工业陶瓷窑炉用离心通风机节能降耗浅析

陶瓷行业作为高能耗领域，窑炉离心通风机能耗占生产总能耗的15% ~ 20%，是节能降耗关键环节。本文结合陶瓷窑炉高温、连续运行的特殊工况，分析通风机能耗过高的核心成因，阐述节能降耗技术方案，结合实际案例验证策略可行性。研究表明，科学的节能措施可使通风机能耗降低15% ~ 30%，为陶瓷行业践行双碳战略、降低生产成本提供技术支撑，具有重要行业应用价值。

引言

陶瓷行业作为传统高耗能产业，在双碳战略深入推进、环保政策持续收紧以及房地产市场低迷的多重背景下，正面临着前所未有的转型压力。据2024年底《中国能源报》报道，瓷砖生产成本中燃料与电能消耗占比超40%，而我国陶瓷生产过程的能源利用率仅为40% ~ 50%，远低于发达国家60%以上的水平，能源消耗问题突出。

窑炉作为陶瓷企业生产的核心设备，不仅直接决定产品质量，更是企业能耗最高的设备，其干燥与烧成工序能耗占企业总能耗的60% ~ 80%。离心通风机作为窑炉燃烧介质供给与排放、生产过程粉尘与尾气处理等关键工序的核心配套设备，能耗约占窑炉总能耗的15% ~ 25%，部分生产线甚至高达30%。通风机的性能水平与能耗高低，直接影响陶瓷企业的生产成本与技术竞争力，因此通风机设备的节能降耗成为陶瓷企业实现绿色低能耗转型的重要突破口。

围绕工业通风机节能降耗技术，国内外专家学者开展了大量研究与技术升级，已形成以矢量变频、后弯式高效叶片设计、系统联动控制为核心的成熟技术体系，相关改造案例显示节能率可达12% ~ 30%。在陶瓷窑炉领域，部分企业虽已尝试通过风机更新换代、加装变频设备等方式降低能耗，但实践中仍存在技术适配性不足、性能参数匹配度低、系统协同性差、节能效果不达预期等问题。针对陶瓷窑炉高温、不间断运行、烟气介质成分特殊等工况的专用节能方案，其深度与广度仍需进一步深化。

基于此，本文聚焦陶瓷窑炉用离心通风机的节能降耗核心需求，结合窑炉工作特性与通风机运行规律，系统剖析能耗过高的核心成因，并通过实际案例验证方案的可行性与有效性，为陶瓷企业提供科学、可落地的节能解决方案，助力行业践行双碳战略，实现绿色低碳高质量发展。

1 陶瓷窑炉离心通风机的工作特性

陶瓷窑炉用离心通风机的工作特性紧密适配工业陶瓷生产过程的干燥、预热、烧成、冷却核心工序，需同时满足高温耐受性、介质适配性、连续运行稳定性三大核心要求。

1.1 对风量参数的适配需求

干燥工序是去除陶瓷坯体中的自由水与结合水，避免后续高温烧成时因水分蒸发导致坯体开裂，此工序要求气流温和、均匀，温度控制在80℃ ~ 120℃，配备的通风机需提供稳定的中低风量（12000 ~ 15000 m³/h），以保障水分快速、均匀蒸发，避免坯体表面结露或过度干燥。

预热工序作为烧成前的过渡环节，作用是逐步提升坯体温度（120℃ ~ 800℃），完成有机物燃烧、碳酸盐分解等预处理反应，减少烧成阶段的热应力，该工序温度梯度大且烟气中含少量粉尘与分解产物，要求通风机具有中高风量、风压特性，且所使用材料具备基础抗磨能力。

烧成工序作为工业陶瓷生产的关键环节，决定产品致密度、强度等核心性能，其工艺温度高达1000℃ ~ 1800℃（不同陶瓷材质差异显著），需维持窑内稳定氧化/还原氛围，通风机提供足量助燃空气（18000~25000 m³/h），精准匹配燃料燃烧速率，同时耐受高温（150℃ ~ 300℃）与含尘、含微量腐蚀性气体的介质环境。

冷却工序中，烧成的陶瓷制品需快速且可控降温，避免因降温速率过快产生热裂纹，该工序需大风量（20000 ~ 30000 m³/h）实现快速换热，要求通风机具备宽域风量调节能力，在保障降温效率的同时，避免温度波动对产品质量造成影响。

