熊 亮

(佛山市摩德娜機械有限公司 廣東佛山 528222)

淺談脈沖燃燒系統(tǒng)及其在還原焰梭式窯中的應(yīng)用*

熊 亮

(佛山市摩德娜機械有限公司 廣東佛山 528222)

介紹了脈沖燃燒控制系統(tǒng)的組成、工作原理及其特點。舉例說明脈沖燃燒系統(tǒng)的具體工作情況;使用該系統(tǒng)后,窯內(nèi)溫度和氣氛差均變小,升溫周期縮短,耗氣量下降。

脈沖燃燒系統(tǒng) 還原焰梭式窯 應(yīng)用

1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)介紹

梭式窯主要適用于產(chǎn)量小工藝特殊,高、大、重及異形特殊制品的燒成,如花瓶等藝術(shù)瓷、衛(wèi)生潔具、日用瓷、微晶玻璃和特種陶瓷等等。它屬于間隙式生產(chǎn)模式,產(chǎn)品固定靜態(tài)升溫?zé)煤?冷卻完卸下產(chǎn)品并裝入坯體再燒成下一批次,“從冷到熱,從熱到冷,周而復(fù)始”,盡管能耗高,操作麻煩,但仍然在相關(guān)各行業(yè)發(fā)揮著舉足輕重的作用,無法完全淘汰。

由于梭式窯升降溫頻繁(會引起窯體吸熱量變化),裝載高度大(大件產(chǎn)品多或為了增加產(chǎn)量的加高),容易產(chǎn)生溫差和氣氛差等問題導(dǎo)致生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品缺陷多,能耗高,這些問題一直困擾陶瓷行業(yè)多年,直到國內(nèi)引進脈沖燃燒控制系統(tǒng)才解決和改善了梭式窯的形象。筆者主要結(jié)合我公司在某日用瓷廠設(shè)計制造和正在使用的脈沖燃燒控制系統(tǒng)梭式窯作些介紹,供同行參考或借鑒。

1.1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)基本組成

主要由空氣脈沖閥、空/燃壓力比例閥、脈沖繼電器模塊、熱電偶、燒嘴和溫度控制器(或電腦或PLC)等配件組成。脈沖閥用于開、關(guān)風(fēng),實現(xiàn)大、小火控制;壓力比例閥主要保證空氣和燃氣按比例供給;脈沖模塊提供信號給脈沖閥;熱電偶提供溫度信號給溫控器;燒嘴用于燃燒產(chǎn)生熱量升溫;溫控器用于設(shè)定溫度并通過PID(微積分調(diào)節(jié))控制溫度(所有溫度控制器可以按時間段設(shè)置程序)。

1.2 脈沖燃燒控制系統(tǒng)的工作原理

該脈沖控制系統(tǒng)控制每個獨立燒嘴的空氣脈沖閥(一個燒嘴配一套脈沖系統(tǒng))。燒成曲線的每區(qū)段設(shè)置點(根據(jù)產(chǎn)品燒成工藝特點按時間段設(shè)置程序)可以在脈沖控制系統(tǒng)的界面(控制儀表或電腦或PLC)中進行調(diào)整,每個燒嘴的脈沖頻率根據(jù)每個區(qū)所需要的溫度自動調(diào)節(jié)。其基本工作原理是:脈沖燃燒系統(tǒng)接收從熱電偶輸出的信號,經(jīng)過分析處理后轉(zhuǎn)換成脈沖信號,然后通過繼電器模塊輸送給脈沖空氣電動閥,執(zhí)行脈沖動作(這個脈沖動作所依賴的脈沖信號將根據(jù)爐溫來調(diào)節(jié)脈沖時間長短,以保證爐溫的均勻性和穩(wěn)定性),而空/燃比例閥將根據(jù)空氣的變化來調(diào)節(jié)燃氣的輸出,在調(diào)整溫度的同時保證均勻的空/燃比例,使窯內(nèi)氣氛保持穩(wěn)定。脈沖燃燒過程可以通過充分攪拌窯內(nèi)的空氣來獲得均勻的加熱溫度,同時縮短加熱時間,節(jié)省燃料。脈沖燃燒由于火焰噴射距離大,速度快,如寬體的窯爐其優(yōu)越性越突出。

1.3 還原焰脈沖系統(tǒng)

主要在上述脈沖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加氣氛控制閥,它安裝在脈沖閥后的空氣管上,根據(jù)燒成工藝要求按預(yù)設(shè)程序自動限制風(fēng)量供給(碳氫化合物燃燒空氣不足時可以產(chǎn)生還原性氣體CO和H2)。

1.4 脈沖控制系統(tǒng)的特點

1.4.1 優(yōu)點

1)燒嘴燃燒速度快,噴射距離遠。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時,脈沖閥開到最大,此時燒嘴全功率持續(xù)燃燒,火焰猛烈,直到溫度達到設(shè)定值才轉(zhuǎn)換為最小功率。只要燒嘴選型合理,溫度曲線設(shè)置合適,升溫期間幾乎都是最大功率運行,只有某個燒嘴達設(shè)定溫度時才是小功率小火燃燒。

