燃氣隔焰推板窯的設計與調試

呂詩宏，謝驍斐，郭小軍，王文學,朱小東

(中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，先進耐火材料國家重點實驗室,河南 洛陽 471039)

2019年，受某公司的委托，我公司承擔了設計溫度1 300 ℃、窯長21 m、燃氣隔焰推板窯的總承包工作。推板窯用于電子產品原材料的煅燒，該類電子產品原材料燒結用推板窯通常采用電加熱，為降低產品生產成本，委托單位要求采用燃氣隔焰加熱法。并且由于該產品性能的特殊性，隔焰燃燒爐襯結構中不得采用高導熱的碳化硅質材料。

經過三個半月的設計及建設，推板窯于2019年5月進行了烘窯調試，順利達到了1 300 ℃的最高工作溫度，窯內溫度均勻性、能耗指標、煙氣污染物排放數據均符合設計要求。目前，該推板窯已經穩定在1 250 ℃正常生產1年時間，為企業創造了良好的經濟效益。

1 推板窯系統簡介

推板窯總長度為21 m，內部寬度0.75 m，高度0.32 m，內部為雙推板，燃料為天然氣，整個推板窯由窯體、推板、匣缽、推車機、轉運系統、助燃風機、排煙風機、天然氣站和控制系統組成,設計產能為40 kg/h。

(1)預熱帶長度：9.5 m；

(2)焙燒帶長度：5 m；

(3)冷卻帶長度：6.5 m；

(4)燒嘴數量：12支；

(5)測溫元件：焙燒帶燃燒室溫度控制用S型熱電偶12支，爐膛內S型熱電偶4支K型熱電偶8支；

(6)溫度控制精度：≤±5 ℃；

(7)爐內溫差要求：≤±10 ℃；

(8)回轉系統：采用全自動液壓回轉系統。

2 推板窯設計要點

在推板窯項目開始實施前，項目組針對本項目的難點進行了分析，主要有以下幾點：一是在隔焰燃燒條件下，如何保證爐膛內溫差達到要求的±10 ℃；二是燃燒系統如何滿足業主要求的節能環保的要求；三是爐襯結構的設計如何充分利用煙氣產生的熱量。

3 推板窯設計

3.1 燒嘴的布置

設計之初，我公司曾提出過在燒成帶兩側布置燃氣燒嘴加熱的方案，由于爐膛內部寬度較大(雙推板)，高度較小，采用兩側加熱時，燒嘴的布置空間較小，也不利于熱量的傳遞。考慮到節能和提高傳熱效率等因素，根據爐內溫度均勻性的要求，設計最終選用燒成帶推板下部加熱的方式。推板窯爐底設有爐底磚一層，爐底磚下部設計隔焰磚一層。爐底磚和隔焰磚交錯布置，錯縫砌筑，防止煙氣直接進入爐膛。隔焰磚為全架空設計，下部為燃燒室。燃燒室內的燒嘴采用左右交錯布置的方案，每個溫度控制區布置一個燒嘴，測溫熱電偶安裝在燒嘴對面。

3.2 燃燒方式的選擇

當前國內的工業窯爐一般都采用連續比例燃燒控制的形式，即通過控制燃料和助燃空氣流量來使溫度、氣氛達到工藝要求。但由于這種連續燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調節和測量等環節的制約，在大多數工業窯爐中的控制效果不佳[1]。脈沖燃燒技術是提高窯爐溫度場均勻性的新型燃燒技術。

大小火脈沖燃燒是根據爐內溫度的變化與設定溫度的對比，分別調整每區燒嘴的大火和小火工作的時間，保證爐內溫度始終與設定溫度相一致。另外，由于大小火脈沖燃燒在切換時，爐內煙氣的對流換熱得到強化，縮小了煙氣與制品的溫差。

與常規燃燒相比，脈沖燃燒還可以減少NOx的排放量[2]。

根據燃氣推板窯對爐溫均勻性的要求，對比了連續比例燃燒控制和脈沖比例燃燒控制技術之后，確定采用大小火脈沖比例燃燒方式。

3.3 爐襯結構的設計和內襯材料的選擇

燒成帶燃燒室為全架空設計，內部設計有縱向的排煙通道。為增大煙氣與爐膛的傳熱面積，燒成帶的側墻設計有夾層結構，燃燒室的高溫煙氣能夠進入側墻的夾層中，燃燒產生的高溫煙氣將熱量通過輻射和對流的方式傳遞到爐膛內。燃燒室的高溫煙氣分別經過爐底的煙道和側壁夾層煙道送至推板窯的窯頭，然后經排煙風機排出。燒成帶長度為5 m，12個燒嘴交錯布置，測溫孔設計在燒嘴的對側。

