一、工業(yè)窯爐的分類
工業(yè)窯爐是指加熱或熔化金屬或非金屬的裝置而言，加熱或熔化金屬的裝置稱為工業(yè)爐，加熱或熔化非金屬的裝置稱為窯爐。工業(yè)窯爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)工業(yè)窯爐又是高能耗設(shè)備。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，能源短缺的問題日益嚴(yán)重。全國工業(yè)窯爐年能耗約占總能耗的25%，占工業(yè)總能耗的60%。 節(jié)能已經(jīng)成為這個(gè)時(shí)代的主題。
二、工業(yè)窯爐節(jié)能原理
1.1.1工業(yè)窯爐節(jié)能因素分析
由于工業(yè)窯爐是集發(fā)熱、傳熱、反應(yīng)的功能于一身，有的還兼有輸送物料的功能。因此，從滿足煅燒制品要求考慮選擇窯爐類型時(shí)，需要分析的因素有：熱能來源、供熱方法、傳熱方法、余熱利用，爐內(nèi)氣氛性質(zhì)及運(yùn)料方法等。
（1） 熱能來源硅酸鹽工業(yè)中，燃料費(fèi)用在生產(chǎn)總成本中所占比例較大，例如生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥時(shí)，以煤粉作為燃料，其燃料費(fèi)用約占成本的13%-14%。如果以油作燃料，則燃料費(fèi)用在成本中的比例還要高。
（2） 供熱方法工業(yè)窯爐內(nèi)產(chǎn)品在燒成時(shí)，均希望獲得盡可能均勻的加熱。為此，人們?cè)O(shè)想過多種均勻供熱的方法。常用的有四種：
① 內(nèi)部供熱：根據(jù)燒成制品性質(zhì)和窯爐結(jié)構(gòu)的許可，將燃料混入物料中進(jìn)行燃燒供熱。例如燒制輕質(zhì)耐火材料時(shí)，在泥料中加入鋸末、焦炭粉、無煙煤粉等，此時(shí)，不僅供熱均勻，還由于可燃物的燃盡，使制品具有一定的氣孔率。例如用立窯煅燒水泥熟料時(shí)采用黑生料球
法，燃料（無煙煤粉）與生料粉緊密接觸，不僅傳熱速度高，熱利用也好，其熱有效利用率可達(dá)50%。但是由于燃料混入物料內(nèi)部，燃料與空氣接觸不良，燃燒不集中，溫度不高，容易出現(xiàn)燃料未盡、熟料欠燒。特別是當(dāng)料球大小過分不均勻時(shí)，更加嚴(yán)重。
② 底部供熱：由于熱氣流有向上浮升的趨勢(shì)，因而易造成加入熱室內(nèi)溫度分布不均勻。并且由于底部燃燒燒嘴維修困難，燒嘴覆蓋面不大，所以底部燃燒應(yīng)用不多。
③ 側(cè)面供熱：在硅酸鹽工業(yè)使用最為廣泛的供熱方法，如倒焰窯、梭式窯、隧道窯、池窯等。由于側(cè)面燃燒的橫焰覆蓋面大，能夠在較大面積的窯爐底部上獲得較均勻的溫度分布。為了避免火焰直接沖刷在物料上引起在物料上結(jié)焦或過燒變形，可采用火焰對(duì)準(zhǔn)燃燒通道或采用擋火墻的辦法。在側(cè)面燃燒中，如在一般的隧道窯中那樣，由于受到燒嘴噴射力的限制，窯不宜太寬。
④ 頂部供熱：窯的寬度可不受限制。燒嘴設(shè)在頂部，數(shù)目可不受限制，從而可以采用小流量、多點(diǎn)分散的配置方式，進(jìn)一步改善窯內(nèi)溫度分布的均勻性和火焰氣體對(duì)制品的傳熱條件。（3） 傳熱方式明焰?zhèn)鳠幔夯鹧嬷苯舆M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱；半隔焰?zhèn)鳠幔翰糠只鹧嬷苯舆M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱；隔焰?zhèn)鳠幔夯鹧娌贿M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱。
（4） 余熱利用工業(yè)窯爐的余熱利用主要是指排出的燃燒產(chǎn)物的顯熱與加熱制品帶走的顯熱的利用。這些顯熱所帶走的熱量數(shù)量較大，如果能很好的加以利用，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益都是顯著的。例如，硅酸鹽工業(yè)余熱回收主要用于：料粉或生坯的預(yù)熱；煤氣、燃油及助燃空氣的預(yù)熱；余熱發(fā)電及其他供熱。
