摘要：本文探讨了陶瓷辊道窑炉运行参数的测试方法、运行现状以及窑炉系统热平衡理论。确定了合理的窑炉热工参数测试方法，分析了窑炉运行现状的数据，研究了窑炉热平衡中的各项影响因素，确立了窑炉调节的主体方向，最终建立了一套标准化调节流程与监控方案。
关键字：辊道窑 测试方法 运行现状 窑炉热平衡 标准化调节 监控方案
1 前言
陶瓷生产属于“双高”行业，其GDP能耗为1.6吨标准煤/万元左右。据统计，在建筑陶瓷行业中，窑炉烧成能耗占到企业综合能耗的65%～75%，所以窑炉能源利用效率是整个陶瓷行业能耗水平的关键因素。本文对辊道窑的运行主要从以下几个方面进行探讨：
（1） 辊道窑炉热工参数的测试方法与测试点的确定；
（2） 辊道窑炉的运行现状分析；
（3） 窑炉系统热平衡理论分析；
（4） 窑炉具体调节案例；
（5） 窑炉标准化调节流程；
（6） 窑炉参数监控方案。
2 辊道窑炉的测试方法与测试点的确定
根据辊道窑的现有条件，确定合理的辊道窑炉测试方法及测试点，对于数据化窑炉的建立起到了关键性的作用。辊道窑炉的测定主要涉及到以下几个方面：
（1） 窑炉进、出风量的测定；
（2） 窑内燃烧烟气成分的测定；
（3） 窑内气流压力的测定；
（4） 窑内气流温度的测定。
2.1窑炉风量的测定
辊道窑炉风量的测定方法主要有两种：（1） 采用毕托管对管道进行多点速度重复测试；（2） 采用风速仪对风机风量进行测试。两种测试方法中，以第一种测定为准（说明如表1）。第一种测试方法要求测点前后具有一定的直管段，一般要求为前5D后3D，但是现有大部分窑炉风、烟管道不能满足此要求，所以应尽量选定风、烟管道中气流较稳定且采用全管多点速度(根据管径大小确定点数)重复测试方法进行测量。采用第二种方法进行测定会存在较大误差，主要原因是风机入口一般都装有网状消音器且气流极不稳定。
注明：窑内零压点含氧量约10%，测定时气体燃料（水煤气）消耗约3600m3/h，根据水煤气成分计算1m3水煤气理论需空气量为1.276m3。根据表1进行反推：助燃风量=3600m3/h×1.276m3/m3×21/（21-10）=8769.6 m3/h，所以第一种风量测试方法更为准确。
2.2窑内烟气成分测定
窑内烟气成分主要是指含氧量及可燃成分的含量。表2为某公司1#素烧窑炉调节前后的窑内含氧量测试数据。
备注：
（1） 窑炉调节前助燃风机频率为38Hz；窑炉调节后助燃风机频率为29Hz。
（2） 表2中53节为高温区、46节为零点位置附近、39节为底枪区，17节为靠近排烟区（即预热带第一组底枪区附近）。
根据表2数据发现，当助燃风机频率下降9Hz时，中高温区域的含氧量并没有明显的变化，而无烧嘴区域却有一定的降幅变动，原因如下：
（1）助燃风机设置在急冷区域，即助燃风是从高温往低温区域不断流动进入窑内。
（2） 由于在窑炉有烧嘴区域的枪嘴燃料燃烧时，对周边气体的成分有所影响，故测定时（测定位置为观火孔）不能准确反映出窑内烟气的含氧量。
因此测定窑内烟气成分时，应以表3所示的4个测点为基准测试分析点。
2.3窑内气流压力测定
众所周知，窑炉压力控制是窑炉所有其它控制和正常运行的基础，但是现有辊道窑炉的压力控制却没有建立相关数据，所以必须建立起窑炉实时压力曲线以便分析控制。可以采用在窑炉安装斜管微压计进行实时监控，测点确定如表4所示。
2.4窑内气流温度的测定
窑炉横截面温度的均匀性一直都是窑炉设计的关键。但是对于实际运行的辊道窑炉的截面温度的测定一直存在诸多问题。主要包括以下几方面：
（1） 整个横向砖面、砖底的温度是否均匀；
（2） 整个砖面、砖底周围的气流温度分布是否均匀；
（3） 窑炉内壁温度高低；
（4） 窑内整个气流截面的温度分布情况未能确定。
根据实际情况，对于横向砖面的温度均匀性可以采用测温环进行测定；对于观火孔位置的横向截面的气流温度均匀性可以采用热电偶进行手工测定；对于窑炉内壁温度可以采用红外线测温仪、辐射高温计并避开烧嘴位置进行测定；但对于窑内整个气流的纵向温度分布较难进行测定，当然可以根据实际情况模拟出来。
3 辊道窑炉运行现状
