工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化及實(shí)踐

王逸飛

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

1 工業(yè)窯爐生產(chǎn)特點(diǎn)

現(xiàn)階段，我國(guó)大多數(shù)工業(yè)窯爐在設(shè)備結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、熱能使用、絕熱材料、熱量檢測(cè)以及環(huán)境保護(hù)等專業(yè)技術(shù)水平比較落后，長(zhǎng)期以往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品綜合能量損耗水平較高，嚴(yán)重污染自然環(huán)境。所以在工業(yè)窯爐制造行業(yè)中，大力推行工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)具有十分重要的作用和現(xiàn)實(shí)意義。

以現(xiàn)代化陶瓷行業(yè)作為實(shí)際案例，雖然我國(guó)在陶瓷生產(chǎn)基礎(chǔ)產(chǎn)量位居世界第一位，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，普遍存在著能量消耗高、資源損失大、綜合使用率低等問題，深入探索其主要原因則是由于工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)水平較低。而在工業(yè)窯爐設(shè)備基礎(chǔ)能耗方面，現(xiàn)階段發(fā)達(dá)國(guó)家的基礎(chǔ)能源使用率已經(jīng)超過50%，而我國(guó)能源使用效率則僅僅達(dá)到了28%～30%左右。

國(guó)家發(fā)改委所頒布的重大節(jié)能工程實(shí)施意見文件中明確規(guī)定，工業(yè)窯爐改造工程已經(jīng)位居重點(diǎn)節(jié)能項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容，由此可見，現(xiàn)有各種工業(yè)窯爐的改造工程已經(jīng)成為節(jié)能發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，加上工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用能夠最大程度縮小冶金行業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距，減少能源消耗，降低自然環(huán)境污染、提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量等目標(biāo)。

2 工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)價(jià)值

窯爐設(shè)備作為工業(yè)發(fā)展的核心條件，對(duì)于工業(yè)進(jìn)步和成長(zhǎng)具有十分重要的中作用和現(xiàn)實(shí)意義，該設(shè)備主要通過充分燃燒燃料從而產(chǎn)生熱能物質(zhì)。

按照行業(yè)生產(chǎn)模式一般分為水泥窯爐、蒸汽爐、玻璃窯爐、裂解爐等方面，所以窯爐行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)側(cè)重在環(huán)保行業(yè)，對(duì)于窯爐自身的基礎(chǔ)保溫效果來(lái)說，增加窯爐基礎(chǔ)燃燒率、熱能使用率、減少窯爐基礎(chǔ)散熱、提升窯爐耐火性能同樣成為提高要爐設(shè)備節(jié)能水平的重要途徑。

對(duì)于工業(yè)窯爐來(lái)說，設(shè)備隔熱保溫材料對(duì)于設(shè)備使用質(zhì)量和效果具有舉足輕重的作用，只有使用高水平保溫材料，才能從根本上解決設(shè)備使用過程中對(duì)于環(huán)保型的實(shí)際需求。技術(shù)人員針對(duì)窯爐設(shè)備長(zhǎng)期跟進(jìn)和管理最終發(fā)現(xiàn)，窯爐設(shè)備節(jié)能改造技術(shù)方式相對(duì)比較復(fù)雜，比如：使用全新燃燒嘴、調(diào)整炭燒嘴布置與設(shè)定、完善碼胚防止位置、安裝煙道、對(duì)于梭式窯爐進(jìn)行熱量利用、選擇適合的溫度檢測(cè)位置點(diǎn)以及控制方法、增加窯爐隔熱保溫性能等。所以此種技術(shù)手段在窯爐節(jié)能方面能夠減少窯爐結(jié)構(gòu)體熱量分散的10%～20%甚至更高，窯爐設(shè)備的隔熱保溫性能對(duì)于提升熱效應(yīng)、節(jié)省能源使用率十分重要。

窯爐設(shè)備使用過程中，其設(shè)備內(nèi)部溫度一般需要達(dá)到350 ℃以上，而高溫爐窯運(yùn)行溫度則能夠達(dá)到200 ℃左右，由于窯爐設(shè)備的使用性能比較特殊，此種設(shè)備使用現(xiàn)狀要求窯爐自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)與保溫性能水平較高，隨著世界各個(gè)國(guó)家工業(yè)不斷進(jìn)步和發(fā)展，窯爐同樣向大型化、高效化以及合理化方向發(fā)展，最大程度提升窯爐設(shè)備的節(jié)能率，

