摘要：近年来针对宽体辊道窑的讨论愈演愈烈，宽体辊道窑的发展是陶瓷行业的必然，但其存在的技术难题也不容忽视。本文将从陶瓷行业当前的节能形势出发，通过分析宽体辊道窑中存在的技术难题、相应的解决方法和宽体窑的节能效果，为促进宽体窑的快速发展添砖加瓦。
关键词：宽体辊道窑；技术进步；节能；动态温度
1引言
我国在2009年哥本哈根世界气候大会上承诺，到2020年单位国内生产总值的二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%；同时，我国“十二五”规划纲要中明确指出，我国建筑卫生陶瓷单位工业增加值能耗降低20%，生产过程中产生的固体废弃物利用率要达70%以上。对于广东产区企业来说，具有更大的节能减排压力，因为广东省自主划定的单位生产总值能耗到2015年需下降到0.477tce/万元，比2010年下降18%；广东省十二五自定节能目标应下降20%，比全国万元GDP能耗下降16%还要高。另外，纲要中还指出，到2015年化学需求量控制在170.1万吨、氨氮排放量控制在20.39万吨、氮氧排放量控制在109.9万吨，比2010年要分别下降12%、13.3%和16.9%。这将使我国陶瓷行业面临着更加严峻的节能减排形势，特别是对陶瓷窑炉的技术升级提出了更高的要求。
陶瓷行业总能耗中70%～80%左右是在烧成过程，故陶瓷窑炉节能是关键，陶瓷高能耗是阻碍行业发展的最大屏障。
2理论和实践的支持
宽体辊道窑的出现，可以说给我国陶瓷窑炉的节能减排提供了一个行之有效的方法。所谓宽体辊道窑，是指内宽在3m以上的辊道窑。
2.1 辊道窑的产量与结构的关系
G=V×k×g/t=L×W×H×k×g/t（1）
其中：k-产品合格率，g-体积装窑密度，t-烧成时间。
虽然宽体辊道窑在我国最近几年才刚刚出现，但是其具有高产量、高效率和低能耗的特点，使得越来越多的陶瓷企业采用宽体辊道窑。由公式（1）可知，当窑炉长度L一定的情况下，窑内宽W和内高H与产量成正比；宽度不变只增加内高时，窑外墙的散热面积相应地增加而单位时间内的制品产量并没有增加。因此，单位制品的热耗增大且随着窑高的增加容易引起气体的分层，加大窑高度方向上的温差。若保持窑高不变，增加窑内宽度，虽然窑外墙的散热面积也会增大，但同时窑炉单位时间制品的产量也相应地增加且比窑墙散热损失增加得更快。所以，增加窑内宽度来增加产量是一种行之有效的途径。
2.2 辊道窑能耗的影响因素
窑炉燃耗量与产量成正比，而单位产品的燃耗量取决于总燃耗量与总产量的比值，故增大窑宽、窑长，可大幅度增加产量，能够降低单位产品的燃耗费，辊道窑的能耗也会大幅度降低。
2.3 辊道窑烧成带的拱顶结构应用
早期辊道窑的窑顶都是平顶结构，有利于吊顶，施工方便。采用拱顶结构，其特点主要有：拱顶部位燃烧空间增大，可增加截面中间部位辐射层的厚度，增加传热能力；拱顶弧面有利于界面中部获得更多辐射传热，可更有效地克服平窑顶存在的界面热气流死角，大大改善截面的温度均匀性。另外，辊道窑烧成带处的传热方式以辐射为主，占总传热的80%，辐射传热的关键是温度和辐射层厚度，拱顶结构可增加辐射层厚度及温度均匀性。
如果在高温带采用拱顶，而预热带和冷却带采用平顶结构，这样更有利于窑内热气流的搅拌，有利减少温差。
2.4 生产实践证明
