陶瓷工业气烧辊道窑用能评价的相关研究

林 娜，祝成翀，刘翰承，王国建，吴耀星

（景德镇市市场和质量监督管理综合检验检测中心，景德镇，333000）

0 引言

在环境资源越来越紧张的今天，国家对用能单位能源利用情况的核查，以及用能权有偿使用和交易制度的推进，使得能效较低的陶瓷生产企业感到用能压力很大。

陶瓷生产是个高能耗的行业。陶瓷烧成能耗的高低与窑炉结构、窑体材料、烧成技术密切相关。近些年来，随着窑炉新材料、新技术、新工艺的采用，陶瓷烧成的能耗已有不同程度的降低。陶瓷工业的能耗中约有 61% 用于烧成工序，而烧成工序又以陶瓷窑炉为主要能耗设备。

在陶瓷行业中，使用较多的主要窑型有：隧道窑、辊道窑及梭式窑三大类[1]。相对于另外两种窑型，辊道窑具有产量大、能耗低、自动化程度高、劳动强度低、操作方便的优点显得尤为突出。

然而，很多投产十几年的辊道窑受到当年制造技术水平及配套设备性能的限制，热效率明显偏低。但由于早期资金的投入较大，只要成本核算后，还能承受其中的经济损失，陶瓷生产企业仍然就继续使用。主观上，企业偏重于产品质量与经济效益，政府职能部门更侧重于环境资源的合理利用和节能减排。那么，怎样兼顾两者，是新建或改造，还是继续使用多年前投产的窑炉？对于企业来说，这种选择都显得意义非常。显然，不同时期投产的窑炉，它们的热效率、能耗也不同，该如何客观评价气烧辊道窑正常运行的实际用能状况，是值得陶瓷行业能源有效利用的研究者们分析探讨的。

本文选定景德镇地区的陶瓷工业气烧辊道窑为研究对象，以其热平衡测试为基础，从烧成工艺等角度，结合其实际的用能现状，开展了能效和节能评价的相关研究。

1 窑炉的热平衡测试

为掌握景德镇地区的气烧辊道窑正常运行的热工数据，摸清其能耗及各种热损等用能情况，本文参照国标GB/T23459-2009《陶瓷工业窑炉热平衡热效率测定与计算方法》，针对景德镇陶瓷生产企业的气烧辊道窑进行了热平衡测试，获得了窑炉热效率等相关的测算数据。

热平衡测试是一种很有效地了解窑炉热能平衡情况的方法，但企业很少重视它，因为购置检测仪器，还有测试人员的培训，都需要投入一定的资金。还有企业认为测不测都一样，该消耗的还是要消耗，只要核算成本之后有利润就行，当然也有企业根本就不知道热平衡测试是怎么一回事的。所以，许多企业对投产的窑炉各系统运行的能耗情况基本上是一笔糊涂账。 通过对景德镇陶瓷企业的十几条气烧陶瓷辊道窑进行热平衡测试，选取工况较为稳定的几条典型陶瓷气烧辊道窑的检测数据作为本文论述的依据。其中所测窑炉的能源利用情况反映了运行正常、生产代表性产品（瓷砖、日用瓷）的燃气（天然气、煤气）辊道窑烧成（素烧、釉烧）的实际现状，与能耗相关的热工数据也能够客观地体现企业生产不同产品的热能利用水平。

2 能耗影响因素及其量化评价参数

由于陶瓷窑炉是一个非常复杂的烧成工艺系统，评价其用能情况时需要考虑的因素很多，如烧成质量、生产能力、生产灵活性、经济指标、自动化水平等等，而考量这些影响因子又具有一定的模糊性，综合评价起来确实很难进行精准的度量。现有关于能效的标准中单位产品烧成能耗能够反映陶瓷生产企业投产的窑炉用能水平，但评价窑炉性能优劣的参数还跟窑体材料、烧成操作控制有关，并与窑炉运行中实际的排烟、抽热、散热等情况密切相关。