現(xiàn)階段窯爐設(shè)備所使用技能技術(shù)方式主要為窯爐材料的輕型化，其中代表性則是全纖體維護(hù)，其中蓄熱式窯爐設(shè)備則需要在熱流作用下進(jìn)行余熱回收，所以需要使用計(jì)算機(jī)集散控制方式不斷提升基礎(chǔ)控制精度，最大程度提升節(jié)能性，此種現(xiàn)狀則是自然資源管理形式以及專業(yè)技術(shù)全面發(fā)展的基礎(chǔ)需求。除此之外，窯爐設(shè)備內(nèi)部所使用的保護(hù)涂料基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝較高，其涂料基礎(chǔ)耐溫性最高能夠達(dá)到1 800 ℃左右，并且涂料物質(zhì)耐酸性以及耐堿性同樣較高。因此在窯爐使用和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要使用熱容較小的輕質(zhì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)保溫，以此不斷減少熱量?jī)?chǔ)存和分散損失。

3 工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過程中所使用的窯爐設(shè)備種類十分復(fù)雜，主要包含：迥轉(zhuǎn)窯、石灰熱工窯爐、耐火材料熱工窯爐等，設(shè)備所產(chǎn)生的熱量效率一般控制在25%～50%之間，并且至少可以拓展30%的節(jié)能潛力。除此之外，我國(guó)窯爐運(yùn)作模式還包含燃油物質(zhì)，由此可見，工業(yè)窯爐設(shè)備在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上，普遍還存在能源使用效率降低、自然環(huán)境污染嚴(yán)重問題，已經(jīng)成為了影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要制約和限制因素。

而在窯爐實(shí)際開展工業(yè)生產(chǎn)過程中，煤炭燃燒不穩(wěn)定、炭燒裝置不合理以及煤炭不匹配等問題都成為造成煤炭工業(yè)以及窯爐運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低的主要原因，深入探索其主要原因則是由于窯爐在狹小空間內(nèi)燃燒導(dǎo)致復(fù)雜耦合。因此技術(shù)人員需要通過開展相關(guān)的技術(shù)研究和探索，積極開發(fā)出高效、環(huán)保以及節(jié)能的處理技術(shù)和配套系統(tǒng)，最大程度減少窯爐設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)力量。

近幾年，我國(guó)大多數(shù)城市和地區(qū)均使用了熱量電力供應(yīng)、集中供熱等專業(yè)技術(shù)，能夠有效緩解工業(yè)能源污染。隨著工業(yè)化以及城市化基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，工業(yè)窯爐數(shù)量以及基礎(chǔ)燃煤數(shù)量仍然較大，加上我國(guó)主要以煤炭生產(chǎn)為主，所以工業(yè)窯爐在未來(lái)發(fā)展環(huán)節(jié)上仍然將長(zhǎng)期、大量的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)窯爐燃煤技術(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)明顯低于其他領(lǐng)域的工業(yè)專業(yè)技術(shù)水平，因此要爐設(shè)備低效率與高污染問題急需轉(zhuǎn)變，已經(jīng)引起了政府管理部門、科學(xué)技術(shù)行業(yè)的極大關(guān)注和重視。

針對(duì)此種現(xiàn)狀，我國(guó)發(fā)改委在工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能長(zhǎng)期規(guī)劃方案中明確指出：在文件規(guī)劃實(shí)施環(huán)節(jié)上，已經(jīng)將工業(yè)窯爐節(jié)能改造視作為重點(diǎn)節(jié)能建設(shè)工程之一，以此作為基礎(chǔ)條件制定出工程示范實(shí)施方案。

4 工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化及實(shí)踐

4.1 技術(shù)優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)

工業(yè)窯爐生產(chǎn)過程中，節(jié)能減排技術(shù)成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的熱點(diǎn)內(nèi)容，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)總線則需要將控制系統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)控制單元以及控制系統(tǒng)，由于該技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)看是一種數(shù)字化、雙向分布式信息化、冶金石化等專業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，所以技術(shù)在各個(gè)行業(yè)被廣泛使用。近幾年，我國(guó)相繼開展對(duì)窯爐燃燒設(shè)備和控制系統(tǒng)的技術(shù)探索和研究，最終取得良好的處理效果。如表1。

表1 陶瓷能量消耗信息統(tǒng)計(jì)表

4.1.1 能耗模型建立

在工業(yè)窯爐節(jié)能減排實(shí)施過程中，能量消耗模型的建立則成為工業(yè)窯爐重要因素之一，為此技術(shù)人員需要構(gòu)建出數(shù)字化窯爐實(shí)驗(yàn)裝置、多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以此為后續(xù)能量模型和實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)的燃燒參數(shù)、實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)試環(huán)境等核心條件。因此工業(yè)窯爐實(shí)際開展熱量參考結(jié)構(gòu)體系建立時(shí)，應(yīng)詳細(xì)探索信息測(cè)試精準(zhǔn)程度以及數(shù)學(xué)模型。

