探讨陶瓷窑炉节能与减排

[摘 要] 本文结合目前热工设备和燃料燃烧等新技术,提出陶瓷窑炉节能技术与途径,并明确其节能技术发展方向,以期达到进一步降低能耗和生产成本及提高经济和社会效益目的。

[关键词] 陶瓷窑炉 节能 减排

1、前言

陶瓷行业是一个高能耗的行业,特别是建筑卫生陶瓷工业,产量大,耗能为陶瓷行业之首。其中用于烧成和干燥工序的能耗所占比重是最大的,两者约占80%以上,其中烧成约占61%。由此可见,陶瓷窑炉是能耗最多的热工设备,而在当今能源日趋紧张与其价格居高不下的环境下,它自然也成为节能降耗的主要对象。

改革开放以来,随着我国陶瓷窑炉技术的快速发展和清洁燃料的逐步广泛使用,其能耗大幅下降,已从20世纪80年代的占生产成本的40%~45%,降低到现在的30%左右。但和西方发达国家相比,还有较大差距,还有巨大的节能潜力。因此,对陶瓷窑炉节能与减排任务仍然艰巨与困难,本文主要从以下几个方面进行分析与探讨!

2、陶瓷窑炉的节能技术

窑炉是陶瓷企业最关键的热工设备,也是耗能最大的设备,但是窑炉能耗主要取决于窑炉的结构与烧成技术.窑炉技术革新应围绕着以下几个关键性问题:窑炉结构的优化、烧成技术的创新、合理选用烧嘴、余热回收利用、大范围采用自动控制技术及研究开发更先进的保温材料及涂层技术。

2.1优化窑炉结构

随着窑内高的增加,单位制品热耗和窑墙散热量也增加.当辊道窑内高由0.2m增高至1.2m时,热耗增加4.43%、窑墙散热量增加33.2%.所以从节能的角度讲,窑内高度越低越好。随着窑内宽度增大,单位制品热耗和窑墙散热减少。当辊道窑内宽从1.2m增大到2.4m,单位制品热耗减少2.9%,窑墙散热量降低25%.如果把辊道窑的内宽由2.5m扩大到3.0m,产量则可以从10000m2增加到15000m2,窑体散热面积由1206m2增加到1422m2,每生产1m2砖,窑墙散热面积由0.1206m2减少到0.0948m2.如果窑墙外表面温度与环境的温度差不变,则窑体外壁的散热损失可减少27.2%,故在一定范围内,窑越宽越好.窑越宽节能率越高,故只要能很好地解决断面温差的问题,宽体窑是未来发展的方向.在窑内宽和窑内高一定的情况下,随着窑长的增加,单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量均有所减少.当辊道窑的窑长由50m增加到100m时,单位制品热耗降低1%,窑头烟气带走热量减少13.9%.因此,应重点研究和优化窑炉结构,减少制品带走的热量,减少能耗,并逐步缩小窑内各断面的温差,使烧成制品缺陷降低,加快烧成周期,降低能耗。

2.2合理选用喷嘴

由于高温火焰流因浮力而上升,形成窑道内温度上高下低, 使热电偶检测到的温度数据偏高,故造成热电偶仪表上显示的温度与窑内烧成品实际温度产生很大的偏差.采用新型高速喷嘴或脉冲烧成等技术,可以使窑内温度变得均匀,减少窑内上下的温差,不但能缩短烧成周期、降低能耗,而且可以提高制品的烧成效果.特别对于宽断面的窑炉,应采用脉冲比例烧嘴或高速烧嘴;对于烧煤气辊道窑,应采用预混式烧嘴.这样不但可以减少窑断面上的温差,而且可以节约能源近15%~20%。

2.3余热回收循环利用

蓄热式热交换技术为上世纪80年代兴起的新型节能技术,该技术的最大特点是高效节能,平均节能率在现有的基础上可再提高30%.传统工业炉的蓄热室是由耐火材料砌成的,能承受高温.但是为了保证足够的换热面积,导致体积过于庞大,换热效果也不尽如人意.陶瓷蜂窝体等新型蓄热体的出现,不仅保持了传统蓄热室的热回收率高、节能效率高、寿命长等优点,而且克服了体积庞大等缺点,为进一步提高陶瓷窑炉的热效率、节约能源及减少CO2的排放量带来了新的希望。

