中国陶 瓷窑炉的新技术与新工艺

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。中国保温材料网
●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?蕴岣撸矗埃ァ担埃?
●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。中国保温材料网
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。

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