目前，隧道窑的设计，多采用经验数据。本文试以传热理论来探讨隧道窑的结构特性及其相似性能，研究烧成带长度和合理分布烧嘴，以提高热利用系数的问题，并找出热利用系数和隧道宽度，高度与长度间的关系其相似原则，供设计隧道和用模型法研究隧道窑时参考。

隧道窑各带的划分：

    隧道窑各带的划分应该按煅烧物料（不是气体）在窑中进行反应过程的阶段来决定。在陶瓷耐火材料烧成窑中，一般分为预热带、烧成带及冷却带。物料入窑至900℃（或另一温度）的一般为预热，900℃至最高烧成温度的一般叫烧成带，最高烧成温度至出窑的一般叫冷却带。由于界限温度的选取无一定标准，因此同一窑，划分的各带长度也不一样。实际上，带的划分与顶窑墙分段砌筑和减少热损失有关，也与烧嘴分布有关。因此，直接按烧嘴的分布划分各带比较合理：烧嘴分布的一般叫烧成窑，以前的一般叫预热带，以后的一般叫冷却带。

    那末，烧成带应该多长，烧嘴分布的长度应该如何决定？目前有的隧道窑自低温开始至最高度止，设有很多对烧嘴（有达40对者）。这样，并不能解决预热带温度不均匀的问题。而有的烧嘴集中在不长的一般高温范围内，效果好，易自动控制。

    烧嘴的合理分布，可使窑的热利用系数高，废气带走的热损失小，单位重量产品的热耗低。现在分下列几种情况来讨论，讨论时假定物料的烧成温度不变，采用的燃料、空气过剩系数、实际燃烧温度、在预热带及烧成带漏入的空气过剩系数，以及通过窑墙窑顶损失热之百分数均保持一定不变。

(一)燃烧在料垛间隙中进行

    下面介绍煅烧耐火材料及一些建筑材料的窑

    一般耐火材料隧道窑，两个窑车接头处，料垛间留有空隙，煤气喷嘴对准该空隙喷出煤气及一次空气，燃烧在该空隙中进行，间隙长度在300-500mm，宽度及高度则与隧道相同。这个间隙刚好能烧完一对烧嘴出的煤气（实际上煤气有一部分在窑墙洞道中燃烧，也有一部分在料垛内外通道内燃烧），现在为讨论方便起见，考虑燃烧只在两个窑车料垛间隙中进行，而间隙的大小又恰等于燃烧所需之空间。采用下列符号：

B-----------隧道宽度，m;

H-----------隧道高度，m;

l_燃--------两车料垛间隙长度，m;

q----------空间热强度，30000×4.1868 kJ/m³ h;

N_燃---------沿窑长分布烧嘴的对数;

Q_燃----------燃烧放出之热量,KJ/h;

n-------------d在一个垂直横截面上,料垛所有气体通道总宽度,m;

m------------在一个垂直横截面上,料垛所有气体通道总高度,m;

L-------------预热带及烧成带的全长,m;

U-------------预热及烧成带气体对物料的平均传热系数,×1/0.86W/m²K;

t-------------预热及烧成带气体与物料的平均温度差,℃;

Q_燃-----------物料获得的热量,kJ/m2 h ℃

    -----------热利用系数,燃烧放出之热,被物料利用的%。

Q_燃------------=H B（N_燃l_燃）q

Q_料-------------2（n＋m）L U t

 

    （1）如果(U. t)变动不大，则a＝＝常数。

1.假定隧道的宽度和高度按同样比例变更

H  B又假定料垛气体通道的总宽度与隧道宽度成正比n m B H由（1）式可得：

    （2）式中b――常数。

(a) 如果烧嘴对数按窑长成正比例增加，分布烧嘴的窑长部分占预热和烧成带全长的百分数不变，两车接头处料垛间隙的长度又不变，则

＝常数，

    （3）式中 C――常数。

    由此可得出结论：两条隧道窑，如果分布烧嘴的窑长部分占全窑长度的百分数不变，则热利用系数与窑的宽度（或高度）成反比，即窑愈宽愈高，热利用愈差，废气带走的热量愈大，单位产品热耗大。故设计时应考虑到截面积小的窑最为经济。