陶瓷窑炉的节能水平取决于窑型、窑体结构及其各系统运行的平衡。用单位产品能耗来评价陶瓷生产企业的用能状况是比较合理的，而单位产品热耗也能反映窑炉的热能利用情况。不过，仅仅用单位产品的热耗/能耗较难全面评价窑炉本身的性能差异与节能水平。还需要有热效率、余热利用率、排烟热损占比、窑体散热占比、电耗占比、空气过剩系数等参数来用于容积不同、窑体结构/材料、燃烧设备/技术、烧成技术、自控技术、烧成产品各异的气烧辊道窑之间的用能评价比较。

辊道窑是陶瓷工业中使用最普遍的连续式烧成的热工设备，对于陶瓷企业常态化的能效管理，这类重点用能设备的节能问题是个系统工程问题，需要综合考虑产品的质量、产量、燃气能耗和电源能耗，以期找到最佳节能（低能耗）的平衡点。

影响辊道窑能耗的因素有：窑炉结构、窑体材料、烧嘴性能、烧成技术、余热回收利用技术、自动化控制程度、辅助动力设备的调控等等。用能评价指标的选定应以影响窑炉能耗的关键参数为主，已涉及或覆盖的并纳入计算的因子尽量不要重复，同时也要考虑检测时的相对便捷，能够通过测量、计算获得具体数据的量化指标。下面分别就影响辊道窑能耗的因素及其相应的能够对其量化的影响因子予以分析，并将其热平衡测试中可以测算的几个关键参数选作用能评价指标。

2.1 窑炉结构与窑体材料

窑炉结构对节能性能的影响，体现在一定的范围内，窑长、窑内宽的增加、窑内高的减少，会相应减少单位制品热耗和窑墙散热损失。此外，窑炉三带的合理分段、挡火板、挡火墙的组合型式及其调控方式，还有风烟道的布置方式、排烟管道的尺寸都能直接影响到辊道窑的运行能耗。如：窑炉在设计时就会考虑其长度与产能的关系；窑炉较长, 有利于控制产品出窑温度、抽热风量和排烟风量，相应减少排烟热损和冷却带抽热支出。在对景德镇地区辊道窑的热平衡测试中发现，排烟热损占到总输入热量的25%～30%；窑体表面散热占到总输入热量的20%～23%。

景德镇地区的一些早期投产的陶瓷窑炉,由于当年企业为节省投资,减少了用料或使用了劣质廉价的材料,墙体薄弱、密封性也差,致使窑体散热严重,窑炉能耗较高。如果使用涂层技术进行节能改造，可在窑内壁耐材上喷涂热辐射涂料以提高窑壁辐射率，既能减少陶瓷纤维粉化脱落，还能增强窑内传热，达到节能降耗的目的。这还体现在素烧窑能充分利用余热提高助燃风温度，釉烧窑则要考虑直接抽冷却带热风助燃可能带入的纤维粉尘对产品釉面质量的影响。尽管，对于陶瓷工业窑炉的内部结构与烧成性能来说，还没有专门对素烧与釉烧进行区分限定的要求。

窑体和窑具的耐材的轻质性、绝热性直接影响窑体和窑具蓄散热的高低。因为需要垫板或棚架等窑具的辊道窑，具随着制品在窑炉中被加热/冷却，会消耗/释放很多热能，随产品出窑而降低热效。据有关资料显示, 使用纤维耐材可以节能,从总能耗的20.6%下降到9.02%,节能达到16.67%[2]。

可见，窑炉结构和隔热保温材料直接关系到窑体表面散热损失的大小，窑体材料决定了窑炉是否保温，窑体表面温度反映了窑体的散热情况。因此，可以选择窑体散热占比或窑体（分段、分区）表面温度来用于评价气烧辊道窑用能情况的参考指标。

2.2 燃烧系统与烧成技术

在窑炉工况稳定的情况下，控制好燃气燃烧器、燃气管路、助燃空气管路、助燃风机等，调节合适的空燃比，使得预热带、烧成带区域的关键位置的空气系数合理，可以提高制品烧成效果，达到节能降耗的目的。这就要通过烧成技术控制好燃烧系统，应用燃烧节能控制技术（有高温空气燃烧技术、富氧燃烧技术、脉冲燃烧和受控脉动控制技术等等），采用较低空气过剩系数的燃烧方式。

