論輥道窯爐的標準化調節

摘要：本文探討了陶瓷輥道窯爐運行參數的測試方法、運行現狀以及窯爐系統熱平衡理論。確定了合理的窯爐熱工參數測試方法，分析了窯爐運行現狀的數據，研究了窯爐熱平衡中的各項影響因素，確立了窯爐調節的主體方向，最終建立了一套標準化調節流程與監控方案。

關鍵字：輥道窯 測試方法 運行現狀 窯爐熱平衡 標準化調節 監控方案

1 前言

陶瓷生產屬于“雙高”行業，其GDP能耗為1.6噸標準煤/萬元左右。據統計，在建筑陶瓷行業中，窯爐燒成能耗占到企業綜合能耗的65%～75%，所以窯爐能源利用效率是整個陶瓷行業能耗水平的關鍵因素。本文對輥道窯的運行主要從以下幾個方面進行探討：

（1） 輥道窯爐熱工參數的測試方法與測試點的確定；

（2） 輥道窯爐的運行現狀分析；

（3） 窯爐系統熱平衡理論分析；

（4） 窯爐具體調節案例；

（5） 窯爐標準化調節流程；

（6） 窯爐參數監控方案。

2 輥道窯爐的測試方法與測試點的確定

根據輥道窯的現有條件，確定合理的輥道窯爐測試方法及測試點，對于數據化窯爐的建立起到了關鍵性的作用。輥道窯爐的測定主要涉及到以下幾個方面：

（1） 窯爐進、出風量的測定；

（2） 窯內燃燒煙氣成分的測定；

（3） 窯內氣流壓力的測定；

（4） 窯內氣流溫度的測定。

2.1窯爐風量的測定

輥道窯爐風量的測定方法主要有兩種：（1） 采用畢托管對管道進行多點速度重復測試；（2） 采用風速儀對風機風量進行測試。兩種測試方法中，以第一種測定為準（說明如表1）。第一種測試方法要求測點前后具有一定的直管段，一般要求為前5D后3D，但是現有大部分窯爐風、煙管道不能滿足此要求，所以應盡量選定風、煙管道中氣流較穩定且采用全管多點速度(根據管徑大小確定點數)重復測試方法進行測量。采用第二種方法進行測定會存在較大誤差，主要原因是風機入口一般都裝有網狀消音器且氣流極不穩定。

注明：窯內零壓點含氧量約10%，測定時氣體燃料（水煤氣）消耗約3600m3/h，根據水煤氣成分計算1m3水煤氣理論需空氣量為1.276m3。根據表1進行反推：助燃風量=3600m3/h×1.276m3/m3×21/（21-10）=8769.6 m3/h，所以第一種風量測試方法更為準確。

2.2窯內煙氣成分測定

窯內煙氣成分主要是指含氧量及可燃成分的含量。表2為某公司1#素燒窯爐調節前后的窯內含氧量測試數據。

備注：

（1） 窯爐調節前助燃風機頻率為38Hz；窯爐調節后助燃風機頻率為29Hz。

（2） 表2中53節為高溫區、46節為零點位置附近、39節為底槍區，17節為靠近排煙區（即預熱帶第一組底槍區附近）。

根據表2數據發現，當助燃風機頻率下降9Hz時，中高溫區域的含氧量并沒有明顯的變化，而無燒嘴區域卻有一定的降幅變動，原因如下：

（1）助燃風機設置在急冷區域，即助燃風是從高溫往低溫區域不斷流動進入窯內。

（2） 由于在窯爐有燒嘴區域的槍嘴燃料燃燒時，對周邊氣體的成分有所影響，故測定時（測定位置為觀火孔）不能準確反映出窯內煙氣的含氧量。

因此測定窯內煙氣成分時，應以表3所示的4個測點為基準測試分析點。

2.3窯內氣流壓力測定

眾所周知，窯爐壓力控制是窯爐所有其它控制和正常運行的基礎，但是現有輥道窯爐的壓力控制卻沒有建立相關數據，所以必須建立起窯爐實時壓力曲線以便分析控制。可以采用在窯爐安裝斜管微壓計進行實時監控，測點確定如表4所示。

