为什么要引进美国低码层节能隧道窑技术
张文法
摘要：解答了引进美国低码层节能隧道窑窑炉技术的一些疑问，追溯了该技术的起源与发展，详细叙述了该技术的独到之处和技术关键，并给出了实际生产线实践检验的具体数据在我国的工业体系中，砖瓦行业就整体而言虽然在改革开放后取得了显著进步，但仍然是劳动强度高、技术薄弱、工艺设备落后的一个行业。时至今日这个行业正经历着淘汰落后工艺、转型升级的阵痛。目前国内砖瓦生产线上，在原料制备、挤出成型、干燥焙烧三道重要工序中，干燥焙烧是最薄弱的环节。因为我国砖瓦行业普遍使用的焙烧隧道窑是内燃隧道窑，该种窑型只能满足烧制一般的烧结制品，且脱硫脱硝工艺投资不小，达到环保标准十分费力。如果要烧制高档烧结制品，例如装饰清水墙砖、铺地砖等，并且要一定达到环保排放标准，那就非外燃隧道窑莫属。传统的外燃隧道窑一般采用高码层焙烧方式，已经成功地使用了近百年，无论从烧成合格率和焙烧品质，都是令人满意的。以下给大家介绍的是一种美国新型的低码层节能隧道窑技术，这是目前世界上同行业内最先进和最节能的外燃隧道窑。这种低码层节能隧道窑比传统的外燃隧道窑更节能、更容易操作、更节省人工、更能提高效率。1低码层节能隧道窑技术低码层隧道窑是从英文“LowSet”翻译而来，是相对于高码层隧道窑而提出的。多少年来在世界上的烧结砖厂普遍使用的是高14码层左右的一次码烧或者二次码烧外燃隧道窑，中国也使用类似的10~14层码烧隧道窑，不妨称之为传统的高码层隧道窑，如图1所示。图1传统高码层隧道窑低码层节能隧道窑技术最早由美国SD国际窑炉技术公司发明。该公司将该项技术注册为“LowSet”（低码层隧道窑工艺技术），并在美国申请了发明专利。实际上该项技术是对码坯、干燥、焙烧和卸坯等多道工序进行重新整合、优化设计后而产生的成果。他们将窑车上的码层降低到2~4层，将窑车结构大胆革新，将窑体上的烧嘴布局和结构进行了彻底改变，其结果出人意料的满意。与过去同等产量的高码层隧道窑相比，新的低码层隧道窑的燃料消耗大大降低，干燥时间和焙烧时间大幅减少，仅是传统隧道窑的1/4，码坯和卸坯设备大大简化，整条生产线的运行成本大幅降低等等，将外燃隧道窑的各种技术指标提高到了一个新的水平，这是近几十年世界砖瓦行业的一项重要发明。低码层节能隧道窑如图2、图3所示。美国SD国际窑炉技术公司已有百年的历史，创建于年，是美国专门从事窑炉技术历史最长、规模最大、技术力量最雄厚的公司。总部设在美国匹兹堡市，并在墨西哥和澳大利亚设有分公司，世界各地设有代表处。图2两码层节能隧道窑图3三码层节能隧道窑该公司在行业内有多项“第一”的头衔，显示了他们对该行业的贡献，更显示了他们对新技术的刻苦钻研和精心专注：年在英国设计建造了世界上第一条商业隧道窑；年设计建造了世界上第一条辊道窑；20世纪70年代在世界上首次研发成功燃烧器的关键部件高速喷嘴，从而使脉动燃烧能够在焙烧窑上使用，也使窑炉的能耗指标达到世界一流水平；20世纪80年代在世界上首次研发成功制砖用低码层窑车；20世纪90年代在世界上首次研发成功制砖用低码层节能隧道窑。美国SD国际窑炉技术公司为世界各地提供了各种各样的先进窑炉，包括生产烧结空心砖、铺地砖、外墙砖、瓦、排污管等产品所需要的干燥窑和隧道窑，以及生产日用陶瓷所需要的干燥窑和隧道窑，和生产高技术陶瓷、精密陶瓷、电子陶瓷和工业耐火材料所需要的高温隧道窑、钟罩窑、梭式窑和各种特种窑（例如碳素项目所需的车底式焙烧窑）。到目前为止，在世界各地使用该公司设计建造的各种窑炉，包括隧道窑、钟罩窑、梭式窑和特种窑等有多条（台）。美国SD国际窑炉技术公司从20世纪80年代就开始进入中国，但是那时只限于卫生洁具和日用陶瓷行业，还没有涉及其他行业。