积极采用先进的烟气余热回收技术,降低排烟热损失是实现工业炉节能的主要途径.当前,国内外烟气余热利用主要用于干燥、烘干制品和生产的其他环节.采用换热器回收烟气余热来预热助燃空气和燃料,这样有降低排烟热损失、节约燃料及提高燃料燃烧效率、改善炉内热工过程的双重效果.一般认为空气预热温度每提高100℃,即可节约燃料5%.现有余热利用方式主要有以下几种:在换热器中用烟气余热加热助燃空气和煤气; 设置预热段或辊道干燥窑,用烟气余热加热湿坯;设置余热锅炉,用烟气余热生产蒸汽;加热空气作为烘干坯件的热源;将窑炉热烟气直接送至喷雾塔干燥浆料制粉;利用烟气余热来发电和供暖等。

3、陶瓷窑炉减排技术

无论哪种窑炉,只要是燃料型,包括烧煤、重油、轻柴油或燃气,燃料在燃烧过程中都会产生对环境有影响的废气(NOx、SOx、CO、CO2、ROx粉尘等)。这些有害气体的大量排放也会严重污染当地的环境。

3.1抑制技术

1)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,还原率达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,还原率可达30%~70%。

将活性碳置于射频能量场中,当气相中的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)电化学法。利用电子作为中间产物氧化或还原NOx,脱除率达90%以上。因处理工艺温度较低,电解液不易运输。

3)氯酸氧化法。利用氯酸的强氧化特性处理,脱除NOx和SOx率均可达95%以上。

4)微生物法。适宜的脱氮菌在有外加炭源的情况下,利用NOx作氮源,可将NOx氧化成最基本的无害N2,而脱氮菌本身获得生长繁殖,脱除效率可达99%,但厌氧环境难以保证。

3.2微波辅助气体烧成技术

微波辅助气体烧成技术(MAGF)是一种较实用、合理的烧成方法。微波被用来加热制品,使制品从内到外快速升温,燃气产生辐射热源,使坯体表面升温,防止表面热损失而使温度偏低,减少制品中不均匀性温度分布的产生。采用微波辅助气体烧成技术,制品的热应力和非均质性比普通工艺要低得多,温度分布均匀,而且由于坯体内外温差小,可快速烧成,故能耗低。

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大减少,而且由于烧成中的热应力小,产品的机械性能亦有所改善。

3.3富氧燃烧技术减排

与普通的空气燃烧技术相比,富氧燃烧除了可以节约能源外,还可以大大减少有害气体的大量排放。

①陶瓷生产中产生大量难以经济回收的低浓度SO2烟气直接排到大气中,加剧了环境的酸雨污染。采用富氧燃烧技术,由于有效减少了烟气量,可以提高烟气中SO2浓度,有利于SO2的经济回收。因此,从减少烟气量和提高SO2浓度的角度来说,采用富氧燃烧技术可以减少有害气体的排放,有益于环境问题的改善。

②与SO2一样,采用富氧燃烧由于减少燃料消耗带来的CO2减排也是很可观的。另一方面,由于烟气量的减少相应提高了烟气中的CO2浓度,一定程度上也有利于烟气中CO2的分离和回收。

4、结语

随着陶瓷窑炉烧成技术及其它相关技术的发展,可以估计今后陶瓷窑炉的发展方向:在窑炉结构上,向连续式窑炉长度上发展;在窑体、窑具的材料上,采用轻质陶瓷纤维,采用先进的涂层技术;在烧成技术上,向温度均匀性高、低污染方向发展,如采用微波烧成技术;在检测控制方法上, 采用多变量模糊控制技术;在研究方法上,将窑炉热工理论和计算流体力学相结合。上述方法和技术将是科研工作者的研究重点,也就是陶瓷工业节能降耗的发展方向。

参 考 文 献

[1]曾令可,邓伟强等.陶瓷工业能耗的现状及节能技术措施.陶瓷学报.2006年3月第27卷第l期:109-115

[2]谭绍祥,谭汉杰.广东陶瓷行业节能和发展循环经济的现状问题与对策.陶瓷.2007年第4期:7-13

[3]刘振群.陶瓷工业热工设备.武汉工业大学出版社.1989.1059

[4]黄瑾,王晓春.工业窑炉脉冲燃烧技术的应用与效益浅析.国外建材科技.2005年第26卷第2期:12-16■

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