    如果两条窑的宽度和高度相同，长度不同，但分布烧嘴的长度占全窑长的百分数相同，其热利用系数相同。此时物料在窑内停留的时间相同，而窑的生产能力则与窑长成正比增加（因每小时燃烧发出之热及物料获得之热都与窑长成正比）。

   （b）如果烧嘴对数不按窑长成正比例增加，即窑长增加，烧嘴对数仍保持不变，分布烧嘴的长度不变，料垛间隙长度也不变，则N_燃l_燃＝常数

   （4）式中 d――常数。

    由此可得出结论：只要烧嘴的对数及其分布的长度不变，料垛间隙长度不变，隧道的宽度、高度和长度，以及料垛气体通路的总尺寸，可以按同样比例增加或减小，其热利用效率相同。如果物料的性质规格一定，则单位重量产品的热耗不变。这是设计隧道窑的一个重要原则，利用这一相似性，科研砌筑较小的窑来模拟生产用的大窑。当然，高度的增加应在上下温差允许的范围内；宽度的增加，应保证火焰达到隧道中心；长度的增加，不能使废气温度太低。这一类型的窑，每小时燃烧发出之热及窑的生产能力都与隧道的横截面积成正比，而与长度无关。窑车行进速度应相同，物料在窑内停留的时间与窑长成正比。又如两隧道窑的宽度和高度相同，但长度不同，而分布烧嘴的长度相同（烧嘴对数相同），由（4）式看出，B不变，L增加，则较长之窑有较高的热利用系数。

2.如果隧道高度不随宽度而变

H＝常数，M＝常数，n B。则由（1）式可得：                  

（5）式中f――常数。(a)当＝常数，

   （6）增加隧道宽度，会降低热利用系数。这种窑自由宽度不变，才有相似性。此时公式(6)和公式(3)表示的意义相同。因燃烧空间∝B•L，则传热面积在宽度方向∝B•L；传热面积在高度方向∝L。(b)当（N燃 l燃）=常数则                                  

（7）式中 k₁及k₂――常数。

    增加预热带及烧成带的全长，或全长与宽度按同一比例增加，都可提高热利用系数；增加隧道窑的宽度，会降低热利用系数。这种情况在热利用系数方面无相似性，只有长、宽、高全部相同时，热利用系数相同。

    因燃烧空间∝B，则

    传热面积在宽度方向∝B•L，

    传热面积在高度方向∝L。

   （二）燃烧在料垛外部的火箱中（窑墙火箱）进行（用匣钵烧陶瓷的窑）。

    因Q_燃不受隧道内的空间限制，热利用系数随传热面积的增加而增加，传热面积为匣钵柱的周围面积，与隧道的宽度×高度及长度×高度成正比。

   （8）式中   K――常数。

只要火箱喷出的燃烧产物能达到隧道中心，加大隧道宽度，可提高热利用系数（实际上因连续码匣钵，火焰不易喷入隧道中心，限制了隧道宽度）；在允许的上下温差范围内，增加隧道高度，可以提高热利用系数；增加预热带及烧成带的长度，也可以提高利用职权系数，但过长使离窑废气温度过低， t减少，传热效果差，又降低了热利用系数。

这种窑在热利用系数方面无相似性，大窑和小窑的热利用系数显然不同。

几种隧道窑的分析比较

隧道窑的生产能力大，单位产品热耗低，机械化自动化程度双高，因此，在硅酸盐工业中，如煅烧卫生陶瓷、粘土砖、耐火材料、电瓷等广泛采用这种窑。建国以来，我国就兴建了不少隧道窑，按结构特性（参考建筑材料工业1962年6期）分类比较，进行热工分析，以找出设计和操作上的共同原则，以及存在的问题和解决办法，供有关单位参考。

（一）烧制卫生陶瓷的隧道窑

    烧制卫生陶瓷的隧道窑以1号窑和2号窑进行分析比较。其规格及各种参数列于表3-1。1号窑是参考国外隧道窑规格长度比1号窑短，尚未投入生产。

1. 从表3-1可看出，两窑隧道的宽和高大致相等，燃烧室的总体积及烧成带的长度基本相同，如果两窑用同样煤气，在过剩空气系数和燃烧条件相同的情况下烧制同样的卫生陶瓷，则每小时发出的热量应该相同，每昼夜出车数也相同，所以原设计都是20辆。