燃燒室內部設計有大量的支撐結構，用于支撐推板窯的爐底磚。支撐磚長期經受高溫，工作環境較為嚴酷，設計采用剛玉莫來石材質。爐底磚下部保溫層采用MG26莫來石輕質磚和低鐵微孔免燒磚，低鐵微孔免燒磚具有導熱系數小的特點。

為充分利用煙氣熱量，推板窯的預熱帶爐底也設計有煙道，并與燒成帶爐底煙道相連。隔焰磚和爐底磚設計在煙道上部。

根據推板窯爐膛內最高1 300 ℃的要求，綜合考慮隔焰燃燒傳熱的特點，預估燃燒室內部溫度可達1 450 ℃左右，并且受到燒嘴火焰的直接沖擊，因此燒成帶燃燒室側壁選用氧化鋁空心球磚作為內襯。保溫層采用MG26莫來石輕質磚和硅酸鋁纖維氈，爐襯總厚度為450 mm。燒成帶爐底磚和隔焰磚也采用剛玉莫來石材質，具有熱震穩定性好，使用壽命長等特點，能夠經受燒嘴大小火脈沖頻繁的火焰沖擊。

預熱帶和冷卻帶爐頂和側壁隔焰板采用堇青石板，爐低磚和爐底隔焰磚采用莫來石磚。側墻保溫層采用低鐵微孔磚和硅酸鋁纖維氈。爐頂絕熱層采用平鋪纖維毯結構。

3.4 管道系統的設計

燃氣推板窯設計有天然氣管道系統、助燃風管道系統、冷卻管道系統和排煙管道系統。每個管道系統都具有較大的可調性，方便根據溫度曲線的要求進行調節。分別介紹如下：

(1)天然氣管道系統，天然氣供應由壓縮天然氣運輸車和減壓撬組成，壓縮天然氣運輸車送到廠區后，直接接到天然氣減壓撬的入口，經過減壓和計量后送到車間，天然氣站的供氣能力為40 N·m3/h。進入車間的天然氣壓力為0.2 MPa，經繼續減壓到8 kPa后送到窯前供燒嘴使用。燒嘴前的天然氣管道按每個燒嘴一個分區進行設計，有利于提高燃燒室溫度的均勻性。每個燒嘴前的天然氣管道上都安裝有球閥、比例閥和電磁閥。

(2)助燃風管道系統，根據推板窯的特點和溫度要求，設計采用冷空氣助燃。助燃空氣由2臺(1用1備)高壓風機送到窯前，助燃風機進口安裝有消聲器來降低車間噪聲。每個燒嘴前的助燃風管道上都安裝有電動調節蝶閥，根據燃燒室內溫度數據自動調節各區閥門的開度。

(3)冷卻管道系統分2部分組成。一組設計在冷卻帶的窯頂，通過窯內熱空氣的自然排氣抽力帶動窯內氣流對制品進行冷卻，風管道采用耐熱不銹鋼管，根據產品降溫曲線，冷卻帶的窯頂設計了4組抽氣冷卻管道，4組管道能夠通過閥門獨立進行控制，排出的熱空氣經匯總后排出車間外部。另一組冷卻管道設計在冷卻帶的爐底，在爐底磚下部的爐襯內布置有互相連通的冷卻風通道，通過布置在兩側墻下部的風口吸入冷空氣對爐底進行冷卻，冷空氣的進風口設計有調節閥門，可以調整吸入的冷空氣的數量。爐底冷卻風管道排出的熱空氣通過排煙風機排出廠房外，同時可以起到調節窯頭煙氣溫度的作用。

(4)排煙管道系統設計在推板窯的預熱帶，燃燒室產生的高溫煙氣沿爐底磚下部的煙道送到窯頭，煙氣在流動過程中將熱量通過爐底磚傳遞到爐膛內。燃燒室的末端安裝有微差壓變送器，用于顯示燃燒室的壓力，并通過排煙風機的轉速對燃燒室內的壓力進行自動調節，防止燃燒室的壓力過高時煙氣進入爐膛內。煙氣從爐底煙道首先進入爐墻側壁的夾層中，然后再進入爐頂的排煙支管，經過匯總后進入排煙風機排空。

3.5 測溫及控制系統的設計

爐膛內最高溫度要求為1 250 ℃，燃燒室與爐膛之間有2層爐底磚相隔。設計時預估燃燒室內溫度為1 400～1 450 ℃，根據計算的功率大小，燒成帶底部設計了12個小型高速燒嘴，燒嘴采用大小火脈沖控制方案，每個燒嘴為一個溫區，獨立控制。

控制系統采用上位機和西門子S7-1500系列PLC來實現溫度和壓力的自動控制。模擬量輸入模塊采集當前溫度和壓力，數字量輸出模塊控制空氣管道上電動調節閥的開閉時間，模擬量輸出模塊控制變頻器轉速。上位機監控軟件采用西門子公司的WinCC，完成流程組態編程、診斷、工況顯示、參數和曲線顯示、打印、監控、報警等各種管理功能。