近些年，已经开始将其先进的窑炉技术引进到砖瓦行业中。年签署合同、年正式投产的长沙经沣建材有限公司烧结砖生产线成功地使用了该公司的外燃隧道窑技术烧制高档铺地砖和外墙砖。年签署合同、年正式投产的阳泉金隅通达高温材料有限公司的年产15万t均质耐火材料生产线成功地引进了该公司的外燃高温（最高温度达℃）隧道窑技术。2低码层节能隧道窑的独到之处外燃隧道窑在欧美工业发达国家是普遍使用的窑型。虽然该种窑型使用天然气、重油等价格较贵的燃料，但是它能生产高档的烧结制品，能实现环保达标，很容易实现自动化无人值守。这些优势是内燃隧道窑所无法做到的。而低码层节能隧道窑是目前外燃隧道窑当中最具发展优势的窑型。低码层节能隧道窑与同等产量的传统高码层隧道窑相比，具有一系列令人惊奇的优点，下面一一列出。2.1干燥和焙烧周期短低码层节能隧道窑的干燥和焙烧周期仅是高码层窑的1/4时间。例如传统高码层隧道窑的焙烧周期是48h，低码层节能隧道窑仅是12h。当然干燥焙烧的精确时间与原料、产品品种尺寸和码坯方式都有关系。2.2综合能耗低低码层节能隧道窑的制品综合能耗明显降低，相比高码层隧道窑可以节约能耗约20%。对于铺地砖和外墙砖，低码层节能隧道窑的综合能耗一般在kcal/kg~kcal/kg，而传统外燃隧道窑的综合能耗在kcal/kg~kcal/kg。按每天生产10万标块铺地砖的低码隧道窑计算，可比同等产量的高码层外燃隧道窑每天可节省1.2万元，一年就可以节省多万元，这可是纯利润。2.3降低排放低码层节能隧道窑能有效地控制窑内的温度均匀性，再加上干燥焙烧周期短，根据实际测量，可减少氟化氢排放量80%。2.4烧结制品成品率高由于低码层节能隧道窑窑车上的码层低，底部砖坯无过多外部载荷，干燥焙烧过程中都不会产生裂纹，烧结制品成品率可接近%。2.5运行成本降低低码层节能隧道窑由于低码层，使码坯设备和卸坯设备大大简化，从而使投资成本和运行费用大大降低。由于低码层，载荷轻，窑车的支撑耐火砖和钢结构都发生了巨大变化，窑炉的地基建设成本大大降低，窑车的运行寿命增加，维护费用降低。这可使全厂的电力消耗降低40%左右；可节省人力成本50%，几个人可操控全厂。干燥窑焙烧窑与窑车转运系统在自动控制系统的指挥操作下，能够做到24h无人值守。由于低码层节能隧道窑的窑炉运行更可靠、更稳定、停产次数少、干燥和焙烧周期短、能耗低、节省人力，全厂的运行费用大大降低了，这些能使烧结制品成本降低25%。也就是说，假如按每天生产10万标块铺地砖和每块砖的高码层隧道窑成本是1元的话，那么低码层隧道窑每天可以节省2.5万元，一年就可以节省多万元。2.6投资没有增加虽然低码层节能隧道窑的窑车建设成本比传统高码层隧道窑的窑车建设成本高一些，但是就整个工厂来说，由于其他项目（例如码坯机、卸坯机、窑炉地基、窑体等）的投资减少，其总投资与传统高码层外燃隧道窑的全厂投资差不多。低码层节能隧道窑既然干燥焙烧的周期短，砖坯码层低，那么是否将会占用很大的厂房呢？我们以事实来回答这个问题。图4列出了美国一个年产万块路面砖（mm×mm×50mm）的工厂实际布局图，不包括原料车间，厂房面积m2，窑车宽5m，四码层，干燥周期14h，焙烧周期12h，燃料消耗kcal/kg，电力消耗：每吨烧结制品32.5kWh。该实例基于每周工作7d，窑炉自动运行每天24h，窑炉之外的工序每天工作1班。从这些数据可以看出其先进之处。综上所述，在同等产量情况下，低码层节能隧道窑与传统的高码层隧道窑相比有许多突出的优点。因此，随着我国对环保和节能减排要求越来越高，对产品质量要求越来越高的情况下，低码层节能隧道窑一定很快会被大家所认识和接受。图4低码层节能隧道窑典型布局3低码层节能隧道窑的关键技术表面看来，低码层节能隧道窑就是将窑内的码层降低到2~4层。