1.2 对风压参数适配需求

陶瓷窑炉管道系统复杂多变（图1所示），其产生的阻力损失通常为1800 ~ 3800 Pa，通风机需提供足够风压克服系统阻力，并应对温度变化产生的风压波动。在管道系统中，气体的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失（见2.2节），二者需分别计算后叠加得到总压力损失。结合陶瓷行业生产实践，通风机额定风压需预留5% ~ 10%，即适配2000 ~ 4200 Pa的风压范围，确保高温、高阻力工况下风量不衰减。

△图1 陶瓷窑炉生产线中的管道系统及离心通风机的应用

1.3 高温及烟气介质对材料的适配需求

窑炉烟气温度长期维持在150℃ ~ 300℃，部分瞬时峰值可达350℃，要求引风机叶轮和机壳采用不锈钢等高温稳定性强的金属材质，避免高温下的热变形，轴承需配备强制水冷却系统，控制运行温度≤ 80℃，保障连续工作的可靠性。

窑炉烟气中含釉料颗粒、石英砂粉尘、微量硫化物及水蒸气，对通风机构成“磨损和腐蚀”的双重挑战。烟气中粉尘浓度可达10 ~ 30 g/Nm³，长期运行会导致叶轮叶片磨损减薄（年磨损量可达0.5 ~ 1 mm，局部磨损可翻倍），破坏轮动平衡精度。为此，叶轮材质选用高Mn、高Cr材质，或采用堆焊及喷涂工艺在表面进行耐磨改性；在结构优化方面，叶片采用β₂ = 120° ~ 135°的后弯式结构，减少粉尘颗粒冲击角度，降低磨损速率，同时设置前置高效除尘器，严控进入风机的粉尘浓度≤ 1 g/Nm³。

烟气中微量硫化物与水蒸气结合形成酸性介质（pH = 4 ~ 6），导致碳钢部件锈蚀，尤其在叶轮和机壳焊缝、轴端密封等部位。针对该问题，通风机中与腐蚀介质接触部分采用304/316L不锈钢或在其表面进行防腐涂层处理，但因窑炉通风机特殊工况原因，涉及高温、耐磨、耐腐等要求，工程应用多采用不锈钢材质进行防腐。

1.4 连续运行工况对可靠、稳定性适配需求

工业陶瓷生产多采用24 h连续生产模式，要求通风机具备高可靠性、低故障率的特性，满足无故障年运行时间≥ 7000 h；轴承、叶轮、电机等核心部件需经过严格寿命测试，轴承设计寿命≥ 15000 h；风机运行振动满足G2.5级动平衡要求，符合GB/T 9239.1 - 2006《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求 第1部分：规范与平衡允差的检验》要求，避免因振动导致管道连接松动、窑炉温度波动；运行噪音符合GB/T 50087 - 2013《工业企业噪声控制设计规范》要求，具备过载保护、温度监测、故障报警等功能。

此外，窑炉的升温、降温阶段的温度、压力波动会导致风机工况点偏移，要求通风机性能曲线平缓，在高效区的风量覆盖范围大于额定风量的60%，即使工况小幅波动，仍能维持较高运行效率，避免能耗骤增。

2 陶瓷窑炉通风机能耗现状分析

窑炉系统是能源消耗的核心单元，能耗占陶瓷企业总能耗的60% ~ 80%，离心通风机作为窑炉系统的核心动力设备，能耗占窑炉总能耗的15% ~ 25%。

以年产1000 万㎡的陶瓷生产线为例，配置5 ~ 9台窑炉专用离心通风机，总装机功率达150 ~ 300 kW，年耗电量超120万 kWh。从工序能耗分析，烧成工序因需维持高温下的稳定助燃与烟气排放，风机长期处于高负荷运行，能耗最高约45% ~ 55%；冷却工序需大风量实现快速降温，通风机能耗占约为30% ~ 35%；干燥与预热工序通风机能耗占比相对较低，约为10% ~ 25%。