（5） 回收余熱方式
① 有的余熱是在窯爐內(nèi)直接加以利用的，如回轉(zhuǎn)窯及隧道窯的預(yù)熱帶；
② 有的采用通用的換熱設(shè)備，如換熱器、蓄熱器、熱管等回收熱量；
③ 有的則采用專用的預(yù)熱器，冷卻機(jī)等設(shè)備加以回收。一些專用設(shè)備將結(jié)合具體窯爐加以敘述。
（6） 物料的輸運(yùn)方式對(duì)于粉狀和塊狀物料已有多種加料和出料設(shè)備可供選用，如螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)，氣力提升泵等，就是對(duì)于單機(jī)日產(chǎn)幾千噸水泥熟料的回轉(zhuǎn)窯實(shí)現(xiàn)加料的機(jī)械化和自動(dòng)化也已經(jīng)不成問題。值得討論的是具有一定形狀的制品，如陶瓷制品、耐火材料制品的裝窯和出窯。在運(yùn)送制品方面，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的裝置分為兩大類：一類是用于間歇式窯的裝窯和出窯；一類為連續(xù)式窯上的進(jìn)料和使制品穿過窯爐運(yùn)行的裝置。2.2.2窯爐生產(chǎn)參數(shù)控制對(duì)制品質(zhì)量與能耗的影響工業(yè)窯爐的生產(chǎn)參數(shù)控制包括：溫度、氣氛和壓力的控制。
(1)溫度控制使原料或成型坯體按工藝要求，進(jìn)行升溫、保溫及冷卻的控制，以期完成所需的物理化學(xué)變化，獲得合格的產(chǎn)品。燒制硅酸鹽產(chǎn)品時(shí)，為達(dá)到溫度控制的目的，一般事先要制定一條合理的燒成溫度曲線，即窯爐的溫度控制。
影響窯內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定的主要因素包括：
①燃料種類及其熱值；
②燃燒方法、燃燒室結(jié)構(gòu)與分布；
③助燃空氣的比例與溫度；
④ 窯爐結(jié)構(gòu)、耐火材料的選擇。
(2)窯爐氣氛控制在工業(yè)窯爐中，煅燒物料或制品時(shí)，不僅有物理過程，還有化學(xué)反應(yīng)。在窯爐內(nèi)，除了原料之間的反應(yīng)外，物料與周圍介質(zhì)之間也有反應(yīng)。如果介質(zhì)為氣體，該氣體所具有的性質(zhì)稱為窯爐內(nèi)的氣氛。
窯爐內(nèi)的氣氛可以分為：
①氧化氣氛當(dāng)窯爐內(nèi)含有過剩的氧時(shí)，稱氧化氣氛。此時(shí)窯爐內(nèi)的氣體中氧的分壓較高，易是其中的物料發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化氣氛是由工藝要求的。
②還原氣氛該氣氛下窯爐內(nèi)氣體中的CO和H2等的分壓較高，此種氣氛可使物料中的氧化物發(fā)生還原反應(yīng)。不僅如此，瓷坯中的硫酸鹽、磁鐵礦和云母等含鐵物質(zhì)的分解在還原氣氛中可提前到坯、釉尚屬多孔狀態(tài)下完成，這時(shí)氣體可自由逸出，過熱膨脹大為減輕。燒制日用瓷時(shí)，當(dāng)坯中含鐵量多時(shí)，為使瓷色白里泛青和增加透光度，高溫時(shí)采用還原焰。燒制電瓷制品，一般也采用還原焰。
③中性氣氛當(dāng)窯爐內(nèi)的氧含量不過余也不缺少時(shí)的狀態(tài)，這樣的氣氛就是中性氣氛，這種氣氛狀態(tài)有利于節(jié)約能耗。
④特殊氣氛對(duì)于特殊陶瓷和特種耐火材料窯爐，需要從周圍氣體介質(zhì)中攝取所有元素，如利用氮?dú)庾鹘橘|(zhì)以制取氮氧化物（如氮化硅、氮化鈦等）。也有由于某組分易于揮發(fā)，需要在氣氛中增加該組分分壓以阻止其揮發(fā)，如鈦酸鉛陶瓷燒成時(shí)，需要造成PbO氣氛，以阻止樣品中PbO的揮發(fā)。窯爐氣氛控制目的在于加熱煅燒的過程中完成一些需要的化學(xué)反應(yīng)，在工業(yè)窯爐內(nèi)不僅有一定的氣氛要求，還要使氣氛與物料或制品各部分之間反應(yīng)均勻。
