傳統(tǒng)梭式窯與全自動梭式窯的性能對比研究

李昊奇　汪和平　陸琳　宮小龍　湯宇

摘 要：梭式窯是應(yīng)用于燒制如藝術(shù)瓷、日用瓷等小型陶瓷的非連續(xù)性窯爐。結(jié)構(gòu)緊湊、產(chǎn)品適應(yīng)性強的傳統(tǒng)梭式窯和控制精準(zhǔn)、燒成確定性強的全自動梭式窯在控制方式、熱能利用方面存在諸多差異。本文利用PLC控制、流體動力仿真學(xué)，研究對比傳統(tǒng)梭式窯與全自動梭式窯在溫度控制、能耗大小。為不同需求，不同應(yīng)用條件下使用梭式窯的企業(yè)、個人提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：梭式窯;PLC控制;溫度控制;能耗

1 前 言

隨著“中國制造2025”的號角吹響，工業(yè)化4.0疊加智能化、數(shù)字化在陶瓷窯爐行業(yè)掀起浪潮。傳統(tǒng)陶瓷窯爐能耗大、污染強、燒成差的劣勢一方面掣肘企業(yè)無力發(fā)展，也倒逼窯爐研發(fā)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，持續(xù)改良。梭式窯是一種對產(chǎn)品適應(yīng)性強且滿足個性化需求的小型熱工設(shè)備，相對于隧道窯、輥道窯，梭式窯體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，在較小的燒成空間要根據(jù)陶瓷的燒成溫度迅速升溫至1000℃左右，再急冷到500℃至600℃，前后溫差變化很大，故對梭式窯的燃燒控制系統(tǒng)和冷卻通風(fēng)系統(tǒng)要求較高。傳統(tǒng)的梭式窯采用自吸式燒嘴，自動化程度低，在陶瓷燒制過程中窯工通過手動調(diào)節(jié)燃?xì)夤艿篱y門和排煙擋板控制窯溫度，費時費力且產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障，應(yīng)用而生的現(xiàn)代全自動梭式窯補上其短板，一是采用動力式燒嘴交錯布置，控制燒成溫度;二是采用流體仿真技術(shù)模擬不同工況從而確定合理參數(shù)范圍，優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu);三是采用PLC對梭式窯窯內(nèi)溫度、氣氛、壓力控制調(diào)節(jié)，達到針對不同產(chǎn)品的不同燒制要求。

2 傳統(tǒng)梭式窯

2.1傳統(tǒng)梭式窯結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)梭式窯是典型的間歇式倒焰窯爐。通俗講，是一種燒制陶瓷過程不連續(xù)、燃燒火焰在窯內(nèi)流動過程是向上至拱頂后又向下流動的熱工設(shè)備，大體結(jié)構(gòu)分為：窯室，窯車、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)。窯室自上而下由固定的窯頂窯墻，及可活動的窯車窯門組成，為維持窯內(nèi)較高密封性，在窯墻與窯車間設(shè)有曲封和沙封，窯車在坯體裝卸過程以“車”為用，在燒制過程以“底”為用，兼具窯車窯底二者的功能。

傳統(tǒng)梭式窯的燃燒系統(tǒng)核心就是不同類型燒嘴的應(yīng)用。市面上多見使用的燒嘴是調(diào)溫高速燒嘴、文丘里燒嘴（如圖1，2），充分利用兩種不同燒嘴的特點為自身所用，即高速燒嘴可顯著提高火焰?zhèn)鳠嵝?，改善窯內(nèi)溫度均勻性，文丘里燒嘴利用文丘里原理自吸液化氣完全混合后噴入即可快速燃燒且具有自調(diào)性。近年，脈沖燃燒技術(shù)的應(yīng)用在梭式窯中逐漸普遍，通過脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)節(jié)燃燒時間的通斷比按所需溫度控制，作為一種新型的高效節(jié)能的低污染技術(shù)，簡潔可靠、造價實惠的系統(tǒng)，熱工效率高，可調(diào)節(jié)性強的噴嘴以及有效提高窯內(nèi)溫度均勻性，低NOx的特性成為傳統(tǒng)梭式窯選用的技術(shù)之一。

