• 中國陶瓷窯爐的新技術與新工藝

    陶瓷工業的可持續發展正面臨自然生態環境的嚴峻挑戰,能源短缺又給陶瓷行業的發展提出了越來越嚴格的要求。節能降耗和減少陶瓷窯爐污染是陶瓷生產的大勢所趨,也是陶瓷工業可持續發展的重要條件。在今年“第三屆國際陶瓷工業發展論壇”上,華南理工大學博士導師曾令可教授為中國陶瓷窯爐的新技術與新工藝發展指明了方向。本文是其發言的綱要,希望對業內人士有所啟迪。
    一窯爐結構
    ●間歇式窯爐
    能耗大,產量較低,排煙溫度在600℃~860℃。
    影響梭式窯內溫度場均勻性的關鍵因素:
    ①采用新型燒嘴,如:等溫燒嘴,脈沖燒嘴,高速燒嘴。
    ②調整燒嘴的布設,
    ③改善碼坯的放置,
    ④合理布設煙道,
    ⑤對于梭式窯,余熱利用,
    ⑥選擇適當的溫度檢測點和控制方法。
    ●連續式窯爐
    ①隧道窯
    溫差大,特別是預熱帶;窯墻、窯車蓄熱量大,能耗高2400-12000×4.18kJ/kg產品;采用一些新技術能耗可降至1100-5200×4.18kJ/kg。采用新技術:無匣裸燒,輕質保溫,輕質窯車。存在關鍵問題:還原燒成氣氛的檢測與控制
    ②輥道窯
           ●能耗較低:最低可達200-300×4.18kJ/kg產品;
    ●產量大:窯長220m以上,墻地磚產量10000m2/d以上;
    ●合理控制霧化風壓和助燃風量
    ●合理調節排煙風機,抽熱風機的抽出量
    ●合理設置擋火墻,擋火板
    ●延長燒嘴或延長火焰的長度″引火歸心″
    ●在結構上,將全窯平頂或全窯筑拱的結構改造為燒成帶筑拱的結構,可有效的減少斷面溫差。
    二保溫技術
    ●重質耐火磚:質量、熱容、導熱系數大蓄熱、導熱量大,窯墻外表面溫度高達300℃~400℃。
    ●輕質保溫磚,
    ●莫來石輕質磚,
    ●高鋁輕質磚,
    ●輕質陶瓷纖維,質量輕,導熱系數小,重量只有輕質材料的1/6,容重為傳統耐火磚的1/25,蓄熱量僅為磚砌式爐襯的1/30~1/10窯外壁溫度降到30℃~60℃。采用輕質陶瓷纖維,降低產品與窯具的質量比。
    ●纖維節能,總能耗的20.6%下降到9.02%,節能達到16.67%。
    ●纖維粉化,
    ●粉化研究,
    ●抗粉化
    ●窯墻結構越合理,節能效果越好。
    三燒成技術
    ●采用新型燒嘴:等溫燒嘴,脈沖燒嘴,高速燒嘴。
    ●調整燒嘴的布設。
    四涂層技術
    ●涂層技術范圍很廣,其中紅外輻射涂層和多功能涂層在窯爐中的應用值得關注。
    ●紅外涂層加熱工藝簡單、成本較低、紅外發射率高具有顯著的節能效果。
    ●保護窯墻不受到粉化:窯內落臟,纖維粉化
    ●增加紅外輻射傳熱和熱能利用率:在高溫階段,將其涂在窯壁耐火材料上,材料的輻射率由0.7升為0.96,每平方米每小時可節能33087×4.18kJ,而在低溫階段涂上HRC后,窯壁輻射率從0.7升為0.97,每平方米每小時可節能4547kcal。
    ●避免二次落臟。
    五有害氣體生成機理
    ●陶瓷窯爐煙氣中有害成份:NOx、SOx、CO、CO2、ROx粉塵
    ●NO生成機理:
    ①熱力型NOx:空氣中的氮氣被氧化,主要受到煙氣溫度和氧濃度的影響,煙氣溫度達15000℃以上時,NOx呈指數增加。
    ②燃料型NOx:燃料中的N被氧化,與燃料中含N量有關。
    ③快速型NOx:含量較少,一般在5%以下,主要在富燃料的火焰斷面。
    ●SOx的生成
    ①坯體原料中硫酸鹽的分解,如:黃鐵礦,硫酸鹽的氧化。
    ②燃料中硫的氧化,如:有機硫,黃鐵礦,硫酸鹽等的氧化。
    六抑制技術
    ●還原法:選擇性催化還原SCR,加入還原劑如NH3在催化劑作用下還原NOx,還原率90%以上;選擇性非催化還原SNCR,加入還原劑如NH3在高溫作用下還原NOx,還原率30%-70%。易造成二次污染、催化劑失活、腐蝕設備。
    ●等離子技術:等離子體過程煙氣NOx治理技術的核心是通過一定的方式在煙氣中產生等離子體,NOx等污染性氣體在等離子體區被分解或氧化。設備造價貴,還處于實驗階段。