2.4窯內氣流溫度的測定

窯爐橫截面溫度的均勻性一直都是窯爐設計的關鍵。但是對于實際運行的輥道窯爐的截面溫度的測定一直存在諸多問題。主要包括以下幾方面：

（1） 整個橫向磚面、磚底的溫度是否均勻；

（2） 整個磚面、磚底周圍的氣流溫度分布是否均勻；

（3） 窯爐內壁溫度高低；

（4） 窯內整個氣流截面的溫度分布情況未能確定。

根據實際情況，對于橫向磚面的溫度均勻性可以采用測溫環進行測定；對于觀火孔位置的橫向截面的氣流溫度均勻性可以采用熱電偶進行手工測定；對于窯爐內壁溫度可以采用紅外線測溫儀、輻射高溫計并避開燒嘴位置進行測定；但對于窯內整個氣流的縱向溫度分布較難進行測定，當然可以根據實際情況模擬出來。

3 輥道窯爐運行現狀

目前，輥道窯爐運行調試由于缺乏必要的參數數據及系統的調試方法，仍然是憑借司窯工的傳統經驗進行調試。這不僅造成調節方向不明確、調節方法混亂，同一條件下窯爐燒成能耗、窯爐運行參數差異較大，而且造成窯爐節能調節過程中產品質量容易波動。下面根據手工測試數據（表5～表11）對現有輥道窯爐存在的問題進行分析。

（1） 由于司窯工人的調窯方式不一致，導致窯爐運行的各種參數數據差異較大，沒有形成一種標準化的方法使得窯爐節能調節規范化。

（2） 窯爐內壓力曲線未建立，存在各式各樣的窯爐壓力曲線，沒有研究哪種壓力曲線最佳。很多窯爐的壓力曲線在擋板位置存在突變，整個窯內氣流也不穩定，而且部分窯爐的急冷區域的壓力是高溫區正壓的2倍，很不合理。

（3） 預燒系統的傳統調節方式主要是靠擋板將高溫氣流滯留在中高溫區域，且窯爐排煙風機開得較大，目的是將高溫煙氣往窯頭方向引，導致窯爐正負壓都很大、風機運行電流增加等。

（4） 現有輥道窯爐內部煙氣含氧量過大（即空氣過剩嚴重），且不同調試方法導致窯爐煙氣含氧量差別較大。造成現有輥道窯爐煙氣含氧量過大的原因有燒嘴性能不好、助燃風管與槍嘴匹配不合理、助燃風機布置不合理、調節方式不同等。

（5） 表11只列舉部分窯爐穩定情況下的能耗數據，但根據近幾年對各種窯爐穩定情況下不同類型磚進行測定統計：生產仿古磚、拋光磚、耐磨磚、配套磚的窯爐能耗在150～180kgce/t；瓷片內墻磚的窯爐能耗在160～200kgce/t；加墊板的外墻磚窯爐能耗在260～290kgce/t。

（6） 對于同一窯爐而言，由于生產不同類型磚的能耗相差較大，會造成在同一操作下，正負壓相差較大。如上述在同一長度窯爐及操作手段相近的情況下，由于仿古、外墻磚的燒成溫度高（即煙氣量較大），故比瓷片磚的窯爐最大負壓大。

4 窯爐系統熱平衡理論分析

根據窯爐系統熱平衡圖，分析各項熱量收入及支出的影響因素，理論上確定窯爐主要調節方向。窯爐熱平衡如圖1所示，窯爐能耗影響因素見表12。

4.1熱量支出項分析

根據熱平衡圖示，對各項熱量支出進行具體說明如下。

（1） 成品帶走物理熱Q21=C M(T1-T0)，其中T1為成品出窯溫度，C為成品磚比熱，M為出窯成品磚產量，T0為環境溫度。窯爐正常生產情況下，T1基本不變，因此在產品產量不變的條件下，Q21保持不變。

