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华南理工大学教授曾令可谈窑炉发展
5月22日,记者前往华南理工大学拜访曾令可教授,走到他的办公室门前时,他正伏案写作,见到记者一行,便立即起身迎接。
初识曾令可,很难猜到他今年已经67岁,身材挺拔、精神抖擞、走路沉着稳重、一派学者风范。在与记者的交流中,从头到尾都给人以思路清晰、语言流利、内容丰富的感觉,也许他把记者当成他的研究生在上课了。照同行记者的话说,“这真是搞研究的老教授”。
的确如此,华南理工大学教授、材料学博士生导师,中国硅酸盐学会自动化专业委员会理事、科技专家,中国硅酸盐学会陶瓷专业委员会理事、陶瓷窑炉专业委员会主任委员兼学术带头人、教育评估专家……这一连串头衔,足以说明他把自己的一生都奉献给了“研究”。
在他所有的研究中,对于陶瓷行业却是情有独钟的。早在1968年,在那个上山下乡的年代,他还是原华南工学院硅酸盐科学与工程专业大学生时,就下到当时还属于农村的佛山石湾镇,进入了石湾化工陶瓷厂。
在他的记忆中,那个年代的陶瓷厂都是手工劳动,机械化可谓闻所未闻。尽管如此,面对石湾到处林立的烟囱和煤炭燃烧而排放的滚滚浓烟,他还是兴奋不已。“这在当时是经济十分繁华,工业十分发达的象征。”
不过,随着时间的流逝,他对于这样的繁华和发达有了新的认识。“1992年,我受福建晋江一家企业的邀请去到晋江,当时整个晋江地区全是用多孔窑来烧制瓷片,而且是用煤作燃料,我专门跑到山头上照了一张照片,烟囱里排放的黑烟,笼罩了整个天空。”
讲到此时,曾令可脸上充满了严峻,略有所思,缓缓说道:“陶瓷行业现在很兴旺,但是毕竟它带给社会的负面影响还是非常大,如果不处理好环保问题,真的会成为历史的罪人。”
陶瓷生产过程中的污染和能耗,主要是由窑炉产生。作为窑炉研发制造领域的专家,曾令可显然对窑炉在承担陶瓷行业节能减排重任方面寄予厚望。
新型高效节能窑炉
市场前景广阔
陶城报:曾教授,您好,作为行业专家和中国硅酸盐学会陶瓷分会窑炉热工专业委员会主任,您能否介绍一下中国陶瓷窑炉的发展现状?
曾令可:在陶瓷工业窑炉的使用中主要有隧道窑、辊道窑和梭式窑三大类。其中,辊道窑具有产量大、质量好、能耗低、自动化程度高、操作方便、劳动强度低、占地面积小等优点,是当今陶瓷窑炉的主要发展方向。
经过20年来的引进、消化和发展,中国的陶瓷窑炉行业已经比较成熟,体现在我国已经形成了初具规模、技术水平较高、配套基本齐全的陶瓷窑炉技术。现在,我国的陶瓷窑炉产业不仅已经可以为国内的陶瓷行业提供成套的窑炉装备,而且还可以为其他一些行业提供部分的工业炉装备,并已具备出口这些窑炉装备的能力。
尽管我国的陶瓷窑炉技术和产业取得了很大的成绩,但也存在着一些突出的问题,主要体现在很多陶瓷企业的窑炉还是老式窑炉,新型高效节能窑炉的市场份额占的比例还很小。不过,从环保和可持续发展以及国家政策导向的角度上讲,未来几年是高效节能窑炉不断扩大市场份额的时期,是新型高效节能窑炉快速推广普及和窑炉技术不断进步的时期,新型高效节能窑炉将具有广阔的市场前景。
陶城报:要实现窑炉的环保和清洁生产,这是否跟窑炉所使用的燃料有很大关系?
