燃燒實驗與陶瓷窯爐過?？諝庀禂?shù)檢測數(shù)據(jù)分析

江海東

摘 要：根據(jù)煤氣燃燒實驗和典型陶瓷輥道窯爐的測試數(shù)據(jù)，分析過?？諝庀禂?shù)對于窯爐能耗影響和目前陶瓷輥道窯爐運行當中不同燃燒區(qū)域過剩空氣系數(shù)的情況，最后提出輥道窯爐空氣過剩系數(shù)的分段控制和窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計的建議。

關(guān)健詞：過?？諝庀禂?shù)；輥道窯爐

1 引言

陶瓷產(chǎn)品種類繁多，佛山地區(qū)以生產(chǎn)瓷質(zhì)磚為主，數(shù)十條瓷質(zhì)磚輥道窯爐以燃用發(fā)生爐煤氣和天然氣為主。建筑陶瓷工藝決定其產(chǎn)品燒成過程采取弱氧化氣氛，所以燃燒中的氧化劑——空氣（氧氣）要相對過剩，但該部分過剩的空氣又會在燃燒后帶走燃燒產(chǎn)生的顯熱，這勢必造成熱能的浪費[1]。歷來關(guān)于輥道窯爐的助燃空氣配比對窯爐能耗的影響研究眾多，減少過量空氣輸入降低過剩空氣系數(shù)有利于節(jié)能降耗已成為共識，但目前窯爐鮮見配置相應檢測儀器，實際窯爐運行當中對該指標無檢測，司爐人員基本不考慮過量助燃空氣引起的能耗變化。

輻射管實驗爐的加熱模式雖然與輥道窯爐不同，但其燃燒工況的爐溫變化實驗數(shù)據(jù)可借鑒進行輥道窯爐的燃燒系統(tǒng)分析，其數(shù)據(jù)直觀印證了降低過?？諝庀禂?shù)有利于降低能耗。同時，對佛山和周邊地區(qū)的典型陶瓷輥道窯爐的過?？諝庀禂?shù)進行檢測，對比輥道窯爐的不同運行工況，分析窯爐不同區(qū)域空氣過?？諝庀禂?shù)的情況。

2 煤氣燃燒實驗

制作一輻射管燃燒實驗爐，采用固定氣源提供的平均熱值7556.3 kJ/Nm3的半水煤氣混合一定比例氮氣模擬不同熱值的煤氣，并調(diào)整助燃空氣供給量，對不同熱值煤氣、助燃空氣配比情況下輻射管實驗爐的燃燒工況進行記錄，分析爐溫、排煙溫度、排煙成分等數(shù)據(jù)變化情況。

設(shè)計輻射管燃燒實驗的本意為通過半水煤氣當中摻入氮氣模擬低熱值燃氣，研究低熱值燃氣替代半水煤氣的可行性[2]。但實驗數(shù)據(jù)用作分析過?？諝庀禂?shù)變化對爐溫的影響具有一定普遍意義，能直觀印證降低過?？諝庀禂?shù)對提高爐溫有利，佐證低過?？諝庀禂?shù)有利于降低能耗。

2.1實驗爐的制作

實驗爐內(nèi)置一根輻射管，管四周留150 ～ 200 mm空間，爐內(nèi)壁采用硅酸鋁纖維板保溫，爐膛中央安裝一測溫熱電偶檢測爐溫。半水煤氣管、氮氣管安裝調(diào)節(jié)閥、氣體轉(zhuǎn)子流量計、氣體壓力測量儀表，半水煤氣和氮氣經(jīng)氣體混合器混合后進入燃燒器。輻射管壁上均布九支埋入式熱電偶，所有熱電偶均采用補償導線接入溫度顯示器。 輻射管排煙引經(jīng)引風機排走，排煙管上安裝測溫熱電偶、測壓管、氣體成分檢測儀器。實驗采用的主要檢測儀器：K分度熱電偶（補償導線）、TESTO327煙氣分析儀和奧式氣體分析儀。

