基于DOE的CO2燃燒爐節(jié)能研究

胡 晨

（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蕪湖卷煙廠，安徽蕪湖 241002）

0 引言

CO2燃燒爐是卷煙工業(yè)企業(yè)膨脹煙絲生產(chǎn)線的重要用能設(shè)備，試驗(yàn)設(shè)計（Design of Experiments，DOE）是一種安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法。將該方法與企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，記錄制絲車間膨脹煙絲生產(chǎn)線CO2燃燒爐的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，借助MINITAB軟件，統(tǒng)計分析新風(fēng)開度、含氧量、爐溫與天然氣流量之間的關(guān)系，從而得出具有實(shí)際指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料/設(shè)備

膨脹煙絲ET－X；CO2燃燒爐（焚燒前/后含氧量表，天然氣流量計，新風(fēng)風(fēng)門，聯(lián)動風(fēng)門）。

1.2 方法

在CO2線帶料生產(chǎn)過程中，不同的設(shè)定爐溫下，手動調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)門開度，觀測并記錄天然氣流量計和焚燒前/后含氧量表的顯示值以及聯(lián)動風(fēng)門開度值。

2 試驗(yàn)設(shè)計和數(shù)據(jù)收集

DOE設(shè)計目的：天然氣流量是重點(diǎn)需要降低的CO2燃燒爐消耗指標(biāo)，影響天然氣流量的主要因子有新風(fēng)風(fēng)門開度A和爐溫B。為了找出2個因子的最佳取值，確定天然氣流量，通過2因素一個4水平和一個3水平的辦法來進(jìn)行DOE全因子試驗(yàn)。具體水平和因子見表1。由MINITAB軟件生成全因子實(shí)驗(yàn)表，并按照設(shè)計進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2。爐溫550℃、新風(fēng)風(fēng)門開度25%的情況未進(jìn)行試驗(yàn)。原因是在爐溫550℃、新風(fēng)風(fēng)門開度50%的情況下，聯(lián)動風(fēng)門開度已經(jīng)達(dá)到90%左右，數(shù)據(jù)顯示此時的工藝氣體溫度始終略低于設(shè)定值260℃，如果在此溫度下再降低新風(fēng)風(fēng)門開度，就會導(dǎo)致工藝氣體溫度無法達(dá)標(biāo)，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

表1 DOE因子與水平設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 關(guān)鍵節(jié)能生產(chǎn)參數(shù)研究

3.1.1 試驗(yàn)的直觀分析

（1）天然氣流量主效應(yīng)圖（圖1）解析。①新風(fēng)風(fēng)門開度越大，天然氣流量越大；反之，新風(fēng)風(fēng)門開度越小，天然氣流量越小。且新風(fēng)風(fēng)門開度對天然氣流量的影響很大。②爐溫越高，天然氣流量越大；反之，爐溫越低，天然氣流量越小。且爐溫對天然氣流量的影響相對較小。③為了得到更低的天然氣流量，爐溫設(shè)在550℃，新風(fēng)風(fēng)門開度設(shè)在25%。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

（2）天然氣流量交互作用圖（圖2）解析。各曲線接近平行無相交，說明新風(fēng)風(fēng)門開度與爐溫對天然氣流量大小無交互作用。

圖1 天然氣流量主效應(yīng)

圖2 天然氣流量交互作用

3.1.2 試驗(yàn)的統(tǒng)計分析

（1）判斷模型有效性。天然氣流量殘差圖（圖3）解析：試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臍埐畛收龖B(tài)分布，殘差和為0，殘差沒有明顯的模式和趨勢，說明模型是有效的。

（2）利用統(tǒng)計工具進(jìn)行分析（表3）。方差分析表明：新風(fēng)風(fēng)門開度和爐溫的P值≤0.05，說明二者都是重要的，主效應(yīng)是顯著的。

3.2 過程生產(chǎn)參數(shù)的節(jié)能影響研究

除了新風(fēng)風(fēng)門開度和爐溫這兩個燃燒爐關(guān)鍵參數(shù)以外，焚燒前后含氧量、聯(lián)動風(fēng)門開度等這些過程生產(chǎn)參數(shù)對于節(jié)能研究也具有十分重要的意義。

3.2.1 焚燒前含氧量的影響因素

在550℃，560℃，570℃爐溫下，分別研究新風(fēng)開度與焚燒前含氧量的關(guān)系（圖4）。由圖4可見，在爐溫一定的情況下，隨著新風(fēng)風(fēng)門開度的增大，焚燒前含氧量不斷提高。同時，在新風(fēng)風(fēng)門開度一定的情況下，隨著爐溫的增加，焚燒前含氧量無明顯變化。結(jié)果表明：焚燒前含氧量與新風(fēng)風(fēng)門開度具有正相關(guān)關(guān)系，不受爐溫的影響。