工業(yè)窯爐是指加熱或熔化金屬或非金屬的裝置而言，加熱或熔化金屬的裝置稱為工業(yè)爐，加熱或熔化非金屬的裝置稱為窯爐。工業(yè)窯爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)工業(yè)窯爐又是高能耗設(shè)備。目前，隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，能源短缺的問題日益嚴(yán)重。全國工業(yè)窯爐年能耗約占總能耗的25%，占工業(yè)總能耗的60%。 節(jié)能已經(jīng)成為這個(gè)時(shí)代的主題。
二、工業(yè)窯爐節(jié)能原理
1.1.1工業(yè)窯爐節(jié)能因素分析
由于工業(yè)窯爐是集發(fā)熱、傳熱、反應(yīng)的功能于一身，有的還兼有輸送物料的功能。因此，從滿足煅燒制品要求考慮選擇窯爐類型時(shí)，需要分析的因素有：熱能來源、供熱方法、傳熱方法、余熱利用，爐內(nèi)氣氛性質(zhì)及運(yùn)料方法等。
（1） 熱能來源硅酸鹽工業(yè)中，燃料費(fèi)用在生產(chǎn)總成本中所占比例較大，例如生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥時(shí)，以煤粉作為燃料，其燃料費(fèi)用約占成本的13%-14%。如果以油作燃料，則燃料費(fèi)用在成本中的比例還要高。
（2） 供熱方法工業(yè)窯爐內(nèi)產(chǎn)品在燒成時(shí)，均希望獲得盡可能均勻的加熱。為此，人們?cè)O(shè)想過多種均勻供熱的方法。常用的有四種：
① 內(nèi)部供熱：根據(jù)燒成制品性質(zhì)和窯爐結(jié)構(gòu)的許可，將燃料混入物料中進(jìn)行燃燒供熱。例如燒制輕質(zhì)耐火材料時(shí)，在泥料中加入鋸末、焦炭粉、無煙煤粉等，此時(shí)，不僅供熱均勻，還由于可燃物的燃盡，使制品具有一定的氣孔率。例如用立窯煅燒水泥熟料時(shí)采用黑生料球
法，燃料（無煙煤粉）與生料粉緊密接觸，不僅傳熱速度高，熱利用也好，其熱有效利用率可達(dá)50%。但是由于燃料混入物料內(nèi)部，燃料與空氣接觸不良，燃燒不集中，溫度不高，容易出現(xiàn)燃料未盡、熟料欠燒。特別是當(dāng)料球大小過分不均勻時(shí)，更加嚴(yán)重。
② 底部供熱：由于熱氣流有向上浮升的趨勢(shì)，因而易造成加入熱室內(nèi)溫度分布不均勻。并且由于底部燃燒燒嘴維修困難，燒嘴覆蓋面不大，所以底部燃燒應(yīng)用不多。
③ 側(cè)面供熱：在硅酸鹽工業(yè)使用最為廣泛的供熱方法，如倒焰窯、梭式窯、隧道窯、池窯等。由于側(cè)面燃燒的橫焰覆蓋面大，能夠在較大面積的窯爐底部上獲得較均勻的溫度分布。為了避免火焰直接沖刷在物料上引起在物料上結(jié)焦或過燒變形，可采用火焰對(duì)準(zhǔn)燃燒通道或采用擋火墻的辦法。在側(cè)面燃燒中，如在一般的隧道窯中那樣，由于受到燒嘴噴射力的限制，窯不宜太寬。
④ 頂部供熱：窯的寬度可不受限制。燒嘴設(shè)在頂部，數(shù)目可不受限制，從而可以采用小流量、多點(diǎn)分散的配置方式，進(jìn)一步改善窯內(nèi)溫度分布的均勻性和火焰氣體對(duì)制品的傳熱條件。（3） 傳熱方式明焰?zhèn)鳠幔夯鹧嬷苯舆M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱；半隔焰?zhèn)鳠幔翰糠只鹧嬷苯舆M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱；隔焰?zhèn)鳠幔夯鹧娌贿M(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)行傳熱。
（4） 余熱利用工業(yè)窯爐的余熱利用主要是指排出的燃燒產(chǎn)物的顯熱與加熱制品帶走的顯熱的利用。這些顯熱所帶走的熱量數(shù)量較大，如果能很好的加以利用，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益都是顯著的。例如，硅酸鹽工業(yè)余熱回收主要用于：料粉或生坯的預(yù)熱；煤氣、燃油及助燃空氣的預(yù)熱；余熱發(fā)電及其他供熱。