（2） 對于坯體水份，包括自由水和結構水，按照式（1）進行計算：

Q22=M自由水（2490+1.93T）+6700M結構水 （1）

其中：

T——排煙氣體溫度。

因此在產品配方、產品產量、產品吸水率不變的情況下，降低排煙溫度T可以稍微減少坯體水分蒸發的熱量。

（3） 關于坯體焙燒過程物化反應耗熱Q23，一般按Q=21Mgpm1 (Mgp為入窯干坯體重量；m1為Al2O3的百分含量)，若某些含有大量石灰石、白云石的建筑陶瓷制品（如吸水率E>10%的瓷片內墻磚），則按公式（2）進行計算：

Q=Mgp（21m1+28.23m2+27.47m3） （2）

其中m2為CaO的百分含量，m3為MgO的百分含量，在產品配方、產品產量不變的情況下，Q23保持不變。

（4） 對于Q24 及Q25而言，根據公式Q=C煙氣V（T-T0）（C煙氣為煙氣比熱、V為排出氣體風量、T為排出氣體溫度、T0為環境溫度）進行分析，減少Q24 及Q25的關鍵在于降低V與T。

（5） 分析窯爐排煙廢氣的成分發現，不管是燒重油還是氣體燃料，控制燃料不完全燃燒損失的關鍵是減少煙氣中CO的含量及排煙煙氣總量。

（6） 關于窯體散熱量公式Q27 =a ×A×（tb-t0）（a為綜合傳熱系數、A為散熱面積、tb為窯體表面溫度、t0為環境溫度），其中綜合傳熱系數計算公式見式（3）。

式中系數A，窯頂A=11.70，窯墻A=9.20。由公式（3）可知，降低散熱量的關鍵在于降低窯體表面溫度tb，即控制好正壓。

（7） 對于Q28，主要是熱煙氣泄漏損失，影響該項損失的主要是人為因素，如輥棒位、閘板位未塞好耐火棉。當然，正壓控制不當也會加大該項熱量損失。

綜合上述各點分析得出：在產品配方、產品規格、產品產量不變的情況下，即坯體含水率、窯爐燒成溫度曲線基本確定，針對熱量支出而言，Q21、Q22及Q23基本保持不變，因此如何減少Q24～Q28成為窯爐降耗的關鍵。 且減少Q24～Q28可以通過減少氣體排出流量、溫度、煙氣中CO含量，通過控制窯內氣流壓力大小等方式達到目的。

4.2熱量收入項分析

對于熱量收入項而言，在產品配方、產品規格、產品產量及窯爐結構不變的情況下，根據公式Q=CM△T，可以說明Q11、Q14、Q15、Q16基本保持不變。但是如果能夠提高助燃風顯熱，如將冷卻帶熱風作為部分助燃風使用，有助于減少燃料消耗量。

4.3窯爐耗電分析

窯爐耗電主要為窯爐進、出風、排煙大功率風機耗電。對于不同窯爐而言，由于窯爐的各個擋板、擋墻、管路設置、各個閘板的開度等不同，導致風機的運行電流差別較大，故必須減少整個過程的阻力及風量。

綜合上述幾點分析，窯爐調節主體方向如下：

（1） 控制整個窯爐的壓力曲線平穩且為微正壓或微負壓，保證預燒系統熱煙氣與冷卻系統熱風互不干擾。調整后可以大大降低各風機的運行電流、減少窯體散熱、減少漏入冷風量，而且可以延長窯爐壽命、穩定產品生產等。

（2） 盡可能減少窯內的過剩空氣，降低窯內含氧量。調整后可以減少煙氣量、減少助燃風的顯熱損失等。

（3） 根據窯爐各段需要的助燃風壓力不同，可考慮分段分設助燃風機。

（4） 采用適宜窯爐運行的高效排煙、抽熱風機。

5 輥道窯爐的具體調節方法

根據窯爐科學測試方法，對窯爐運行現狀及窯爐系統熱平衡理論進行了分析探討，以某廠1#素燒窯爐為例（該窯爐的結構參數見表14），說明具體的調節方式與調節效果。

5.1具體調節匯總

對某廠1#素燒窯爐進行了調節，調節措施匯總如表13所示。

5.2調節前后參數對比結果

根據調節后數據（表15、表16、表17）與調節前數據進行對比。得出如下幾點：

（1） 壓力曲線更為平穩（擋板位置沒有形成突變）且降低為微正、微負壓力；

（2） 含氧量下降3%，有效減小窯內空氣過剩系數；

（3） 產品單耗從5.91 m3/m2下降到5.27 m3/m2，降幅約12%，其中包含由于產量提升（由620.15 m2/h提升至710.27 m2/h）產生的單位產品能耗下降。保守估計，窯爐實施標準化調節后，整個窯爐能耗下降5%；

