回轉式燃氣焙燒爐的節能方法淺析

朱云峰

（上海潔槿園林綠化有限公司，上海 200241）

1 前言

焙燒是分子篩生產的一個重要工序，焙燒的目的是脫除分子篩孔隙中吸附的水分，以使分子篩得到活化或改性，其次，使分子篩中的晶態粘土粘結劑相變，成為無定形態，使分子篩晶體(1～3μm)之間通過粘土相互連接，達到增強作用，滿足工業需求。

焙燒中的主要控制變量為：物料的溫度分布、進料速率、進料含水率、吹掃壓縮空氣流量和抽風負壓。由于分子篩存在熱穩定性問題，不同品種的分子篩有不同的溫度分布要求，因此，在操作中控制物料的溫度在一個狹窄的范圍至關重要。

焙燒爐的熱能是通過燃燒天然氣所獲得，燃燒溫度高低是根據不同的產品所設置，因此要求焙燒爐設計中，內膽筒體壁上的溫度設置范圍要求在250～800℃之間可控。

2 課題背景

根據?上海市節能和應對氣候變化“十三五”規劃?，上海市“十三五”能源消費總量凈增量控制在970萬t標準煤以內，2020年能源費總量控制在1.2357億t標準煤以內；二氧化碳排放總量控制在2.5億t以內；單位生產總值能耗和單位生產總值二氧化碳排放量分別比2015年下降17%、20.5%。

該公司所屬上海華誼集團屬下分子篩有限公司，生產和銷售各種分子篩吸附劑,使用的主要能源是天然氣和電，使用天然氣的主要設備是二臺A5100和B5100回轉式焙燒爐，24小時連續運行，日用氣量8000～10000m3。

根據市上海市發展和改革委員會文件?滬發改環資（2017）25號?，針對我司現有的二臺A5100和B5100回轉式焙燒爐高能耗設備，必須進行降能降耗改造。

通過一個實際的節能案例來探討焙燒爐設備的節能方法。

3 焙燒爐結構說明和分析

焙燒爐整體設備有：窯爐部分、旋轉筒體部分、天然氣燃燒系統部分、溫度控制及反饋部分、煙囪排煙量控制部分、DCS編程系統控制部分（見圖1）。下面對焙燒爐作一個簡要的介紹，通過對設備的結構了解和功能設施的理解，才能掌握和理解節能的關鍵點。

圖1

3.1 窯爐爐體部分

（1）窯爐爐體下半部分。爐體下半部為框架鋼結構，外形整體為開口的箱體，爐底采用多層不同絕熱材料進行保溫，從里到外依次為莫來石磚、輕質粘土轉、漂珠磚、燒結珍珠巖，在絕熱材料的最外面用鋼板固定，一半留有12個燃燒噴口，另外一半為半圓弧內壁（便于火焰在爐膛內部形成穩定流向）；爐膛可分三個區加熱，相鄰區用隔熱墻隔開，以便每區可獨立加熱控制溫度。

（2）窯爐爐體上半部分。爐墻采用高溫折疊塊（含高溫骨架）進行保溫，高溫折疊塊與鋼殼之間用背襯板過渡。爐頂采用圓拱形結構，采用梯型高溫折疊塊（含高溫骨架）保溫，高溫折疊塊與鋼殼之間用背襯板加固，在爐頂上有3個排煙管分別對應3個爐腔煙道排煙，另外，在爐頂排煙口與直通樓頂的煙囪之間，安裝1個“將軍帽”裝置，用于控制每個排煙口的排煙大小，這個裝置能否正確使用直接影響焙燒爐熱能使用效率的大?。ㄒ妶D2）。

圖2

3.2 旋轉筒體及旋轉驅動部分

焙燒爐主體主要由旋轉筒體、鏈輪傳動、筒體支承裝置、爐頭喂料器、進出料箱及其它輔助部件組成，主要介紹爐筒體和傳動部分。

（1）爐筒。爐筒是燃氣式焙燒爐的核心，其合理的結構設計和材料選用直接影響到焙燒爐的安全、使用壽命。爐筒體主要參數：筒體的尺寸：直徑×壁厚×長度mm；筒體的大小決定生產能力；筒體內結構：根據具體要求選擇物料的翻轉形式：翻料板、環型堰板；主要材質：根據焙燒物料的使用溫度區間，選材（如304、321、310S）；設備傾角：固定角度（一般1°左右）或可調角度；爐筒轉速：變頻電機驅動筒體的滾動鏈輪-變頻調速；內置吹風管：內置1根DN100不銹鋼管，單排吹風-排除焙燒物料的焙燒所產生的水蒸氣，排出干燥風，壓力穩定1000～1100Pa。

