熊灿光 王慧 曾令可

摘 要：当前，我国累计堆存固体废弃物总量约为600 ～ 800亿吨。发泡陶瓷作为一种变废为宝、环保节能的绿色建材，它的产业化可以消耗大量堆存的固体废弃物。但由于生产工艺及关键设备的技术瓶颈，发泡陶瓷在大规格、高强度保温材料的烧成方面还没有完全突破。关键是新型大规格、高强度的发泡陶瓷用的窑炉产能还相对较低，烧成能耗仍较高。不论辊道窑或是隧道窑均有发展空间，所以本文重点概述了烧成发泡陶瓷用的两种窑炉的研究现状及发展前景。

关键词：辊道窑;隧道窑;发泡陶瓷;固体废弃物利用

1 背 景

目前，我国的建材行业总体生产产能过剩，传统建材产品占主导地位。其中多数产品耗能高，生产效率低，并在生产过程中产生大量废弃物，对生态环境造成严重危害。据报道，我国每年产生的工业固废已超过30亿吨，综合利用率仅为50%左右，累计堆存的工业固废物总量约600 ～ 800亿吨。如何综合高效处理利用这些固废物，减少环境污染和推广新型绿色建材已经成为建材行业发展的迫切需要。发泡陶瓷作为一种变废为宝、环保节能的绿色建材，与传统的外墙保温材料相比，具有质轻、隔音、热传导率低、高抗拉、抗压、防火、耐老化等的优越性能。据统计，以日产量200 m3为例，每条发泡陶瓷生产线每年就可综合利用工业废渣约3万吨。“发泡陶瓷”并不是一个新兴概念，其技术研究始于20世纪70年代，直至2000年前后才开始工业化量产，但由于生产工艺及关键设备的技术瓶颈，发泡陶瓷始终无法在大规格、高强度保温材料方向取得突破。因此，急需研制出新型大规格、高强度的发泡陶瓷用的高效节能窑炉，这对优化资源利用、节能降耗、保护环境具有积极意义。近年来，国内陶瓷行业开发研制发泡陶瓷用的陶瓷窑炉方面，注重应用高科技与新技术，尤其在结合节能、提高烧成效率、缩短烧成周期、提升发泡陶瓷产品烧成质量等方面，积累了许多成功经验，形成了多项专利与技术发明。

据不完全统计，国内有已20多家发泡陶瓷生产厂家25条生产线生产发泡陶瓷，其中用于外墙保温釉面装饰灰白色发泡陶瓷生产厂家有4家，用于室内外装修的轻质发泡陶瓷生产厂家约有8家，供需相对旺盛。

2 发泡陶瓷烧制用辊道窑

2.1 发泡陶瓷烧制用辊道窑的技术性能参数[1]

2.2 发泡陶瓷烧制用辊道窑的主要结构[1]

发泡陶瓷辊道窑是一种陶瓷产品的连续烧成设备，从长度上分为不同的功能带：排烟带、预热带、烧成带、急冷带、缓冷带、尾冷带。预热带、烧成带合为氧化烧成段，急冷带、缓冷带、尾冷带合为冷却段。窑炉分段图见图1。

（1）排烟带

在此工作段，坯体将蒸发残留的表面水。本带没有布置烧嘴，窑内的温度通过调节各组排烟支管阀门开度来调节。窑内温度由窑顶的热电偶测得，工作温度在200 ～ 500℃范围内。

（2）预热带

坯体在预热带运行过程中，随着温度的升高，坯体发生一系列的物理化学反应，主要有结晶水排除、有机物及碳素的氧化、碳酸盐的分解、晶型转变等。此带需要充足的氧气和合适的温度，否则会使烧出的坯体氧化不均匀而发生黑芯现象。

预热带的前部一般没有设置烧嘴，在预热带的后部箱体下部设置了烧嘴和烧嘴控制组。在实际生产过程中可根据工艺温度曲线的要求点燃烧嘴或不点燃烧嘴。这样调节更方便和灵活。

（3）烧成带

烧成带前部继续进行氧化分解反应。随着温度的升高，坯体形成玻璃相及莫来石相并在高温条件下烧结。此带的烧成温度由砖坯配方决定，窑内的温度要均匀，这样才能很好地保证坯体发泡均匀。