傳統(tǒng)梭式窯的排煙系統(tǒng)主要由煙囪、排煙機產(chǎn)生抽力可在窯尾、窯頂、窯底或窯墻中的任意一處排煙，選用恰當(dāng)?shù)奈恢貌贾门艧熆谛枰紤]窯爐結(jié)機構(gòu)、阻力大小、施工難易程度來確定，常見的是在窯頂或窯底兩側(cè)布置排煙口，以利于減少動力損失、降低煙氣溫度。在高溫階段排出的煙氣有上千度，窯中各器具有效利用的僅為全部熱量的15%～40%，也就是說大量煙氣溫度都被帶走排出，為了有效利用煙氣余熱，在換熱器中通過對流或輻射傳熱的方式傳給空氣，經(jīng)加熱后再次送入燃燒系統(tǒng)作助燃風(fēng)。天津大學(xué)宋耑教授研制的噴流輻射換熱器已成功轉(zhuǎn)化在生產(chǎn)應(yīng)用中，經(jīng)換熱器傳輸可使得空氣預(yù)熱溫度達到煙氣進口溫度的1/2進入窯內(nèi)，極大的提高了燃料的利用率。

2.2傳統(tǒng)梭式窯數(shù)值模擬及分析

以2m3的傳統(tǒng)梭式窯為研究模型，設(shè)置X、Y、Z方向長度分別為1850mm、1100mm、1000mm，根據(jù)坯體在窯內(nèi)實際比例大小和擺放方式，放置3×5個高度在800mm的圓柱坯體，窯底兩側(cè)同排布置12對管徑80mm的自吸式噴嘴。整體模型如下圖所示。利用ANSYS中的icem對模型進行網(wǎng)格劃分，所生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量1507751，網(wǎng)格質(zhì)量在0.6以上，可在fluent仿真軟件中有效模擬計算。

根據(jù)傳統(tǒng)梭式窯在實際燒成過程中的現(xiàn)象，在fluent模擬環(huán)節(jié)相應(yīng)設(shè)置各參數(shù)。窯內(nèi)氣體流動為有旋渦的湍流形式，故選用Realizable K-epsilon湍流模型，高溫?zé)煔饩哂袛U散效應(yīng)和輻射能力，選擇P1輻射模型，控制方程采用質(zhì)量守恒方程、動量方程、能量方程。網(wǎng)格模型邊界條件設(shè)置中，設(shè)置24個燒嘴煙氣入口均設(shè)為Velocity-inlet，窯墻、窯頂、窯底、坯體均設(shè)為Wall，2個窯尾煙氣出口設(shè)為Out-flow。為保證模擬精度足夠高，采用二階迎風(fēng)格式和SIMPLEC算法。自吸式燒嘴流速取9.5m/s，窯內(nèi)煙氣溫度取1573K，通過查找煙氣物理性質(zhì)表，該溫度對應(yīng)的煙氣參數(shù)ρ=0.240kg/m³、Cp=1.340kJ/kg·K、λ=12.62×10²W/m·K、μ=53.0×10⁶Pa·s。

經(jīng)數(shù)值模擬計算達到收斂，采用后處理軟件Tecplot分析截面云圖，選取具有代表性的截面x-0.9m，x-1.0m溫度云圖和速度云圖，觀察溫度云圖，溫度區(qū)間在1543K～1562K，高溫區(qū)集中在坯體兩側(cè)，窯墻壁面周圍，在有限的空間里形成旋渦，在燒嘴不斷噴入高溫?zé)煔獾耐瑫r，旋渦不斷疊加，形成局部高溫且與下部的溫度差增大，不利于坯體整體燒成。由X-0.9m溫度云圖看到，煙氣在窯頂受到阻隔后順坯體間隙向下流動，由正壓向負(fù)壓流動的過程并不會讓底部低溫負(fù)壓區(qū)壓力升高，類似倒焰窯。結(jié)合倒焰窯的特點，燒成至高溫的坯體消耗大量的熱能，但對熱能的利用率并不高在25%左右，同時，煙氣離開吸火孔時的溫度比燒成產(chǎn)品溫度高30℃左右，通過煙囪當(dāng)做廢氣排走，煙氣余熱沒有被很好利用。由速度云圖看到，煙氣流速大小的分布與溫度大小分布一致，受壓力的影響明顯，底部溫度高，上部溫度低，受浮力影響煙氣整體有向上流動的趨勢，煙氣在坯體與坯體間，坯體和窯內(nèi)之間以3～6m/s流速流動。在X-1.0m截面，煙氣流速在窯內(nèi)流動不均勻，且流速較大區(qū)域在中上部，結(jié)合同一截面溫度云圖，應(yīng)用自吸式燒嘴的梭式窯燒成效果并不好，坯體的熱利用不高，經(jīng)計算，近60%熱量以散熱和輻射形式由窯墻散出。B61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5