曾令可:实际上,中国工业窑炉的发展与燃料的使用是密切相关的,窑炉的燃料使用主要有煤、重油、轻柴油、液化气、煤气、天然气等。
我国从20世纪80年代开始引进辊道窑,早期是使用煤作为燃料,然后将烟气直接排掉,污染十分严重,后来就开始用重油代替煤作为燃料。然而,由于重油在燃烧时会产生较多杂质,十分影响陶瓷产品的品质,后来就开始用轻柴油来代替,后来又开始使用煤转气和天然气。
目前,我国大部分陶瓷产区的企业都在使用煤气发生炉。实际上,煤转气的技术已经非常成熟,如果企业在煤转气过程中注重污染管理、设备维护,以及场地选择等,所产生的污染会大大减少,并且能达到类似于以天然气为燃料所达到的环保程度。
一般情况下,由煤气发生炉产生的环境污染问题基本上都跟企业的管理有关系。拿焦油与酚水的回收或处理来说,有的企业直接将酚水倒入下水道或者农田中,造成了严重的环境污染,这些污染的发生跟煤气发生炉的技术是否成熟没有关系,是由于企业管理的问题所造成的污染。另外,有些企业将酚水卖给其他厂家,但是在这过程中也需要做好监管工作,避免造成污染。
现在很多产区的政府都在倡导企业使用天然气作为燃料生产,这对于环境保护有着积极的作用。不过,天然气的使用也分地区而异,比如在佛山地区天然气达到了5元多一立方米,如果使用天然气将加大企业的成本压力,企业的生存也会受到很大威胁。
陶城报:中国的窑炉发展与国外相比较,是否存在着一些差距?
曾令可:由于国外的天然气能源丰富,且企业的产能较低,陶瓷企业对于天然气的需求量不会像中国这样大,所以,目前国外陶瓷强国基本上都实现了使用天然气为燃料来进行生产。另外,国外企业的产品附加值较高,所以产品的价格也高,虽然他们使用天然气生产,实际上从综合成本上讲,他们的生产成本并不算高。
另外,在窑炉设计上,窑炉的结构、加工、材料、控制精度、温度均匀性等均与国外存在较大差距。窑炉的制造材料也逊色于国外,目前国外都是用轻质材料,保温性能很好。目前,如中窑等企业也是使用该材料,称为“纳米材料”,主要成分为气凝胶、二氧化硅等,具有良好的绝热与保温效果。
陶城报:从目前陶瓷行业的发展现状和国家的政策要求来看,您认为陶瓷窑炉未来的发展方向是什么?
曾令可:从“十二五”发展规划来看,节能减排是陶瓷生产的大势所趋,所以节能环保绝对是陶瓷窑炉的发展方向。以辊道窑为例,现在应该根据现有的生产规模,从窑炉的结构、烧嘴的设计及布置、窑炉控制系统、墙体材料的选择、宽体拱顶结构及余热的回收等多方面考虑,设计研发节能陶瓷辊道窑。
对于窑炉的发展方向来说,届时将朝着两方面发展。一是优化窑炉结构,例如长宽问题,现代窑炉肯定将向着长度和宽度发展,这样才能让单位产品耗能下降。另一方面是采用先进的烧成技术。烧成技术十分关键,第一是源头问题,采用不同燃料会有不同效果;第二是喷枪,喷枪的火焰长度能否达到窑炉的中间位置十分重要,如果达不到中间会产生色差、变形等问题。所以在窑炉加宽以后,一定要保证喷枪的火焰长度,这样才能保证窑炉内温度的均匀,让瓷砖充分地烧制。
陶城报:通过这些发展方向的研究,对于陶瓷行业的发展应该有着积极的助推作用?
曾令可:是的,对陶瓷行业意义重大。通过对窑炉的结构优化,加宽加长窑炉能增大产量,同时单位内产品的能耗值相比以前会有明显的降低。通过燃料的改进,能让企业实现更加清洁环保的生产;而对于烧成技术的优化改造,可以使产品质量得到保证,有利于提高产品的优等品率,减少损耗,降低企业生产成本。
重点研究和优化窑炉结构
陶城报:最近几年,窑炉设备在节能技术上有哪些突破和创新?