广东摩德娜机械科技股份有限公司近两年推出的MFS-3000型宽体辊道窑，内宽为3050mm、长度可达330m。与传统2500mm内宽的窑炉相比，该窑可以每排进4块600mm×600mm砖或每排进3块800mm×800mm砖。在窑长和烧成周期相同的情况下，产量可以分别提高25%和33.3%，大大提高了产能和效率。同时由于窑宽的增加，节省了窑炉所占场地，如日产18000m2的800mm×800mm微粉砖，普通窑炉的长度达400m，而采用节能式宽体窑则只需280m，综合省地达20%左右。
佛山中窑窑业有限公司和科达机电等单位都大量建造宽体辊道窑，而且技术非常成熟。实践证明：窑宽为3m的辊道窑较窑宽为2.5m的辊道窑烧800mm×800mm砖，同等长度下产量提高50%；同等产量下，窑长可缩短1/3，一次投资、占地面积可大幅减少，能耗可降低10%以上。
3宽体辊道窑存在的问题及解决方法
宽体窑虽然在能耗低、产量大、节能明显等方面具有较大的优势，但是宽体窑目前的技术还不是很成熟，有的厂家制品的成品率还是相对较低，而且还有很多技术性的问题有待解决。然而随着烧成技术、燃烧系统、保温材料、自动检测及控制技术、余热利用等技术的不断发展和完善，宽体窑会被越来越多的企业所青睐。
3.1 采用合理烧嘴解决窑炉宽度上的断面温差
在燃烧控制方面，采用长、短火焰烧嘴科学合理配置，实现温度在窑内的均匀分布，达到减少断面温差且节能的目的。为最大限度地减少断面温差，可采用新型、高效、节能烧嘴，解决宽体窑的烧嘴技术，实现窑内断面温差精确控制。如蒙娜丽莎、启迪和我课题组共同开发的二次预混式燃烧器，火焰长、空气过剩系数可精确控制，可有效地解决断面温差，节能效率可达9%以上。还有中窑采用的仿“汉索夫型”高速等温烧嘴、摩德娜的MLC-07水煤气预混式高速烧嘴、科达的调温烧嘴及欣星陶瓷热能机械厂的FS-2115烧嘴等都成功地应用于宽辊道窑的烧成，均能有效地解决宽体窑的断面温差。
3.2 窑顶混合结构技术
由于在高温段采用拱顶结构更有利于传热，故宽体辊道窑炉的烧成带宜采用拱顶结构；而在预热带和冷却带宜采用平顶结构，这样不但有利于减少低温段的气体分层、加强高温段的热辐射强度，还可以加强热气体在窑内的搅拌作用，减少温差的产生。
3.3 闸板和挡火墙的合理设置
通过大量的实践，大家都清楚地认识到，闸板和挡火墙在陶瓷辊道窑炉内的作用。合理地设置闸板和挡火墙在窑长方向上位置及闸板、挡火墙的结构形式，对窑炉温度的分段控制、强制窑内热气流的流向、减少窑炉内上下温差及断面温差等方面都具有非常大的作用。
3.4 断面温差的测试和红外热成像测温技术
利用辊棒多点开孔、安装多支热电偶进行多路检测及半窑宽断面中各点温度分布的方法，能够可靠地比较同断面及同一水平面上温差，比用测温环纵向的测温方法更科学而实用。图1为辊道窑断面温差测试原理，图2为测试位置及方法，图3为采用红外热像仪测试辊道窑外侧墙的表面温度。
3.5 优质保温材料减少窑墙散热
采用高效、轻质保温耐火材料及新型涂料，能够有效地减少窑墙的散热，实现窑炉的节能减排目的。窑炉的表面散热约占总热量的8%～20%，采用质量轻、导热系数小的轻质陶瓷纤维，不仅能够减薄窑墙厚度，而且窑墙蓄热量也大大降低，能够节能16%左右。另外，在高温阶段，将高效的热辐射涂料涂在窑壁耐火材料上，能够使材料的热辐射率由0.7升至0.96，可节能138.3MJ/m2·h，即可节能2%～4%。
3.6 充分利用余热提高助燃风温度
为实现节能目标，广东科达机电采用高效率助燃风加热技术，将冷却带的余热输送给助燃风，将助燃风加热至150～200℃。摩德娜机械使用自主研发的SPR系统，可以将助燃风加热至250℃，同时采用热交换器，通过烟气将新鲜的空气加热；然后再输送至干燥窑内干燥坯体，不仅可以提高窑炉的余热利用率，而且环保、可有效地节约能源。