2.来1号窑由每昼夜推20车提高到30车，如果出30车的热工制度合理，则2号窑同样可以由推20车提高到推30车。此时必须扩大燃烧空间的体积，增加煤气燃烧量。原设计窑墙燃烧室可以烧完全部煤气，提高产量后，应有一部分煤气在料垛间燃烧，料垛必须保证足够的燃烧空间（或改变燃烧条件，提高空间热强度），在窑内料垛（匣钵）传热面积未变，如果实际火焰温度不变，提高产量后，热利用系数可能降低，废气温度可能升高，单位产品的热耗可能有所提高。如果燃烧空间不够，不能增加每小时的煤气燃烧量，则提高产量必然增加废品率。

3.2号窑的预热带比1号窑短28m，传热面积差很多，如果两窑每昼夜出车数相同，则1号窑废气温度比较低，单位产品的热耗较低，因而实际上1号窑可以快些推车。如果在生产实践中，两窑每昼夜推车数相同，而2号窑的废气温度又不高，则证明1号窑预热带过长是不必要的。预热带过长，气体与物料温度差少，传热效果差，废气温度降不了多少，推测速度增加不大。如果2号窑的废气温度太高，单位产品的热耗过大，则证明预热带的长度是不够的。

（二）烧制粘土砖的隧道窑

3、4号窑的预热及烧成带长度几乎完全相同，因此在相同的燃烧条件下，传热面积及每小时发出的热量相同，窑的小时产量也相同，热利用系数、废气温度和单位产品的热耗都相同。

4号窑的冷却带比3号窑增长了21m，如果两窑鼓入相同量的冷气，则4号窑的产品可冷却至较低的温度，空气可预热至较高温度。但如能增加冷却带鼓风量，即使不增加冷却带长度，也能降低产品出窑温度。因为增加空气量，增大冷却带对流传热系数，因而能降低产品的出窑温度。如将冷却带的热空气抽出作干燥用，也不致影响烧成带的温度降低。

3号窑原设计是2小时出1车，后来改为1小时出1车，产量提高了。但快推每小时的煤气燃烧量也必须相应地增加，将料垛稀码扩大燃烧空间，或改变燃烧条件，提供空间热强度，可以达到这个目的。如果分布烧嘴的烧成带烧不完这些煤气，势必有一部分煤气在预热带燃烧。发热量虽然增加了，但预热及烧成带的传热面积没有增加（甚至4号窑还略有减少），则热利用系数降低，废气温度高，单位产品的热耗可能增加。如果燃烧不了相应的煤气量，则快推必将增加废品。只有在增加了每小时的煤气燃烧量，而又提高了实际火焰温度的情况下，才有可能快推并降低单位产品热耗（参考“建筑材料工业”，1961年第18期）。

 

表3-1

指   标	单    位	1 号 窑	2 号 窑
窑    长	m	116	80
隧道内宽	m	1.626	1.65上
			1.70下
隧道内高	m	2.01	2.038
预热带长	m	50	22
烧成带长	m	20	22
冷却带长	m	46	36
容车辆数		58	40
车    长	m	2.0	2.0
车    宽	m	1.714	1.75
每车装产品重	标准间	26.5	24
每车装产品重	kg	260	240
实用烧嘴数	对	7(25~35)车	12（12～22）车
窑墙燃烧室总体积	m3	11	11
煤气用量	nm3/h	2，060	2，000
煤气热值	kj/Nm3	1250×4.186	1250×4.186
烧成时间	h	70	48
每昼夜推车数	辆	20	20
生 产 率	Kg标准煤/h	215	200
单位产品煤耗	Kg标准煤 /kg瓷	1.70	1.78
烧成最高温度	℃	1，200	1，200
码坯：钵柱间距	㎜	40～60
码坯：钵柱距墙	㎜	80
码坯：钵柱距窑顶	㎜	60

 