2.2實驗操作步驟

實驗爐經(jīng)過3 h燃燒后，爐溫穩(wěn)定在750℃左右，期間每15 min記錄燃燒參數(shù)及取煤氣樣化驗一次，連續(xù)測試2 h，各參數(shù)最后取平均值作以分析。

通過調(diào)節(jié)摻入氮氣量與半水煤氣混合，模擬不同熱值發(fā)生爐煤氣燃燒，并調(diào)整助燃空氣供給量。各種不同熱值的發(fā)生爐煤氣燃燒連續(xù)測試2 h，每15 min記錄燃燒參數(shù)及取煤氣樣化驗一次，各參數(shù)最后取平均值作以分析。

2.3實驗數(shù)據(jù)和分析

實時調(diào)節(jié)半水煤氣與氮氣混合比例，產(chǎn)生不同熱值的煤氣并分別進行了燃燒試驗，熱值范圍為7556.3～5925.5 kJ/Nm3，各實驗組當中控制燃氣總輸入熱量接近（約111 MJ/h）。并在5925.5 kJ/Nm3熱值的燃氣工況下特別調(diào)整助燃空氣輸入量，以獲得較低助燃空氣過剩系數(shù)。5925.5 kJ/Nm3的煤氣熱值與目前佛山地區(qū)陶瓷磚輥道窯爐使用的發(fā)生爐煤氣熱值相近。實驗詳細數(shù)據(jù)記錄整理如下表。

對實驗數(shù)據(jù)分析如下：

（1）實驗流程當中輸入燃氣的單位氣體熱值總體呈下降趨勢，通過增加燃氣流量控制輸入總熱值接近（約111MJ/h）。隨著助燃空氣供給量降低，實際體現(xiàn)指標為煙氣當中檢測的含氧量不斷下降，過?？諝庀禂?shù)αpy降低，實驗爐溫和排煙溫度總體呈上升趨勢。

（2）隨著過?？諝庀禂?shù)αpy降低，煤氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣量總體呈下降趨勢，按單位輸入熱量產(chǎn)生的煙氣量同樣為下降趨勢。煙氣量的降低明顯與助燃空氣供給量下降直接相關(guān)。

（3）摻入氮氣量最大、熱值最低（5925.5 kJ/Nm3）的兩組數(shù)據(jù)與純半水煤氣（7556.3 kJ/Nm3）組數(shù)據(jù)相比，總輸入熱量僅稍增0.36 ～ 1.54%，但由于過剩空氣系數(shù)αpy由1.76降低至1.15 ～ 1.11其實驗爐溫由770.4℃上升至806 ～ 819℃。

（4）在摻入氮氣后，燃氣熱值相對接近的后5組實驗數(shù)據(jù)當中，實驗輸入總熱量波動幅度不大，介乎于平均值-1.97 ～ 4.76%，隨過剩空氣系數(shù)αpy降低，實驗爐溫上升，上升趨勢明顯。

3 典型陶瓷輥道窯爐的過剩空氣系數(shù)檢測

籍佛山市陶瓷企業(yè)開展“十三五”能源審計當中對重點用能設(shè)備開展能效檢測的機會，對在用正常生產(chǎn)的典型陶瓷輥道窯爐的過?？諝庀禂?shù)進行檢測，通過實測窯爐各個燃燒段落的排煙成分，分析過?？諝庀禂?shù)αpy在窯爐的整個燃燒段落的區(qū)域變化情況。

3.1 被檢測窯爐的基本情況

檢測了十數(shù)條陶瓷輥道窯爐，抽取工況較為穩(wěn)定的4條典型陶瓷輥道窯爐的檢測數(shù)據(jù)進行分析，窯爐寬度為2.8 ～ 3.4 m、長度180 ～ 260 m，其中3條窯爐的助燃風為常溫入爐和1條助燃空氣預熱達345 ～ 425℃后入爐。窯爐產(chǎn)品為釉面磚和瓷質(zhì)磚，產(chǎn)量為430 ～ 590 m2/h，窯爐最高燒成溫度為1117 ～ 1230℃。

