降低２％３％，涂层外观无变化。
七 微波辅助烧成技术
●微波烧成与常规烧成的区别。
●微波辅助气体烧成技术（ ＭＡＧＦ ）是一种较实用、合理的环保型洁净烧成技术。
●采用微波烧成技术完全可以避免产生ＣＯ、ＣＯ２、ＳＯ２及ＮＯｘ等废气热效率可以提高４０％～５０％
●在国内，微波烧成技术在高性能陶瓷及电瓷烧成中有所尝试，但在日用陶瓷、建筑陶瓷上仍是空白。
●在国外，这类ＭＡＧＦ技术已成功地在各种耐火材料、日用陶瓷及卫生陶瓷烧成中得到应用并已从实验室阶段走向了小规模生产 。
●据国外资料报道采用 ＭＡＧＦ 技术烧成可增产４倍，节能 ７０％以上，能源成本下降 ４０％，有害物质的挥发量大量减少，产品的机械性能亦有所改善。
八 检测控制技术
●模糊控制：
优点：对于陶瓷窑炉这种非线性、难于建立模型的控制对象不失为一种良好的控制方法。
缺点：控制精度不高、自适应能力有限、存在稳态误差、可能引起振荡，缺乏有效的学习机制。
●单点模糊控制：控制对象通常是炉温，由于陶瓷烧成过程中受窑炉控制特性的影响，造成所设计的模糊控制规则不合适或不完整而影响其控制效果。
●多变量模糊控制 ：
①针对具有多样、随机、连续、高度不确定等特性的控制对象，达到多层次、多目标的综合效果。
②技术核心：软嵌入式无模型自学习多变量模糊控制器。
●断面流场控制：
①在预热带的特定位置窑室下部安装若干高速烧嘴，加大上下气流的搅动，减少断面的上下温差。
②在烧成带和冷却带的窑顶每间隔一定距离设置吊挂式耐火纤维″屏障″。
③在烧成带窑顶和被烧制品的上边缘之间合理选择上部烧嘴的最佳位置。
④在冷却带，制品的上方和下方设置多个喷空向急冷带鼓入冷风或低温热风。
⑤对于宽断面窑，应适当的延长火焰长度，避免断面温度的驼峰分布。
九 计算机模拟技术
●实体模型： 水利模型、火焰模型、空气动力模型
●ＦＬＵＥＮＴ软件数值：
①模拟材窑内流体对流换热过程，
②模拟辊道窑烧嘴的布设角度对窑内流场的影响，
③模拟梭式窑内流场，对流换热规律以及对流换热系数对窑内换热不均匀度的影响，
④模拟陶瓷烧成过程中影响ＮＯｘ生成的各个因素。
陶瓷窑炉的发展方向：
●在窑炉结构上，向连续式窑炉长度方向发展，
●在窑体、窑具的材料上，采用轻质陶瓷纤维，
●采用涂层材料，节能降耗，降低污染物的排放，
●在烧成技术上，向温度均匀性高、低污染方向发展，如微波烧成技术，
●在检测方法上，采用多变量控制技术，
●在研究方法上，将窑炉热工理论和计算流体力学相结合，
●陶瓷窑炉的绿色化这是新世纪窑炉工作者的重任。
陶瓷工业的可持续发展正面临自然生态环境的严峻挑战，能源短缺又给陶瓷行业的发展提出了越来越严格的要求。节能降耗和减少陶瓷窑炉污染是陶瓷生产的大势所趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要条件。在今年“第三届国际陶瓷工业发展论坛”上，华南理工大学博士导师曾令可教授为中国陶瓷窑炉的新技术与新工艺发展指明了方向。本文是其发言的纲要，希望对业内人士有所启迪。
一 窑炉结构
●间歇式窑炉
能耗大，产量较低，排烟温度在６００℃～８６０℃ 。
影响梭式窑内温度场均匀性的关键因素：
①采用新型烧嘴，如：等温烧嘴，脉冲烧嘴，高速烧嘴。
②调整烧嘴的布设，
③改善码坯的放置，
④合理布设烟道，
⑤对于梭式窑，余热利用，
⑥选择适当的温度检测点和控制方法。
●连续式窑炉
①隧道窑
