江海東

摘 要：根據(jù)煤氣燃燒實(shí)驗(yàn)和典型陶瓷輥道窯爐的測試數(shù)據(jù)，分析過?？諝庀禂?shù)對于窯爐能耗影響和目前陶瓷輥道窯爐運(yùn)行當(dāng)中不同燃燒區(qū)域過?？諝庀禂?shù)的情況，最后提出輥道窯爐空氣過剩系數(shù)的分段控制和窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議。

關(guān)健詞：過?？諝庀禂?shù)；輥道窯爐

1 引言

陶瓷產(chǎn)品種類繁多，佛山地區(qū)以生產(chǎn)瓷質(zhì)磚為主，數(shù)十條瓷質(zhì)磚輥道窯爐以燃用發(fā)生爐煤氣和天然氣為主。建筑陶瓷工藝決定其產(chǎn)品燒成過程采取弱氧化氣氛，所以燃燒中的氧化劑——空氣（氧氣）要相對過剩，但該部分過剩的空氣又會在燃燒后帶走燃燒產(chǎn)生的顯熱，這勢必造成熱能的浪費(fèi)[1]。歷來關(guān)于輥道窯爐的助燃空氣配比對窯爐能耗的影響研究眾多，減少過量空氣輸入降低過?？諝庀禂?shù)有利于節(jié)能降耗已成為共識，但目前窯爐鮮見配置相應(yīng)檢測儀器，實(shí)際窯爐運(yùn)行當(dāng)中對該指標(biāo)無檢測，司爐人員基本不考慮過量助燃空氣引起的能耗變化。

輻射管實(shí)驗(yàn)爐的加熱模式雖然與輥道窯爐不同，但其燃燒工況的爐溫變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可借鑒進(jìn)行輥道窯爐的燃燒系統(tǒng)分析，其數(shù)據(jù)直觀印證了降低過?？諝庀禂?shù)有利于降低能耗。同時(shí)，對佛山和周邊地區(qū)的典型陶瓷輥道窯爐的過?？諝庀禂?shù)進(jìn)行檢測，對比輥道窯爐的不同運(yùn)行工況，分析窯爐不同區(qū)域空氣過?？諝庀禂?shù)的情況。

2 煤氣燃燒實(shí)驗(yàn)

制作一輻射管燃燒實(shí)驗(yàn)爐，采用固定氣源提供的平均熱值7556.3 kJ/Nm3的半水煤氣混合一定比例氮?dú)饽M不同熱值的煤氣，并調(diào)整助燃空氣供給量，對不同熱值煤氣、助燃空氣配比情況下輻射管實(shí)驗(yàn)爐的燃燒工況進(jìn)行記錄，分析爐溫、排煙溫度、排煙成分等數(shù)據(jù)變化情況。

設(shè)計(jì)輻射管燃燒實(shí)驗(yàn)的本意為通過半水煤氣當(dāng)中摻入氮?dú)饽M低熱值燃?xì)?，研究低熱值燃?xì)馓娲胨簹獾目尚行訹2]。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用作分析過剩空氣系數(shù)變化對爐溫的影響具有一定普遍意義，能直觀印證降低過剩空氣系數(shù)對提高爐溫有利，佐證低過?？諝庀禂?shù)有利于降低能耗。

2.1實(shí)驗(yàn)爐的制作

實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)置一根輻射管，管四周留150 ～ 200 mm空間，爐內(nèi)壁采用硅酸鋁纖維板保溫，爐膛中央安裝一測溫?zé)犭娕紮z測爐溫。半水煤氣管、氮?dú)夤馨惭b調(diào)節(jié)閥、氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)、氣體壓力測量儀表，半水煤氣和氮?dú)饨?jīng)氣體混合器混合后進(jìn)入燃燒器。輻射管壁上均布九支埋入式熱電偶，所有熱電偶均采用補(bǔ)償導(dǎo)線接入溫度顯示器。 輻射管排煙引經(jīng)引風(fēng)機(jī)排走，排煙管上安裝測溫?zé)犭娕肌y壓管、氣體成分檢測儀器。實(shí)驗(yàn)采用的主要檢測儀器：K分度熱電偶（補(bǔ)償導(dǎo)線）、TESTO327煙氣分析儀和奧式氣體分析儀。

2.2實(shí)驗(yàn)操作步驟

實(shí)驗(yàn)爐經(jīng)過3 h燃燒后，爐溫穩(wěn)定在750℃左右，期間每15 min記錄燃燒參數(shù)及取煤氣樣化驗(yàn)一次，連續(xù)測試2 h，各參數(shù)最后取平均值作以分析。