表3-2

指    标	单    位	3 号 窑	4 号 窑
窑    长	m	60	78
隧道内宽	m	3.0	3.0
隧道内高	m	1.9	1.9
预热带长	m	21	21
烧成带长	m	18	15
冷却带长	m	21	42
容车辆数		20	26
车    长	m	3.0	3.0
车    宽	m	3.1	3.1
每车装产品重	T/车	15	15
实用烧嘴数	对	6(15~20)车	5（15～19）车
窑墙燃烧室总体积	m3	0.8	0.8
煤气用量	Nm3/h	2400～2700	2400×2700
煤气热值	kj/Nm3	4.186×1350	4.186×1350
烧成时间	h	40	52
每昼夜推车数	辆	12	12
生 产 率	t/h	7.5	7.5
单位产品煤耗	kg标准煤/kg产品	0.08	0.08
烧成最高温度	℃	1300	1300
码坯：两车间料垛间隙	㎜	300～500	300～500
码坯：有效断面	％	30～50	30～50
码坯：		1.5	1.5

 

 

 表3-3

指    标	单    位	5 号 窑	6 号 窑
窑    长	m	60	78
隧道内宽	m	3.0	3.0
隧道内高	m	1.9	1.9
预热带长	m	21	21
烧成带长	m	18	15
冷却带长	m	21	42
容车辆数		20	26
车    长	m	3.0	3.0
车    宽	m	3.1	3.1
每车装产品重	T/车	15	15
实用烧嘴数	对	6(15~20)车	5（15～19）车
窑墙燃烧室总体积	m3	0.8	0.8
煤气用量	Nm3/h	2400～2700	2400×2700
煤气热值	kj/Nm3	4.186×1350	4.186×1350
烧成时间	h	40	52
每昼夜推车数	辆	12	12
生 产 率	t/h	7.5	7.5
单位产品煤耗	kg标准煤/kg产品	0.08	0.08
烧成最高温度	℃	1300	1300

 

（三）烧制电瓷的隧道窑

    用于烧制电瓷的6号和5号窑的比较见表3－3。6号窑是恢复重建的，生产正常。5号窑是按国外标准规格新建成试生产的。

5号窑在预热带及冷却带有独立的离心式通风机，造成气体循环，减少截面上下温差，并在18车位由氧化进入还原处，34车位由还原进入氧化处造成空气幕。6号窑无这些设备。5号窑采用喷射泵抽送冷却带热空气至烧嘴作一次空气用，而6号窑则用离心式通风机代替喷射泵。5号窑有全套自动控制设备，6号窑则无。5号窑有封闭的检查坑道，6号窑无检查坑。

1.5号窑的截面积为6号窑的 1.54倍，预热及烧成带匣钵传热面积，当钵柱支数相同，钵径随窑尺寸变化时，5号窑为6号窑的：长×高＝1.24×1.22＝1.50倍，或 高×宽＝1.22×1.25＝1.50倍。

该两窑烧成带的长度（分布烧嘴的长度）相差不多，5号窑的设计，煤气几乎全在料垛间燃烧，而6号窑墙燃烧室足以烧完全部煤气。如果5号窑料垛间（匣钵柱间）的空隙能够使烧成带每小时的煤气燃烧量恰为6号窑的 1.54倍，则5号窑的发热能力和传热面积均为6号窑的1.54倍左右，在实际火焰温度，产品最高烧成温度不变，每昼夜出车数又相同的情况下，两窑具有热相似性。热利用系数相同，单位产品热耗可能相同，废气温度可能相同，而5号窑的生产率则为6号窑的1.54倍（与横截面积成正比）。以上情况是假定料垛密度相同。

2.6号窑目前每昼夜出12车，操作正常。5号窑如果码坯符合上述要求，每昼夜出12车是合理的。如果5号窑原设计每昼夜出16车合理，则6号窑可提高生产率，也可每昼夜出16车。3.5号窑采取稀码，夸大烧成带的燃烧空间，使煤气燃烧量超过6号窑的1.54倍，则有条件加快出车，提高生产率。但传热面积未增加，热利用系数因而降低，废气温度可能提高，单位产品的热耗可能增加。

    6号窑也可令一部分煤气在料垛间燃烧，以提高生产率，但同样窑注意单位产品热耗的增加。

4.对冷却带的传热面积来说，5号窑未6号窑的：

     长×高＝1.6×1.22＝1.95倍，或

     高×宽＝1.22×1.25＝1.50倍。

    如果两窑每昼夜出车数相同（料垛密度相同），通入冷却带的空气，5号窑未6号窑的1.54倍，则5号窑对产品冷却更有利。

5.以上是根据该两窑的结构特性分析比较作出的论断。在生产实践中，6号窑是符合设计指标的。但5号窑由于码坯极不合理，钵柱间未留气体通路，无足够的燃烧空间，料垛阻力大，不能通过足够的空气，燃烧不完全，燃料消耗为原设计的2倍以上，还原气氛过重，废气温度过高（大于300℃）又因鼓不进足够的空气来冷却产品，产品出窑温在300℃以上，不能抽热空气去干燥用，气体循环及气氛幕的通风机也不能使用，大量煤气漏入检查坑燃烧，检查坑温度高达400℃，烧毁窑车，产量低，质量差。