为了节能，从冷却带抽热风助燃，如果与环境空气混合配温后作为助燃风至烧嘴时，温度在100℃左右；如果直接送至烧嘴，其温度则在300℃附近，这都需要高温烧嘴。而燃气烧嘴的高温性能、最佳燃烧点、空燃比直接影响辊道窑的能耗和烟气含氧量。所以，对窑炉燃烧状态的监控，就要通过操作使燃烧系统处于最佳状态，这反映在窑炉燃烧系统的配置和烧成技术的应用上，如烧嘴性能的优劣、燃烧器是否节能等等，如果采用调温高速烧嘴或脉冲比例烧嘴，均可提高热效。有资料显示，高速烧嘴喷出的气体流速比传统烧嘴大很多，能强化气体与制品之间的传热，一般可节约燃料 25% ～30%[1]。

2.2.1 烧成操作控制与排烟、助燃

窑炉烧成制度的控制受到窑炉结构和烧成系统、管道系统配置的制约，如燃烧器的性能、送燃、排烟、抽热各风机工频的调节，风管直径的大小，送风口、排烟口、抽热口位置的设置等等，都能影响到窑炉能效的高低。当窑炉烧成带的助燃风量不足时，则燃气燃烧不完全，烟气含氧量低，可燃气体含量偏高，这是燃气未能完全燃烧所致；当窑内烧成带中烟气含氧量高、空气过剩系数较大时，则是因为过量的空气进入燃烧系统，而此时为了维持窑内原有的温度，需要加大燃气流量进入燃烧系统，同时还要增大窑炉预热带的负压来加大排烟量，这将导致排烟热损与燃气消耗的增加。所以，氧化烧成的辊道窑应采用富氧、热风助燃的燃烧方式，这样因为氧浓度的增加，烟气量会下降，变频风机降频，从而减少了排烟热损和电耗。

造成排烟热损偏高的原因有很多，在对景德镇地区辊道窑的热平衡测试中看到：对于窑炉烧成的操作控制，司炉者通常是仅凭经验调节助燃风量、烟气流量来稳定烧成制度，以维持窑炉的正常运行。但有时因提供坯体干燥的热源不足，需要加大排烟量；也有因超产（超过窑炉原设计时的产量）而提高走砖辊速，在加大燃气流量的时侯并没有相应调节助燃风量和助燃风机总闸的开度；或者为控制窑内温度，调节燃烧器以加长火焰急烧、加大助燃风量和排烟量，使烧成带随零压位前移，同时也增大了排烟温度，而这种烧成控制的调节，致使离窑烟气温度过高、排烟热损剧增。尤其是对于采用分散排烟方式的辊道窑，加大排烟量会使排烟口附近的烟气行程变短，高温烟气在预热带中传热给坯体的时间过少，结果导致被抽出的烟气温度过高、能耗增加。

由上可见，调节好燃烧器，控制窑内燃烧呈最佳状态；强化窑体密封以减少入窑的冷风量；调节合适的助燃风量、排烟量和抽热风量，控制好零压位、窑头负压，均可以降低热耗。

2.2.2 空气过剩系数

空气过剩系数通常以燃料燃烧的实际空气量与理论空气量之比来衡量过剩空气量的多少，它对窑炉燃烧工况及热效率有着重要的影响，直接影响窑炉的热损失，空气系数过大或偏小，都会降低窑炉的热效率。空气过剩系数偏大，烟气中的氮氧化物、氧含量过高，会降低火焰温度，增大烟气量，排烟热损增加。景德镇地区的气烧辊道窑排烟处的空气过剩系数普遍偏大，一是，因为企业没有相关的检测仪器；二是，只要窑炉运行正常，没有影响产品质量，能耗没有超出预算太多，成本核算还能承受，也就没有从节能的角度去考虑该如何控制好合理的空气过剩系数。如果企业重视调节空气过剩系数,控制好空燃比，则可大大减少排烟量,节能降耗。

配风、漏风（体现在窑体的密封性）等对窑内的空气过剩系数会有影响，控制不当或密封性太差都会使窑炉内部烟气含氧量过大或空气过剩系数偏大。而窑炉不同部位空气过剩系数的控制更能反映燃烧技术、燃烧控制对窑炉节能效果的影响，如富氧/纯氧燃烧、助燃风加热明显会使空气系数较低，因为这种燃烧方式下的烟气量会随着氧气浓度的增加而下降，鼓风或引风量也减少，而达到节能减排的目的[3]。