目前，辊道窑炉运行调试由于缺乏必要的参数数据及系统的调试方法，仍然是凭借司窑工的传统经验进行调试。这不仅造成调节方向不明确、调节方法混乱，同一条件下窑炉烧成能耗、窑炉运行参数差异较大，而且造成窑炉节能调节过程中产品质量容易波动。下面根据手工测试数据（表5～表11）对现有辊道窑炉存在的问题进行分析。
（1） 由于司窑工人的调窑方式不一致，导致窑炉运行的各种参数数据差异较大，没有形成一种标准化的方法使得窑炉节能调节规范化。
（2） 窑炉内压力曲线未建立，存在各式各样的窑炉压力曲线，没有研究哪种压力曲线最佳。很多窑炉的压力曲线在挡板位置存在突变，整个窑内气流也不稳定，而且部分窑炉的急冷区域的压力是高温区正压的2倍，很不合理。
（3） 预烧系统的传统调节方式主要是靠挡板将高温气流滞留在中高温区域，且窑炉排烟风机开得较大，目的是将高温烟气往窑头方向引，导致窑炉正负压都很大、风机运行电流增加等。
（4） 现有辊道窑炉内部烟气含氧量过大（即空气过剩严重），且不同调试方法导致窑炉烟气含氧量差别较大。造成现有辊道窑炉烟气含氧量过大的原因有烧嘴性能不好、助燃风管与枪嘴匹配不合理、助燃风机布置不合理、调节方式不同等。
（5） 表11只列举部分窑炉稳定情况下的能耗数据，但根据近几年对各种窑炉稳定情况下不同类型砖进行测定统计：生产仿古砖、抛光砖、耐磨砖、配套砖的窑炉能耗在150～180kgce/t；瓷片内墙砖的窑炉能耗在160～200kgce/t；加垫板的外墙砖窑炉能耗在260～290kgce/t。
（6） 对于同一窑炉而言，由于生产不同类型砖的能耗相差较大，会造成在同一操作下，正负压相差较大。如上述在同一长度窑炉及操作手段相近的情况下，由于仿古、外墙砖的烧成温度高（即烟气量较大），故比瓷片砖的窑炉最大负压大。
4 窑炉系统热平衡理论分析
根据窑炉系统热平衡图，分析各项热量收入及支出的影响因素，理论上确定窑炉主要调节方向。窑炉热平衡如图1所示，窑炉能耗影响因素见表12。
4.1热量支出项分析
根据热平衡图示，对各项热量支出进行具体说明如下。
（1） 成品带走物理热Q21=C M(T1-T0)，其中T1为成品出窑温度，C为成品砖比热，M为出窑成品砖产量，T0为环境温度。窑炉正常生产情况下，T1基本不变，因此在产品产量不变的条件下，Q21保持不变。
（2） 对于坯体水份，包括自由水和结构水，按照式（1）进行计算：
Q22=M自由水（2490+1.93T）+6700M结构水 （1）
其中：
T——排烟气体温度。
因此在产品配方、产品产量、产品吸水率不变的情况下，降低排烟温度T可以稍微减少坯体水分蒸发的热量。
（3） 关于坯体焙烧过程物化反应耗热Q23，一般按Q=21Mgpm1 (Mgp为入窑干坯体重量；m1为Al2O3的百分含量)，若某些含有大量石灰石、白云石的建筑陶瓷制品（如吸水率E>10%的瓷片内墙砖），则按公式（2）进行计算：
Q=Mgp（21m1+28.23m2+27.47m3） （2）
其中m2为CaO的百分含量，m3为MgO的百分含量，在产品配方、产品产量不变的情况下，Q23保持不变。
（4） 对于Q24 及Q25而言，根据公式Q=C烟气V（T-T0）（C烟气为烟气比热、V为排出气体风量、T为排出气体温度、T0为环境温度）进行分析，减少Q24 及Q25的关键在于降低V与T。
（5） 分析窑炉排烟废气的成分发现，不管是烧重油还是气体燃料，控制燃料不完全燃烧损失的关键是减少烟气中CO的含量及排烟烟气总量。
（6） 关于窑体散热量公式Q27 =a ×A×（tb-t0）（a为综合传热系数、A为散热面积、tb为窑体表面温度、t0为环境温度），其中综合传热系数计算公式见式（3）。
式中系数A，窑顶A=11.70，窑墙A=9.20。由公式（3）可知，降低散热量的关键在于降低窑体表面温度tb，即控制好正压。
（7） 对于Q28，主要是热烟气泄漏损失，影响该项损失的主要是人为因素，如辊棒位、闸板位未塞好耐火棉。当然，正压控制不当也会加大该项热量损失。