3 全自動式梭式窯

3.1全自動式梭式窯結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代全自動式梭式窯常指燒成自動控制裝置下的梭式窯，自動控制的方式不盡相同，有利用USB數(shù)據(jù)采集設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)、Honeywell HC900 DCS單回路控制、Win CC組態(tài)軟件系統(tǒng)管控等。采用產(chǎn)生高速氣流的動力式燒嘴噴入剛度較強的火焰，當(dāng)高速噴出后快速攪動窯內(nèi)煙氣。本文主要是根據(jù)原有的燒成曲線針對陶瓷制品的智能化窯控制系統(tǒng)，采用的方式是PLC系統(tǒng)對窯內(nèi)溫度、壓力、氣氛控制，應(yīng)用雙執(zhí)行器控制空燃比，使其控制在一定范圍之內(nèi)，達到理想的燒制溫度要求。結(jié)構(gòu)上為控制變量有效計算，僅將燒嘴由傳統(tǒng)自吸式燒嘴改變?yōu)閯恿κ綗?。即在窯墻左右兩側(cè)交錯布置2對管徑60mm的動力式燒嘴。整體模型如下圖所示。利用ANSYS中的icem對模型進行網(wǎng)格劃分，所生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量1004521，網(wǎng)格質(zhì)量在0.75以上，可在fluent仿真軟件中有效模擬計算。網(wǎng)格模型邊界條件設(shè)置與之上傳統(tǒng)梭式窯設(shè)置基本相同。區(qū)別是動力式燒嘴流速取110M/S，煙氣參數(shù)設(shè)置不變。

3.2全自動式梭式窯數(shù)值模擬及分析

選取截面x-0.9m，x-1.0m溫度云圖和速度云圖，觀察溫度云圖，溫度范圍在1544K—1549K，溫差為5K，溫度分布均勻。四周壁面溫度普遍高于中間，是由于動力式燒嘴噴入火焰進入有限空間后形成貼附射流，即高溫?zé)煔庖愿咚俣仍诒诿娓浇鼣_動，主流貼壁的層流速度邊界層被破壞，換熱加強，所以四周的溫度略高于中間溫度。從速度云圖不難發(fā)現(xiàn)煙氣主流區(qū)和溫度分布規(guī)律相近，速度大小也是四周大于中間，其原因是噴嘴在內(nèi)部空間形成良好的氣流循環(huán)，中間局部有旋渦，增強了高溫?zé)煔馀c坯體的對流換熱，中部位置的坯體受熱更加均勻，燒成更加穩(wěn)定。由X-1.0m面溫度、速度云圖看出，整體較為均勻分布，溫度差、速度差小，旋渦變小分布，加強了擾動從而增強換熱和熱利用率。

4 結(jié)論

（1）全自動式梭式窯的結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)式梭式窯簡單，燒嘴數(shù)量少，人工維修成本大為降低，且在相同工況下，全自動式梭式窯溫度場更均勻，熱利用率更高。

（2）使用動力式燒嘴的全自動式梭式窯在窯內(nèi)形成多個旋渦，增強了煙氣對坯體的擾動，其窯內(nèi)氣體擾動較強，傳熱效率明顯增強，降低了坯體在窯內(nèi)燒成周期。

（3）相同工況下同一截面，全自動式梭式窯溫度分布更均勻，溫差小，對坯體的燒成品質(zhì)更有保障，同時為其后自動控制或智能化控制可以提供更有效的燒成曲線和研究參數(shù)，便于開展科研進階研究。

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Performance Comparison Between Traditional Shuttle Kiln and Automatic Shuttle Kiln

LI Hao-qi， WANG He-ping， LU Ling， GONG Xiao-long，TANG Yu

（Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333001， China）

Abstract： Shuttle kiln is a discontinuous kiln used for firing small ceramics such as art porcelain and daily-use porcelain.There are many differences between the traditional shuttle kiln with compact structure and strong product adaptability and the automatic shuttle kiln with accurate control and strong firing certainty in terms of control mode and thermal energy utilization. In this paper， PLC control and fluid dynamics simulation are used to study and compare the temperature control and energy consumption of traditional shuttle kiln and automatic shuttle kiln. Provide theoretical guidance for enterprises and individuals using shuttle kiln under different needs and application conditions.

Keywords： Shuttle kiln ; pLC control ; temperature control ; energy consumptionB61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5