温差大，特别是预热带； 窑墙、窑车蓄热量大，能耗高２４００－１２０００×４．１８ｋＪ／ｋｇ产品；采用一些新技术能耗可降至１１００－５２００×４．１８ｋＪ／ｋｇ。采用新技术：无匣裸烧，轻质保温，轻质窑车。存在关键问题：还原烧成气氛的检测与控制
②辊道窑
●能耗较低：最低可达２００－３００×４．１８ｋＪ／ｋｇ产品；
●产量大：窑长２２０ｍ以上，墙地砖产量１００００ｍ２／ｄ以上；
●合理控制雾化风压和助燃风量
●合理调节排烟风机，抽热风机的抽出量
●合理设置挡火墙，挡火板
●延长烧嘴或延长火焰的长度″引火归心″
●在结构上，将全窑平顶或全窑筑拱的结构改造为烧成带筑拱的结构，可有效的减少断面温差。
二 保温技术
●重质耐火砖：质量、热容、导热系数大蓄热、导热量大，窑墙外表面温度高达３００℃～４００℃ 。
●轻质保温砖，
●莫来石轻质砖，
●高铝轻质砖，
●轻质陶瓷纤维，质量轻，导热系数小，重量只有轻质材料的１ ／６，容重为传统耐火砖的１／２５，蓄热量仅为砖砌式炉衬的１／３０～１／１０窑外壁温度降到３０℃～６０℃ 。采用轻质陶瓷纤维，降低产品与窑具的质量比。
●纤维节能，总能耗的２０．６％下降到９．０２％，节能达到１６．６７％。
●纤维粉化，
●粉化研究，
●抗粉化，
●窑墙结构越合理，节能效果越好。
三 烧成技术
●采用新型烧嘴：等温烧嘴，脉冲烧嘴，高速烧嘴。
●调整烧嘴的布设。
四 涂层技术
●涂层技术范围很广，其中红外辐射涂层和多功能涂层在窑炉中的应用值得关注。
●红外涂层加热工艺简单、成本较低、红外发射率高具有显著的节能效果。
●保护窑墙不受到粉化： 窑内落脏，纤维粉化
●增加红外辐射传热和热能利用率：在高温阶段，将其涂在窑壁耐火材料上，材料的辐射率由０．７
升为０．９６，每平方米每小时可节能３３０８７×４．１８ｋＪ，而在低温阶段涂上ＨＲＣ后，窑壁辐射率从０．７升为０．９７，每平方米每小时可节能４５４７ｋｃａｌ。
●避免二次落脏。
五 有害气体生成机理
●陶瓷窑炉烟气中有害成份：ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＲＯｘ粉尘
●ＮＯ生成机理：
①热力型ＮＯｘ： 空气中的氮气被氧化，主要受到烟气温度和氧浓度的影响，烟气温度达１５０００℃以上时，ＮＯｘ呈指数增加。
②燃料型ＮＯｘ：燃料中的Ｎ被氧化，与燃料中含Ｎ量有关。
③快速型ＮＯｘ：含量较少，一般在５％以下，主要在富燃料的火焰断面。
●ＳＯｘ的生成
①坯体原料中硫酸盐的分解，如：黄铁矿，硫酸盐的氧化。
②燃料中硫的氧化，如：有机硫，黄铁矿，硫酸盐等的氧化。
六 抑制技术
●还原法：选择性催化还原ＳＣＲ，加入还原剂如ＮＨ３在催化剂作用下还原ＮＯｘ ，还原率９０％以上；选择性非催化还原ＳＮＣＲ，加入还原剂如ＮＨ３在高温作用下还原ＮＯｘ，还原率３０％－７０％。易造成二次污染、催化剂失活、腐蚀设备。
●等离子技术：等离子体过程烟气ＮＯｘ治理技术的核心是通过一定的方式在烟气中产生等离子体，ＮＯｘ等污染性气体在等离子体区被分解或氧化。设备造价贵，还处于实验阶段。
●微生物法：适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用ＮＯｘ做为氮源，将ＮＯｘ氧化成最基本的无害的Ｎ２，而脱氮菌本身获得生长繁殖，脱除效率达到９９％。厌氧环境难保证。
●电化学法：利用电子作为中间产物氧化或还原ＮＯｘ，脱除率９０％以上。处理工艺温度较低，电解液不易运输。
●氯酸氧化法：利用氯酸的强氧化特性处理，脱除ＮＯｘ和ＳＯｘ率９５％以上。