曾令可:窑炉技术的革新应围绕以下几个关键性问题:窑炉结构的优化、烧成技术的创新、合理选用喷枪、余热回收利用、大范围采用自动控制技术、研发更先进的保温材料和涂层技术等。
近几年,窑炉的节能技术与创新都将重点关注在余热利用这一方面。衡量一座窑炉是否先进的其中一个重要标准就是有没有较好地利用余热。由于在烧成过程中所产生的余热较多,烧成能耗占60%,干燥能耗占20%,因此,余热利用是一个长久性问题。现在欧洲陶瓷企业普遍采用在窑炉上安装附加余热利用装置,进行余热的再回收利用。对于排烟废热的余热利用,也采用换热器进行能量收集并输送到所需场所。
但我国的小窑、小企业不能做到余热利用。在“十二五”规划中,长度在100米以下的窑炉都将会被淘汰。主要考虑到这些设备在废气利用、余热利用、烧成速度快、温度控制、成品质量等方面都比较差。
陶城报:结合目前窑炉实际的发展情况和运用情况,您认为,现在大多数窑炉普遍存在着一些什么问题,还有哪些可以改进的空间?如何解决这些问题?
曾令可:目前存在的问题主要在应用对象与窑炉结构上。应用对象是指窑炉的宽度必须与产品规格相匹配,产品需充分利用好燃烧空间。结构设计是一个十分关键的问题,窑炉需要加长加宽,随着窑炉内的宽度增大,单位制品的热耗和窑墙的散热减少,所以在一定范围内,窑越宽越好。窑越宽,节能率越高,所以只要能很好地解决断面温差的问题,宽体窑是未来发展的方向,使用宽体窑之后,不仅产能增大,单位制品热耗大大下降。最重要的是,企业投资该设备的成本在1—2年回收。另一方面,在窑内宽和内高一定的情况下,随着窑长的增加,制品的热耗和窑头烟气带走热量均减少。
企业还不能忽略对窑墙材料与结构的优化,国内传统的陶瓷窑炉多为砖砌式结构,不但结构复杂而且能耗非常高。轻质耐火材料及陶瓷纤维的应用,使窑墙结构轻型化、简单,而且节能非常明显。
因此,应重点研究和优化窑炉结构,减少制品带走的热量,减少能耗,并逐步缩小窑内各断面的温差,使烧成制品缺陷降低,加快了烧成周期,节约能耗。
陶城报:针对窑炉在节能方面遇到的普遍问题,如窑炉的保温材料、余热利用是否合理?占地面积过宽过长的问题应如何解决?
曾令可:首先,企业在保温材料的选用上应充分考虑成本问题。一条窑炉不可能用同一种保温材料,根据不同部位去使用不同的材料十分关键,企业应该要实现材料利用的最优化。
企业可以选用高效的保温材料或绝热材料,这些材料可以减少窑墙的蓄散热,而且可以大大地减薄窑壁的厚度,让窑壁的结构简单化。窑体热损失主要分为蓄热损失与散热损失。减少热损失的主要措施是加强窑体的有效保温,并且在保证窑墙外表温度尽可能低的情况下,选用最合理最经济的材料以获得最薄的窑墙结构。常见的保温材料有重质耐火砖、轻质保温砖、轻质陶瓷纤维等。
但是,我国在余热利用这方面还是比较欠缺的。我国陶瓷工业的能源利用率与国外相比差距也较大,发达国家的能源利用率一般高达50%以上,如美国达57%,而我国仅达到28%—30%。如果能把烟气及抽热风余热充分利用,陶瓷窑炉的能源利用率很有可能达到国外的先进水平。国外将余热主要用在干燥和加热助燃空气,我国余热利用则主要用于干燥和喷雾塔,但很多企业不会将余热利用起来。
仅烟气带走的热量和抽热风带出的热量就占总能耗的60%-70%。为防止瓷砖开裂,烧砖一定要进冷,要立刻鼓冷风,鼓冷风之后要抽热风,因此从热带到冷却带的余热所占能耗相当巨大。
其中,烟气中含有的热量占所消耗热量的30%—50%,但目前大部分企业的窑炉都没有进行有效的烟气处理,窑炉烟气中有害物质有SO2、NOx、粉尘等,造成污染环境、影响产品质量、腐蚀生产设备等问题。
现在我国有部分企业将烟气用于干燥窑,瓷砖刚压好,经过干燥窑,温度太高或水分散失太快都会造成开裂,而烟气水分高、渣滓多,水分不会干得太快,温度也不会升得太快,因此可用于干燥。但大部分企业不会完全将烟气用于干燥,原因在于烟气中含有大量的硫,如果不除硫的话则会腐蚀瓷砖。
因此,要加强余热利用,还要看技术改造、投资成本等。部分企业搞“热交换”,空气从钢管通过,烟气从旁边走过就把空气加热,空气再送到喷枪作为热风,将热风温度提高,从而达到节能降耗。但这前提是要看企业是否愿意投入大量的资金。
最后,窑炉的确不能无限地加宽加长,主要看设备的配件能否匹配;受厂房面积、生产成本的影响,窑炉的长度也会受到一定限制。
多层窑、自动化
是未来发展趋势
陶城报:关于窑炉的节能方面是否有标准?怎样的窑炉才称为节能窑炉?
