基于隧道窯窯體散熱分析提出窯爐節(jié)能改造措施

■韓文祥，奉杰，朱群敏 ■江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

1 引言

隨著改革開(kāi)放30多年的發(fā)展，中國(guó)磚瓦工業(yè)也發(fā)生了巨大變化，原材料豐富多樣化、產(chǎn)品節(jié)能化、設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)化、窯結(jié)構(gòu)改造提升化、規(guī)模產(chǎn)量上升化。但隨著我國(guó)節(jié)能減排任務(wù)的加重，磚瓦行業(yè)也積極響應(yīng)貫徹落實(shí)國(guó)家墻材革新與建筑節(jié)能的各項(xiàng)方針政策，將磚瓦工業(yè)節(jié)能減排列入議事日程。梁嘉琪［1］在當(dāng)前我國(guó)燒結(jié)磚隧道窯發(fā)展中的問(wèn)題與探討中指出當(dāng)前我國(guó)磚瓦行業(yè)隧道窯的發(fā)展問(wèn)題主要是缺乏對(duì)隧道窯基本概念上的系統(tǒng)知識(shí)，存在粗制濫造、低水平重復(fù)建

設(shè)現(xiàn)象。張翠清等［2］在工業(yè)鍋爐及窯爐節(jié)能減排技術(shù)途徑與關(guān)鍵問(wèn)題分析中指出實(shí)現(xiàn)工業(yè)窯爐節(jié)能的主要途徑有運(yùn)行控制技術(shù)、法規(guī)政策以及能效監(jiān)測(cè)和管理。2013年李江［3］等對(duì)湖南科輝墻材磚廠(chǎng)隧道干燥窯熱平衡測(cè)試進(jìn)行分析，但文中并未詳細(xì)分析干燥窯體散熱情況，僅提出需增強(qiáng)干燥窯的保溫效果。鑒于當(dāng)前我國(guó)磚瓦產(chǎn)品生產(chǎn)熱效率低，單位產(chǎn)品綜合能耗高，而窯體是磚瓦生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，因此研究減少窯體散熱損失必能促進(jìn)磚瓦行業(yè)節(jié)能減排偉業(yè)發(fā)展。

2 窯體測(cè)試方法與設(shè)備

對(duì)窯體表面散熱損失測(cè)試的方法主要依據(jù)JC/T 428－2007《磚瓦工業(yè)隧道窯熱平衡、熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》［4］、JC/T 429 －2007《磚瓦工業(yè)隧道窯 －干燥室體系熱效率、單位熱耗、單位煤耗計(jì)算方法》［5］以及《磚瓦》雜志社的《燒結(jié)磚瓦干燥室窯爐熱工設(shè)計(jì)原理》［6］。首先將窯體外表面劃分為若干個(gè)矩形面，同一面上個(gè)點(diǎn)溫度值最大值與最小值之差不大于3℃，每個(gè)面的中心作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在測(cè)定周期內(nèi)每隔6h測(cè)定一次，熱平衡計(jì)算取各次測(cè)定的平均值。窯體表面溫度及周?chē)臻g溫度采用紅外測(cè)溫儀測(cè)定，紅外測(cè)溫儀見(jiàn)圖1所示，其測(cè)溫范圍為 －50～1000℃，誤差為 ±1．0℃，空間溫度誤差±0．5℃。矩形面積采用量程為5m，精度為1mm的卷尺測(cè)量。窯體表面散熱損失計(jì)算如下:

圖1 紅外測(cè)溫儀圖

式中abi——第i次測(cè)得的窯體表面綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K);

k——決定于散熱面位置的對(duì)流傳熱系數(shù)。側(cè)向散熱面取9．20，水平向上的散熱面取11．71，水平向下的散熱面取6．27;

tbi——第i次測(cè)得的窯體表面溫度，K;

tki——第i次測(cè)得的與測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的空間溫度，K;

ε——窯體表面發(fā)射率，可查《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版上冊(cè)36－37頁(yè);

qbsi——第i次測(cè)得的全窯表面平均散熱流量，kJ/(m2·h);

abi1、abi2……abin——分別為第i次測(cè)得的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的窯體表面綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K);

tbi1、tbi2……tbin——分別為第i次測(cè)得的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的窯體表面溫度，K;

tki1、tki2……tkin——分別為第i次測(cè)得的與各個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的空間溫度，K;Fb1、Fb2……Fbn——分別為各個(gè)測(cè)點(diǎn)所在矩形的面積，m2;

Qbs——相應(yīng)于單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品的窯體表面散熱量，kJ;

n——測(cè)定次數(shù);

A——以單位質(zhì)量產(chǎn)品為計(jì)量單位的窯的小時(shí)產(chǎn)量。

3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)按照公式(1)、(2)、(3)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同窯體表面散熱損失占窯總熱量損失的百分?jǐn)?shù)