此带每个窑段设置9个烧嘴，每8个烧嘴由一个执行器控制。执行器自动调节燃气量而控制烧嘴的发热量。

（4）急冷带

急冷可防止液相析晶、晶体长大，从而提高坯体的机械强度，同时可达到缩短冷却时间的目的。

急冷带分若干组，进入窑内总的风量由风机变频器自动调节，分组支管由手动控制，方便调节入窑风量的比例。急冷风支管分上下打入窑内，交错布置。

由于急冷段温度比较高，窑内急冷风管需采用耐热的不锈钢材料制造。急冷风机鼓出的冷空气通过急冷管上的小孔进入窑内。每根急冷管前部设置调节阀来调节急冷风量。

急冷第一段下部设置人孔方便检修。

（5）缓冷带

坯体600℃以下，坯内液相开始凝固，石英晶型转变引起体积收缩导致坯体内部应力集中，因此需控制冷却速度。此带采用间接冷却的办法。因为冷风不直接打入窑内，所以窑压不受影响，同时也达到了使坯体缓慢降温的目的。

窑外的冷空气从间冷管的一端吹入，另一端抽出。根据烧成曲线，间冷分为若干段，可以根据要求自动控制每段的风量大小。

抽热风机通过上部吸风罩将窑内的热风排出，风量的大小由风机变频器控制。每个吸风罩的风量可由阀门来调节。

（6）尾冷带

此带温度范围100 ～ 350℃。在每节框架侧面交叉安装冷风管。一定的冷风通过冷风管进入窑内与缓冷带或尾冷带抽出的熱风混合后均匀吹向坯体，使坯体在出窑前尽快冷却下来。

2.3 发泡陶瓷烧制用辊道窑结构的研究状况

辊道窑是陶瓷工业中优质、高产、低消耗的先进窑型，因此，很多陶瓷企业研制发泡陶瓷用的辊道窑，并积累了很多成功经验。

广东科达洁能股份有限公司研制出一种大规格发泡陶瓷用辊道窑装置并申请了专利，其对辊道窑的优化 [1-2]主要是以下几点：

（1）窑炉三带比例的优化

常规的建筑瓷辊道窑分段比例为（%）：排烟段：氧化烧成段：冷却段=15：45：40，科达洁能公司综合考虑发泡陶瓷特性，设计出适用于发泡陶瓷烧成的温度段分段比例为（%）：排烟段：氧化烧成段：冷却段=5.7：39.6：54.7，使产品烧成周期由原来的24 h缩短至8 ～ 16 h，并提高了日产量和降低单位产品能耗。

（2）发泡陶瓷用的窑具

由于发泡陶瓷布料最大的规格达到了1860 mm×3080 mm，烧成用棚板需由多块堇青石-莫来石板拼接而成。但窑炉辊棒运行中存在跳动，若直接放棚板至辊棒上滚动，棚板易被拉开而影响产品规整度。为了克服这个难题，科达洁能公司设计了一套“双层碳化硅梁+垫板”的窑具结构，让碳化硅梁托起整个窑具和产品在窑炉的长度方向上前进。产品四周用堇青石-莫来石支撑板首尾相连围成一个封闭的内腔，这就可以生产更大规格的产品，改善产品运行平稳性，减少其通过窑内而产生的故障率。为了使窑具能在窑内不偏向，在碳化硅梁上设计一种小卡口结构让窑具平直地前进。

（3）特殊燃烧系统

产品是放在棚板上烧成的，由于棚板吸热快，发泡陶瓷制品吸热慢，这就产生上下温差，使得粉料中的有机物未分解完而影响产品质量。

为了克服这个问题，科达洁能公司设计了一套吻合发泡陶瓷工艺曲线的特殊燃烧系统。并在前面预热段下部每节布置4支烧嘴，使氧化段底温要高于面温100℃以上。在中高温段每节辊棒上下布置有8支烧嘴，且辊下底枪离辊棒面高度降低、辊上面枪离辊棒面升高以及烧成后段保温过度段延长。通过这些设计，防止了因产品规格过長而使得前半部无烧嘴降温过快，并减少了产品烧成时的上下温差。