通過調(diào)節(jié)摻入氮?dú)饬颗c半水煤氣混合，模擬不同熱值發(fā)生爐煤氣燃燒，并調(diào)整助燃空氣供給量。各種不同熱值的發(fā)生爐煤氣燃燒連續(xù)測試2 h，每15 min記錄燃燒參數(shù)及取煤氣樣化驗(yàn)一次，各參數(shù)最后取平均值作以分析。

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)半水煤氣與氮?dú)饣旌媳壤?，產(chǎn)生不同熱值的煤氣并分別進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，熱值范圍為7556.3～5925.5 kJ/Nm3，各實(shí)驗(yàn)組當(dāng)中控制燃?xì)饪傒斎霟崃拷咏s111 MJ/h）。并在5925.5 kJ/Nm3熱值的燃?xì)夤r下特別調(diào)整助燃空氣輸入量，以獲得較低助燃空氣過剩系數(shù)。5925.5 kJ/Nm3的煤氣熱值與目前佛山地區(qū)陶瓷磚輥道窯爐使用的發(fā)生爐煤氣熱值相近。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)記錄整理如下表。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：

（1）實(shí)驗(yàn)流程當(dāng)中輸入燃?xì)獾膯挝粴怏w熱值總體呈下降趨勢，通過增加燃?xì)饬髁靠刂戚斎肟偀嶂到咏s111MJ/h）。隨著助燃空氣供給量降低，實(shí)際體現(xiàn)指標(biāo)為煙氣當(dāng)中檢測的含氧量不斷下降，過?？諝庀禂?shù)αpy降低，實(shí)驗(yàn)爐溫和排煙溫度總體呈上升趨勢。

（2）隨著過?？諝庀禂?shù)αpy降低，煤氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣量總體呈下降趨勢，按單位輸入熱量產(chǎn)生的煙氣量同樣為下降趨勢。煙氣量的降低明顯與助燃空氣供給量下降直接相關(guān)。

（3）摻入氮?dú)饬孔畲?、熱值最低?925.5 kJ/Nm3）的兩組數(shù)據(jù)與純半水煤氣（7556.3 kJ/Nm3）組數(shù)據(jù)相比，總輸入熱量僅稍增0.36 ～ 1.54%，但由于過?？諝庀禂?shù)αpy由1.76降低至1.15 ～ 1.11其實(shí)驗(yàn)爐溫由770.4℃上升至806 ～ 819℃。

（4）在摻入氮?dú)夂螅細(xì)鉄嶂迪鄬咏暮?組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)輸入總熱量波動幅度不大，介乎于平均值-1.97 ～ 4.76%，隨過?？諝庀禂?shù)αpy降低，實(shí)驗(yàn)爐溫上升，上升趨勢明顯。

3 典型陶瓷輥道窯爐的過剩空氣系數(shù)檢測

籍佛山市陶瓷企業(yè)開展“十三五”能源審計(jì)當(dāng)中對重點(diǎn)用能設(shè)備開展能效檢測的機(jī)會，對在用正常生產(chǎn)的典型陶瓷輥道窯爐的過?？諝庀禂?shù)進(jìn)行檢測，通過實(shí)測窯爐各個(gè)燃燒段落的排煙成分，分析過?？諝庀禂?shù)αpy在窯爐的整個(gè)燃燒段落的區(qū)域變化情況。

3.1 被檢測窯爐的基本情況

檢測了十?dāng)?shù)條陶瓷輥道窯爐，抽取工況較為穩(wěn)定的4條典型陶瓷輥道窯爐的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，窯爐寬度為2.8 ～ 3.4 m、長度180 ～ 260 m，其中3條窯爐的助燃風(fēng)為常溫入爐和1條助燃空氣預(yù)熱達(dá)345 ～ 425℃后入爐。窯爐產(chǎn)品為釉面磚和瓷質(zhì)磚，產(chǎn)量為430 ～ 590 m2/h，窯爐最高燒成溫度為1117 ～ 1230℃。

3.2檢測操作情況

窯爐生產(chǎn)工況穩(wěn)定情況下，在輥道窯爐的燒成段至預(yù)熱段區(qū)域的觀火孔和排煙風(fēng)機(jī)前的排煙管取樣進(jìn)行煙氣成分檢測，檢測位置按窯爐長度方向平均取點(diǎn)，排煙管檢測點(diǎn)定位于排煙風(fēng)機(jī)前。窯爐爐體檢測采用長度約1.2 m的Φ8 mm陶瓷管插入，穿越爐墻保溫材料探入爐膛內(nèi)部，引出煙氣進(jìn)行檢測，原則上窯爐兩側(cè)相同段落取點(diǎn)檢測，數(shù)據(jù)取平均值；排煙管檢測點(diǎn)取樣管中心煙氣。檢測采用的主要檢測儀器： TESTO327煙氣分析儀。