综合上述各点分析得出：在产品配方、产品规格、产品产量不变的情况下，即坯体含水率、窑炉烧成温度曲线基本确定，针对热量支出而言，Q21、Q22及Q23基本保持不变，因此如何减少Q24～Q28成为窑炉降耗的关键。 且减少Q24～Q28可以通过减少气体排出流量、温度、烟气中CO含量，通过控制窑内气流压力大小等方式达到目的。
4.2热量收入项分析
对于热量收入项而言，在产品配方、产品规格、产品产量及窑炉结构不变的情况下，根据公式Q=CM△T，可以说明Q11、Q14、Q15、Q16基本保持不变。但是如果能够提高助燃风显热，如将冷却带热风作为部分助燃风使用，有助于减少燃料消耗量。
4.3窑炉耗电分析
窑炉耗电主要为窑炉进、出风、排烟大功率风机耗电。对于不同窑炉而言，由于窑炉的各个挡板、挡墙、管路设置、各个闸板的开度等不同，导致风机的运行电流差别较大，故必须减少整个过程的阻力及风量。
综合上述几点分析，窑炉调节主体方向如下：
（1） 控制整个窑炉的压力曲线平稳且为微正压或微负压，保证预烧系统热烟气与冷却系统热风互不干扰。调整后可以大大降低各风机的运行电流、减少窑体散热、减少漏入冷风量，而且可以延长窑炉寿命、稳定产品生产等。
（2） 尽可能减少窑内的过剩空气，降低窑内含氧量。调整后可以减少烟气量、减少助燃风的显热损失等。
（3） 根据窑炉各段需要的助燃风压力不同，可考虑分段分设助燃风机。
（4） 采用适宜窑炉运行的高效排烟、抽热风机。
5 辊道窑炉的具体调节方法
根据窑炉科学测试方法，对窑炉运行现状及窑炉系统热平衡理论进行了分析探讨，以某厂1#素烧窑炉为例（该窑炉的结构参数见表14），说明具体的调节方式与调节效果。
5.1具体调节汇总
对某厂1#素烧窑炉进行了调节，调节措施汇总如表13所示。
5.2调节前后参数对比结果
根据调节后数据（表15、表16、表17）与调节前数据进行对比。得出如下几点：
（1） 压力曲线更为平稳（挡板位置没有形成突变）且降低为微正、微负压力；
（2） 含氧量下降3%，有效减小窑内空气过剩系数；
（3） 产品单耗从5.91 m3/m2下降到5.27 m3/m2，降幅约12%，其中包含由于产量提升（由620.15 m2/h提升至710.27 m2/h）产生的单位产品能耗下降。保守估计，窑炉实施标准化调节后，整个窑炉能耗下降5%；
（4） 风机电流下降大于18A，从而大大降低了风机耗电。
6 窑炉标准化调节流程
根据上述窑炉的调节现状、系统热平衡理论分析及多年的窑炉调节研究经验，总结出一套实用型调节流程。流程图见图2，对图2中的各个步骤详细分析说明如下：
6.1A步骤：安装斜管微压计、电表、流量计等
（1） 从数据角度衡量单条窑炉的能耗水平，需安装电表及流量计仪表。
（2） 按表4 （窑内气流压力测点确定）进行安装斜管微压计。
6.2B步骤：测试、记录窑炉各参数并建立窑炉参数数据档案
完成“A”步骤后，开始对窑炉的各种参数进行测试、记录并建立窑炉参数数据档案。主要从不同窑炉速度（窑炉稳定生产）、窑炉异常、不同产品规格三方面对以下四点进行窑炉参数数据档案的建立。
（1） 窑内烟气含氧量、不完全燃烧物的测定与记录
按照表3 （窑内烟气成分测定点确定）对窑内烟气含氧量、不完全燃烧物进行测定与记录，并按表19建立窑炉烟气气体分析数据档案。
（2） 记录窑内各关键点气流压力
根据窑炉实际生产情况及对窑内气流压力的研究，由于窑炉速度、生产产品规格有所波动，且生产过程中经常出现窑炉空窑等异常情况，导致窑炉内部气流压力不稳定，因此需建立整套气流压力数据档案（如表20）。
（3） 窑炉烧成温度曲线
由于窑炉速度、生产产品规格有所波动，且生产过程中经常出现窑炉空窑等异常情况，导致窑炉烧成温度曲线有所波动，因此需建立整套烧成温度曲线图档案（如表21）。
（4） 窑炉其它运行参数记录、测试
除了上述气体成分、压力、烧成温度参数外，还需从不同窑炉速度（窑炉稳定生产）、窑炉异常、不同产品规格三个方面对窑炉各风机运行参数、挡板挡墙设置情况、产品质量情况等进行记录，具体所需记录的参数见表22。
（5） 窑炉其它手工测试记录
若有条件应建立不同窑炉速度条件下各风机风量与风机运行电流的实时关系，风量测试可以采用皮托管进行测定。