为了防止缓冷段冷却过快而产生应力，在急冷过渡到缓冷处布置多组烧嘴对产品进行保温。

（4）热风循环冷却系统

在中部缓冷段上设置两个抽热风机。抽热风机抽取一部分急冷段的热风和一部分快冷段的冷风，通入中部缓冷段内部，保证整个窑炉内部的气氛平衡和压力平衡，一方面保证产品合理烧成的冷却要求，实现热风的循环使用，节约能源;另一方面，保证窑炉内部压力平衡，防止窑炉内部的气流倒流。

2.4 烧制发泡陶瓷保温板用多段式辊道窑

洛阳北玻硅巢装备技术有限公司[3-6]研制出烧制发泡陶瓷保温板用多段式辊道窑，该多段式辊道窑由两端具有开合炉门的烧成段、急冷段和缓冷段依次连接而成，且烧成段、急冷段和缓冷段均有若干节窑体拼接而成。这种设计可实现窑炉各段单独调节参数。下面对多段式辊道窑各段分析如下：

（1）多段式辊道窑的烧成系统[4]

发泡陶瓷烧制用辊道窑烧成系统采用电加热方式，包括依次连续的预热升温段和烧成段，且预热升温段和烧成段均由若干节窑体连接而成，每节窑体内均具有中空腔室，腔室内设置有用于盛放发泡陶瓷原料的匣体、用于传输匣体运动的辊棒输送装置（至少一组）以及用于加热的电加热装置。这个系统的优点主要有：省去了窑车和窑具，减少了能耗和污染物。

（2）多段式辊道窑的急冷段[5]

多段式辊道窑的急冷段由若干节窑体连接而成，每节窑体内均具有中空的腔室，腔室内设置有用于盛放发泡陶瓷原料的匣体、用于传输匣体运动的辊棒输送装置以及用于向窑体内吹入冷却风的鼓风装置，辊棒输送装置至少两组，每组辊棒输送装置的上方和下方均设置有一排与辊棒输送装置平行的吹风管组。通过这些设计，这套装置能够使冷却风均匀吹散在各层匣体及发泡陶瓷坯体表面，使每一层发泡陶瓷坯体的各部分均匀快速降温，也使多层发泡陶瓷坯体同时冷却，提高发泡陶瓷产品的产量和质量。

（3）多段式辊道窑的缓冷段[6]

多段式辊道窑的缓冷段由若干节窑体连接而成，每节窑体内均具有中空的腔室，腔室内设置有用于盛放发泡陶瓷原料的匣体、用于传输匣体运动的辊棒输送装置以及用于向窑送装置传动方向的两侧各设置有一套加热元件，每组辊棒输送装置的上方和下方均设置有一排与辊棒输送装置平行的吹风管组。通过冷却管向缓冷段吹风冷却，通过两侧的加热元件进行温度补偿，从而使冷却风气流均匀吹散在各匣体以及发泡陶瓷坯体表面，形成扰动流场，使各部位均匀降温，提高冷却效果和冷却效率。

2.5 用微波热辐射喷枪烧制发泡陶瓷辊道窑

广西旭腾实业集团有限公司[7]发明了高效节能自动化辊道窑，该辊道窑由窑体、输送装置、供热系统、助燃排烟系统和集散控制系统等组成。窑体分为预热区、氧化区、高温烧成区和冷却区;输送装置为设于窑体内由上至下设置的三层输送辊道;供热系统由位于窑体两侧的燃气管路、氧气管路以及微波热辐射喷枪组成;助燃排风系统包括排烟单元、余热利用单元以及抽气降温单元。通过集散控制系统对输送装置、供热系统、助燃排烟系统中各个单元进行自动化控制，提高了能量利用率和温控能力，从而解决发泡陶瓷制品产能低、温度不均匀的技术问题。