空气过剩系数控制的是否合理，取决于窑炉型式、燃料种类、燃烧方式等因素，使用热值不同的气体燃料、生产烧成工艺不同的陶瓷产品，空气过剩系数应按烧成时段分段控制比较合理。经过测试对比，空气过剩系数控制在1.1～1.3的范围内的气烧辊道窑排烟热损较低。

空气过剩系数能够控制在合适的范围，说明窑炉处于最佳燃烧状态，同时其燃烧系统、排烟系统及其相关管路系统的配置也相应合理。因为烟气含氧量过大就有可能是烧嘴性能欠佳、助燃风管与枪嘴不匹配、助燃风机布置不合理、调节方式不合理等等。

2.3 余热回收利用

从景德镇地区的辊道窑热平衡测试的数据来看,多数窑炉排烟余热和冷却带抽热之和占窑炉输入热量的50%以上。是否采用烟气余热回收技术和助燃风加热技术可以说明窑炉的余热利用情况。景德镇的多数辊道窑是利用烟气和冷却带抽热干燥坯体。这部分余热除了干燥坯体之外, 剩余的都是对空排放，热能浪费较大。其实，排烟余热和冷却带抽热是可以通过换热回收、加热助燃风、预热坯体、缓冷产品，干燥坯体、泥浆及模具等等来实现余热的回收利用的。有资料显示，排烟余热及缓冷换热回收用于干燥坯体，急冷抽热风用于助燃，可使辊道窑的热效率达到 85%以上[4]。

当然，在实际应用中，这些都需要相应的余热利用技术，窑炉的节能改造因其实际情况而有不同的选择，也有未能达到预期节能效果的情况[5]。原因是多方面的，有的是节能改造后，烧成控制很难实现窑炉各段之间的压力平衡，司炉者操作非常困难。也有因窑炉投产有些年头了，而且又改造了多次，虽然窑炉冷却带余热风纯净无杂质，不含水分，亦不含CO2、N2等阻碍燃烧的气体，用作助燃风简单、合适，但因纤维老化，仍用抽热风助燃，结果造成了釉面缺陷，影响了产品的质量。

2.3.1 排烟余热

在对景德镇地区辊道窑的热平衡测试中发现，不少企业在窑炉余热利用方面，没有进行合理的能源管理安排，也并未对余热利用率进行过测算；以致不能及时利用烟气余热干燥，而是在需要对坯体干燥时，开大排烟风机闸门，造成排烟热损的增加。这样随意加大排烟量送去干燥窑得不偿失, 而是应该尽量利用冷却带抽热去干燥才合理。因为在辊道窑的烧成工况稳定时，冷却带抽热是持续进行的，而排烟量的非正常加大，势必造成窑内温度、压力的波动，打破原有的平衡状态；同时也增加了排烟热损。

窑炉烟气因含有部分未完全燃烧的燃气组分、坯体受热蒸发的水汽及其发生化学反应时产生的有机物气体而比较脏, 一般情况下可直接用于干燥坯体；也可通过换热器，将经烟气换热获得的洁净热空气予以利用。

排烟余热的回收利用，通常是烟气经过管道直接被送至辊道干燥窑或辊道窑预热前段加热坯体；或经过热管换热器加热空气，用于喷雾塔浆料干燥制粉、或锅炉生产蒸汽、或加热助燃空气和燃气、或发电和供暖等等。

高温烟气带走的热量很大，窑炉排烟热量占总输入热量的百分比, 因窑炉烧成产品及其烧成制度的不同而差异很大。排烟余热利用越少，排烟热损就越大。经测算，气烧辊道窑的排烟余热回收利用得好，其利用率可达80%以上。

2.3.2 冷却带抽热与产品出窑温度

辊道窑冷却带换热后的热空气被抽取至喷雾干燥塔、干燥窑作为干燥介质，此换热风洁净、温度高, 还可用作助燃风、搅拌风等等。经测算，景德镇地区的辊道窑冷却带余热占窑炉总输入热量的16%～30%。如果利用冷却带抽取的220～320℃热空气用于助燃，可降低热耗2～8%[1]。

