超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯的工藝技術研究

摘要 超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯為拱頂結構的單通道燒成窯，采用標準模數單元分段預制，現場組裝制造。余熱、干燥風管統籌布局，分配控制靈活。采用PID結合PLC自動控制窯況變量，選擇小流量、多燒嘴燃燒系統，具有燃燒完全、截面溫差小、對低熱值的水煤氣（5000kW/Nm3）有較強的適應能力，是節能、減排、清潔生產的首選窯爐設備。

關鍵詞 輥道窯，超寬體，低熱值，節能，拱頂

1引言

近年來，隨著國際石油價格不斷攀升及人類環保意識的提高，用戶對窯爐生產廠家提出了更高的要求，促使窯爐生產廠家在進行輥道窯創新時，以“節能、降耗、減排、環保”作為設計的準則，保證新開發的產品符合國家的節能、環保政策及滿足用戶的需求。

2超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯的技術特點

超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯在技術上強化了燃燒空間的科學性、燃燒過程的合理性、窯爐熱工的穩定性，減少了耗用燃料；強化絕熱保溫，回收利用余熱，提高完全燃燒程度，減少了熱能消耗，也減少了煙氣有害成分的排放；強化自動控制的系統工程，提高全窯運行操控和管理的自動化水平。

2.1 選擇拱型結構，使燃燒空間科學合理

輥道窯的平頂結構在窯體不太寬、燒嘴射程合理的普通窯型上，具有橫截面溫差小的優點。但是，隨著窯體的加寬，燒成速度的加快，特別是燃料熱值偏低的情況下，輥道窯的平頂結構對窯內橫截面溫度的均勻性已明顯不利，主要是中間溫度比左右兩側低。如何改善截面溫差，通常的做法是增加截面中部的熱量。經過反復論證，根據隧道窯拱頂熱量分布的原理，選擇把寬體窯的窯頂由平頂結構改為拱頂結構。這樣做一方面可以擴大拱頂部位的燃燒空間，增加截面中間部位的熱力；另一方面，拱頂內弧面有利于截面中部獲得更多的熱輻射傳導；三是克服平窯頂存在的截面熱氣流死角，可大大改善截面的溫度均勻性。在拱頂結構的研制過程中，進一步研究和完善了以下兩個問題：

(1) 拱頂的高度（突起）應該控制在哪個合適的范圍？拱頂的高度不是越高越好。筆者在參考了有關設計資料和經驗后，再通過實驗，得出一般控制在300～400mm范圍內最佳。生產實踐證明，其拱頂弧度控制為60°時最合理。

(2) 拱頂的結構安全性應如何解決？拱頂的力學特性，既有向下的重力，還有向兩邊拱腳的橫向分力。在冷熱態轉換時，還伴有熱膨脹、冷收縮的應力。特別是寬體窯，跨度大，窯墻薄，溫度高，還有輥棒傳動過程的震動等因素，都會對拱頂的安全性帶來影響。為了解決拱頂的結構安全性問題，在結構上，首先設計好拱的弧型，使鍥型磚和拱腳磚相吻合；在拱頂磚選材方面，在保證耐高溫及絕熱的基礎上，選用莫來石質的輕質拱頂磚；在砌筑施工上采用耐高溫的高溫粘結劑砌筑。

2.2 PID結合PLC控制系統，功能強大

本項目的研究內容是選擇一套結構簡單、自控靈活、執行精準，兼備監控和管理功能、運行可靠的自控模式，并設計成方便使用的方案。筆者集合多年陶瓷產品生產和窯爐制造的實踐經驗，經過反復對比，選定了PID結合PLC的自控模式。通過實驗，確定以單回路分散式控制為主要系統。這樣的組合完全滿足了變量多輸入輸出信號的自控要求，所需的零部件完全可靠。由于窯爐很長，燒嘴很多，要控制的輸入輸出信號非常多，如果太多信號都要連鎖控制，系統會變得非常復雜和龐大，在日常操作、運行管理，以及制造成本等方面都不合算。新的自控系統由以下部分組成：

(1) 全窯溫度系統由PID組成自動控制系統(以328m長的窯為例，設有56組調節回路，控制燒嘴456支)。各個獨立調節系統包括一個溫度控制表、一個電動執行器、多個燃料控制開關、一支熱電偶及8～12支燒嘴。