曾令可:国家对不同窑炉的单位耗能要求都有标准。要考量窑炉是否节能,要根据不同的窑炉烧制不同的产品来考虑。首先必须考虑陶瓷产品是否充分利用了窑炉空间进行燃烧,在检测时应该要从这方面去评判能否达到最优的单位能耗标准。业内专家还会从窑炉的结构、控制方法、控制手段等方面去评判该设备是否节能。
陶城报:目前国内是否有专业的机构来检测窑炉?您是否也经常参与这样的检测工作?
曾令可:窑炉企业如果想申报产品认证,通常会邀请相关的专门检测机构与专家去检测、测试、认证窑炉达到何种节能标准。去年我与中窑公司合作拿下了广东省重大科技专项的申报项目,项目名称为《陶瓷行业碳减排关键技术集成创新示范》,中窑公司是在窑炉行业第一个拿下这个项目的企业。我们的主要目的是想把目前大家公认的有关节能降耗的技术集中在一起,在业内起到示范作用。
陶城报:对于不少陶瓷企业来说,在窑炉扩大产能的同时,又希望能达到节能减排的效果。对于现代的窑炉研发来说,有着什么样的要求?
曾令可:窑炉要达到节能减排、扩大产能、且成本较低等要求,但目前窑炉的结构仍不会有大突破,但烧成技术对陶瓷至关重要的,它不仅直接影响到产品质量、产量、成本和能耗,而且还决定着对环境的污染程度。如果将微波辅助烧结归为窑炉节能的一部分,将会有很大突破。
微波辅助烧结技术是通过电磁场直接对物体内部加热,而不像传统方法,热能是通过物体表面间接传入物体内部,故热效率很高,一般从微波能转化成热能的效率可达80%—90%,烧结时间短,因此可大大降低能耗达到节能效果。但在这过程中要注意防泄漏,毕竟辊道窑有很多漏空的问题,因此,结构、工艺、技术方法等方面都是相辅相成的。
在工艺技术方面进行改进还包括低温快烧技术和一次烧成技术。采用低温快烧技术:在陶瓷生产中,烧成温度越高,能耗就越高。快速烧成还可缩短整个生产周期,提高生产效率。实现低温、快速烧成,能充分利用燃料资源,提高窑炉及窑具的使用寿命。由于低温、快烧同传统烧成方法相比具有较大的优势,已成为各陶瓷生产企业追求的目标。但也应注意,采取这种烧成方法的前提是必须保证产品质量,并非任何情况下都能实现低温和快速烧成。
一次烧成技术是目前釉面砖、瓷质砖生产的最先进技术,是未来釉面砖生产技术的发展方向。目前在我国应用较少,但从某些企业的应用情况来看,已经取得了明显的经济效益。
陶城报:现在不少窑炉企业都在推双层窑炉和宽体窑,哪种窑炉符合未来的发展趋势?
曾令可:多层窑是未来发展的一个趋势,它不仅占地面积少、而且两条窑之间隔开,合在一起有中间层,这个中间层不散热,不会造成能源浪费。但目前操作比较麻烦,安装与维护会比较复杂,这些方面仍需改进。如果设备匹配的话,窑炉未来可以向更宽、更多层发展。干燥窑就是最明显的例子,现在已经发展到五层干燥窑了。
陶城报:有专家认为,国内窑炉在智能化方面做得不够,而智能化操作对于节能效果尤为重要,您是如何看待这一问题的?