為了有效解決工業(yè)生產(chǎn)過程中，窯爐設(shè)備生產(chǎn)用戶所需要的基礎(chǔ)生產(chǎn)質(zhì)量水平，為此需要積極引進(jìn)各種類型的性能檢測(cè)設(shè)備以及專業(yè)操作技術(shù)手段，比如：多位置點(diǎn)測(cè)試設(shè)備儀器、溫度傳感設(shè)備以及系統(tǒng)控制設(shè)備等智能化系統(tǒng)儀表，除此之外，應(yīng)使用系統(tǒng)CFD應(yīng)用軟件窯爐內(nèi)部操作溫度、設(shè)備壓力數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境等信息測(cè)試、系統(tǒng)模擬技術(shù)處理以及信息分析，構(gòu)建出典型窯爐基礎(chǔ)能耗動(dòng)態(tài)信息模型，以此作為基礎(chǔ)條件詳細(xì)研究工業(yè)窯爐設(shè)備具體運(yùn)轉(zhuǎn)和能量分散情況，有效為后續(xù)窯爐設(shè)備節(jié)能情況提供理論技術(shù)指導(dǎo)。

以工業(yè)窯爐設(shè)備以及陶瓷零部件生產(chǎn)流程作為實(shí)際案例，整個(gè)陶瓷設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)流程由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。比如：陶瓷胚料以及陶瓷胚胎制作流程、產(chǎn)品燒制流程以及成型流程，因此技術(shù)人員實(shí)際開展工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)研究過程中，首先將產(chǎn)品胚體經(jīng)過技術(shù)干燥、修整以及施釉等進(jìn)行技術(shù)處理之后，并且針對(duì)產(chǎn)生熱量損耗進(jìn)行詳細(xì)分析和探索，最大程度減少輔助系統(tǒng)所消耗的電能。

4.1.2 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化

燃燒系統(tǒng)想要正常開展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)積極探索和研究系統(tǒng)脈沖控制，所以需要同歸利用旋轉(zhuǎn)氣流工技術(shù)方式，結(jié)合噴氣模式飛機(jī)內(nèi)部燃燒室內(nèi)原理，同時(shí)使用反求方案設(shè)計(jì)、CAD技術(shù)等系統(tǒng)軟件相互結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，為了保證系統(tǒng)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要使用CAD系統(tǒng)軟件有效模擬出工業(yè)窯爐設(shè)備的核心燃燒阻力參數(shù)、空氣燃燒結(jié)構(gòu)比例、工業(yè)窯爐設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力變化等基礎(chǔ)參數(shù)，詳細(xì)研究窯爐布陣的最佳施工模式，有效研究出節(jié)能噴嘴將數(shù)字化工業(yè)窯爐實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備，開展窯爐設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.1.3 窯爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

工業(yè)窯爐在生產(chǎn)工程中具有各種不同類型的用途，確保用戶能夠根據(jù)自己對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)要求制定相應(yīng)的生產(chǎn)模式，比如：能量消耗、污染控制指標(biāo)等。同時(shí)隨著產(chǎn)品多樣化、節(jié)能減排及實(shí)際需求，如果單純使用傳統(tǒng)生產(chǎn)模式選擇窯爐內(nèi)部形態(tài)。結(jié)構(gòu)模式等則無(wú)法滿足現(xiàn)代化窯爐生產(chǎn)需求。因此技術(shù)人員需要基于傳統(tǒng)窯爐設(shè)備生產(chǎn)模式，模擬熱工學(xué)以及材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科的專業(yè)理論知識(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真處理技術(shù)進(jìn)行綜合探索和技術(shù)研究，有效對(duì)用戶所要求的窯爐型號(hào)以及體積開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如：窯爐幾何尺寸數(shù)據(jù)、生產(chǎn)參數(shù)以及保溫材料的選擇等。

4.1.4 生產(chǎn)控制優(yōu)化

在生產(chǎn)模式優(yōu)化上，想要保證窯爐設(shè)備建設(shè)質(zhì)量和效果，需要在窯爐設(shè)備不同燃料在不同溫度環(huán)境下選擇最佳的燃燒基礎(chǔ)條件，結(jié)合脈沖控制、比例調(diào)整以及全新節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)等，全面優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量水平。所以在窯爐設(shè)備設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，需要基于圖像信息處理監(jiān)控系統(tǒng)，積極探索溫度、壓力以及自然環(huán)境等多變耦合控制技術(shù)方式，積極探索工業(yè)窯爐大慣性、強(qiáng)制性等熱工參數(shù)預(yù)測(cè)和控制。