3.7 烧成技术的改进与创新
烧成技术的改进与创新是宽体窑炉技术突破的关键，在陶瓷生产过程中，烧成温度越高，能耗就越高，因此，低温快烧将是未来烧成技术发展的趋势。采用低温快烧技术，不仅可以增加产量、节约能耗，而且还可以降低成本。如佛山某企业通过与华南理工大学合作开发的超低温配方烧成，将现有的建筑陶瓷产品的烧成温度降低约200℃，达到1000℃以下，使得单位制品的燃耗降低25%，即每公斤瓷能耗仅为3～5MJ，仅为普通烧成技术的75%左右，大大降低了生产成本。另外，采用洁净的液体或气体燃料，不仅是快速烧成的保证，而且可以提高陶瓷的质量，大大节约能源，更重要的是可以减少对环境的污染。
4企业创新
4.1 摩德娜
作为在国内首先提出宽体窑概念并成功运用于实际生产的陶瓷窑炉设备制造商之一，广东摩德娜科技股份有限公司新近推出的MFS-3000型宽体窑，采用公司自主研发的TMA、SPR和NB11关键系统，解决了宽体窑砖形不稳定、能耗大和温差大的问题，同时使用国外先进的纳米保温材料，有效地降低了窑墙的热损耗，每平方米燃气消耗量由原来普通窑炉的1.4m3下降到1.25m3。
4.2 中窑
致力于做“中国第一窑炉”的广东中窑窑业有限公司也相继推出了自主研发的超级节能宽体辊道窑，其窑宽3m以上，有40多条窑，窑长最长有300多米。长为302m的辊道窑日均生产600mm×600mm砖20000m2、800mm×800mm砖18000m2，优等率均达95%以上。同时该超级节能辊道窑能够降低能耗21%、电耗19%及增加产量33%。
4.3 萨克米
世界最大陶瓷设备生产商萨克米在2012年广州陶瓷工业展上推出了目前为止世界上内宽最大的宽体辊道窑，该宽体窑内宽达3.85m，与目前国内宽体窑一般内宽为3.1～3.2m相比，宽度增加了20%以上。而长度也仅为170～180m，比国内宽体窑减少了40%～50%以上，为企业节约了大量的土地资源，而且节能效果可达15%～30%。
4.4 南海金刚
佛山市南海金刚新材料有限公司通过配方、工艺过程及设备的改进制备了大规格、超高温陶瓷辊棒及异型辊棒，减少了高温区的断棒现象，异型辊棒还可以矫正砖坯的走向，使走砖平直。南海金刚利用大吨位冷等静压专利技术优势，开发了GF95型高温高强辊棒，1350 ℃下强度达60MPa以上，长度达5.3m，是世界上最长的陶瓷辊棒。
5宽体窑的节能分析
5.1 大幅度提高产量及效率
陶瓷窑炉的产量跟窑炉宽度成正比，窑越宽，产量越大，故宽体辊道窑最大的优势在于提高了产能，减少了单位制品的能耗。以广东摩德娜科技股份有限公司推出的3.1m宽、240m长的宽体窑为例，传统窑炉走800mm×800mm砖2片，而宽体窑内可以放置3片800mm×800mm砖，产能可以达到15000m2/天，产量提高了50%；若用于生产600mm×600mm型号的砖时则可以并排放置4块砖。而国际知名陶瓷机械设备制造商萨克米为金舵陶瓷生产设计的“四机一线”设备，即四台压机配置一条窑炉，该窑内宽达3.15m，窑长270m，产量能够达到16000～18000m2/天。另外，萨克米公司在2012年广州陶瓷工业展上首次推出内宽为3.85m超宽体辊道窑，使得宽体窑向着更高产能的方向发展。
5.2 节约燃料
不断降低陶瓷窑炉单位能耗，也是窑炉设计的发展方向。国内陶瓷窑炉的单位能耗为750～800千卡/公斤瓷，与国际领先标准430～450千卡/公斤瓷相比，仍具有较大的差距。在同等生产条件下，宽体窑不仅能够提高陶瓷产量，同时能够大幅度地降低产品生产的单位能耗。表1为某天然气宽体窑在生产600mm×600mm砖时，与普通宽度窑炉在单位气耗和单位电耗的对比情况；表2为某水煤气宽体窑在生产800mm×800mm砖时，与普通宽度窑炉在单位气耗和单位电耗的对比情况。