2.6 金意陶集团佛山三水基地轻质发泡陶瓷砖生产基地

金意陶集团佛山三水基地轻质发泡陶瓷砖生产基地作为广东省内第一个轻质发泡陶瓷砖生产线，目前从原料加工、布料、发泡烧成、冷加工到包装均实现了高度智能化生产。

轻质发泡陶瓷板材以陶土尾矿，陶瓷碎片、废渣等掺入发泡剂等作为主要原料，采用先进的生产工艺和发泡技术，在高达1300℃高温下焙烧而成高气孔率的闭孔陶瓷材料。产品适用于建筑内隔墙、外墙保温、防火隔离带等。产品具有保温、隔热、轻质、体薄、隔音吸音、抗震、防水防潮、防火、无毒、无辐射、高强度、可钉可挂等优势。目前，金意陶公司在轻质发泡陶瓷板材的研发、生产工艺水平均走在行业前端。如图3所示。

2.7 烧制发泡陶瓷辊道窑能耗

在现有工艺方面，企业大多采用辊道窑生产工艺，产能约120 立方米/天，天然气单位能耗约120 m3/m3左右。

3 发泡陶瓷烧制用隧道窑

隧道窑和辊道窑一样都是连续式窑炉，但是其生产耗能远大于辊道窑。以一次烧成釉面砖为例，隧道窑的热耗为5000 ～ 9000 kJ/kg，而辊道窑只需1500 ～ 2500 kJ/kg[7]。由于这个原因，比较少企业会专门开发专门烧制发泡陶瓷的隧道窑。

3.1 隧道窑的基本结构

任何隧道窑都可划分为三带：预热带、烧成带、冷却带。干燥至一定的水分的坯体入窑，首先经过预热带，受来自烧成带的烟气预热，随着温度的升高，坯体发生一系列的物理化学反应，主要有结晶水排除、有机物及碳素的氧化、碳酸盐的分解、晶型转变等，然后进入烧成带，烧嘴喷出的火焰及燃料燃烧生成的产物加热坯体。坯体在烧成带中形成玻璃相及莫来石相并在高温下烧结。燃烧产物自预热带的排烟口、支烟道、主烟道经烟囱排出窑外。烧成的产品最后进入冷却带，将热量传给入窑的冷空气，产品本身冷却后出窑。被加热的空气一部分作为助燃空气，送去烧成带，另一部分抽出去作坯体干燥或气幕用。隧道窑的三带比例会因产品、烧成工艺、窑炉结构与工作系统的不同而有很大差别，三带的比例范围一般为：预热带35% ～ 45%，烧成带20% ～ 35%，冷却带30% ～ 40%。隧道窑的结构与工作系统既可以简单也可以复杂，一般可分为五个部分：窑体、燃烧系统、排烟系统、冷却通风系统、输送系统。

为了实现节能降耗的目标，目前的隧道窑预热带中后段上部装有喷风管，下部设置烧嘴，代替传统的搅拌气幕和循环气幕，有效克服了预热带上下温差的问题，且能灵活地调节预热带的升温制度;冷却带有急冷送风、窑尾送风和抽热风设备，急冷风除了起到冷却坯体的作用外還有阻挡烧成带烟气倒流作用，急冷风和窑尾鼓入的冷风都由抽热风机抽走，达到平衡时，控制冷却带的冷风进入烧成带，容易保持烧成带的烧成温度和气氛。

3.2 发泡陶瓷烧制用隧道窑的研究状况

（1）微波加热隧道窑烧制发泡陶瓷

当以煤炭类为发泡剂制备发泡陶瓷时，在烧成前期采用传统的加热方式（燃气喷嘴）对坯体进行加热，无法将煤炭类发泡剂完全烧掉，发泡陶瓷制品易产生黑心、溶洞等缺陷。为了解决这个问题，辽宁利盟高科新材料有限公司[8]研制了一款制备发泡陶瓷的微波加热隧道窑。该隧道窑在窑体外壳的顶部安装若干微波源，用于对发泡陶瓷制品进行微波加热。由于微波具有穿透力强、利于内部加热及均匀加热物件的特点，发泡陶瓷的内外温差较小，在低温氧化期间陶瓷原料中的碳元素能有效地被烧掉，从而提高发泡陶瓷制品的质量和产量，降低发泡陶瓷制品的烧结成本。