(2) 全窯壓力系統由多點連鎖控制，其中：急冷段的溫度由獨立的PID系統控制變頻器和急冷風機；排煙、助燃、尾冷、余熱等風機的控制由連鎖、變頻器控制。

(3) 傳動電機（群）的控制系統，采用PLC控制。

(4) 作為全窯的監控系統，采用上位管理微機，采用一塊模擬板全面地反映和管理全窯的工況，如風機運行狀態等。

這樣的新組合系統具有多項優越性：

首先，抗干擾能力強：對干擾有較強的克服能力和校正作用。

操控能力強：多個系統獨立自動調節，信號響應速度快，溫度達標迅速，到位飄移時間短，控制精確度高。

管理能力強：實時監控，以表格、圖象、數字的顯示全面地反映全窯工況、記錄、儲存以及報警。為操作人員、工程技術人員評估窯況、分析事故、總結尋優以及對操作者違規的警示給予及時、有效的幫助。

2.3 余熱風管系統統籌布局，充分利用余熱

輥道窯余熱利用的途徑有多種，在窯墻內埋設熱風管，提高助燃熱風溫度；利用窯頭煙氣，作干燥窯熱源；將窯尾冷卻帶熱風供干燥窯用，同時將窯尾余熱直接烘干成品。現在新建的窯爐基本上都采用以上措施來利用余熱，而本項目要研究的是在同樣的方法上更充分地利用余熱。窯頭煙氣由于濕氣重，有腐蝕性、有刺激氣味，局限了利用量。為了加大利用比例，我們采取了加強干燥窯的密封和抽濕裝置，減少刺激性氣體溢出；在干燥窯窯頂部位采用吊瓷質磚的辦法，減少了落臟，又防腐蝕；在所有風管的保溫措施上，選用了更好的珍珠巖漿料涂抹保溫；在輥道窯余熱風管的布局上，將干燥窯的熱風進風管作了統籌安排，能夠靈活調節將窯頭濕熱煙氣、窯尾干熱氣體按需要分別供給干燥窯的各個部位，既保證了干燥需要的熱量，也滿足了工藝的要求，創造了充分利用余熱的最好效果。

2.4 小流量多燒嘴燃燒系統，可調性強

燒嘴的燃燒混合結構形式十分重要，混合均勻與否，對燃燒完全程度有很大影響，直接影響燃料的消耗和煙氣的污染物成分。本研究采用了仿“漢索夫型”高速等溫燒嘴，具有噴出速度高，射程合理，混合擴散，燃燒完全的特點。每個燒嘴發熱量為167200kJ/h，有自動點火、火焰監控、燃燒控制等自控功能。

由既要達到完全燃燒又要靈活控制的效果出發，筆者研究了燒嘴的排布。在吸取了第六代節能窯成功經驗的基礎上，進一步調整小流量多燒嘴燃燒系統，形成小流量、分散、密布的特點。在預熱帶后段由節距 2160mm，27支輥棒組成，配燒嘴12支；燒成帶前段由節距2160mm，27支輥棒組成，配燒嘴8支，特別在燒成段的高溫帶采取縮小節距的措施，由節距1840mm，23支輥棒組成一節，配燒嘴8支。這樣的溫度場更加均勻，使燃燒系統可調性強，操作簡便，燃燒更加完全。為了確保安全、可靠，氣站設有壓力表、蝶閥、過濾器、斷電切斷閥、放散閥，防爆裝置等安全設備，停電時自動關閉電磁總閥。燃氣管路主管與分管之間，組與組之間采用法蘭連接，窯爐兩側供氣支管末端采用法蘭和盲板封頭，有利于煤氣管路系統的拆卸、維修和焦油處理。主管及每組控制區都有分離水管，可以分離水份。這種特殊工藝組合，滿足了瓷質拋光磚、釉面磚等不同產品生產的要求，特別適用于低熱值燃料的要求。

