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科技树之争——工业窑炉发展史I

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-2-26     浏览次数:    

    人类窑炉的发展与硅酸盐材料的历史是分不开的。从今天起我们就来说说工业窑炉是如何发展演化的。在这里我们可以把窑和炉来做一个区分了,窑和炉还是稍微有点区别的。在所谓的窑中,被加热的物质与加热介质是明显分开的,不直接与加热介质接触。而炉恰恰相反,炉中被加热介质要么直接与热源接触。

要说到窑炉就不能不说火了,最早的火焰应该是木材燃烧导致的,火焰温度可以达到600摄氏度,这个温度加热食物绰绰有余,也可以用来冶炼部分金属。对于当时的人类来说是完全绰绰有余的,以至于现在的非洲土著依然没有演化出更高大上的燃烧技术。

在距今12000-7000年前,人类进入了陶器时代,早期的陶器就是用富含硅酸盐以及铝酸盐的陶土,加水成型后在火焰下进行烧制。烧成温度一般来说和陶土的特性有关,好烧的陶土土烧结温度也就在700-800℃。但是这个温度对于人类来说稍微有点困难的,主要是由于火焰会与周围空气换热导致温度难以提高。为了烧制陶器,人类不得不开始思考燃烧保温问题,最早的窑炉诞生了。

土窑诞生可以说非常早,至少是在新石器时代。从现有情况来看,至少在公元5000年前,人类就已经做出了比较复杂的窑炉,也就是我们所说的横穴窑,这种窑炉的温度可以说烧制陶器是绰绰有余了。于此同时,对于燃料方面也进行了改进,由于木材热值低,后续的窑炉主要采用木炭作为燃料了。

如图所示的恒穴窑,在新石器时代晚期就已经出现了,其主要特点就是燃烧与加热部分分开,在窑下端燃烧,产生的烟气进入窑内加热陶器。

横穴窑出现后的2000年中,人类对窑炉进行了进一步的改进,这个改进主要是在通风方面,早期的窑炉都是自然通风的,当窑炉内空气不足的时候,木炭燃烧不充分就难以达到预定温度。为了补充窑炉内的空气,就采用了强制通风的方法,于是乎风箱被发明了出来,对应的人类开始有意识地加工制造风嘴,窑炉内温度进一步提高。到了商周时期,人类已经在窑体内达到1000℃以上的高温,这样炼铜炼铁与烧制青瓷也就成为了可能。

现在我们来说一说东西方窑炉在发展路线上的区别,实际在窑炉方面我国在相当长的一段时间内还是领先于时代的。前文说道由于矿产资源不同,中国于西方对于无机材料的使用走向了两个路线,中国由于高岭土等资源丰富,走向了陶瓷这个技能。而西方由于火山与水晶较多,最后走向了水泥和玻璃这个技能点。这也间接导致了东西方窑炉技术走向两个不同的方向。

长期以来西方对于窑炉的要求实际上不高,首先西方基本不自产瓷器,一般用陶器,铁器甚至还一度使用铅制备容器。另外比较重要的一点就是西方人偶然地发现了玻璃,而早期的玻璃的冶炼温度只有800℃,所以长期以来西方窑的改进动力一直不大。

   

   和现在的玻璃不同,早期的玻璃因为烧成温度低因此透明度不高,要得到今天玻璃的透明度,烧成温度要到1200℃左右,因此玻璃作为光学元件用于望远镜与显微镜已经是十六世纪以后的事情了。中国古代实际上也有使用玻璃的记录,但那实际上是铅钡玻璃,与我们现在观念中的玻璃是两个概念。

而中国就不同了,在秦汉时期,中国窑炉的烧成温度就已经能够达到1200-1300℃,同时,在烧制过程中还能对窑炉内的气氛进行控制。这一时期的窑形主要以龙窑与馒头窑为主。这个一般与地形有关,据说是北方多平原,因此一般以馒头窑为主,而南方山多,可以直接依靠山势做出龙窑。

见于中国南方的龙窑,一般依托山的斜坡建造,呈长条形。烟气从窑体底部自下而上穿过,连烟囱都省了。用我们反应工程的说法,这龙窑有点像管式反应器,充分利用了烟气的热量,整体能耗小。

龙窑发展到了宋代后渐渐演化成了阶梯窑,也就是所谓德化窑,德化窑是有4-6间窑室串联起来来的。也可以理解为在龙窑内部增加了隔断,将龙窑分成了几段。相对于龙窑,德化窑结构进行了改进,窑体可以做的更大,可以烧制更大的瓷器,同时热效率也明显提高。到了南宋时期,景德镇出现了镇窑,镇窑最大的特点就是出现了保温层。在窑体内壁与外壁之间做了一层缝隙,里面都是空气,整个窑体保温能力更强,热量损失更小,这一时期窑体内的温度已经能达到1400℃了。

中国窑炉先后经历的龙窑,阶梯窑与镇窑几个阶段的演变。可以说在保温性能,气氛控制,窑炉结构与体积方面中国窑炉是远远领先于同时代的西方的。但是非常可惜的一点,之前说过了我国的窑炉一般用来烧制成品,而西方窑炉一般用来烧制粉料,这最终导致我国窑炉在发展上长时间无法点出一个关键的技能点,那就是连续化生产。连续化生产至少窑实现物料的连续进出,这一点来说粉料更容易实现。同时也容易导致出现其他的衍生成果,比如说流态化技术。而实现成型物料的连续操作窑等到20世纪隧道窑出现了。

非常可惜的是,由于中国基础科学非常薄弱,尽管在一个时期生产技术上处于领先,但是很快发展就遭遇了瓶颈,自明代以后中国窑炉的发展就没有出现进步。不久以后,欧洲发生工业革命,很快在窑炉技术方面实现了弯道超车。

首先,从18世纪中期开始,西方开始有了水泥的需求,这时候就需要对水泥进行烧制了,最早的水泥烧制采用的是立窑,也就是烧石灰用的。到了1877年的时候出现了第一台回转窑,至此水泥工业基本成型。

   

   水泥回转窑基本结构是一个圆柱形不断旋转的筒,筒又一定倾斜,随着筒转动粉料可以不断排出,从而实现粉料可以连续进出。回转窑内衬耐火砖保证其在高温下可以使用。回转窑窑头配有燃烧器,利用空气吹起流态化的煤粉进行燃烧提供热量。

回转窑的出现也不是一蹴而就的过程,如果大家还有印象的话我们说制碱的时候就又提到路布兰制碱所用的设备,这严格意义上应该叫回转煅烧炉,与我们现在概念的回转窑还是有差别的,这实际上是回转窑的雏形之一,在这一套系统中就实现了窑体的转动与物料的连续进出。只不过制碱的碳酸氢钠分解过程温度只需要200℃左右,因此窑体结构非常简单,没有燃烧器与耐火砖等结构。。

而一开始回转炉出现的时候并没有被直接用于水泥工业中,究其原因有两点。首先水泥这个行业大概开始发展就是再18世纪末期。回转炉刚刚出现的时候人类对水泥的配方才稍有了解。另外就是水泥烧制温度高,同时耐火砖衬里的技术还不发达,1400℃的高温不是那个时候的金属可以承受的。此外对应的煤粉燃烧技术也需要一定的积累。因此,直到回转炉出现100年后,它才被用于水泥工业。


来源:YEBOSS的化工知识大杂烩

 


 

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