2.1 通风机选型及配置不合理

选型偏差是导致陶瓷窑炉通风机能耗过高的首要原因，行业内普遍存在保守选型思维，致使风机性能参数冗余过度。部分企业在风机选型时未精准核算实际工况参数，仅按理论最大值或瞬时峰值设定风量、风压，导致风机额定风量比实际需求高20% ~ 30%，额定风压冗余量达30% ~ 50%，甚至更多，严重超出通风机设计的经济使用范围（即通风机的高效率区间），如图2所示。例如某陶瓷企业烧成窑通风机选型风量25000 m³/h，而实际生产中平均风量仅18000 m³/h，冗余风量达28%，导致风机长期处于低负荷运行状态，运行效率降至50%以下。

选型过程中未考虑能耗问题，未选用专为窑炉设计的高效节能机型。例如，选型时采用前弯式叶片风机（效率≤ 70%）替代后弯式高效风机（效率≥ 83%），仅机型差异导致能耗增加18% ~ 25%。

部分企业为节省工程成本忽视电机能效等级，配用低能效电机，IE3级电机（能效值≥ 91.7%）较IE2级电机（能效值≥ 89.5%）可降低电机自身损耗5% ~ 8%，长期运行节能效果显著。

△图2 某型通风机性能曲线图及经济使用范围

2.2 通风机能耗损失分析

机械损失：通风机在运行过程中会产生机械损失，以叶轮圆盘损失为主，是叶轮两侧与蜗壳间填充流体回流运动造成的，如图3所示，其损失功率为

其中，D₂为叶轮外径，m；β为系数，与Re、相对侧壁间隙B/D₂、表面粗糙度有关，一般为0.81 ~ 0.88；u2为叶轮外径处切向速度，m/s。可见，叶轮圆盘摩擦损失与u2的三次方成正比，与D₂的二次方成正比。为降低∆Pdf，一方面，降低叶轮与机壳内表面粗糙度，可有效降低摩擦系数β，尤其是长时间工作窑炉通风机因粉尘和腐蚀造成的蜗壳内侧不平整；另一方面，优化叶轮与机壳间隙（B/D₂ = 2% ~ 5%），可有效降低回流损失。

△图3 叶轮圆盘损失示意图

容积损失：通风机在工作时存有高压区、低压区及不可避免的泄露区，由高压区流入低压区的这部分流体虽在叶轮中获得了能量，但却消耗在流动阻力上，该能量损失为容积损失∆P_容，由于叶轮出口压力高于入口压力，致使一部分流体经进风口与叶轮间隙回流至叶轮入口，如图4所示的q’V，此部分的泄漏量可以估算为：

其中，b和B分别为径向和轴向间隙，m；D₀为叶轮进风口直径，m；μ为流量系数，μ = 0.7；p为通风机全压，Pa。离心通风机的容积效率在85% ~ 95%。为优化降低容积损失，通风机进风口采用套口式间隙形式及合理的间隙尺寸b，因受限于窑炉通风机复杂工况及波动范围宽广的介质温度等条件，过小的尺寸b易造成动、静部件的碰撞与磨损。

流动损失：介质气体从通风机进风口到出风口的过程中会受到诸多流动阻力，产生流动损失，主要由两部分组成，一是摩擦阻力损失和局部阻力损失；二是工况变化造成的冲击损失。流动损失一般由沿程阻力损失和局部阻力损失构成。沿程阻力损失是气体沿流道流动时，因粘性摩擦导致的压力下降，核心公式为Darcy - Weisbach公式，适用于所有流动状态，仅需根据Re调整摩擦系数λ，沿程压力损失为：

其中，λ为沿程摩擦系数，与雷诺数Re、流道粗糙度相关；L为流道长度，m；D为流道内径，m；ρ为气体密度需根据温度、压力修正，kg/m³）；v为气体平均流速，m/s。为工程应用上的简便运算，当气体流速较低（v < 10m/s）、压力变化较小时（∆Pf < 0.1 P，P为管道内平均压力），可忽略气体压缩性认为ρ为常数，直接用Darcy - Weisbach公式进行计算；若压力变化大，则需考虑气体压缩性，采用“等温流动”或“绝热流动”修正公式。局部损失是气体流经流道过程遇转弯、截面变化造成边界层分离而产生的损失，其通用公式为：