（4） 風機電流下降大于18A，從而大大降低了風機耗電。

6 窯爐標準化調節流程

根據上述窯爐的調節現狀、系統熱平衡理論分析及多年的窯爐調節研究經驗，總結出一套實用型調節流程。流程圖見圖2，對圖2中的各個步驟詳細分析說明如下：

6.1A步驟：安裝斜管微壓計、電表、流量計等

（1） 從數據角度衡量單條窯爐的能耗水平，需安裝電表及流量計儀表。

（2） 按表4 （窯內氣流壓力測點確定）進行安裝斜管微壓計。

6.2B步驟：測試、記錄窯爐各參數并建立窯爐參數數據檔案

完成“A”步驟后，開始對窯爐的各種參數進行測試、記錄并建立窯爐參數數據檔案。主要從不同窯爐速度（窯爐穩定生產）、窯爐異常、不同產品規格三方面對以下四點進行窯爐參數數據檔案的建立。

（1） 窯內煙氣含氧量、不完全燃燒物的測定與記錄

按照表3 （窯內煙氣成分測定點確定）對窯內煙氣含氧量、不完全燃燒物進行測定與記錄，并按表19建立窯爐煙氣氣體分析數據檔案。

（2） 記錄窯內各關鍵點氣流壓力

根據窯爐實際生產情況及對窯內氣流壓力的研究，由于窯爐速度、生產產品規格有所波動，且生產過程中經常出現窯爐空窯等異常情況，導致窯爐內部氣流壓力不穩定，因此需建立整套氣流壓力數據檔案（如表20）。

（3） 窯爐燒成溫度曲線

由于窯爐速度、生產產品規格有所波動，且生產過程中經常出現窯爐空窯等異常情況，導致窯爐燒成溫度曲線有所波動，因此需建立整套燒成溫度曲線圖檔案（如表21）。

（4） 窯爐其它運行參數記錄、測試

除了上述氣體成分、壓力、燒成溫度參數外，還需從不同窯爐速度（窯爐穩定生產）、窯爐異常、不同產品規格三個方面對窯爐各風機運行參數、擋板擋墻設置情況、產品質量情況等進行記錄，具體所需記錄的參數見表22。

（5） 窯爐其它手工測試記錄

若有條件應建立不同窯爐速度條件下各風機風量與風機運行電流的實時關系，風量測試可以采用皮托管進行測定。

綜合上述幾點，完成窯爐運行現狀各參數數據檔案，為下一步分析做好準備。

6.3C步驟：建立窯爐參數數據檔案并分析窯爐運行情況

根據近幾年對窯爐的測定、調節與研究，可以從以下幾個方面對窯爐現運行的各方面參數進行評價：

（1） 窯內氣體成分

主要針對排煙位置（測點4）及預熱帶第一組底槍位置（測點3）的氣體成分進行分析評價。根據對現有窯爐的測定研究，測點3及測點4的空氣過剩系數及不完全燃燒成分含量建議控制在表23范圍內。

（2） 窯內氣流壓力

主要針對表2中的測點1、測點3、測點4進行分析控制，根據對不同窯爐結構、不同類型生產的產品進行壓力測定分析，建議壓力大小控制應達到表24所示的要求。

（3） 燒成溫度曲線

由于各廠的產品配方不同，對窯爐的燒成溫度要求不同，因此較難判斷哪種燒成曲線比較合理。但根據經驗，升溫曲線應是平穩上升，不應該出現較大的折線上升情況，具體根據要求來確定燒成溫度曲線。