（2）隧道窑叠烧方法

在发泡过程中，由于发泡时间较长，且受到重力的影响，下层气孔会被压扁，使得产品的整体均匀性不好。此外，现有隧道窑都是单层堆烧，并且基本是手动操作，需要大量的人力。 为解决上述问题，广东科达洁能股份有限公司[9]发明了一种发泡陶瓷轻质板材的隧道窑叠烧方法。该叠烧方法为：①将瓷砖抛光废渣、粘土、长石、发泡剂、二氧化锰按配比混料，并经球磨、喷雾干燥得到粉料;②隧道窑的窑车安装了支架，支架上设有至少三层匣体，将粉料在匣体上进行布料成型，窑车的结构见图4;③将窑车推入隧道窑进行多层叠烧处理，烧成温度为1150 ～ 1220℃，烧成周期为15 ～ 24 h。这种方法可实现低温快烧，并且烧成的发泡陶瓷轻质板材在同一断面上，从上至下的气孔无差异，气泡均匀性高。

（3）微波热辐射喷枪烧制发泡陶瓷

广西旭腾实业集团有限公司[10]发明了高效节能自动化隧道窑，该隧道窑由窑体、窑车、窑车推送装置、供热系统、助燃排烟系统和集散控制系统所组成。窑体分为预热区、氧化区、高温烧成区和冷却区;窑车由车身底座、立柱、横梁、支撑梁、耐高温隔板和挡板组成，其中，立柱和横梁采用了耐高温碳化硅/莫来石/堇青石/陶瓷材料制造，隔板和挡板采用莫来石/堇青石材料制成;供热系统由位于窑体两侧的燃气管路、氧气管路以及微波热辐射喷枪组成;助燃排风系统包括排烟单元、余热利用单元以及抽气降温单元。通过集散控制系统对窑车推送装置、供热系统、助燃排烟系统中各个单元进行自动化控制，提高了能量利用率和温控能力，从而解决发泡陶瓷制品产能低、温度不均匀的技术问题。

德力泰认为在发泡陶瓷方面的绿色化生产上，还有很大的发展空间。以德力泰在辽宁抚顺罕王承建的第一条泡沫陶瓷生产线为例，该生产线采用了新型的高速等温烧嘴，再加上DBS节能技术的配合，在能耗节省方面得到了实质性的突破。此外，德力泰推出的三层隧道窑产能可达到300立方米/天，天然气单位能耗为85 ～ 100 m3/ m3，在产能和能耗方面对发泡陶瓷的生产进行升产降耗。德力泰公司针对发泡陶瓷专门推出了泡沫陶瓷整线设备和DFT系列三层超宽体泡沫陶瓷隧道窑。由于发泡陶瓷属于粉料成型，在窑炉设计上选用了隧道窑提高装载密度。窑炉配备的烧嘴能达到180 m/s，装载式设计也使得这款新式窑炉比传统窑炉节约20%的燃料和25%的电耗。

（4）摩德娜多功能隧道窑

摩德娜在今年陶博会展位上展出的多功能隧道窑是随着发泡陶瓷和微晶玻璃一次烧成的技术兴起而逐渐发展出的一种新型隧道窑。该种新型隧道窑可以用于各种多层烧制中的高温工业陶瓷，如发泡陶瓷、微晶玻璃、蜂窝陶瓷、陶瓷膜等。窑炉长度根据产量要求最长可达300 m以上，窑炉宽度根据产品要求最宽可达4 m以上，装载高度根据产品特点最高可达2 m以上。用户可以根据自己工厂的生产实际需要，增加或减少很多窑炉的功能模块，以实现性能和价格的最优搭配。特别在高耗能的发泡陶瓷领域，该型窑炉更凭借其装载量大、装载稳定、产品合格率高、能耗低等优点占据着不可撼动的市场地位。

摩德娜的多功能隧道窑有以下三个方面的技术特点：

① 在运转方式上，该窑炉采用间歇式进窑，即每次进一车长度的距离，然后停下，根据产量和烧成周期的要求，停预定的时长，再进行下一次动作，窑车与窑车之间预留有火道，窑车停止时，烧嘴中心正好位于窑车与窑车间的火道中心，防止对产品的冲刷。为提高上下温度的均匀性，窑内窑压设置较高，并且窑头设有密闭室，使窑炉的压力控制更加平稳。