其中，ζ为局部阻力系数，可通过查阅《供热工程手册》或《流体力学泵与风机》等工程手册得出（表1为常见局部阻力系数）；v为局部阻力处下游气体平均流速，m/s。

△图4 管道局部突变造成的局部压力损失

△表1 常见局部阻力系数ζ近似取值

冲击损失一般发生在通风机非设计工况工作时。通风机在设计工况下运转时（qV = qVd）,此时流体流入角β与叶片进口安装角度β_1g一致，冲角i = β_1g - β = 0，如图5所示。若qV < qVd时，则β_1g > β，为正冲角，流体介质冲击叶片工作面上，会在非工作面产生涡旋；反之，qV > qVd时，则β_1g < β，为负冲角，流体介质冲击非工作面，在工作面上产生涡旋。造成的冲击损失与流量的平方成正比为：

其中，K为冲击损失系数。

△图5 叶片入口处的冲击损失

离心通风机的流动损失较机械损失和容积损失大，其效率一般在0.7 ~ 0.85之间，可采用以下优化途径：合理设计叶片流道结构，尤其是叶片进、出口部位，并使风机在设计工况条件下工作；改良叶片成形工艺和焊接技术（如图6所示），优化流道及叶片的粗糙度；提高检修质量，及时对叶轮内部的粘灰进行清理；优化通风机进、出口区域的管路布置，使其符合流体动力学要求。

△图6 叶片及蜗壳机器人自动焊接技术

2.3 设备老化造成的性能衰减

陶瓷窑炉通风机长期运行于高温、含尘、腐蚀性介质环境，有些通风机因安置需求须放置在室外，如图7所示，设备老化与性能衰减速度较快，直接导致能耗上升。

叶轮性能衰减：烟气中高硬度粉尘（石英砂、釉料颗粒）长期冲刷叶轮，导致叶片磨损、厚度减薄（年磨损量达0.5 ~ 1mm），叶片型线被破坏，同时积灰导致叶轮动平衡精度下降（从G2.5级降至G6.3级以上）。据测试，叶轮磨损1 mm 后，风机风量下降8% ~ 12%，风压降低10% ~ 15%，运行效率下降15% ~ 20%，为维持原有工况，电机负荷被迫增加，能耗上升20% ~ 30%。

△图7 离心通风机室外运行

密封性能下降：高温工况导致风机轴端密封、机壳法兰密封老化失效，漏风率从初期的3% ~ 5% 上升至10% ~ 15%，不仅导致有效风量损失，还会破坏窑内压力平衡，迫使风机提高输出功率补偿漏风损失，每增加1%的漏风率，风机能耗上升1.2% ~ 1.5%；部分风机因轴承润滑不足、高温老化，机械损耗增加，电机运行电流上升5% ~ 10%，进一步降低加剧通风机能耗。

设备更新滞后：陶瓷行业通风机平均使用年限达8 ~ 12年，部分老旧设备超期服役，其出厂设计效率较低≤ 70%，且随着性能衰减，实际运行效率不足60%，但企业因短期成本压力未及时更新，导致长期高能耗运行。

2.4 管网结构造成的能耗损失

通风机能耗不仅取决于设备自身性能，还与窑炉的管网系统的匹配度密切相关，因窑炉生产线结构及空间布置问题，行业内普遍存在风机与管网协同性差的问题，造成管网内沿程损失和局部损失加剧（参考2.2中风机内部流动损失部分）。管网阻力设计不合理，窑炉通风管网存在弯头过多（单条管网弯头数量超8个）、管径突变、管道过长等问题，导致管网阻力损失比合理设计高出30% ~ 50%。例如某陶瓷企业烧成窑通风管道采用90°弯头6个，局部阻力损失达800 ~ 1000 Pa，为克服额外阻力，通风机需提高风压输出，能耗上升25% ~ 35%。部分管网未定期清理，积尘导致管道截面积缩小10% ~ 15%，阻力进一步增加，形成风机高负荷、低效率的恶性循环。

陶瓷窑炉生产线辅助设备适配不当，除尘器、换热器等辅助设备与通风机性能不匹配，例如除尘器过滤风速过高，导致阻力损失激增，超出风机高效区风压范围；换热器换热效率低下，导致烟气温度异常升高，风机需应对更高温度下的性能衰减，能耗间接增加10% ~ 15%。多窑炉生产线中未建立基于总负荷的协同调节机制，导致部分风机过载运行、部分风机低负荷运行，系统整体运行效率降至65%以下，比协同控制状态能耗高15% ~ 20%。

（以上资料来源：山东鸿宇风机有限公司提供）