3.2檢測操作情況

窯爐生產(chǎn)工況穩(wěn)定情況下，在輥道窯爐的燒成段至預熱段區(qū)域的觀火孔和排煙風機前的排煙管取樣進行煙氣成分檢測，檢測位置按窯爐長度方向平均取點，排煙管檢測點定位于排煙風機前。窯爐爐體檢測采用長度約1.2 m的Φ8 mm陶瓷管插入，穿越爐墻保溫材料探入爐膛內(nèi)部，引出煙氣進行檢測，原則上窯爐兩側(cè)相同段落取點檢測，數(shù)據(jù)取平均值；排煙管檢測點取樣管中心煙氣。檢測采用的主要檢測儀器： TESTO327煙氣分析儀。

為便于數(shù)據(jù)對比分析，爐體檢測點按區(qū)域功能進行分類匯總，具體布置如圖6示。

3.3檢測數(shù)據(jù)和分析

按窯爐爐體功能區(qū)域分類匯總檢測數(shù)據(jù)，詳細記錄數(shù)據(jù)整理如下表。

由數(shù)據(jù)表和圖分析如下：

（1）目前大多數(shù)墻地磚的輥道窯爐均采用氣體燃料，燃燒過剩空氣系數(shù)控制在1.10～1.15即可[4]。上述所有窯爐的實測過剩空氣系數(shù)αpy均明顯高于燃氣窯爐的理論燃燒系數(shù)。采用熱風助燃的窯爐，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，與一般常溫助燃風窯爐相比，節(jié)能率可達8.24%，其設(shè)計用能方案先進[5]。雖然4#窯爐設(shè)計理念較為先進，窯爐余熱用于加熱助燃空氣，預熱后熱風溫度高達345 ～ 425℃，但實測助燃空氣供給量仍較大，其實測過?？諝庀禂?shù)αpy與傳統(tǒng)常溫助燃空氣入爐的窯爐并未有明顯差距。

（2）1#、2#窯爐的燒成段空氣系數(shù)明顯高于正常水平，考慮為急冷段風閥板密封不良導致急冷帶冷風滲入燒成帶引起。如無特殊工藝原因，該滲入冷風顯然對該窯爐燒成段能耗有較大影響。

（3）按一般經(jīng)驗，窯爐段落往排煙風機方向接近，由于窯爐負壓不斷增大，密封部位不斷滲入空氣，過?？諝庀禂?shù)αpy將不斷增大，圖示曲線應呈現(xiàn)緩慢上升狀，但1#窯爐圖例曲線比較平直，并無明顯呈現(xiàn)該狀況。對此，考慮為該窯爐的密封結(jié)構(gòu)及日常運行管理較好，爐膛氣氛控制較為嚴謹，實際上有利于降低用熱能耗。

（4）預熱區(qū)當中，磚坯隨溫度升高，坯釉等將發(fā)生一系列物理化學反應，為使坯體氧化分解完全，必須提供充足的氧氣[6]。窯爐預熱段至排煙風機段，窯爐的檢測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)過剩空氣系數(shù)αpy飛躍提升，過量空氣并非由燃燒器助燃風過量供給引起，而是為了給磚坯氧化提供充足氧氣而設(shè)置的鼓風口直接送風導致。另外還有少數(shù)窯爐特意在排煙風機入口附近開設(shè)漏風口，額外滲入常溫空氣，造成排煙管位置檢測的過?？諝庀禂?shù)遠高于窯內(nèi)平均水平。該段區(qū)域αpy的提升，總體反映出該區(qū)域的目前窯爐運行操作有意滲入空氣，其直接效果為：降低了排煙溫度，增大了排煙量。

4 結(jié)論

結(jié)合煤氣燃燒實驗和窯爐檢測的數(shù)據(jù)，在低空氣過剩系數(shù)實現(xiàn)窯爐節(jié)能降耗方面有如下的啟示和建議。

4.1煤氣燃燒實驗的啟示

煤氣燃燒實驗直觀證明了較低助燃空氣過剩系數(shù)有利于提高爐溫，陶瓷輥道窯爐加熱磚坯至燒成成型，爐溫最高達1250℃左右，降低空氣過剩系數(shù)無疑能起到明顯節(jié)能作用。