② 在控制方式上，窑炉的烧成控制采用流量比例控制，每个控制区域分上下两个控制组分别进行温度、流量的采集和燃气、助燃风流量大小的控制。并且在窑炉的排烟段、预热段和烧成段都布置有在线式氧含量分析系统，对各段烧成效果进行实时监测，并可通过自动修正空燃流量比例来自动调节烧成过程。

③ 在冷却系统上，冷却系统区别于以往的简易冷却，适当延长了急冷段长度，将冷却的降温曲线纳入控制系统，并采用上下分层冷却控制和脉冲控制等各项新技术，以消除由冷却不均或对流不足造成的内应力释放不充分、产品开裂等问题。循环冷却系统应用于急冷后的缓冷段，用合理温度的空气增加产品表面的对流，使产品内部的应力得以缓慢释放。

（5）瑞朗陶瓷

广东瑞朗陶瓷有限公司凭借积淀深厚的研发实力及快速响应的先发优势，于2019年6月14日正式启用“发泡陶瓷”生产线。生产线主要采用工业废弃物、尾矿、石粉、粉煤灰、压榨泥等原料，经工艺配比后进行生产，烧成设备采用国际上先进的三层窑炉，窑长达428 m，日产能超300 m3，完全满足发泡陶瓷连续式、大产量的生产需求，该生产线以“高产、高效、稳定、低维护”为研发目的，克服了市场上现有产品稳定性差、故障率高、不能满足大批量生产需求的弊端。

在当前比较惨淡的建陶市场环境下，大力提高自身生产技术水平，正是企业提升市场竞争力最有效的手段，加上政府优惠政策的有力支持、媒体的推广，发泡陶瓷正呈现出积极、强劲的发展势头。瑞朗陶瓷投入大量人力物力进行研发，取得了重大技术突破，设备及工艺成熟稳定，完全满足客户“稳定高效高产”的需求。

4 结 语

一般来说，辊道窑的节能效果优于隧道窑，而隧道窑又优于梭式窑，而且对于生产大规格发泡陶瓷来说，选择辊道窑和隧道窑来烧成是比较合适的，因此陶瓷企业主要开发研制发泡陶瓷用的辊道窑和隧道窑。

一条先进的窑炉凝聚了燃烧技术、材料技术、节能技术、信息处理技术、自动控制技术等多领域的研究成果，高新技术引领窑炉技术发展的新潮流。比如，窑炉的自动化实际就是将DCS（集散控制系统）应用到窑炉中。因此，对于窑炉的开发，必须重视基础科学的研究，大胆吸收其它行业科研成果，并把这些成果运用到新型窑炉设计与研制中来，从而保证窑炉设备的先进性。

参考文献

[1] 廣东省科达洁能股份有限公司.新产品鉴定申请资料.2018.

[2] 潘建环，彭星星，陈水福.一种大规格发泡陶瓷用辊道窑装置：中国专利，109341333A[P].2019-02-15.

[3] 邵宏农，马义生，崔建保，孙凡军.一种烧制发泡陶瓷保温板用多段式辊道窑：中国专利，107917615[P].2018-04-17.

[4] 邵宏农等.一种发泡陶瓷烧制用电加热辊道窑烧成系统及使用方法：中国专利，107940989[P].2018-04-17.

[5] 邵宏农，马义生，崔建保，孙凡军. 一种发泡陶瓷烧制用速冷段辊道窑：中国专利，107940988[P].2018-04-20.

[6] 邵宏农，马义生，崔建保，孙凡军. 一种烧制发泡陶瓷用缓冷段辊道窑：中国专利，107906950[P].2018-04-13.

[7] 黄聿新.一种高效节能自动化辊道窑：中国专利，107843113[P].2018-03-27.

[8] 毛必明等.一种用于制备发泡陶瓷的微波加热隧道窑：中国专利，205316961[P].2016-06-15.

[9] 林智.一种发泡陶瓷轻质板材的隧道窑叠烧方法：中国专利，108996990[P].2018-12-14.

[10]  黄聿新.高效节能自动化隧道窑：中国专利，207635836[P].2018-07-20.