由上述两表可知，宽体窑在单位气耗上比普通窑能够节能14%左右，在单位电耗上比普通窑能够节省15%以上，产品单位能耗明显下降，节能效果显著。另外，采用SPR助燃风加热节能系统，将窑热交换区的高温余热风打入窑炉急冷区进一步加热后，作为烧嘴燃烧的助燃风，经加热后的助燃风的温度可达250℃，可节能12%以上。
中窑开发的宽体超级节能辊道窑煤耗为3.28kg/m2。采用异形辊棒，利用辊棒直径的变化或螺纹达到调控走砖线速度，从根本上解决超长超宽走砖不整齐造成烧成合格率低的大问题。还解决了宽窑对辊棒的直线度、辊棒的圆度和锥度、加工质量及材质等问题。
5.3 改变烧成制度
宽体窑虽然在陶瓷产量和燃料节能方面具有显著的效果，已被越来越多的陶瓷企业所青睐，但是宽体窑在烧成制度上仍有很大的改进空间。目前陶瓷企业内所应用的内宽3m以上的宽体窑烧成周期相对较慢，同时产品的出窑质量部分没有更明显的优势，而快速烧成给宽体窑的迅速发展提供了一个很好的机会。通过辊棒、产品配方工艺和窑炉运行等工艺参数及操控技术的改善，使产品能够在宽体窑上实现快速烧成，使宽体窑有更优的节能效果。某陶瓷窑炉企业通过改善窑炉的氧化时间和氧化效果，使得抛光砖的烧成时间由原来40～50min降低到38min，突破性地缩短了烧成时间，提高了生产效率，降低了单位生产能耗。
5.4 加强保温减少窑壁散热
我国传统的陶瓷窑炉采用的保温材料都是普通的耐火砖、轻质陶瓷纤维板或硅酸钙板等导热系数相对较大的保温材料，其保温效果不够理想，高温区的外墙表面温度达80～90℃，有时甚至高达120℃以上，远远高于国际上对外墙表面温度必须低于60℃的要求。随着科技的进步及新型耐火材料的出现，各窑炉公司都采用导热系数小、保温效果好的纳米微孔保温板作为保温材料，其能够有效地减少窑墙的散热，降低热量的耗散，图4为各种不同保温材料在不同温度下的导热系数对比。纳米微孔保温板能够实现良好的保温效果，这是因为它的气孔被微小的单元所包裹，而这些单元比空气的平均自由程还小，可以有效地阻止气体的分子碰撞，有效地减小气体间的导热。广东摩德娜科技股份有限公司及其他一些公司推出的比重为0.25、保温系数为0.7W/（m·K）、以抛光砖废料为主要原料的高效保温“泡沫陶瓷”，能够有效地降低宽体窑高温区外墙表面温度。不仅实现了陶瓷废料的回收利用，使得窑炉具有良好的保温效果；而且应用的纳米微孔保温板的导热系数在800℃时更是低至0.036W/（m·K），在相同烧成温度下能够将窑墙厚度减少75mm，同时降低窑墙外表温度5℃，有效地实现了陶瓷窑炉的节能减排目标。在相同长度的辊棒情况下，窑墙的减薄可增加窑内宽，即可增加窑产量。
5.5 充分利用余热
在窑炉烧成中，能够真正被产品吸收的热量不到总热量的30%，其余的热量都以窑炉排烟（占10%～15%）、冷却抽热（占50%～56%）、窑体（占8%～20%）和辊棒（占2%～5%）等散热排掉，浪费了大量的热能。因此，能够将窑炉所排放的烟气废热回收和冷却余热全部有效地利用起来，将可以达到明显的节能减排效果。传统窑炉的余热利用主要是用在陶瓷坯体的干燥上，较少应用于助燃风的加热。各窑炉公司在新研制的宽体窑的余热回收利用上加大了力度，将通过热交换后的高温气体用于助燃空气的加热，温度可达250℃，可以节省燃料8%～12%。