（5） 回收余熱方式
① 有的余熱是在窯爐內(nèi)直接加以利用的，如回轉(zhuǎn)窯及隧道窯的預(yù)熱帶；
② 有的采用通用的換熱設(shè)備，如換熱器、蓄熱器、熱管等回收熱量；
③ 有的則采用專用的預(yù)熱器，冷卻機(jī)等設(shè)備加以回收。一些專用設(shè)備將結(jié)合具體窯爐加以敘述。
（6） 物料的輸運(yùn)方式對(duì)于粉狀和塊狀物料已有多種加料和出料設(shè)備可供選用，如螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)，氣力提升泵等，就是對(duì)于單機(jī)日產(chǎn)幾千噸水泥熟料的回轉(zhuǎn)窯實(shí)現(xiàn)加料的機(jī)械化和自動(dòng)化也已經(jīng)不成問題。值得討論的是具有一定形狀的制品，如陶瓷制品、耐火材料制品的裝窯和出窯。在運(yùn)送制品方面，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的裝置分為兩大類：一類是用于間歇式窯的裝窯和出窯；一類為連續(xù)式窯上的進(jìn)料和使制品穿過窯爐運(yùn)行的裝置。2.2.2窯爐生產(chǎn)參數(shù)控制對(duì)制品質(zhì)量與能耗的影響工業(yè)窯爐的生產(chǎn)參數(shù)控制包括：溫度、氣氛和壓力的控制。
(1)溫度控制使原料或成型坯體按工藝要求，進(jìn)行升溫、保溫及冷卻的控制，以期完成所需的物理化學(xué)變化，獲得合格的產(chǎn)品。燒制硅酸鹽產(chǎn)品時(shí)，為達(dá)到溫度控制的目的，一般事先要制定一條合理的燒成溫度曲線，即窯爐的溫度控制。
影響窯內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定的主要因素包括：
①燃料種類及其熱值；
②燃燒方法、燃燒室結(jié)構(gòu)與分布；
③助燃空氣的比例與溫度；
④ 窯爐結(jié)構(gòu)、耐火材料的選擇。
(2)窯爐氣氛控制在工業(yè)窯爐中，煅燒物料或制品時(shí)，不僅有物理過程，還有化學(xué)反應(yīng)。在窯爐內(nèi)，除了原料之間的反應(yīng)外，物料與周圍介質(zhì)之間也有反應(yīng)。如果介質(zhì)為氣體，該氣體所具有的性質(zhì)稱為窯爐內(nèi)的氣氛。
窯爐內(nèi)的氣氛可以分為：
①氧化氣氛當(dāng)窯爐內(nèi)含有過剩的氧時(shí)，稱氧化氣氛。此時(shí)窯爐內(nèi)的氣體中氧的分壓較高，易是其中的物料發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化氣氛是由工藝要求的。
②還原氣氛該氣氛下窯爐內(nèi)氣體中的CO和H2等的分壓較高，此種氣氛可使物料中的氧化物發(fā)生還原反應(yīng)。不僅如此，瓷坯中的硫酸鹽、磁鐵礦和云母等含鐵物質(zhì)的分解在還原氣氛中可提前到坯、釉尚屬多孔狀態(tài)下完成，這時(shí)氣體可自由逸出，過熱膨脹大為減輕。燒制日用瓷時(shí)，當(dāng)坯中含鐵量多時(shí)，為使瓷色白里泛青和增加透光度，高溫時(shí)采用還原焰。燒制電瓷制品，一般也采用還原焰。
③中性氣氛當(dāng)窯爐內(nèi)的氧含量不過余也不缺少時(shí)的狀態(tài)，這樣的氣氛就是中性氣氛，這種氣氛狀態(tài)有利于節(jié)約能耗。
④特殊氣氛對(duì)于特殊陶瓷和特種耐火材料窯爐，需要從周圍氣體介質(zhì)中攝取所有元素，如利用氮?dú)庾鹘橘|(zhì)以制取氮氧化物（如氮化硅、氮化鈦等）。也有由于某組分易于揮發(fā)，需要在氣氛中增加該組分分壓以阻止其揮發(fā)，如鈦酸鉛陶瓷燒成時(shí)，需要造成PbO氣氛，以阻止樣品中PbO的揮發(fā)。窯爐氣氛控制目的在于加熱煅燒的過程中完成一些需要的化學(xué)反應(yīng)，在工業(yè)窯爐內(nèi)不僅有一定的氣氛要求，還要使氣氛與物料或制品各部分之間反應(yīng)均勻。