（2）傳動系統。由于焙燒爐的轉速比較低，2～10轉/分，變頻電機通過鏈輪和鏈條將轉動力矩傳遞給爐筒鏈輪，筒體的二側端有2個鋼制的輪環，筒體橫臥在二組托輪上作滾動旋轉，使筒體內的物料不停均勻翻轉加熱，脫除分子篩內部的水分，并將粘土燒結，以活化分子篩，并增強分子篩顆粒強度（見圖3）。

圖3

（3）焙燒爐的燃燒系統及輔助設備部分。焙燒爐內部分成3個加熱區域，每個區域的燃氣燒嘴分布有4個：Ⅰ區-升溫區，Ⅱ區-高溫區，Ⅲ區-保溫區。Ⅰ區-升溫區的特點：燃燒火焰短，溫度控制在200～400℃；Ⅱ區-高溫區的特點：燃燒火焰長，溫度控制在400～650℃；Ⅲ區-保溫區的特點：燃燒火焰長，溫度控制在600～750℃。這是焙燒爐燃燒系統控制原理圖（見圖4）。

圖4

3.3 焙燒爐燃燒系統管道與輔助設備

（1）天然氣管道分二路，一路手動控制，一路自動控制，自動控制線路中包含（燃氣自動報警斷路器+穩壓薄膜閥+壓力表），在緊急狀態情況下，斷路器會自動關閉燃氣進口管道。（2）總管分成3根分別接入3個燃燒區域，其中每個區域有4個燒嘴，共計12個，均勻分布在爐體一側。（3）風機：高壓風機和低壓風機2臺，高壓風機的作用是提供燒嘴燃燒的助燃空氣，風壓范圍（0.8～2.5kPa），低壓風機的作用是提供燒嘴的引導火，風壓范圍（0.1～0.5kPa）。（4）爐腔內部負壓測試記錄儀的功能是檢測，爐腔內部燃氣充分燃燒后，煙氣通過排煙管向外快速排放時，造成爐內腔氣壓產生負壓，爐腔內部負壓高→排煙量大→燃氣用量大→燃氣不易充分燃燒→耗能；總之，控制好爐腔內負壓的合適范圍就能實現降低燃氣的消耗量；怎樣調節爐腔內部的負壓值，取決于排煙管的排煙量的控制。負壓檢測裝置組成：不銹鋼DN12金屬管+終端檢測箱+微電腦數字壓力計（見圖5）。（5）煙道排放控制閥：“將軍帽”（圓錐體管扣臺）（見圖2）。（6）測溫點。在旋轉筒體內部的料杯中，安放熱電偶探頭與物料接觸所測得的溫度為物料的實際溫度，熱電偶電流通過轉換成模擬信號。

圖5

溫度信號的傳輸與反饋：焙燒爐內的熱電偶數值電流通過一組無線傳送器（XYR-FDAP）將溫度模擬信號數據傳送DCS數據處理中心，DCS處理器模塊輸出4～20mA至現場顯示表，另外一路至選擇開關，控制方式手動、自動2種，通過電腦編制程序來控制燃氣流量閥的執行機構，從而達到自動控制焙燒爐的溫度，同時發送至控制室顯示屏便于操作人員現場觀察（見圖6）。

圖6

4 焙燒爐現狀調研分析

這2臺焙燒爐設備（A5100、B5100）的燃氣消耗量占比整個生產線上日燃氣用量的50%～70%。為了更好記錄這2臺設備在改造前的燃氣用量，以及便于節能改造后準確統計節能數據，必須在每臺焙燒設備前端統一安裝燃氣流量表，公司總燃氣管道進入生產單元后，在各用氣設備進口管道處安裝燃氣流量表，用于記錄觀察生產不同產品所消耗的燃氣用量，對節能效果的評判依據詳見公司燃氣管道網絡圖（見圖7）。