另外，宽体窑在窑炉风机选择及管道设计等方面进行了优化设计，在一级排烟区放置功率较大的风机，便于将窑内烟气余热更多地抽至窑头入口；而在二级排烟区选择功率较小的风机，能够有效地调节温度及温度梯度，降低产品的缺陷率。增加窑炉前段箱体的内高，一方面能够有效地减缓窑内烟气的流动，同时延长烟气对坯体的加热时间，大大提高了余热利用率；另一方面烟气流速的降低，能够减少热气体对坯体的冲击，可使产品裂纹减少。而在排烟支管上则采用多管分阶段式设计，不仅能够有效地调节窑内温度制度，而且能够充分地利用烟气余热，使窑炉达到显著的节能减排效果。
5.6 其他节能
增大风管直径，合理设计减少弯角，尽量减少阻力损失，可节省电力消耗；增加窑宽，在保证产量条件下，窑长可缩短30%以上，可减少辊棒传动消耗电力及各类风机的动力消耗；同时采用各种工艺手段，可使窑压降低，使漏热和漏风量减少，达到节能及减少窑内温差的目的。
6展望
宽体窑具有占地面积小、能耗少、效率高及产量大等特点，是未来窑炉升级换代的主要设备。在国家不断重视环保，推行节能减排政策的大环境下，宽体辊道窑不仅具有广阔的应用前景，而且提升了陶瓷行业的生产水平。宽体窑对陶瓷企业的配方工艺和管理模式提出了新的要求，也提升了企业节能降耗能力和降低了生产成本，是未来陶瓷窑炉发展的必经之路。宽体窑仍存在一些不足之处，如温度场仍不稳定，温差现象在一些工厂仍比较严重，变形及色差缺陷仍存在，烧成中对一些产品仍不适应，另外如何表征窑内温差及窑壁散热的测试及计算方法，应有一个统一的认识。
参考文献
[1] 曾令可，李萍，刘艳春.陶瓷窑炉实用技术[M].中国建材工业出版社，北京，2010，4.
[2] 曾令可，张明.辊道窑内温差产生原因及解决方法[C].辊道窑及窑用耐火材料技术研讨会论文集，1995：65-67.
[3] 曾令可，张明.辊道窑内动态温度场的红外热成像测试[C].辊道窑及窑用耐火材料技术研讨会论文集，1995：65-67.
[4] 张明，曾令可.火焰温度场的红外热成像动态测试[J].激光与红外，1997，27（5）：288-291.
[5] 张明，曾令可.挡火板在辊道窑中设置的作用研究[J].中国陶瓷工业，1997，4（3）：30-33.
[6] 张明，曾令可.辊道窑内动态温差的测试[J].中国陶瓷工业，1998，34（1）：11-13.
[7] 张明，曾令可.辊道窑内动态温差产生的原因研究[J].华南理工大学研究生学报，1997，11（3）：141-145.
[8] 张明，曾令可.引进辊道窑挡火板的设置[J].中国陶瓷，1998（3）：22-24.
[9] 孙宇彤，曾令可.陶瓷纤维在陶瓷窑炉中的应用与展望[J].耐火材料，1999，33（2）：85-86.
[10] 曾令可等.全纤维辊道窑各带陶瓷窑炉纤维的粉化[J].中国陶瓷，1999（2）：5-7.
[11] 曾令可等.辊道窑内传热及影响热耗因素的分析[J].佛山陶瓷，1998，（4）：4-8.
[12] 曾令可等.陶瓷窑炉动态温度场测试及操作优化[J].陶瓷学报，1999，20（3）：158-163.
[13] 孙宇彤，曾令可.陶瓷窑炉内陶瓷纤维的高温粉化及抗粉化研究[J].中国陶瓷工业，1999，6（3）：1-4.
[14] 曾令可，张明，王慧.陶瓷辊道窑宽断面需解决的问题[J].中国陶瓷工业，2002，9（1）：37-39.
[15] 黄浪欢，曾令可.陶瓷窑炉NOX的污染与防治[J].中国陶瓷，2000，36（6）：23-25.
[16] 曾令可，王慧.陶瓷窑炉的结构与节能[J].山东陶瓷，2002，25（1）：8-10.