另外，燒成帶窯墻以莫來石磚、纖維氈、板為主，窯拱頂用鍥型磚砌筑再鋪珍珠巖漿料。同時加強窯體的密封，在不同類型的膨脹節上用不同的陶瓷纖維，消除窯爐點火?；甬a生的應力和裂縫。通過全面的改進，使窯體散熱進一步減少，表面溫度進一步降低，保證了溫升不超過50℃的要求。

3超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯的技術參數

窯體由若干節A3碳鋼材料焊制成框架，外壁以冷軋鋼板保護，內壁以隔熱耐火磚砌筑，頂部以鍥形隔熱耐火磚砌筑（冷卻帶以標形磚吊頂）的可移動的模數單元（窯箱）組成。

3.1技術參數(如表所示)

3.2 制造工藝流程

3.3 傳動系統

（1） 輥棒旋轉由各個驅動單元的調速電機傳動鏈條帶動45°斜齒輪以強制方式傳動，新的盒子型結構可將齒輪浸泡在潤滑油槽內，以保證傳動的穩定性和可靠性。每若干個驅動單元配一個變頻器調節速度，并由電腦依次直接控制。

（2） 電機和輥棒可選擇正轉、反轉和和往返擺動三種工作狀態，在電機故障、疊磚或出現其它故障時，可以自動切換到擺動狀態上。此外，在高溫區輥棒可以前后差速旋轉，防止了輥棒因蠕動后彎曲，也提高了輥棒的自潔能力。

（3） 系統也能自動切換到一般電力供應和備用電力供應狀態上，還可選擇不通過變頻器的直接驅動功能。

3.4 管路系統

（1） 排煙系統由四臺鍋爐引風機（二開二備），分別從窯頂和底部多道排煙口將窯內煙氣抽出匯入總管，煙氣通過排煙風機及風管送到干燥窯前部，多余煙氣排空。每根支管設有手動調節閘閥來調節排煙量，控制窯內負壓。

（2） 助燃系統由二臺鼓風機及助燃主管、支管組成。助燃系統利用余熱，引風口同時與余熱主管道及外界連接。利用余熱助燃，適當配置外界冷風，既安全又節能，助燃風還可設置成均勻分布的三段，以保證助燃風壓力均勻。

（3） 冷卻系統包括急冷、緩冷、終冷、余熱回收四個部分：

急冷由高壓離心鼓風機通過總管、支管、手動球閥，直接將窯外冷空氣經不銹鋼管再通過細孔高速打入窯內。急冷采用變頻調速、PID智能控制。

急冷之后是緩冷，它通過抽熱風機將環境空氣吸入窯內導熱鋼管，并將換熱后的熱空氣送入干燥窯內，冷空氣在換熱過程中使制品得到間接的冷卻，讓制品安全度過573℃的晶型轉換階段。

緩冷之后是終冷，為了加強冷卻效果，在終冷前還配置有直冷裝置，由外界直接引入環境空氣送入冷卻產品，由熱風機將熱量均勻抽出達到降溫效果。終冷段設在窯尾，它通過軸流風機，送入大量的冷空氣，達到快冷制品的目的。

抽熱吸口設于冷卻帶，熱風從不同的抽風口經由支管、閥門和熱風總管，通過鍋爐引風機抽出送入干燥窯，烘干坯體。

4質量特性

按照Q/ZY1-2007標準對“超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯”項目進行了標準中的12項次的性能要求，對基本參數、外觀結構、窯體砌筑質量、機架安裝要求、輥棒安裝要求、磚坯跑偏度、排煙溫度、表面溫升、噪聲、燃料系統壓力、安裝及空運轉要求的61條進行了檢測。其中單位制品能耗為490kCal/kg瓷（2048 kJ/kg瓷），窯爐橫斷面溫差4℃，窯爐壁表面平均溫升為48℃，燒成合格率＞99%。

5結 論

超寬體低熱值燃氣節能型輥道窯具有能耗低、橫截面溫差小、自控精確、燃燒充分、余熱利用率高等特點，符合節能減排及清潔生產的原則，達到國內領先水平。

這是從源頭節約燃料，從過程提高燒成制品質量，從末端再利用余熱的結果，是陶瓷生產企業實施可持續發展所急需的新型輥道窯，特別適用于今天大量使用發生爐煤氣作為燃料的企業。它的開發成功，將促進陶瓷裝備行業的技術進步。