●微波技术：
① 高温热解炭（或活性炭）既是一种性能优良的射频能吸收剂，又是一种性能良好的还原剂。当将活性炭置于射频能量场中时，气相中的ＳＯ２、ＮＯｘ与射频能量场中的焦炭接触时，炭能迅速地夺取这些氧化物中的氧，其夺取氧的速度要比没有射频能量场存在时快得多。
② 工艺简单、处理效率高、无二次污染 、投资小，装置简单、能耗低 。
●多功能涂层脱除ＮＯｘ：
① 在紫外光和太阳光对多功能复合涂膜的照射下，ＮＯｘ光催化降解率可达５５％左右。
②在刚开始反应时，ＮＯｘ的降解率很快就达到了５０％以上，６ｈ后变化不大，达到了饱和值８０％左右。
③当ＮＯｘ流速为０．１Ｌ／ｍｉｎ，反应物接触时间为７６．３ｓ时的ＮＯｘ降解率最高，达到４０．２％以上。
④将涂有光催化涂料的玻璃板放置于室外，每隔１０天用水冲洗１次，每个月测试１次对ＮＯｘ降解效果，结果表明，在室外放置６个月后，该涂料对ＮＯｘ的氧化降解作用降低很少，大约只降低２％３％，涂层外观无变化。
七 微波辅助烧成技术
●微波烧成与常规烧成的区别。
●微波辅助气体烧成技术（ ＭＡＧＦ ）是一种较实用、合理的环保型洁净烧成技术。
●采用微波烧成技术完全可以避免产生ＣＯ、ＣＯ２、ＳＯ２及ＮＯｘ等废气热效率可以提高４０％～５０％
●在国内，微波烧成技术在高性能陶瓷及电瓷烧成中有所尝试，但在日用陶瓷、建筑陶瓷上仍是空白。
●在国外，这类ＭＡＧＦ技术已成功地在各种耐火材料、日用陶瓷及卫生陶瓷烧成中得到应用并已从实验室阶段走向了小规模生产 。
●据国外资料报道采用 ＭＡＧＦ 技术烧成可增产４倍，节能 ７０％以上，能源成本下降 ４０％，有害物质的挥发量大量减少，产品的机械性能亦有所改善。
八 检测控制技术
●模糊控制：
优点：对于陶瓷窑炉这种非线性、难于建立模型的控制对象不失为一种良好的控制方法。
缺点：控制精度不高、自适应能力有限、存在稳态误差、可能引起振荡，缺乏有效的学习机制。
●单点模糊控制：控制对象通常是炉温，由于陶瓷烧成过程中受窑炉控制特性的影响，造成所设计的模糊控制规则不合适或不完整而影响其控制效果。
●多变量模糊控制 ：
①针对具有多样、随机、连续、高度不确定等特性的控制对象，达到多层次、多目标的综合效果。
②技术核心：软嵌入式无模型自学习多变量模糊控制器。
●断面流场控制：
①在预热带的特定位置窑室下部安装若干高速烧嘴，加大上下气流的搅动，减少断面的上下温差。
②在烧成带和冷却带的窑顶每间隔一定距离设置吊挂式耐火纤维″屏障″。
③在烧成带窑顶和被烧制品的上边缘之间合理选择上部烧嘴的最佳位置。
④在冷却带，制品的上方和下方设置多个喷空向急冷带鼓入冷风或低温热风。
⑤对于宽断面窑，应适当的延长火焰长度，避免断面温度的驼峰分布。
九 计算机模拟技术
●实体模型： 水利模型、火焰模型、空气动力模型
●ＦＬＵＥＮＴ软件数值：
①模拟材窑内流体对流换热过程，
②模拟辊道窑烧嘴的布设角度对窑内流场的影响，
③模拟梭式窑内流场，对流换热规律以及对流换热系数对窑内换热不均匀度的影响，
④模拟陶瓷烧成过程中影响ＮＯｘ生成的各个因素。
陶瓷窑炉的发展方向：
●在窑炉结构上，向连续式窑炉长度方向发展，
●在窑体、窑具的材料上，采用轻质陶瓷纤维，
●采用涂层材料，节能降耗，降低污染物的排放，
●在烧成技术上，向温度均匀性高、低污染方向发展，如微波烧成技术，
●在检测方法上，采用多变量控制技术，
●在研究方法上，将窑炉热工理论和计算流体力学相结合，
●陶瓷窑炉的绿色化这是新世纪窑炉工作者的重任。