為便于數(shù)據(jù)對比分析，爐體檢測點(diǎn)按區(qū)域功能進(jìn)行分類匯總，具體布置如圖6示。

3.3檢測數(shù)據(jù)和分析

按窯爐爐體功能區(qū)域分類匯總檢測數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)整理如下表。

由數(shù)據(jù)表和圖分析如下：

（1）目前大多數(shù)墻地磚的輥道窯爐均采用氣體燃料，燃燒過?？諝庀禂?shù)控制在1.10～1.15即可[4]。上述所有窯爐的實(shí)測過?？諝庀禂?shù)αpy均明顯高于燃?xì)飧G爐的理論燃燒系數(shù)。采用熱風(fēng)助燃的窯爐，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，與一般常溫助燃風(fēng)窯爐相比，節(jié)能率可達(dá)8.24%，其設(shè)計(jì)用能方案先進(jìn)[5]。雖然4#窯爐設(shè)計(jì)理念較為先進(jìn)，窯爐余熱用于加熱助燃空氣，預(yù)熱后熱風(fēng)溫度高達(dá)345 ～ 425℃，但實(shí)測助燃空氣供給量仍較大，其實(shí)測過?？諝庀禂?shù)αpy與傳統(tǒng)常溫助燃空氣入爐的窯爐并未有明顯差距。

（2）1#、2#窯爐的燒成段空氣系數(shù)明顯高于正常水平，考慮為急冷段風(fēng)閥板密封不良導(dǎo)致急冷帶冷風(fēng)滲入燒成帶引起。如無特殊工藝原因，該滲入冷風(fēng)顯然對該窯爐燒成段能耗有較大影響。

（3）按一般經(jīng)驗(yàn)，窯爐段落往排煙風(fēng)機(jī)方向接近，由于窯爐負(fù)壓不斷增大，密封部位不斷滲入空氣，過剩空氣系數(shù)αpy將不斷增大，圖示曲線應(yīng)呈現(xiàn)緩慢上升狀，但1#窯爐圖例曲線比較平直，并無明顯呈現(xiàn)該狀況。對此，考慮為該窯爐的密封結(jié)構(gòu)及日常運(yùn)行管理較好，爐膛氣氛控制較為嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)際上有利于降低用熱能耗。

（4）預(yù)熱區(qū)當(dāng)中，磚坯隨溫度升高，坯釉等將發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，為使坯體氧化分解完全，必須提供充足的氧氣[6]。窯爐預(yù)熱段至排煙風(fēng)機(jī)段，窯爐的檢測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)過?？諝庀禂?shù)αpy飛躍提升，過量空氣并非由燃燒器助燃風(fēng)過量供給引起，而是為了給磚坯氧化提供充足氧氣而設(shè)置的鼓風(fēng)口直接送風(fēng)導(dǎo)致。另外還有少數(shù)窯爐特意在排煙風(fēng)機(jī)入口附近開設(shè)漏風(fēng)口，額外滲入常溫空氣，造成排煙管位置檢測的過剩空氣系數(shù)遠(yuǎn)高于窯內(nèi)平均水平。該段區(qū)域αpy的提升，總體反映出該區(qū)域的目前窯爐運(yùn)行操作有意滲入空氣，其直接效果為：降低了排煙溫度，增大了排煙量。

4 結(jié)論

結(jié)合煤氣燃燒實(shí)驗(yàn)和窯爐檢測的數(shù)據(jù)，在低空氣過剩系數(shù)實(shí)現(xiàn)窯爐節(jié)能降耗方面有如下的啟示和建議。

4.1煤氣燃燒實(shí)驗(yàn)的啟示

煤氣燃燒實(shí)驗(yàn)直觀證明了較低助燃空氣過剩系數(shù)有利于提高爐溫，陶瓷輥道窯爐加熱磚坯至燒成成型，爐溫最高達(dá)1250℃左右，降低空氣過剩系數(shù)無疑能起到明顯節(jié)能作用。

4.2空氣過剩系數(shù)的分段控制

考慮到陶瓷磚燒制過程中不同的工藝需求，預(yù)熱段、燒成段對窯爐氣氛要求不同，不同產(chǎn)品的氣氛要求也不同，整體控制單一的空氣過剩系數(shù)并不合適，正確的方案為合理分段控制?，F(xiàn)有輥道窯爐鮮有見到配備煙氣成分分析儀器，通常僅以人工觀火色的方式進(jìn)行助燃風(fēng)量控制，根本不可能滿足空氣過剩系數(shù)分段檢測、控制的精度和時(shí)效要求。