冷却带抽热风量直接影响产品的出窑温度和窑炉的热效率。在不影响产品质量的前提下，适当加大冷却风量或抽热风量, 可降低产品出窑温度，可增加回收余热。有研究资料表明，当产量超过窑炉原设计值时，调节抽热风机风闸的开度，如果冷却带抽热系统仍不能满足抽热量的需要，产品出窑温度依然会高，产品因此带出的热量会增多，热能浪费更大。如果是由于窑炉冷却带长度不足而导致抽热不够，使产品出窑温度较高,此时企业若未适当加大产量, 仅依靠加大排烟来维持窑炉的正常运行, 毫无疑问这将增加能耗, 造成不必要的浪费[2]。

虽然从冷却带抽取热风供给助燃风, 是简单、易行、有效的，但在窑炉节能改造的实际应用中，还是受到了一些客观限制。例如，较长的有前、后二级助燃的辊道窑，由于早年投产时配置的送风主管和烧嘴支管的管径都较小，助燃风压力、风管、烧嘴结构不适合输送密度低、容积大的热风，如果仍将冷却带抽热风送去助燃，会使窑内横向温差增大，影响烧成质量。

也有企业对2010年以前建成投产的窑炉进行节能改造时，对于釉面砖素烧辊道窑采用冷却带抽热风送去助燃；而对于釉烧辊道窑则不用冷却带抽热风助燃，原因是窑壁窑顶耐材、膨胀缝纤维粉化脱落的粉尘被抽热风带至烧成带，造成产品釉面质量缺陷。

因此，将冷却后的抽热风用于助燃，既能回收产品冷却余热，又提供助燃风温，达到节能目的。

2.3.3 余热利用率

回收的余热得到有效利用，可提高窑炉的热效率。余热利用率是衡量窑炉是否节能的重要指标之一。

辊道窑冷却带抽出的热风主要用于干燥和加热助燃空气，利用冷却带抽热风助燃时，可通过热管换热器将高温烟气余热换热回收，用于助燃空气加热，从而实现对余热的梯级利用，以提高余热利用率。

如果余热在输送管路上的热损较大、余热回收后的二次余热利用不大时，则余热利用率不高。

有资料显示，未将冷却带换热的高温余热回收，而是经过配温（调节部分抽热空气与部分常温燃气混合用于提高助燃温度）后的助燃风温仅在 70℃～150℃之间，余热利用率只有 40%～50%[4]。排烟热损与排烟温度、排烟量的大小正相关，虽然烟气温度可以间接反映排烟热损的高低，但不是衡量排烟热损的唯一参数。一般情况下，司炉工会控制窑炉冷却风量，确保产品不会因出窑温度过高而出现质量问题。所以，冷却带抽热量的高低直接影响到产品的出窑温度。

由上分析，可以采用排烟热损占比或烟气温度、空气过剩系数或烟气含氧量、产品出窑温度或余热利用率作为评价气烧辊道窑用能情况的参考指标。

2.4 自动化控制程度与辅助设备调控

自动控制技术能提高窑炉运行的稳定性和可靠性，通过控制系统调节窑内工况，如自动控制过剩空气系数，使窑内燃烧始终处于最佳燃烧状态，可降低能耗。因为燃烧状态监控仪表，能以实时的监测(如：窑内压力、窑内烟气成份、燃烧空气系数、助燃风压力、排烟压力等)数据指导烧成控制，为操作人员控制窑内燃烧的最佳状况提供科学依据。

窑炉烧成时的实际产量与原设计产量的差异对窑炉能耗的影响较大。而且，即使规格相同的窑型，在烧成产品不同时，能耗也会因烧成周期等因素的差异而不同。景德镇地区的一些老式辊道窑的烧成控制，都是靠司炉者凭经验操作，少有实时的热工监测数据参考调控。如，通过肉眼观火色的经验方式进行助燃风量的控制等等。

辊道窑的辊子传动系统、通风系统、燃气输送系统、自动化控制系统等其他辅助系统都需要消耗电能，辅助动力设备如窑炉配备的风机、传动装置及其他重要机电设备的调控是否变频，都决定了其节能与否。

窑炉电耗反映了窑炉进、出风所配风机的耗电情况，如排烟风机、助燃风机、抽热风机、急冷风机等等的耗电大小。窑炉各挡板、挡墙、管路的设置、各闸板开度的调节，都会影响风机运行的电流、阻力及风量，进而影响电耗的高低。

