燃燒實驗與陶瓷窯爐過剩空氣系數檢測數據分析

江海東

摘 要：根據煤氣燃燒實驗和典型陶瓷輥道窯爐的測試數據，分析過剩空氣系數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域過剩空氣系數的情況，最后提出輥道窯爐空氣過剩系數的分段控制和窯爐燃燒系統設計的建議。

關健詞：過剩空氣系數；輥道窯爐

1 引言

陶瓷產品種類繁多，佛山地區以生產瓷質磚為主，數十條瓷質磚輥道窯爐以燃用發生爐煤氣和天然氣為主。建筑陶瓷工藝決定其產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生的顯熱，這勢必造成熱能的浪費[1]。歷來關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有利于節能降耗已成為共識，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據可借鑒進行輥道窯爐的燃燒系統分析，其數據直觀印證了降低過剩空氣系數有利于降低能耗。同時，對佛山和周邊地區的典型陶瓷輥道窯爐的過剩空氣系數進行檢測，對比輥道窯爐的不同運行工況，分析窯爐不同區域空氣過剩空氣系數的情況。

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、排煙成分等數據變化情況。

設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]。但實驗數據用作分析過剩空氣系數變化對爐溫的影響具有一定普遍意義，能直觀印證降低過剩空氣系數對提高爐溫有利，佐證低過剩空氣系數有利于降低能耗。

2.1實驗爐的制作

實驗爐內置一根輻射管，管四周留150 ～ 200 mm空間，爐內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、氮氣管安裝調節閥、氣體轉子流量計、氣體壓力測量儀表，半水煤氣和氮氣經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

實驗爐經過3 h燃燒后，爐溫穩定在750℃左右，期間每15 min記錄燃燒參數及取煤氣樣化驗一次，連續測試2 h，各參數最后取平均值作以分析。

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

2.3實驗數據和分析

實時調節半水煤氣與氮氣混合比例，產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整助燃空氣輸入量，以獲得較低助燃空氣過剩系數。5925.5 kJ/Nm3的煤氣熱值與目前佛山地區陶瓷磚輥道窯爐使用的發生爐煤氣熱值相近。實驗詳細數據記錄整理如下表。

對實驗數據分析如下：

（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，實際體現指標為煙氣當中檢測的含氧量不斷下降，過剩空氣系數αpy降低，實驗爐溫和排煙溫度總體呈上升趨勢。

（2）隨著過剩空氣系數αpy降低，煤氣燃燒后產生的煙氣量總體呈下降趨勢，按單位輸入熱量產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。

（3）摻入氮氣量最大、熱值最低（5925.5 kJ/Nm3）的兩組數據與純半水煤氣（7556.3 kJ/Nm3）組數據相比，總輸入熱量僅稍增0.36 ～ 1.54%，但由于過剩空氣系數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組實驗數據當中，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檢測

籍佛山市陶瓷企業開展“十三五”能源審計當中對重點用能設備開展能效檢測的機會，對在用正常生產的典型陶瓷輥道窯爐的過剩空氣系數進行檢測，通過實測窯爐各個燃燒段落的排煙成分，分析過剩空氣系數αpy在窯爐的整個燃燒段落的區域變化情況。

3.1 被檢測窯爐的基本情況

檢測了十數條陶瓷輥道窯爐，抽取工況較為穩定的4條典型陶瓷輥道窯爐的檢測數據進行分析，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。窯爐產品為釉面磚和瓷質磚，產量為430 ～ 590 m2/h，窯爐最高燒成溫度為1117 ～ 1230℃。

3.2檢測操作情況

窯爐生產工況穩定情況下，在輥道窯爐的燒成段至預熱段區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部，引出煙氣進行檢測，原則上窯爐兩側相同段落取點檢測，數據取平均值；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。