溫度控制過程中，PID模塊根據設定溫度和當前溫度之間的差值，計算出在120 s內大火和小火的燃燒時間，通過數字量開關打開和關閉燒嘴前空氣管道上的電動調節閥，來調整進入燒嘴的空氣量，燒嘴前燃氣管道上面的比例閥根據電動調節閥出口的空氣壓力自動調整燃氣的進氣量，以適當的空燃比進行燃燒。

轉運控制系統采用OMRON小型PLC和觸摸屏組成，PLC自動檢測推板位置，啟動液壓泵，控制液壓推頭等一系列動作，觸摸屏具有顯示當前工作狀態、手動操作、設定參數等功能。

4 調試與運行

燃氣隔焰推板窯施工完成后，根據計劃進行了烘爐調試工作。調試主要工作就是燒嘴的燃燒以及脈沖開關期間平衡問題。根據燒嘴額定功率首先調整燒嘴達到額定負荷狀態下的助燃風總管壓力并保持穩定。通過助燃風各支管手動閥調整各個燒嘴確保充分燃燒，空氣過剩系數達到1.05～1.1。通過助燃風支管電動執行器限位調整燒嘴最大輸出功率90%，最小功率10%，既保證了燃燒室所需熱量，同時也保證了在脈沖開關期間燒嘴的穩定連續燃燒。

烘爐升溫運行平穩，爐膛內最高溫度達到1 250 ℃時，燃燒室溫度為1 385 ℃左右，燃燒室與爐膛溫差為135 ℃，比預估溫差小。

爐內溫度均勻性測試結果為：爐膛左右兩側溫差為±2 ℃，兩層匣缽上下溫差為±6 ℃，達到了合同要求的±10 ℃。

正式運行時，燒成帶爐膛內溫度穩定在1 150 ℃，每20 min轉運系統推車一次，每次推4個匣缽，可裝載制品15.2 kg，則每小時可生產45.6 kg，每天產能為1 094.4 kg。

4.1 燃燒室壓力波動問題

推板窯在調試和生產過程中，出現燃燒室壓力波動情況，在各個燒嘴大小火交替燃燒過程中，爐膛壓力波動數值通常為-50～50 Pa，爐膛壓力波動導致排煙機控制困難。排煙風機轉速控制是根據燃燒室的爐膛壓力實測數據進行的，當爐膛壓力波動時，排煙風機轉速調節滯后較多，控制困難。

原因分析：由于爐膛空間狹小，當燒嘴進行大小火交替燃燒時，對爐壓的沖擊較大。燒嘴滿負荷燃燒時煙氣量大，爐壓高；斷開時無煙氣，爐壓低。因此，爐壓隨著燒嘴燃燒的大小火變換及通斷狀態的改變波動非常大[3]。

為盡快解決問題，查閱了相關資料，文獻[4]提出：為了避免燃燒室斷續供熱造成的爐壓波動(這給爐壓控制帶來困難)，采取對各個燒嘴的開關時間及其開關順序進行控制，即將爐子的各個燒嘴的開關時間錯開，保證在任一瞬間開/關燒嘴的數量相同，這就避免了對爐壓的沖擊。

根據相關文獻的建議，我公司調試人員對燒嘴的脈沖控制時序進行了調節，在不影響爐溫均勻性的前提下，通過控制程序對各個燒嘴的開關時間進行了調節，使爐膛壓力波動情況大幅降低，為爐壓的控制提供了保障，順利解決了問題。

4.2 爐壁溫度偏高問題

推板窯運行以后，燒成帶爐壁溫度比理論計算數值明顯偏高，造成工作環境惡化和能量損失，分析原因后認為是燃燒室爐膛壓力波動造成的。由于操作過程中，燃燒室壓力波動頻繁，爐壓升高后，部分熱煙氣通過燃燒室的孔洞外溢，造成爐壁溫度升高。

通過對各個燒嘴脈沖控制時間的調節，不僅解決了爐壓控制困難的問題，也使爐壁溫度逐步恢復正常，接近了理論設計數值。

5 結 論

經過實踐，該燃氣隔焰推板窯成功實現了窯內溫度1 250 ℃，爐膛內溫差達到了合同要求的±10 ℃，同時具有能耗低，煙氣氮氧化物排放數量少，無需二次治理的特點。

脈沖燃燒控制的火焰爐燃燒系統調試對發揮脈沖系統的優點至關重要，通過控制系統的優化調節，可以有效地發揮脈沖燃燒爐溫均勻性的優點，避免了爐膛壓力波動，控制困難等缺點的出現。