通过计算电耗占比，可以掌握配套风机与实际运行风量、风压和负荷的匹配情况，也就是说，风机的选型是否合理，其额定功率是否高于实际运行功率很多，以致于电耗的额外增加。还有，排烟风机电耗的增加是否因排烟量的增大而导致的。显然，降低各风机的运行电流、选择高效节能风机均可降低电耗。

综上所述，影响辊道窑能耗的各因素综合决定了窑炉热效的高低。此外，天然气烧成比其它热值较低的燃气（如煤气等）烧成的热利用率要高，无垫板烧成比带垫板烧成的能耗会低。

故此，可以选用窑体散热占比或窑体表面温度、排烟热损占比或烟气温度、电耗占比、空气过剩系数或烟气含氧量、热效率、余热利用率或产品出窑温度作为气烧辊道窑用能情况的综合评价指标。

3 陶瓷工业气烧辊道窑的用能评价方法

由于陶瓷窑炉烧成系统的复杂性及烧成工艺的特点，需要综合考虑气烧辊道窑能效的影响因素，选择可以评价其用能情况的参数，还应确定这些参数的指标范围，这就要制定气烧辊道窑用能评价的相关标准。采用多级评价窑炉能耗的方法，从烧成工艺与燃烧技术的成熟度、窑炉结构的合理性、余热的回收利用、辅助动力设备与自动化控制程度等多维角度，确定气烧辊道窑用能评价参数指标的参考范围。即通过陶瓷行业现有气烧辊道窑的运行现场能效检测与新型窑炉的节能测试验证，相应给出多级测评的分等量化指标的参考范围，确定其能效水平。按窑型规格的不同，在测算周期内就能效、烟气排放温度、散热损失等参数的限额范围指标，进行分型评价，如节能型、普通型、淘汰型等等。必要时，附加细化的陶瓷窑炉规格、烧制产品种类等分类、分档，所对应参数的限额范围指标，以更好地对应其能耗等级与节能效果的评价。

4 结语

本文根据陶瓷工业窑炉的烧成工艺与用能特点，通过分析景德镇地区气烧辊道窑的热效率和热能利用水平，重点研究了与其能耗的影响因素相对应的可量化的用能节能评价参数，提出较为客观的用能评价的参考指标；但本文仅总结了景德镇地区陶瓷工业窑炉中已测试的气烧辊道窑的使用现状，积累的热工数据样本量还不够充分，将在后续的研究工作中扩大热平衡测试窑炉的范围，以进一步完善窑炉能源计量和降低热耗的相关研究工作。

4.1 陶瓷工业气烧辊道窑用能评价的意义

陶瓷工业气烧辊道窑的用能评价旨在鼓励企业采用先进的烧成控制技术,配置高效的节能设备,最大限度地提高陶瓷窑炉的热效率，达到预期的节能目标，而不是一味地考虑成本投入的短期回收，忽视环境资源最大化的有效利用；还有助于提升陶瓷行业能源的高效利用，为企业窑炉的改造升级提供思路和方向；同时，促进窑炉耐材的性能提高以及窑炉的总体性能标定与升级换代、各式节能环保的新型窑炉的推广应用、低能效高废气排放量的老式窑炉的淘汰,从而形成窑炉趋向化的节能预期。

4.2 建议

从陶瓷企业生产中工业窑炉能耗与污染的可控性、窑型与窑体结构、耐热、绝热材料的选择、燃烧系统的优化、排烟系统的控制、热能（排烟余热、冷却换热、表面散热）利用、自动化程度等多维角度，制定陶瓷工业气烧辊道窑能效评估和节能潜力分析等用能评价相关的国家标准或行业标准或地方标准，这对陶瓷企业强化窑炉的节能意识, 加强能源管理，适应现代科技的发展，具有积极的推动作用。此外，还能促使窑炉制造企业和窑炉使用者更加关注窑炉的热效率,有利于窑炉的节能改造与新型窑炉的推广应用，为企业窑炉的能源计量管理、政府职能部门的环境资源监察提供技术支持。也就是说，企业进行窑炉技术改造与节能管理时，可参照此标准对相应的指标参量进行实际测量计算与评估。