曾令可:国内窑炉在智能化方面还是比较缺乏,例如自动化控制,目前很多窑炉企业都使用单回路控制系统,现在是一个回路要用一个仪表,如果用计算机的话就可以控制整个回路,不需要这么多仪表了。部分高级的应用和运算也可应用到计算机里。
窑炉智能化首先要实现窑炉的智能控制。目前随着燃料改变、温度变化等,仪表的控制仍需人工去调整,未来发展是系统能根据环境和工艺的改变来自动调整,调整时还根据工人的工作经验、心理状态来判断,这样容易造成调整的不精确。
使用自动监控技术是目前国外普遍采用的有效节能方法,它主要用在窑炉的自动控制系统,使窑炉的调节控制更加精确,对节能降耗、稳定工艺操作和提高烧成质量十分有利。同时,还为窑炉烧成的优化提供可靠的数据,先进的窑炉应配置自动点火、熄火监测、窑内压力监测等一系列监测仪器,从而可以保证窑内温度均匀性好,控制精度高,有利于制品快速烧成。
未来窑炉的智能化还可根据各个师傅调整仪表的经验来输入计算机内,利用模糊数学的原理形成一种系统“模糊模式”来调整。采用计算机模拟技术,对辊道窑各带的长度及结构形式、烧嘴的布置,冷热风入口与排烟口的分布以及气幕的设计等进行计算机模拟、研究和探索最佳烧成曲线。采用最佳烧成曲线,可以大大减少能耗、降低有害气体的排放、节约生产成本,最终达到节能减排、提高生产效率的目的。
大型企业
与科研机构联姻互惠
陶城报:作为材料学科的博导,几十年的教书育人换来桃李满天下,可否谈谈陶瓷热工专业人才的培养情况以及行业人才的需求情况?
曾令可:在窑炉研究方面,从上世纪80年代开始,我国各大院校主要从机理方面着手研究。随着陶瓷行业的发展,为了适应设备和工艺的更新换代,我们要去做大量的研究。
我们对陶瓷窑炉的消化和吸收都做出了自己应有的贡献。作为高等院校,在这个行业内起到了非常大的示范作用。但由于现在设备和工艺都慢慢成熟了,我们对窑炉的机理研究相对减少。以前都有专门的窑炉热工调研组,但现在都没有了。
随着设备与工艺的不断发展,我们以前走过的路对企业的启发性很大。中窑在车间建立实验室,里面有一条窑炉,能自动调试火焰形状和火焰长短等。企业意识到,要在技术上取得突破,就必须做某些试验。国外的大企业都有自己的研发中心,不能等人家做完自己才做,这样跟不上市场。目前国内企业已经意识到,要想做大做强,必须从机理等基础方面去入手,这是非常好的。
企业对技术研发重视,我们就可以把学生带到企业实验室里做实验。相比学校里面的实验模型,在企业做实验更加实际、更具针对性,容易产生效益。中窑与机构、学院交流十分密切,目前中窑辊道窑的年产量已达700多条,并热销到东南亚地区。
在人才培训方面,以前比较强调实践,但现在则强调机理研究等理论上的学习。对专业人才的培养不如以前,专业性不够。
陶城报:华南理工作为中国陶瓷行业人才的培育基地,对于陶瓷行业的发展作出了杰出贡献。目前,华南理工大学主要有哪些学科与陶瓷行业有关?
曾令可:我们对行业的贡献主要在于技术这方面,我们的专业包括有机、无机、金属、生物陶瓷、光电、玻璃等系别,主要以无机非金属材料为主。无机非金属材料专业的研究范围更广,包括水泥、陶瓷、玻璃等,而陶瓷则包括功能陶瓷、特种陶瓷、纳米材料等。由于陶瓷专业学习的课程内容很广,因此毕业生都能胜任陶瓷企业的工作。
陶城报:您目前是否有正在研究的课题和技术?
曾令可:是的,目前研究的内容主要包括窑炉节能、废料利用等,现在正在编写《微波加热技术与新材料的制备》,因为我对微波加热技术在陶瓷干燥、陶瓷烧成方面很感兴趣,而这几年我在这方面的研究也比较多。该技术的应用范围很广,特别是纳米材料。
我编写的《纳米陶瓷技术》、《非氧化陶瓷及其应用》、《陶瓷材料表面改性技术》《陶瓷废料回收利用技术》、《陶瓷工业实用干燥技术与实例》、《陶瓷窑炉实用技术》《计算机在材料科学与工程中的应用》等书籍已经出版了。
(录音整理 江维维)