為便于數據對比分析，爐體檢測點按區域功能進行分類匯總，具體布置如圖6示。

3.3檢測數據和分析

按窯爐爐體功能區域分類匯總檢測數據，詳細記錄數據整理如下表。

由數據表和圖分析如下：

（1）目前大多數墻地磚的輥道窯爐均采用氣體燃料，燃燒過剩空氣系數控制在1.10～1.15即可[4]。上述所有窯爐的實測過剩空氣系數αpy均明顯高于燃氣窯爐的理論燃燒系數。采用熱風助燃的窯爐，據有關數據，與一般常溫助燃風窯爐相比，節能率可達8.24%，其設計用能方案先進[5]。雖然4#窯爐設計理念較為先進，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，其實測過剩空氣系數αpy與傳統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，過剩空氣系數αpy將不斷增大，圖示曲線應呈現緩慢上升狀，但1#窯爐圖例曲線比較平直，并無明顯呈現該狀況。對此，考慮為該窯爐的密封結構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）預熱區當中，磚坯隨溫度升高，坯釉等將發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，窯爐的檢測數據均出現過剩空氣系數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置的鼓風口直接送風導致。另外還有少數窯爐特意在排煙風機入口附近開設漏風口，額外滲入常溫空氣，造成排煙管位置檢測的過剩空氣系數遠高于窯內平均水平。該段區域αpy的提升，總體反映出該區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 結論

結合煤氣燃燒實驗和窯爐檢測的數據，在低空氣過剩系數實現窯爐節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，降低空氣過剩系數無疑能起到明顯節能作用。

4.2空氣過剩系數的分段控制

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，不同產品的氣氛要求也不同，整體控制單一的空氣過剩系數并不合適，正確的方案為合理分段控制。現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的控制實際為空燃比的調整。目前陶瓷輥道窯爐往寬體、長窯方向發展，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工程，很明顯現有窯爐設計和在用的檢測、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的窯爐燃燒系統設計的建議

過剩空氣系數調整涉及整個燃燒系統，燃氣和助燃空氣供給配比調整涵蓋了燃氣燃燒器、燃氣管路、助燃空氣管路、助燃風機等設備和裝備的控制。輥道窯爐燃燒段落距離長，燃燒器數以百計，燃氣和助燃風管路較為復雜。傳統的流量控制以流量調節閥為核心，通過特殊閥芯結構的開閉空隙對管路系統阻力進行調整，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整。事實上調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生變化，火焰長度、燃氣流速各個方面均發生改變，所以在調整過剩空氣系數之后，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量。現在變頻驅動應用廣泛，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，更使得系統調整趨于復雜。

過剩空氣系數調整是一個系統的調整，正因為如此，單獨對燃燒器或者風機等進行改善或者調整，而非立足于整個系統聯合調整，容易導致系統失調；其實，過剩空氣系數的調整控制難度不低。所以在現有輥道窯爐上針對過剩空氣系數單獨對某方面進行改良，比如說僅僅進行低空氣配比節能燃燒器改造，往往最終節能效果實現的同時容易出現產品質量問題，這正是眾多用于其他工業加熱設備（例如：鍋爐，熱風爐）等單機運行良好的原理、結構、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，燃燒器和相關管路系統應開展系統性研究，以設計出滿足輥道窯爐生產要求、調節性能佳的單元器件及綜合控制系統。

參考文獻

[1] 王業勤.吳文武. 淺談空氣過剩系數對窯爐操控及節能的影響[J]. 佛山陶瓷. 2016（9）：38-39.

[2] 張裕泰，夏遠萍. 鍍鋅板生產線退火爐輻射管燃燒實驗研究 [J]. 工業加熱. 2003（1）：46-48.

[3] 中國建筑材料聯合會. GB/T23459《陶瓷工業窯爐熱平衡、熱效率測定與計算方法》.2009年.

[4] 謝炳豪.譚映山.胡衛. 墻地磚生產輥道窯的燃燒狀態檢測與調節[J]. 佛山陶瓷. 2016（7）：1-3.

[5] 謝炳豪. 窯爐能耗調查數據分析及節能措施[J]. 佛山陶瓷.2014（9）：35-38.

[6] 中國硅酸鹽學會陶瓷分會建筑衛生陶瓷專業委員會. 現代建筑衛生陶瓷技術手冊[M]. 北京. 中國建材工業出版社. 2010.4.