圖7

對應不同的生產產品型號所獲得的燃氣用量數據也不同，因為不同的產品在焙燒爐3個區間所設置的溫度也有所不同，下面是當時的實際記錄數據：

A5100焙燒爐數據記錄分析見表1。

表1

注1：平均燃燒比=當日用氣量(m3)/當日生產量(kg)×100%；注2：OEE的概念：設備綜合效率，總體設備效率，其本質就是設備負荷時間內實際產量與理論產量的比值，OEE (Overall Equipment Effectiveness)。

計算公式：計劃開工率(%)×非計劃開工率(%)×產品首次合格率(%)

B5100焙燒爐數據記錄分析見表2。

表2

5 B5100焙燒爐節能改造和規范操作

5.1 焙燒爐燃氣熱值變化

焙燒爐原燃燒系統的設備以城市煤氣（4000kcal/m3）進行設計的，現已把燃料改成天然氣（8400kcal/m3）,兩者熱值將近相差1倍，除增加一組助燃空氣流量外，其它設備均未做改變。B線焙燒爐在生產過程中，經常發現火焰硬度不夠且火焰顏色偏黃，煙道口時常出現冒火現象，很顯然是空氣燃氣配比混亂導致，從而大量的天然氣未被充分燃燒。

5.2 燃氣管道流量改進

制定方案：為達到節能降耗，增加焙燒爐燃燒效率，針對焙燒爐的現況局限性和操作實用性設計了一套改造方案：

（1）燃燒系統燃氣支管改造：根據所使用的燒嘴功率及天然氣的熱值，重新計算燃氣管徑的大小，主要針對燒嘴前燃氣管道進行改進。原先燒嘴前燃氣管均為DN40，現1、3區燒嘴前燃氣管改為采用DN25，2區燒嘴前燃氣管改為DN20。由于管徑的變化，所以在管道上相應比例閥、流量控制閥也要隨之更改。如表3。

表3

根據分析和測試的結果，需要對原有B5100焙燒爐的燃氣管道進行改造，施工方案如圖8、圖9。

圖8

（2）燃氣管道改造內容：燃氣管道系統中更改的設備有燃氣孔板、燃氣比例閥、燃氣限流閥及相對的部分燃氣管道；空氣管道系統中更改的設備有助燃風機及風機出口連接管道；電氣控制系統中更改的設備有風機電源線和風機的回路控制元器件。

（3）燃氣管道改造后的效果：原先每區只運行一兩個燃燒器，且燃燒溫度和火焰情況均不是最佳狀態，現通過改造后，實現所有燃燒器同時運行，且能很好控制爐溫；原先運行的燃燒器幾乎處于大火狀態，無功率可調節范圍，改造后，確保每個燃燒器的功率調節范圍由5%～100%；原先每個引導火種一直處于運行狀態，改造后，只需要點主火時才運行；爐溫控制原先主要以手動控制各個燃燒器的燃氣量來實現控溫，改造完后控溫實現自動化控制，大大減少操作人員的工作量。

圖9

改造前的燃氣耗量為200m3/h，改造完后，生產3A產品時所需燃氣量為110m3/h左右，生產13X產品時所需燃氣量為70m3/h左右。經過測試各燃燒器嘴前空氣壓力和燃氣孔板流量計算得出與燒嘴設計的功率一致。具體數據見表4。

表4

5.3 B5100焙燒爐排煙囪改造

（1）改造前焙燒爐排煙管的出口使用“將軍帽”結構來控制排煙量的大小，主要靠人工調節“將軍帽”（圓錐體管扣臺）二端的鐵鏈條的高長短來實現（見圖10）。

圖10

（2）改造后焙燒爐排煙管情況。煙道閘板閥的作用：利用閘閥控制流量的原理，通過絲桿來調節排煙管的直徑口的大小，從而達到控制排煙量的大小。

自力閥的作用：當排煙煙囪出口的煙量大于焙燒爐排煙量時，平衡閥的三通進口就會補充新風來自動平衡，但是，平衡閥（自力閥）補充新風量的大小由配重片數量決定，可以根據煙囪抽力的大小來調整每個自力閥的配重重量，這個需要根據具體情況來進行調整（見圖11）。