经改进操作制度，合理稀码料垛，热工制度立即达到正常指标。废气温度低于200℃，产品出窑温度低于100℃，检查坑温度低于100℃，煤气消耗减至原设计数值，能抽热空气去干燥用，气体循环及气氛幕也能使用，提高了产量和质量。

6号窑气体通路的有效断面占隧道截面的15～20％，沿窑宽度及长度方向钵柱间距离为20～30㎜。

（四）结语

1.如果隧道窑以烧嘴分布的长度叫烧成带，则烧成带不必过长，一般自900℃以上至最高温度区域可分布烧嘴。但烧成温度越高，可自更高的温度起分布烧嘴。156m长以下的隧道窑，烧成带长度可以在24m以下。

    预热带可以有一些补充烧嘴，使隧道截面温度分布均匀。但这样效果并不大，可利用气体循环装置使截面温度分布均匀。

2.在采用同样的煤气，同样的过剩空气系数及同样的燃烧条件下，烧制同样的产品，如果实际火焰温度不变，产品最高烧成温度不变，则根据窑的结构特性，可得出下列结论：

(a)烧成带长度相等的窑，其长、宽。高可以按同样比例增加或减少(例如5、6号窑)，结果具有热相似性，每小时出车数相同，单位产品的热耗相同，而窑的生产率则与隧道的截面积成正比。以上是燃烧空间能按隧道截面积增加的情况。如果外部火箱完成燃烧，燃烧空间又不随隧道截面积而变，则两窑无热相似，大窑小窑热利用系数不同。

(b)烧成带长度相等，隧道宽度及高度也相同，只是预热带长度不同的窑(例如1、2号窑)，具有相同的发热能力，相同的生产率。但较长的窑热利用系数较高，因而实际上可以提高一些产量。不过当短窑废气温度已达到要求温度以下(200℃)，则证明较长的预热带是不必要的。如果短窑废气温度过高，单位产品热耗过大，则证明短窑的预热带长度不够。

(c)预热及烧成带长度相等，隧道宽度及高度也相同，只是冷却带长度不同的窑(例如3、4号窑)，长窑产品冷却较好，废气利用较好。但不增加窑长而增加冷却带鼓风量也能达到同样的效果。抽出冷却产品的热空气作干燥用，对烧成带温度无影响。当烧成带要求一次空气预热至较高温度时，应考虑减少鼓入冷却带的空气量。

3.窑的结构虽然确定，但码坯可以改变燃烧空间的大小。料垛稀码，两车料垛间隙增大，为快烧提供了必要的条件。不过传热面积未增加(甚至有些减少)，单位产品的热耗可能提高。

同一窑同一物料快烧时，只要提高实际火焰温度时才有可能降低单位热耗。

任何隧道窑都应该寻找一个最合理的热工制度，使产量、质量和单位产品热耗都达到最合理的条件。

4.陶瓷隧道窑多设计煤气在窑墙燃烧室中燃烧，也可设计煤气在料垛间燃烧。耐火材料煤气多在料垛间燃烧。在料垛间燃烧，温度较均匀，因而隧道可宽些。目前煤气在料垛间燃烧的窑，隧道最大宽度达3.0m。煤气在窑墙燃烧室中燃烧时，隧道最达宽度达2.0m。是否还能增加隧道的宽度，尚须进一步研究。

具有窑墙燃烧室的窑，有一定潜力可挖，煤气可以有一部分在料垛中燃烧，但要注意单位产品热耗是否增加。

5.烧成带一般控制在“0”压附近的正压，预热与烧成带交界面第1对烧嘴外可控制为“0”压。但要控制还原气氛的窑，还原带均应处于正压，以免吸入冷空气破坏还原气氛。

 

 

 

 

 

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