圖3 天然氣流量殘差

表3 天然氣流量方差分析

圖4 新風(fēng)風(fēng)門開度與焚燒前含氧量的關(guān)系

3.2.2 焚燒后含氧量的影響因素

在550℃，560℃，570℃爐溫下，分別研究新風(fēng)開度與焚燒后含氧量的關(guān)系（圖5）。由圖5可以看出，當(dāng)新風(fēng)風(fēng)門開度在50%以上時，爐溫一定的情況下，焚燒后含氧量跟隨新風(fēng)風(fēng)門開度的變化不顯著。在新風(fēng)風(fēng)門開度一定的情況下，焚燒后含氧量隨爐溫的變化也不顯著。但是，當(dāng)新風(fēng)風(fēng)門開度在25%時，焚燒后的含氧量呈現(xiàn)快速增大的現(xiàn)象。結(jié)果表明：焚燒后含氧量具有相對穩(wěn)定性，受爐溫的影響不顯著。新風(fēng)開度過小會導(dǎo)致焚燒后的含氧量值較大，說明燃燒過程中氧氣消耗少，燃燒不充分。

3.2.3 聯(lián)動風(fēng)門開度的影響因素

圖5 新風(fēng)風(fēng)門開度與焚燒后含氧量的關(guān)系

在新風(fēng)風(fēng)門開度值25%，50%，75%和100%的情況下，分別研究新風(fēng)風(fēng)門開度與聯(lián)動風(fēng)門開度的關(guān)系（圖6）。由圖6可見，在爐溫一定的情況下，聯(lián)動風(fēng)門開度隨著新風(fēng)風(fēng)門開度的增大，呈現(xiàn)減小的趨勢。在新風(fēng)風(fēng)門開度一定的情況下，聯(lián)動風(fēng)門開度隨著爐溫的升高，同樣呈現(xiàn)減小的趨勢。結(jié)果表明：聯(lián)動風(fēng)門的作用是自動控制工藝氣體的溫度。新風(fēng)風(fēng)門加大，系統(tǒng)的含氧量提高，燃燒更充分，爐溫有上升的趨勢，熱量積累的更快，因此需要進(jìn)入工藝加熱器的工藝氣體量就更少，使得聯(lián)動風(fēng)門開度有減小的趨勢。新風(fēng)量不變，爐溫升高時，煙氣溫度升高，維持工藝氣體溫度，而需要進(jìn)行換熱的工藝氣比例減少，因此相應(yīng)的聯(lián)動風(fēng)門開度有減小趨勢。

圖6 新風(fēng)風(fēng)門開度與聯(lián)動風(fēng)門開度的關(guān)系

3.2.4 聯(lián)動風(fēng)門開度對天然氣流量的影響

在550℃，560℃和570℃爐溫下，分別研究聯(lián)動風(fēng)門開度與天然氣流量的關(guān)系（圖7）。由圖7可知，在爐溫一定的情況下，天然氣流量隨著聯(lián)動風(fēng)門開度值的增大而降低。結(jié)果表明：聯(lián)動風(fēng)門開度值越大，天然氣流量越小，就越節(jié)能。但是，并不是越大越好，開度值如果過大，會造成聯(lián)動風(fēng)門對工藝氣體溫度的調(diào)節(jié)空間過小，不利于工藝氣體溫度的穩(wěn)定性。開度值如果過小，又會造成換熱量小，燃燒不經(jīng)濟(jì)，不利于節(jié)約天然氣。因此，聯(lián)動風(fēng)門開度應(yīng)處于一個合理的范圍內(nèi)。

圖7 聯(lián)動風(fēng)門開度與天然氣流量的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）爐溫越低，新風(fēng)風(fēng)門開度越小，聯(lián)動風(fēng)門開度越大，越節(jié)約天然氣。

（2）新風(fēng)風(fēng)門開度不宜過小，聯(lián)動風(fēng)門不宜過大。第一，新風(fēng)風(fēng)門開度過小會導(dǎo)致聯(lián)動風(fēng)門開度過大，試驗(yàn)中新風(fēng)風(fēng)門開度為25%、爐溫為560℃和570℃時，聯(lián)動風(fēng)門開度分別達(dá)到了84.2%和90%，如果生產(chǎn)流量出現(xiàn)較大波動，就會要求供應(yīng)更多的熱量，而此時聯(lián)動風(fēng)門已經(jīng)接近全開狀態(tài)，系統(tǒng)就會因?yàn)轱柡投フ{(diào)節(jié)空間。第二，新風(fēng)風(fēng)門開度過小，會導(dǎo)致焚燒前含氧量偏低，焚燒后含氧量偏高，影響燃燒充分性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，新風(fēng)風(fēng)門開度宜控制在25%～75%，聯(lián)動風(fēng)門開度宜控制在70%～80%，焚燒前氧氣含量在17%～18%，焚燒后氧氣含量在15%～16%,能較好兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

（3）鑒于以上結(jié)論，為了最大限度地節(jié)能，同時又能確保生產(chǎn)穩(wěn)定，選定膨脹絲ET－X的最優(yōu)生產(chǎn)參數(shù)，即設(shè)定新風(fēng)風(fēng)門開度50%、爐溫560℃。過程參數(shù)：焚燒前含氧量17.9%，焚燒后含氧量15.9%，聯(lián)動風(fēng)門開度78.8%，此時天然氣流量約為64.4 m3/h。