準(zhǔn)確合理的分段控制必然要求窯爐配置相應(yīng)的檢測儀表（煙氣檢測儀表），事實(shí)上空氣過剩系數(shù)的控制實(shí)際為空燃比的調(diào)整。目前陶瓷輥道窯爐往寬體、長窯方向發(fā)展，已有窯爐長度達(dá)到400 m，當(dāng)中燃?xì)饬髁亢椭伎諝饬康目刂蒲b置和測量反饋裝置并非單一儀器儀表，而是一個(gè)復(fù)雜的燃燒控制系統(tǒng)工程，很明顯現(xiàn)有窯爐設(shè)計(jì)和在用的檢測、控制裝備都遠(yuǎn)遠(yuǎn)未滿足分段控制的要求。

4.3基于控制空氣過剩系數(shù)的窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議

過?？諝庀禂?shù)調(diào)整涉及整個(gè)燃燒系統(tǒng)，燃?xì)夂椭伎諝夤┙o配比調(diào)整涵蓋了燃?xì)馊紵?、燃?xì)夤苈?、助燃空氣管路、助燃風(fēng)機(jī)等設(shè)備和裝備的控制。輥道窯爐燃燒段落距離長，燃燒器數(shù)以百計(jì)，燃?xì)夂椭硷L(fēng)管路較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的流量控制以流量調(diào)節(jié)閥為核心，通過特殊閥芯結(jié)構(gòu)的開閉空隙對管路系統(tǒng)阻力進(jìn)行調(diào)整，配合離心輸送裝備（例如：風(fēng)機(jī)、水泵）定頻工況下的固定的壓力流量特性達(dá)到流量調(diào)整的目的。

隨著窯爐負(fù)荷變化，燃?xì)夂椭伎諝鈨煞矫娑夹枰M(jìn)行調(diào)整。事實(shí)上調(diào)整流量同時(shí)意味著壓力變化，燃?xì)夂椭硷L(fēng)壓力變化后，燃燒器的性能工況隨之也發(fā)生變化，火焰長度、燃?xì)饬魉俑鱾€(gè)方面均發(fā)生改變，所以在調(diào)整過?？諝庀禂?shù)之后，將直接影響到燃燒器的燃燒效果，很大程度影響著輥道窯爐的加熱工況，最終影響著陶瓷磚的燒成質(zhì)量?，F(xiàn)在變頻驅(qū)動應(yīng)用廣泛，在窯爐風(fēng)機(jī)上已成為基本配置，變頻風(fēng)機(jī)的壓力流量特性非固定，更使得系統(tǒng)調(diào)整趨于復(fù)雜。

過剩空氣系數(shù)調(diào)整是一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)整，正因?yàn)槿绱?，單?dú)對燃燒器或者風(fēng)機(jī)等進(jìn)行改善或者調(diào)整，而非立足于整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)整，容易導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)；其實(shí)，過?？諝庀禂?shù)的調(diào)整控制難度不低。所以在現(xiàn)有輥道窯爐上針對過?？諝庀禂?shù)單獨(dú)對某方面進(jìn)行改良，比如說僅僅進(jìn)行低空氣配比節(jié)能燃燒器改造，往往最終節(jié)能效果實(shí)現(xiàn)的同時(shí)容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，這正是眾多用于其他工業(yè)加熱設(shè)備（例如：鍋爐，熱風(fēng)爐）等單機(jī)運(yùn)行良好的原理、結(jié)構(gòu)、性能都比較好的燃燒器在輥道窯爐上應(yīng)用效果不好的原因之一。

簡而述之，窯爐燃燒系統(tǒng)上應(yīng)該配置合理的計(jì)量、檢測儀表，并配置控制裝備，燃燒器和相關(guān)管路系統(tǒng)應(yīng)開展系統(tǒng)性研究，以設(shè)計(jì)出滿足輥道窯爐生產(chǎn)要求、調(diào)節(jié)性能佳的單元器件及綜合控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王業(yè)勤.吳文武. 淺談空氣過剩系數(shù)對窯爐操控及節(jié)能的影響[J]. 佛山陶瓷. 2016（9）：38-39.

[2] 張?jiān)Ｌ?，夏遠(yuǎn)萍. 鍍鋅板生產(chǎn)線退火爐輻射管燃燒實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 工業(yè)加熱. 2003（1）：46-48.

[3] 中國建筑材料聯(lián)合會. GB/T23459《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡、熱效率測定與計(jì)算方法》.2009年.

[4] 謝炳豪.譚映山.胡衛(wèi). 墻地磚生產(chǎn)輥道窯的燃燒狀態(tài)檢測與調(diào)節(jié)[J]. 佛山陶瓷. 2016（7）：1-3.

[5] 謝炳豪. 窯爐能耗調(diào)查數(shù)據(jù)分析及節(jié)能措施[J]. 佛山陶瓷.2014（9）：35-38.

[6] 中國硅酸鹽學(xué)會陶瓷分會建筑衛(wèi)生陶瓷專業(yè)委員會. 現(xiàn)代建筑衛(wèi)生陶瓷技術(shù)手冊[M]. 北京. 中國建材工業(yè)出版社. 2010.4.