4.2空氣過剩系數(shù)的分段控制

考慮到陶瓷磚燒制過程中不同的工藝需求，預熱段、燒成段對窯爐氣氛要求不同，不同產(chǎn)品的氣氛要求也不同，整體控制單一的空氣過剩系數(shù)并不合適，正確的方案為合理分段控制。現(xiàn)有輥道窯爐鮮有見到配備煙氣成分分析儀器，通常僅以人工觀火色的方式進行助燃風量控制，根本不可能滿足空氣過剩系數(shù)分段檢測、控制的精度和時效要求。

準確合理的分段控制必然要求窯爐配置相應的檢測儀表（煙氣檢測儀表），事實上空氣過剩系數(shù)的控制實際為空燃比的調(diào)整。目前陶瓷輥道窯爐往寬體、長窯方向發(fā)展，已有窯爐長度達到400 m，當中燃氣流量和助燃空氣量的控制裝置和測量反饋裝置并非單一儀器儀表，而是一個復雜的燃燒控制系統(tǒng)工程，很明顯現(xiàn)有窯爐設(shè)計和在用的檢測、控制裝備都遠遠未滿足分段控制的要求。

4.3基于控制空氣過剩系數(shù)的窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計的建議

過?？諝庀禂?shù)調(diào)整涉及整個燃燒系統(tǒng)，燃氣和助燃空氣供給配比調(diào)整涵蓋了燃氣燃燒器、燃氣管路、助燃空氣管路、助燃風機等設(shè)備和裝備的控制。輥道窯爐燃燒段落距離長，燃燒器數(shù)以百計，燃氣和助燃風管路較為復雜。傳統(tǒng)的流量控制以流量調(diào)節(jié)閥為核心，通過特殊閥芯結(jié)構(gòu)的開閉空隙對管路系統(tǒng)阻力進行調(diào)整，配合離心輸送裝備（例如：風機、水泵）定頻工況下的固定的壓力流量特性達到流量調(diào)整的目的。

隨著窯爐負荷變化，燃氣和助燃空氣兩方面都需要進行調(diào)整。事實上調(diào)整流量同時意味著壓力變化，燃氣和助燃風壓力變化后，燃燒器的性能工況隨之也發(fā)生變化，火焰長度、燃氣流速各個方面均發(fā)生改變，所以在調(diào)整過?？諝庀禂?shù)之后，將直接影響到燃燒器的燃燒效果，很大程度影響著輥道窯爐的加熱工況，最終影響著陶瓷磚的燒成質(zhì)量?，F(xiàn)在變頻驅(qū)動應用廣泛，在窯爐風機上已成為基本配置，變頻風機的壓力流量特性非固定，更使得系統(tǒng)調(diào)整趨于復雜。

過剩空氣系數(shù)調(diào)整是一個系統(tǒng)的調(diào)整，正因為如此，單獨對燃燒器或者風機等進行改善或者調(diào)整，而非立足于整個系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)整，容易導致系統(tǒng)失調(diào)；其實，過剩空氣系數(shù)的調(diào)整控制難度不低。所以在現(xiàn)有輥道窯爐上針對過?？諝庀禂?shù)單獨對某方面進行改良，比如說僅僅進行低空氣配比節(jié)能燃燒器改造，往往最終節(jié)能效果實現(xiàn)的同時容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，這正是眾多用于其他工業(yè)加熱設(shè)備（例如：鍋爐，熱風爐）等單機運行良好的原理、結(jié)構(gòu)、性能都比較好的燃燒器在輥道窯爐上應用效果不好的原因之一。

簡而述之，窯爐燃燒系統(tǒng)上應該配置合理的計量、檢測儀表，并配置控制裝備，燃燒器和相關(guān)管路系統(tǒng)應開展系統(tǒng)性研究，以設(shè)計出滿足輥道窯爐生產(chǎn)要求、調(diào)節(jié)性能佳的單元器件及綜合控制系統(tǒng)。

參考文獻

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