实际上不仅仅如此，它是一项系统工程，牵涉到燃烧系统、控制系统、燃烧喷嘴布局、燃烧喷嘴结构、窑车结构、码坯卸坯等各个方面。这些综合因素缺一不可，其结果就能保证按照烧结曲线保持窑内温度的一致性和均匀性。以下是低码层节能隧道窑的一些关键技术。3.1燃烧喷嘴布局所有燃烧喷嘴布局在焙烧窑顶部，采用顶烧方式。但是，燃烧喷嘴并不是直接垂直下喷，而是将燃烧喷嘴安装成与垂直方向成一定角度，让喷嘴向斜下方把火焰喷入，如图5所示。图5燃烧喷嘴的布局燃烧喷嘴斜向布局的主要目的是要使火焰斜向喷入窑内，使窑内砖坯之间的热流动变成垂直方向的流动。在低码层情况下，这种垂直方向的热流动能更有效地传热、能更迅速地达到热平衡。因此这是缩短烧结周期提高产品品质的最主要因素之一。低码层节能隧道窑中的窑车是连续运行的，不需要像传统高码层隧道窑中的窑车那样间歇运行。3.2燃烧喷嘴燃烧器的关键部件高速喷嘴能产生脉动燃烧。所谓脉动燃烧，顾名思义就是让燃烧现象像脉搏跳动一样强弱结合周期变化地燃烧，即一会儿采用大流量燃烧（高燃烧强度），一会儿又采用低流量燃烧（低燃烧强度）。它能根据需要将空气和燃料进行配比来调节高温和低温。高速喷嘴的火焰长度可调，燃烧器可以设置成三种运行模式：过量空气模式；部分过量空气模式；按一定比率模式。使用脉动燃烧可使窑炉的能源消耗减到最低，这是由于在烧结周期的加热段所需要的过量空气减少了。这样的燃烧系统能更好地控制窑内温度，使窑内温度更均衡，提高了加热的质量，增加了传热到烧结产品上的传热比率。美国SD国际窑炉技术公司于20世纪70年代研发成功的，后经不断改进的这种燃烧器高速燃烧喷嘴的应用，在低码层节能隧道窑中功不可没，不可替代。3.3窑车结构过去传统高码层窑车因为需要承载较高质量，因而耐火材料砌块需要重质，整车质量较大。而低码层节能隧道窑窑车对承重要求低多了，但是对热流动间隙有特殊要求，即不但码层上部有热流动空间，而且在码层下部也需要存在热流动空间。如图2、图3所示。从图6可以更清楚看到，这种窑车支撑码层质量的是大小不等的耐火陶瓷杆件，而窑车钢板上部铺设的材料是耐火棉，而不是耐火砌块。在低码层节能隧道窑中窑车是连续运行的，而且在焙烧窑中的时间只有十多个小时，这就要求窑车的蓄热不要太大，轻质耐火棉的应用正是为了这一效果。窑车上在码坯与耐火棉之间留有充足的空间以保证能够热流动。图6低码层窑车支撑件与耐火棉3.4控制系统在窑炉系统中，控制系统相当于人的大脑，需要对实时采集的数据进行整理和分析，同时将根据实际情况又要对燃烧系统等设备进行反馈控制，这样才能有效地缩短产品的烧成周期，保证产品的一致性和稳定性，提高产品的质量。美国SD国际窑炉技术公司的“银云”窑炉系统是一套完善的经过生产实践检验的经济可靠的控制技术，是最新的窑炉设计与生产控制技术的完美组合。美国SD国际窑炉技术公司的自动控制系统能够实时显示，可以使窑炉在带有单独按钮情况下自动启动（硬件和软件）。该系统还可以实现远程控制启动窑炉和并入最新的安全标准,也可以使美国SD国际窑炉技术公司帮助用户排除窑炉故障或者做远程分析。该系统能排除操作员对窑炉不必要的干涉，例如没必要的关闭阀门、更换回路状态、打开主安全阀等等。窑炉是在程序化的情况下来完成启动顺序，并有图示每一步工序进行时的状况。一旦遇到启动程序有故障的情况，程序会自动停止并能向操作员指出准确的问题（例如：送风机不能启动，燃气压力低，燃烧器没有点火等等）。这可以使重启动窑炉的时间减到最小，也使产品和制品的损失减到最小。这些经过实践验证的技术是美国SD国际窑炉技术公司设计的所有窑炉上的标准特色。窑炉控制系统含有可靠的PLC可编程控制系统。PLC提供了一系列存储选择、输入输出能力、指令重置、通讯端口以供控制系统应用。