王忠文，張根栓，劉劍，談國強(qiáng)，劉艷

(1中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024;2陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021)

1 前言

我國瓷質(zhì)磚行業(yè)要走可持續(xù)發(fā)展道路，必須遵循節(jié)約化生產(chǎn)途徑，把磚的厚度降下來，才可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和降低能耗的目標(biāo)。薄型瓷質(zhì)磚重量比現(xiàn)行瓷質(zhì)磚的重量輕，但是其強(qiáng)度以及其他性能基本沒有改變。而且使用的原料減少了，能源使用有所節(jié)約，從而大大減少了對非金屬礦的開采，既保護(hù)了資源，減少了環(huán)境污染，又節(jié)約了生產(chǎn)成本。所以，薄型瓷質(zhì)磚的研究開發(fā)對建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的作用，瓷質(zhì)磚薄型化是建材產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展的趨勢。而薄型磚干燥和燒成中的彎曲變形等問題的解決，使新型輥道窯的設(shè)計(jì)和使用勢在必行。

2 節(jié)能輥道窯的設(shè)計(jì)

2.1 窯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用寬的段面扁平型框架結(jié)構(gòu)，預(yù)熱帶、燒成帶窯頂采用隔熱磚加陶瓷纖維氈復(fù)合，平吊頂結(jié)構(gòu)。急冷段窯頂采用陶瓷纖維折疊塊平吊，緩冷段窯頂采用纖維棉氈與礦渣棉復(fù)合疊塊。

窯墻結(jié)構(gòu)采用U型耐火砌塊與纖維復(fù)合窯墻，與其它結(jié)構(gòu)相比蓄熱量小，保溫效果較好，但陶瓷纖維長期使用后收縮粉化，其保溫能力降低。經(jīng)過反復(fù)論證，結(jié)合引進(jìn)幾家國外現(xiàn)代窯結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，采用輕質(zhì)隔熱磚加硅酸鈣板，陶瓷纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)更加合理。窯體均采用多層隔熱材料保溫，根據(jù)各段帶溫度的不同，選用不同材質(zhì)的輕質(zhì)耐火材料、隔熱磚、無石棉硅酸鈣板、陶瓷棉氈組成復(fù)合保溫層，以減少蓄散熱損失，將窯體散熱降到最低。以窯爐年定產(chǎn)，對窯爐的整體尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

窯體鋼結(jié)構(gòu)（圖1）采用金屬框架分段預(yù)制，現(xiàn)場組裝，金屬框架采用優(yōu)質(zhì)方管鋼，在焊接方管鋼架后，再全部鑲薄板經(jīng)烤漆外殼，使窯體美觀耐用，窯體單元之間用螺栓連接，節(jié)與節(jié)之間留膨脹縫，窯下部采用滾珠活動結(jié)構(gòu)，使窯體膨脹收縮均勻自由。

2.2 燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃燒系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)是決定輥道窯性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，為此確定如下研究方案：選用脈沖式燃燒器，其特點(diǎn)為全負(fù)荷燃燒、火焰噴射速度高，有一定橫向射流作用，對窯內(nèi)氣體攪拌強(qiáng)烈，可加大制品的熱交換。燃空比調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易操作調(diào)整好后，運(yùn)行時(shí)不需再調(diào)整。

脈沖燃燒控制采用的是一種間斷燃燒的方式[1，2]，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比（通斷比）實(shí)現(xiàn)窯爐的溫度控制。燃料流量可通過壓力調(diào)整預(yù)先設(shè)定，燒嘴一旦工作，就處于滿負(fù)荷狀態(tài)，保證燒嘴燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔儭．?dāng)需要升溫時(shí)，燒嘴燃燒時(shí)間加長，間斷時(shí)間減小；需要降溫時(shí)，燒嘴燃燒時(shí)間減小，間斷時(shí)間加長。采用脈沖燃燒可彌補(bǔ)燒嘴調(diào)節(jié)比低的缺陷，需要低溫控制時(shí)仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態(tài)。在使用高速燒嘴時(shí)，燃?xì)鈬姵鏊俣瓤?，使周圍形成?fù)壓，將大量窯內(nèi)煙氣吸人主燃?xì)鈨?nèi)，進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，延長了煙氣在窯內(nèi)的滯流時(shí)間，增加了煙氣與制品的接觸時(shí)間，從而提高了對流傳熱效率，另外，窯內(nèi)煙氣與燃?xì)獬浞謹(jǐn)嚢杌旌?，使燃?xì)鉁囟扰c窯內(nèi)煙氣溫度接近，提高窯內(nèi)溫度場的均勻性，減少高溫燃?xì)鈱Ρ患訜狍w的直接熱沖擊[3]。