自力閥的原理是：根據伯努利原理，文丘里效應的體現。

伯努利原理往往被表述為：

P+1/2ρv2+ρgh=C

圖11

式中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。它也可以被表述為：

P1+1/2ρv12+ρgh1=P2+1/2ρv22+ρgh2

文丘里效應：

P1+1/2ρv12+ρgh1=(P2+1/2ρv22+ρgh2)+(P3+1/2ρ v32+ρgh3)

這個式子中P1、v1、h1為煙囪頂部的動力勢能，P2、v2、h2為焙燒爐煙氣排放的動力勢能，P3、v3、h3為自力閥補充平衡的動力勢能。

根據生產工藝需求，ΔP2、Δv2、Δh2焙燒爐煙氣排放量的動力勢能需要變化，那么ΔP3、Δv3、Δh3為自力閥補充平衡的動力勢能也需要變化。

煙囪抽力計算

公式△P=0.0345H[1/(273+tb)-1/(273+tg)]B

參數說明：△P—煙囪的抽力（pa）；H—產生抽力的管道高度(m)；tb—外部空氣溫度（℃）；tg—計算管段中煙氣的平均溫度（℃）；B—大氣壓力（pa）。煙囪抽力計算1、公式h抽=H（γ空-γ氣）；參數說明

（?。└叨菻的影響：由公式可知，H愈大，也即煙囪愈高，抽力愈大；H愈小，也即煙囪愈低，抽力愈小。

（ⅱ）空氣重度的影響：由公式可知，在H、γ氣不變的情況下，γ空愈大，也即外界空氣溫度愈低，抽力愈大。

（ⅲ）煙氣溫度的影響：由公式可知，在H、γ空不變的情況下，γ氣愈大，也即煙氣溫度愈低，抽力愈?。沪脷庥?，也即煙氣溫度愈高，抽力愈大。

5.4 制定生產工藝規范操作

為了更好的節約燃氣能源，要求操作人員必須按照下列生產工藝規范流程操作。

（1）爐腔內部負壓必須控制在3～5Bar，操作方法可以調整煙道排氣閘板閥門的開度（見圖12）。

圖12

（2）1～3區12個燒嘴必須全部同時點燃開啟，根據不同的產品，焙燒爐各區域所設置的區溫度曲線及燒嘴噴射量的大小由DCS自動控制系統來實現，DCS根據編制的溫度控制曲線和爐腔內部反饋的溫度信息進行對比，操作人員只要正確輸入產品型號，確認現場操作屏中顯示的在線數據，做好定時巡檢記錄。

（3）如生產遇到非連續運行或切換產品，停止供料大于2h，各區域的溫度必須控制在保溫溫度200～250℃之間。

（4）嚴格控制好焙燒爐升溫的時間，避免等料待機現象，減少燃氣浪費。

6 設備改造后燃氣記錄及數據分析結果

6.1 A5100焙燒爐燃氣記錄（表略）

依據上述記錄，A5100焙燒爐從（15天）每日平均節約燃氣648.83m3，總計節約9732.46m3。

6.2 B5100焙燒爐燃氣記錄（表略）

依據上述數據記錄，B5100焙燒爐從（14天）每日平均節約燃氣318.01m3總計節約4452.16m3。

6.3 焙燒爐節能改造后運行變化（表5）

表5

7 結語

（1）通過在燃氣管道上加裝的燃氣表，收集了A5100、B5100 2臺焙燒爐在節能改造前每天消耗的燃氣數據，作為改造后燃氣消耗的比較基準。

（2）在對A5100、B5100焙燒爐結構和運行分析的基礎上，提出了對燃氣管道、排煙煙囪改造和操作規范運行方案，并具體實施了節能改造。

（3）收集了A5100、B5100 2臺焙燒爐在節能改造和規范操作后每天消耗的燃氣數據，并與改造前相比較。

（4）通過焙燒爐的節能改造和規范操作，燃氣消耗顯著降低。A5100焙燒爐在測試的15天內每日平均節約燃氣649m3，比改造前每日平均節約37%。B5100焙燒爐在測試的14天內每日平均節約燃氣318m3，比改造前每日平均節約26%。