2)大小火產(chǎn)生強制攪拌,使窯內(nèi)無死角,溫差和氣氛差很小。由于每條窯有多套脈沖系統(tǒng)(該窯設(shè)計的是每支燒嘴配一套脈沖系統(tǒng)),而每支燒嘴附近的溫度因為裝載量或吸熱量不同等因素變化會各有不同,在同樣時間內(nèi)有些燒嘴區(qū)升溫快,有些升溫慢,正是這種變化使窯內(nèi)各燒嘴間沒有規(guī)律的大小火不斷交替,產(chǎn)生高壓煙氣或低壓煙氣,從而實現(xiàn)各局部區(qū)域壓力頻繁變化,產(chǎn)生強紊流攪拌。其實質(zhì)是大小火變化產(chǎn)生攪拌,使窯內(nèi)燃燒煙氣如刮風(fēng)一般不停地變化,消除了因靜態(tài)燃燒煙氣加熱可能產(chǎn)生的死角。

3)多點控制幾乎不受裝載量或產(chǎn)品變化的影響,吸熱量多的區(qū)域大火時間長,反之小火時間長,保證了各區(qū)域控溫的有效性。

1.4.2 缺點

圖1 帶脈沖控制系統(tǒng)的梭式窯示意圖

1)易產(chǎn)生落臟。由于窯內(nèi)煙氣流速快,攪拌強烈,若控制不好,耐火材料選用不當(dāng),可能會因為氣流沖刷和震蕩產(chǎn)生落渣缺陷。

2)設(shè)計不合理或產(chǎn)品不適應(yīng),溫升太快容易使制品開裂。

3)脈沖閥動作頻繁易于損壞。

2 脈沖燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用實例

脈沖燃燒控制系統(tǒng)梭式窯示意圖,見圖1。

2.1 梭式窯及脈沖系統(tǒng)介紹

該梭式窯主要燒制高溫硬質(zhì)瓷,還原焰氣氛燒成。

2.1.1 梭式窯基本配置及結(jié)構(gòu)

1)梭式窯有效裝載容積,20γ。

2)窯車數(shù):窯內(nèi)4臺;窯車之間和窯車與前后窯墻之間預(yù)留火道。

3)產(chǎn)品:日用瓷(杯、碗、壺、盤等)。

4)燒成溫度:1 380℃;燃料為LPG。

5)燒成氣氛:氧化+高溫還原。

6)排煙方式:底抽(窯車臺面有煙道,通過窯墻配冷風(fēng)后引入排煙風(fēng)機排出)。

7)保溫結(jié)構(gòu):頂為1 600℃多晶氈組合塊,墻為莫來石磚上貼100?厚多晶棉塊,窯車臺面鋪多晶氈并用10?厚含鋯莫來石板蓋住防粉塵落臟。

8)燒嘴數(shù)量:10支,錯落有致地分布于兩側(cè)墻,每支功率為230 kW。

9)控制儀表共13個,分別是溫控器10個,助燃風(fēng)壓、窯壓及氣氛控制器各1個。

10)脈沖閥、繼電器脈沖模塊、空/燃壓力比例閥、熱電偶、氣氛閥各10套。

2.1.2 基本設(shè)計思路(見圖1)

采用多點脈沖控制溫度和氣氛,即每支燒嘴各設(shè)計一套獨立的脈沖系統(tǒng)。曲線設(shè)置見表1。

表1 脈沖系統(tǒng)控制的梭式窯曲線

2.1.2.1 窯壓、溫度和氣氛控制思路

通過排煙風(fēng)機用變頻器調(diào)整抽力的大小控制窯壓;助燃風(fēng)由變頻器自動控制風(fēng)壓;溫度的控制主要通過脈沖閥及壓力比例閥改變燒嘴空氣、燃氣量來實現(xiàn)。氣氛控制器同步調(diào)節(jié)每個氣氛閥的開度來控制氣氛的高低,氣氛在煙氣中的體積百分含量主要由便攜式氣氛儀抽檢(檢測范圍:氧氣0～21%;CO 0～10%)。

2.1.2.2 脈沖閥控制溫度和氣氛的思路

氣氛閥設(shè)置在脈沖閥與燒嘴之間,空氣旁路在脈沖閥與反饋管之間,壓力比例閥的空氣反饋管在空氣旁路與氣氛閥之間。在脈沖閥后還有空氣旁路,它始終處于常開狀態(tài),風(fēng)量的大小以保證燒嘴小火燃燒不熄滅即可。當(dāng)脈沖閥將助燃風(fēng)開到最大時,反饋給燃氣壓力比例閥的量也是最大的。當(dāng)脈沖閥關(guān)閉時,燒嘴燃燒空氣主要由空氣旁路提供,得以實現(xiàn)大、小火控制。脈沖閥正常工作時不是開到最大就是關(guān)閉,開關(guān)動作時間在0～180 s可調(diào)。