圖3 單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品內(nèi)燃料的燃燒反應(yīng)熱及窯體表面散熱量

從圖2中，可以看出4#窯的窯體表面(文中窯體包含窯頂外表面、窯墻外表面、窯門(mén)外表面、煙道外表面、投煤孔外表面等)散熱損失占窯總熱量損失的百分?jǐn)?shù)最大，依次是1#、2#、3#。由此可知，4#窯的窯體表面散熱損失部分具有明顯降低空間，其次是1#、2#、3#。減少窯體表面散熱損失，就意味著可以減少內(nèi)燃料的燃燒反應(yīng)熱，即減少輸入熱量，窯爐熱效率也必定會(huì)提高。

從圖3中，可以看出窯體表面散熱損失趨勢(shì)與內(nèi)燃料的燃燒反應(yīng)熱一致，也可以說(shuō)單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品摻入內(nèi)燃料的燃燒反應(yīng)熱越多，窯體表面散熱損失也就越多，但并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。因?yàn)楦G體散熱損失Q散

式中Q散——單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品窯體表面散熱損失，W;

Tin——窯體內(nèi)表面溫度，K;

To——窯體外表面溫度，K;

A——以單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品為計(jì)量單位的窯的小時(shí)產(chǎn)量;

λ——窯體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);

δ——窯外厚度，m;

F——窯體外表面面積，m2。

我們知道，窯體內(nèi)表面溫度Tin與單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品摻入內(nèi)燃料的燃燒反應(yīng)熱有關(guān)，內(nèi)燃料摻的越多，窯體內(nèi)表面溫度就越高;反之越低。而相同大小窯的表面積變化很小，假定窯體外表面溫度To在環(huán)境中不變，因此要減少窯體表面散熱損失的主要因素有:

(1)控制摻入的內(nèi)燃料量。隧道窯生產(chǎn)的熱量輸入主要是內(nèi)燃料，內(nèi)燃料摻入越多，測(cè)出窯表面溫度越高，窯表面散熱損失越大。因此，為減少窯體散熱損失，可通過(guò)量熱儀測(cè)試坯體熱值，控制內(nèi)燃料的摻入量。

(2)提高窯的小時(shí)產(chǎn)量。磚瓦焙燒生產(chǎn)全程在隧道焙燒窯和干燥窯及其相關(guān)設(shè)施加上自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制等設(shè)備構(gòu)成一個(gè)磚瓦焙燒自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備協(xié)調(diào)配合，工藝要求的質(zhì)量和產(chǎn)量才能達(dá)到最佳效果。

(3)窯體保溫和密封。常用材料有:聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料、巖棉、微孔硅酸鈣、珍珠巖等。它們的導(dǎo)熱系數(shù)處0．025～0．05W/(m·K)范圍內(nèi)，是較好的保溫隔熱材料。

(4)在經(jīng)濟(jì)合理、制造可行的情況下，盡可能增加窯體厚度。從傳熱學(xué)角度考慮，窯體厚度越厚，傳熱熱阻越大，熱量損失就越少。

4 結(jié)論

通過(guò)四家窯體測(cè)試對(duì)比分析，得出窯體散熱損失主要影響因素有煤摻入量、窯的小時(shí)產(chǎn)量、窯體的保溫及窯體厚度等。提出相應(yīng)解決措施:(1)通過(guò)量熱儀測(cè)試坯體熱值，監(jiān)控內(nèi)燃料的摻入量;(2)生產(chǎn)過(guò)程采用自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制設(shè)備，確保設(shè)備配合協(xié)調(diào);(3)加強(qiáng)窯體的保溫和密封;(4)適當(dāng)增加窯體的厚度。

［1］梁嘉琪．當(dāng)前我國(guó)燒結(jié)磚隧道窯發(fā)展中的問(wèn)題與探討［J］．磚瓦，2010，7∶80 －86．

［2］張翠清，杜銘華，郭治，俞珠峰．工業(yè)鍋爐及窯爐節(jié)能減排技術(shù)途徑與關(guān)鍵問(wèn)題分析［J］．中國(guó)能源，2008，2(30):17 －20，41．

［3］李江，曹小林，彭好義，陳立勇，朱金明等．湖南科輝墻材磚廠(chǎng)隧道干燥窯熱平衡測(cè)試［J］．磚瓦，2013，3∶22 －23．

［4］JC/T 428－2007．磚瓦工業(yè)隧道窯熱平衡、熱效率測(cè)定與計(jì)算方法［S］．

［5］JC/T 429－2007．磚瓦工業(yè)隧道窯－干燥室體系熱效率、單位熱耗、單位煤耗計(jì)算方法［S］．

［6］《磚瓦》雜志社．燒結(jié)磚瓦干燥室窯爐熱工設(shè)計(jì)原理［M］．