設(shè)計(jì)選用的脈沖燒嘴 （圖2）包括燒嘴本體（1）、氣體通道（2）、爐膛（3）、燃料管（4）、氣體管道（10），送風(fēng)管道（11）和排煙管道（12），設(shè)置在送風(fēng)管道和排煙管道上的空氣和煙氣脈沖裝置（13），其改進(jìn)之處在于：在所述燒嘴本體上，設(shè)置由作為空氣進(jìn)入通道的旁路進(jìn)氣管（5）和作為燃料進(jìn)入通道的旁路進(jìn)料管（6）組成的旁路燃燒裝置，旁路進(jìn)氣管和旁路進(jìn)料管通入爐膛（3）內(nèi)。

本節(jié)能型輥道窯全窯共設(shè)78支燒咀，分12組進(jìn)行控制，控制靈活方便、平穩(wěn)可靠。助燃風(fēng)管路為304耐熱鋼，燃?xì)庵鞴艿谰鶠槌尚蜔o縫鋼管制作而成，閥門為密封良好的優(yōu)質(zhì)銅球閥，燃?xì)饨?jīng)過氣路總成調(diào)壓后，壓力穩(wěn)定在6000—8000Pa，分別送到每組電磁閥等，最后到燒咀燃燒。其中預(yù)熱帶32只燒咀分4組進(jìn)行控制。燒成帶46只燒咀分8組進(jìn)行控制分別由電磁閥，電動執(zhí)行器控制，窯爐采用熱風(fēng)進(jìn)行助燃，所采用的熱風(fēng)來自急冷后的余熱利用，并將助燃風(fēng)管道埋設(shè)在砌體內(nèi)部。為防止低溫區(qū)燃?xì)鈬娋滓馔庀?，預(yù)熱帶前部8只燒咀采用火焰監(jiān)測和自動控制。自動進(jìn)行極短時(shí)間內(nèi)連續(xù)點(diǎn)火，如點(diǎn)火失敗，電磁閥會馬上自動關(guān)閉并切斷電源，同時(shí)報(bào)警器報(bào)警提示從而保證窯爐的操作安全。

全窯設(shè)一套低壓系統(tǒng)并設(shè)有旁路，燃?xì)庵鞴芗爸Ч芫鶠闊o縫鋼管精心焊接而成。主要設(shè)備包括壓力表調(diào)壓閥，電磁閥，壓力開關(guān)、溢流放散閥等組成，各設(shè)備之間由法蘭連接，如圖3所示。

2.3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

窯爐熱工過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，為此，節(jié)能型輥道窯擬采用計(jì)算機(jī)與智能儀表相結(jié)合對窯爐各工況進(jìn)行整體控制，使溫度壓力，氣氛及燃料按照燒成工藝要求得到及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，使窯爐運(yùn)行始終處于良好狀況?？刂瓶偣袢鐖D4所示。

圖5為溫度與壓力控制系統(tǒng)示意圖。溫度控制靠自控儀表實(shí)現(xiàn)，采用分散型控制，全窯分成多個(gè)自成體系的調(diào)節(jié)回路，各單獨(dú)的調(diào)節(jié)回路根據(jù)溫度設(shè)定值靠PID智能儀表自動調(diào)節(jié)燒成曲線。每個(gè)控制回路燒咀數(shù)不同，以確定較佳的工藝曲線。調(diào)整控制，部分采用上下燒咀分別控制，以方便調(diào)整上下溫差，使溫度控制精度在±3℃ 以內(nèi)（指高溫區(qū)）。另附風(fēng)機(jī)與傳動電機(jī)控制示意圖，如圖6所示。

2.4 余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

窯爐排煙系統(tǒng)排出的熱量約占總熱量的14-20%，將排煙的熱量回收用做干燥窯干燥坯體的一部分熱量。急冷段設(shè)冷卻風(fēng)套，冷卻風(fēng)套出來的熱風(fēng)做助燃風(fēng)，助燃風(fēng)溫度可達(dá)500℃以上，可節(jié)約大量能源。緩冷段抽出的熱風(fēng)經(jīng)管道送往干燥窯，用做坯體的干燥熱源。

3 結(jié)語

為貫徹落實(shí)國家節(jié)能減排的基本政策，加快節(jié)約型社會建設(shè)，強(qiáng)化企業(yè)的節(jié)能技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)“十一五”期間的節(jié)能目標(biāo)。從提高陶瓷企業(yè)窯爐的熱能利用效率和節(jié)約能源提高效益出發(fā)，輥道窯熱能合理利用方面必然會得到越來越多的改善。優(yōu)化窯體設(shè)計(jì)，采用高速脈沖燒嘴以改革窯爐燃燒系統(tǒng)方式，提高窯爐余熱利用率，不斷提升窯爐的自動化控制，必然使輥道窯在節(jié)能自動化方面進(jìn)一步提高，從而得到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張長海.陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備及熱工測量[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[2]孫晉濤.硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)[M].武漢理工大學(xué)出版社，2005.

[3]蔡立強(qiáng).脈沖燃燒技術(shù)在工業(yè)窯爐中的應(yīng)用[C].2005川渝地區(qū)自動化與電控技術(shù)年會.