PLC承担着窑炉自动控制系统中一系列运行参数的控制，例如窑炉压力、预热、窑炉各区域温度控制、以及快速冷却等。控制室内微机上人机界面软件HMIHuman-Ma?chineInterface的缩写）使用了许多界面，以便保证窑炉的正常运行和最大的生产效率。这些界面包括：条图分析、温度趋势、窑炉剖面、报警管理、数据列表、报告指令、风机状态和快速冷却控制等等。3.5码坯方式将码坯方式列为一个关键因素，是因为它不是一个孤立的单元，不能任性地随意怎么做就怎么做。确定以何种方式码坯、码几层，需要考虑原材料的性质、产品的品种规格尺寸、产品的产量、工作的班次、一次码烧还是两次码烧、码坯机和卸坯机的类型等等。4低码层节能隧道窑技术是否经过了生产实践检验低码层节能隧道窑是美国SD国际窑炉技术公司20世纪90年代研发成功的，在之后二十几年的生产实践中经过了若干工厂的实际验证和不断改进，时至今日已经变成十分成熟的外燃隧道窑技术。为了让大家了解这项技术在生产中的应用情况，以下举例列出三个工厂的基本数据。4.1澳大利亚NU砖厂（图7）年产量：0万块（mm×mm×76mm)相当于中国标砖6万块；制品综合热耗：kcal/kg，包括焙烧后闪火（窑变）应用；窑车宽：10米，码层：2层；焙烧曲线最高温度：1℃；干燥+焙烧周期：13+10=23h；成品率：%；耐火材料更换成本：0.05美分/t制品。4.2美国太平洋黏土制品公司（图8）制品综合热耗：kcal/kg，包括焙烧后的闪火应用（该厂烧结温度高，并且品种多，经常更换产品制品，因此能耗相对其他工厂的低码层窑稍高）；主要产品：建筑内外墙各种装饰艺术砖、异型砖；辅助产品：8inch~16inch（mm~mm）铺地砖；焙烧曲线最高温度：℃；窑车宽：5m，码层：3层；干燥焙烧废品率小于1%；能减少工厂制造成本40%。4.3美国岩石山砖厂（图9）软塑成型：湿坯靠压力机模压，两次码烧；产品尺寸：特殊，近梯形；形状特殊，无法码坯到高层，该产品只有采用低码层才适合；单班生产，5d/周。因此预留空车位足够周末2d自动运行；年产量：万块；窑车宽：5m，码层：4层；制品综合热耗：kcal/kg包括焙烧后的闪火（窑变）应用；焙烧曲线最高温度：℃；干燥焙烧周期：21h（12+9），焙烧周期只有9h；成品率：%。5结束语实践证明，美国SD国际窑炉技术公司发明的低码层节能隧道窑是世界上最新的一项节能窑炉技术。该项技术具有干燥焙烧周期短、节省能源、减少排放、运行成本低等一系列突出优点。同时该窑型既能与硬塑挤出成型连接，也可以与软塑挤出成型或者模压成型连接。在码层低的情况下，即使软塑成型也可以实现一次码烧。该项技术是十分成熟的窑炉技术，十分符合我国当前的产业*策。因此我们有理由相信，该项技术会很快在中国得到应用，生根、开花、结果，也会对中国砖瓦行业的技术创新产生深远的影响。欢迎订阅年《砖瓦》杂志-砌块、墙板、绿色装配式建筑《砖瓦》杂志年创刊，是国内外公开发行的、面向我国墙体屋面材料行业的核心优秀科技期刊，中国学术期刊综合评价数据库(CAJCED)统计源期刊、中国期刊全文数据库(CJFD)全文收录期刊，“万方数据-数字化期刊群”核心期刊。主要报道以烧结为主的墙体屋面材料行业发展动态、最新科研成果、新产品、新技术、新工艺。内容涉及城镇化建设、绿色节能建筑、古建园林、墙材装备及配套产品的应用。主要栏目有：砖瓦文化、研究探讨、技术交流、砌块与墙板、固废利用、装配式建筑、工程设计、工程管理、施工技术等。《砖瓦》杂志是中国墙体屋面材料行业与国际交流的重要窗口，是广大读者获取行业最新信息和技术的重要渠道，也是科技人员进行学术探讨、技术交流的重要平台。每年由《砖瓦》杂志社主办的行业博览会得到了各界广泛