除此之外，在工業(yè)窯爐設(shè)備以及生產(chǎn)控制系統(tǒng)管理環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)需要積極引進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，積極探索和研究出總線管理模塊。以此作為基礎(chǔ)條件，詳細(xì)開發(fā)出企業(yè)生產(chǎn)和控制策略，探索窯爐生產(chǎn)廢棄物處理和預(yù)熱處理技術(shù)，因此相對(duì)窯爐生產(chǎn)來(lái)說，窯爐所產(chǎn)生的余熱主要利用循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煙氣的合理處理。由于窯爐冷卻循環(huán)系統(tǒng)在處理工程中所產(chǎn)生的熱力能量比較清潔并且基礎(chǔ)溫度較高，為此需要使用攪拌風(fēng)及坯體干燥技術(shù)，由于窯爐所產(chǎn)生的煙氣物質(zhì)中包含不完全燃燒成分以及濕氣成分，所以能夠直接作用在胚體干燥技術(shù)，針對(duì)潔凈空氣經(jīng)過技術(shù)加熱之后再利用。

4.2 技術(shù)優(yōu)化實(shí)踐價(jià)值

本次研究主以窯爐生產(chǎn)作為主要研究目標(biāo)，并且使用理論分析、實(shí)驗(yàn)以及工程調(diào)整等相結(jié)合的技術(shù)方式，通過工業(yè)窯爐各種生產(chǎn)相結(jié)合的操作技術(shù)，并且利用施工現(xiàn)場(chǎng)線路管理技術(shù)手段，結(jié)合以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，從根本上完善和優(yōu)化工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)水平，合理使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及流體力學(xué)，生產(chǎn)和制造出合理使用脈沖控制技術(shù)，最終生產(chǎn)出可行的窯爐生產(chǎn)燒嘴。

除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)該積極研究出工業(yè)窯爐生產(chǎn)以及管理系統(tǒng)，比如：火焰圖像處理模塊以及總線模塊的技術(shù)開發(fā)，同時(shí)在此基礎(chǔ)條件上構(gòu)建出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置以及多功能燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確保始終在窯爐最佳燃燒條件下開展溫度環(huán)境測(cè)試、壓力測(cè)試等。同時(shí)想要保證工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)合理規(guī)劃和應(yīng)用，還需針對(duì)工業(yè)窯爐用戶群建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，積極研究出數(shù)字化的窯爐生產(chǎn)裝置以及多功能試驗(yàn)平臺(tái)，為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的完善提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件與專業(yè)技術(shù)作為系統(tǒng)化支持。

針對(duì)此種現(xiàn)狀，技術(shù)人員需要以窯爐節(jié)能減排處理技術(shù)作為主要研究目標(biāo)和對(duì)象，并且結(jié)合窯爐實(shí)際情況使用現(xiàn)場(chǎng)總線以及網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)的管理與信息通信控制技術(shù)，結(jié)合窯爐使用特點(diǎn)開展節(jié)能減排技術(shù)探索，有效研究各種全新節(jié)能工業(yè)窯爐設(shè)備。針對(duì)現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)以及項(xiàng)目研究成果所形成的系統(tǒng)優(yōu)化以及集成技術(shù)，窯爐生產(chǎn)企業(yè)以及節(jié)能減排管理部門應(yīng)建立數(shù)字化的試驗(yàn)設(shè)備和多功能試驗(yàn)平臺(tái)，以此作為基礎(chǔ)條件研究出脈沖控制以及比例調(diào)整相結(jié)合的燃燒專業(yè)技術(shù)，同時(shí)應(yīng)用CFD系統(tǒng)設(shè)備，探索出全新的燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)窯爐內(nèi)理想的氣氛和溫度分布，實(shí)現(xiàn)窯爐燃燒系統(tǒng)的整體優(yōu)化；面向用戶需求，進(jìn)行窯型和窯體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

除此之外，窯爐設(shè)備的優(yōu)化還需要通過控制和低成本嫁接技術(shù)的研究，經(jīng)濟(jì)隱去現(xiàn)場(chǎng)總線以及以太網(wǎng)管理技術(shù)，開發(fā)出企業(yè)窯爐生產(chǎn)質(zhì)量控制系統(tǒng)，并且根據(jù)窯爐用戶群體構(gòu)建出可持續(xù)化技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，完成窯爐用戶與生產(chǎn)企業(yè)之間的合理化溝通。

5 結(jié)語(yǔ)

由此可見，工業(yè)窯爐節(jié)能減排技術(shù)經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化和完善之后，將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)上能夠最大程度確保污染水平有效控制，全面推進(jìn)我國(guó)窯爐設(shè)備發(fā)展進(jìn)程，從根本上緩解能源以及自然環(huán)境污染問題。