    ●微生物法:適宜的脫氮菌在有外加碳源的情況下,利用NOx做為氮源,將NOx氧化成最基本的無害的N2,而脫氮菌本身獲得生長繁殖,脫除效率達到99%。厭氧環境難保證。
    ●電化學法:利用電子作為中間產物氧化或還原NOx,脫除率90%以上。處理工藝溫度較低,電解液不易運輸。中國保溫材料網
    ●氯酸氧化法:利用氯酸的強氧化特性處理,脫除NOx和SOx率95%以上。
    ●微波技術:
    ①高溫熱解炭(或活性炭)既是一種性能優良的射頻能吸收劑,又是一種性能良好的還原劑。當將活性炭置于射頻能量場中時,氣相中的SO2、NOx與射頻能量場中的焦炭接觸時,炭能迅速地奪取這些氧化物中的氧,其奪取氧的速度要比沒有射頻能量場存在時快得多。
    ②工藝簡單、處理效率高、無二次污染、投資小,裝置簡單、能耗低。
    ●多功能涂層脫除NOx:
    ①在紫外光和太陽光對多功能復合涂膜的照射下,NOx光催化降解率可達55%左右。
    ②在剛開始反應時,NOx的降解率很快就達到了50%以上,6h后變化不大,達到了飽和值80%左右。
    ③當NOx流速為0.1L/min,反應物接觸時間為76.3s時的NOx降解率最高,達到40.2%以上。
    ④將涂有光催化涂料的玻璃板放置于室外,每隔10天用水沖洗1次,每個月測試1次對NOx降解效果,結果表明,在室外放置6個月后,該涂料對NOx的氧化降解作用降低很少,大約只降低2%3%,涂層外觀無變化。
    七微波輔助燒成技術
    ●微波燒成與常規燒成的區別。
    ●微波輔助氣體燒成技術(MAGF)是一種較實用、合理的環保型潔凈燒成技術。
    ●采用微波燒成技術完全可以避免產生CO、CO2、SO2及NOx等廢氣熱效率可?蘊岣擼矗埃ァ擔埃?
    ●在國內,微波燒成技術在高性能陶瓷及電瓷燒成中有所嘗試,但在日用陶瓷、建筑陶瓷上仍是空白。
    ●在國外,這類MAGF技術已成功地在各種耐火材料、日用陶瓷及衛生陶瓷燒成中得到應用并已從實驗室階段走向了小規模生產。
    ●據國外資料報道采用MAGF技術燒成可增產4倍,節能70%以上,能源成本下降40%,有害物質的揮發量大量減少,產品的機械性能亦有所改善。
    八檢測控制技術
    ●模糊控制:
    優點:對于陶瓷窯爐這種非線性、難于建立模型的控制對象不失為一種良好的控制方法。
    缺點:控制精度不高、自適應能力有限、存在穩態誤差、可能引起振蕩,缺乏有效的學習機制。
    ●單點模糊控制:控制對象通常是爐溫,由于陶瓷燒成過程中受窯爐控制特性的影響,造成所設計的模糊控制規則不合適或不完整而影響其控制效果。
    ●多變量模糊控制:
    ①針對具有多樣、隨機、連續、高度不確定等特性的控制對象,達到多層次、多目標的綜合效果。中國保溫材料網
    ②技術核心:軟嵌入式無模型自學習多變量模糊控制器。
    ●斷面流場控制:
    ①在預熱帶的特定位置窯室下部安裝若干高速燒嘴,加大上下氣流的攪動,減少斷面的上下溫差。
    ②在燒成帶和冷卻帶的窯頂每間隔一定距離設置吊掛式耐火纖維″屏障″。
    ③在燒成帶窯頂和被燒制品的上邊緣之間合理選擇上部燒嘴的最佳位置。
    ④在冷卻帶,制品的上方和下方設置多個噴空向急冷帶鼓入冷風或低溫熱風。
    ⑤對于寬斷面窯,應適當的延長火焰長度,避免斷面溫度的駝峰分布。
    九計算機模擬技術
    ●實體模型:水利模型、火焰模型、空氣動力模型
    ●FLUENT軟件數值:
    ①模擬材窯內流體對流換熱過程,
    ②模擬輥道窯燒嘴的布設角度對窯內流場的影響,
    ③模擬梭式窯內流場,對流換熱規律以及對流換熱系數對窯內換熱不均勻度的影響,
    ④模擬陶瓷燒成過程中影響NOx生成的各個因素。
    陶瓷窯爐的發展方向:
    ●在窯爐結構上,向連續式窯爐長度方向發展,
    ●在窯體、窯具的材料上,采用輕質陶瓷纖維,
    ●采用涂層材料,節能降耗,降低污染物的排放,
    ●在燒成技術上,向溫度均勻性高、低污染方向發展,如微波燒成技術,
    ●在檢測方法上,采用多變量控制技術,
    ●在研究方法上,將窯爐熱工理論和計算流體力學相結合,
    ●陶瓷窯爐的綠色化這是新世紀窯爐工作者的重任。

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