當(dāng)控制氧化氣氛時,氣氛閥開度最大為100%;當(dāng)需要還原氣氛時,氣氛閥根據(jù)程序逐步關(guān)小。由于它處于比例閥反饋管之后,不管脈沖閥開或關(guān),都會反饋給壓力比例閥,直接控制燃氣量的大小,而空氣量由于受到氣氛閥的限制,對脈沖閥的影響效果將會發(fā)生變化。當(dāng)脈沖閥開到最大時,燃氣也達到100%,而此時氣氛閥如果開到100%,則供給空氣充足,有過剩的空氣使窯內(nèi)為氧化氣氛。如果氣氛閥僅開到70%,提供給燒嘴的實際空氣量也僅為70%左右,將導(dǎo)致燃燒不足,產(chǎn)生CO(注:這種變化一是靠空氣和燃氣管徑設(shè)計好,二是靠調(diào)節(jié)壓力比例閥的燃氣量,只有兩者協(xié)調(diào)到位時才會使空氣過?；虿蛔?。

表2 兩種梭式窯主要參數(shù)比較

通過上述設(shè)計,可以將脈沖燃燒系統(tǒng)與氣氛控制系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起,從而達到既可自動控制溫度,又可控制氣氛的目的。

2.1.3 運行情況

燒成情況及參數(shù)如下:

1)裝載量:約3 000?瓷/窯次;裝燒方式為明焰裸燒(無匣缽,僅將產(chǎn)品放于墊板上);

2)升溫時間為9.5 h,冷卻時間為6 h;

3)耗氣量:1 125?;

4)窯墻外表溫度:高溫時40℃,頂部70℃;

5)窯內(nèi)溫差,每臺窯車四角放測溫環(huán),一般控制溫差在8℃以內(nèi);

6)氣氛差,用便攜式氣氛儀通過觀火孔檢測,每個位置差值在0.5%以內(nèi);

7)燒成缺陷率:0.5%,主要是冷卻裂和煙熏。產(chǎn)品整體合格率為95%,其他缺陷為成形(如厚薄不均、變形、毛孔等)、施釉(如釉縷、波紋等)和裝坯(如缺釉、磕碰等)時產(chǎn)生。

2.2 與該廠老梭式窯的比較

該廠老梭式窯與新建脈沖系統(tǒng)梭式窯有效裝載容積相同,都是20γ,但為傳統(tǒng)倒焰式梭式窯結(jié)構(gòu),燒嘴為36個自然引射式燒嘴,自然排煙,溫度的控制主要靠各人經(jīng)驗操作,專人負責(zé)。

3 結(jié)論

從表2比較可以看出,在窯容積、產(chǎn)品和產(chǎn)量完全相同的情況下,使用脈沖系統(tǒng)控制的梭式窯,主要有如下優(yōu)勢:

1)由于脈沖系統(tǒng)的應(yīng)用,使窯內(nèi)溫差和氣氛差縮小,產(chǎn)品燒成缺陷率僅為0.5%。未用脈沖閥的梭式窯主要燒成缺陷為生燒和過燒,針孔(溫差大,氧化時間不足或各區(qū)制品氧化時間不同步),白度差、煙熏和陰黃(氣氛差太大),燒成缺陷率高達5.8%。

2)升溫周期縮短了40.6%。由于溫差和氣氛差的減小,燒成時間大幅縮短。

3)耗氣量下降了30.6%。脈沖系統(tǒng)的應(yīng)用,可以確保已達到設(shè)定溫度的區(qū)域?qū)嵭写蟆⑿』鸾惶嫒紵?小火時耗氣量很低(不熄火即可)。而如果沒有脈沖系統(tǒng),始終是同種火焰燃燒,將會導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域溫度超高,產(chǎn)品過燒,白白浪費了燃氣。當(dāng)然該窯耗氣低除了用脈沖系統(tǒng)外,壓力比例閥、保溫系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及排煙量的控制及每次坯體入窯時窯內(nèi)溫度的高低等因素也是減少耗氣的關(guān)鍵因素。

該窯與傳統(tǒng)梭式窯相比,多了排煙和助燃風(fēng)機,耗電增加。但是按照該日用瓷廠家的說法,脈沖燃燒梭式窯增加電耗是合理的,其綜合優(yōu)勢非常明顯。主要體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升,省氣顯著,操作人員工作時間縮短操作強度降低,同時數(shù)據(jù)化管理也保證了每窯次產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定,不受人為因素的影響。在人工短缺,用戶品質(zhì)意識增強,燃料成本不斷攀升以及國家節(jié)能減排政策執(zhí)行力度加強的今天,該脈沖燃燒控制系統(tǒng)梭式窯以其明顯的優(yōu)勢必將獲得廣闊的發(fā)展前景,值得大力提倡和推廣。

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1002-2872(2010)09-0014-05