綜合上述幾點要求，窯爐參數數據是否合理，還需根據公司的實際情況進行判斷，上述評價指標僅供參考。

6.4D步驟：窯爐調節

針對窯爐參數進行評價后，若參數不合理則進行窯爐調節。根據對窯爐標準化調節的研究，總結出具體調節流程如下：

（1） 預熱、燒成系統壓力曲線調節

從預熱、燒成系統開始調節，慢慢提高預熱、燒成系統的各個擋板（從窯頭往高溫區），并緩慢降低排煙風機頻率，調節過程中隨時觀察窯內壓力波動、溫度前移程度與產品情況。經反復調節，直至預熱、燒成系統壓力曲線平穩且正負壓力不大。當然，在調節過程中，還得注意面壓與底壓的相對大小，可通過調節下擋墻或排煙支閘，以穩定面、底壓的相對大小。

（2） 冷卻系統壓力曲線調節

根據預、燒系統調整后的壓力曲線，特別是靠近急冷區窯內壓力大小，逐步將急冷段與緩冷段之間的擋板、擋墻抽空，并使用降低抽熱風機變頻、調整抽熱分閘開度等方法。調節過程中時刻觀察產品情況、急冷與緩冷段的溫度變化及壓力大小。該步調節的最終目的就是把急冷壓力調整為等于或略大于高溫區正壓。

（3） 含氧量調節

根據測溫環（主、中、從）的測定溫度及截面各磚顏色情況，著手安裝碳化硅縮口（安裝位置為燒嘴磚內），目的是穩定火焰長度、提高窯內中部溫度，以便降低助燃風機變頻（電流），從而達到降低窯內煙氣含氧量的目的。調節過程中應時刻注意產品的質量情況、測溫環的溫度及窯內煙氣含氧量大小。

6.5E步驟：檢驗產品

在進行窯爐調節過程中，每調整一次應檢驗產品情況，主要包括產品尺寸大小、產品顏色變化等。

6.6F步驟：測試窯爐各參數

在窯爐調節完畢后，按照B步驟對窯爐的各個參數進行重新測定、記錄，以獲取完整的窯爐參數數據。

6.7G步驟：建立窯爐標準化調節參數數據檔案

根據上述各個步驟，建立窯爐標準化調節參數數據檔案。該檔案包括產品配方、產品規格、產品產量（窯爐速度）、風機參數、擋板擋墻參數、各閘板參數、燒嘴情況、能耗數據、燒成溫度曲線、壓力指標、氣體成分指標等方面。

7 輥道窯爐參數監控方案

由于窯爐是全天不間斷運轉、不同操作工對窯爐的操作手法不一樣、窯爐經常轉產（變速）等原因，造成窯爐操作不穩定。為了穩定窯爐標準化調節效果，應對窯爐做個標準化調節監控方案。該監控方案主要涉及對窯爐關鍵點的壓力與含氧量的自動采集、顯示等。

采用壓力變送器和記錄儀對窯爐關鍵點的壓力及含氧量進行隨時顯示，以便窯爐的穩定控制。

8 結語

當今，能源越來越緊缺，能源成本不斷攀升，如何減少能源使用量，降低能源成本，特別對于高耗能的陶瓷行業，已經成為制約發展的一大瓶頸。本調節流程可以有效減少窯爐無效熱能的排放，提高能源利用效率，降低陶瓷生產的能源消費成本。

本文試圖建立一個標準化流程，對建筑陶瓷窯爐進行初步診斷，中間環節調試，最終建立一個低耗模式檔案，對各個陶瓷廠窯爐管理起到了模板作用。

說明：本文所涉及調節操作是在新明珠陶瓷集團三水基地進行的，以下人員全部參與：簡耀康、洪衛、韋前、鄧偉國、羅廣南、關浩寧、彭中華、曾慧孫、招秋、黃鋒、蘇喜壯、何國權、曾漢平。

參考文獻

[1] 孫晉濤.硅酸鹽工業熱工基礎[M].武漢：武漢工業大學出版社，1992.

[2] 于麗達，陳慶本.陶瓷設備熱平衡計算[M].北京：輕工業出版社，1990.

[3] 中國硅酸鹽學會陶瓷分會建筑衛生陶瓷專業委員會.現代建筑衛生陶瓷工程師手冊[M].北京：中國建材工業出版社，1998.

[4] 全國能源基礎和管理標準化技術委員會.熱工基礎[M].北京：機械工業出版社，2002.