综合上述几点，完成窑炉运行现状各参数数据档案，为下一步分析做好准备。
6.3C步骤：建立窑炉参数数据档案并分析窑炉运行情况
根据近几年对窑炉的测定、调节与研究，可以从以下几个方面对窑炉现运行的各方面参数进行评价：
（1） 窑内气体成分
主要针对排烟位置（测点4）及预热带第一组底枪位置（测点3）的气体成分进行分析评价。根据对现有窑炉的测定研究，测点3及测点4的空气过剩系数及不完全燃烧成分含量建议控制在表23范围内。
（2） 窑内气流压力
主要针对表2中的测点1、测点3、测点4进行分析控制，根据对不同窑炉结构、不同类型生产的产品进行压力测定分析，建议压力大小控制应达到表24所示的要求。
（3） 烧成温度曲线
由于各厂的产品配方不同，对窑炉的烧成温度要求不同，因此较难判断哪种烧成曲线比较合理。但根据经验，升温曲线应是平稳上升，不应该出现较大的折线上升情况，具体根据要求来确定烧成温度曲线。
综合上述几点要求，窑炉参数数据是否合理，还需根据公司的实际情况进行判断，上述评价指标仅供参考。
6.4D步骤：窑炉调节
针对窑炉参数进行评价后，若参数不合理则进行窑炉调节。根据对窑炉标准化调节的研究，总结出具体调节流程如下：
（1） 预热、烧成系统压力曲线调节
从预热、烧成系统开始调节，慢慢提高预热、烧成系统的各个挡板（从窑头往高温区），并缓慢降低排烟风机频率，调节过程中随时观察窑内压力波动、温度前移程度与产品情况。经反复调节，直至预热、烧成系统压力曲线平稳且正负压力不大。当然，在调节过程中，还得注意面压与底压的相对大小，可通过调节下挡墙或排烟支闸，以稳定面、底压的相对大小。
（2） 冷却系统压力曲线调节
根据预、烧系统调整后的压力曲线，特别是靠近急冷区窑内压力大小，逐步将急冷段与缓冷段之间的挡板、挡墙抽空，并使用降低抽热风机变频、调整抽热分闸开度等方法。调节过程中时刻观察产品情况、急冷与缓冷段的温度变化及压力大小。该步调节的最终目的就是把急冷压力调整为等于或略大于高温区正压。
（3） 含氧量调节
根据测温环（主、中、从）的测定温度及截面各砖颜色情况，着手安装碳化硅缩口（安装位置为烧嘴砖内），目的是稳定火焰长度、提高窑内中部温度，以便降低助燃风机变频（电流），从而达到降低窑内烟气含氧量的目的。调节过程中应时刻注意产品的质量情况、测温环的温度及窑内烟气含氧量大小。
6.5E步骤：检验产品
在进行窑炉调节过程中，每调整一次应检验产品情况，主要包括产品尺寸大小、产品颜色变化等。
6.6F步骤：测试窑炉各参数
在窑炉调节完毕后，按照B步骤对窑炉的各个参数进行重新测定、记录，以获取完整的窑炉参数数据。
6.7G步骤：建立窑炉标准化调节参数数据档案
根据上述各个步骤，建立窑炉标准化调节参数数据档案。该档案包括产品配方、产品规格、产品产量（窑炉速度）、风机参数、挡板挡墙参数、各闸板参数、烧嘴情况、能耗数据、烧成温度曲线、压力指标、气体成分指标等方面。
7 辊道窑炉参数监控方案
由于窑炉是全天不间断运转、不同操作工对窑炉的操作手法不一样、窑炉经常转产（变速）等原因，造成窑炉操作不稳定。为了稳定窑炉标准化调节效果，应对窑炉做个标准化调节监控方案。该监控方案主要涉及对窑炉关键点的压力与含氧量的自动采集、显示等。
采用压力变送器和记录仪对窑炉关键点的压力及含氧量进行随时显示，以便窑炉的稳定控制。
8 结语
当今，能源越来越紧缺，能源成本不断攀升，如何减少能源使用量，降低能源成本，特别对于高耗能的陶瓷行业，已经成为制约发展的一大瓶颈。本调节流程可以有效减少窑炉无效热能的排放，提高能源利用效率，降低陶瓷生产的能源消费成本。
本文试图建立一个标准化流程，对建筑陶瓷窑炉进行初步诊断，中间环节调试，最终建立一个低耗模式档案，对各个陶瓷厂窑炉管理起到了模板作用。
说明：本文所涉及调节操作是在新明珠陶瓷集团三水基地进行的，以下人员全部参与：简耀康、洪卫、韦前、邓伟国、罗广南、关浩宁、彭中华、曾慧孙、招秋、黄锋、苏喜壮、何国权、曾汉平。
参考文献
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