摘 要：本文從目前楓溪瓷區(qū)日用瓷生產(chǎn)中使用的自動(dòng)控制梭式窯熱平衡測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)梭式窯單位產(chǎn)品燒成能耗方面進(jìn)行比較、分析，進(jìn)一步探討節(jié)能途徑。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；梭式窯；測(cè)試分析；節(jié)能途徑

1 前言

梭式窯是間歇式熱工設(shè)備，它的燒成能耗雖比隧道窯、輥道窯高，但由于它具有操作靈活性大，適應(yīng)多種產(chǎn)品規(guī)格、試驗(yàn)性研究及小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。因此，目前在楓溪瓷區(qū)主要用于日用瓷、美術(shù)陳設(shè)瓷、衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)。

傳統(tǒng)梭式窯又稱自吸式文丘里燒嘴燃?xì)馑笫礁G。是20世紀(jì)80年代楓溪瓷區(qū)陶瓷企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)的全國(guó)第一臺(tái)以液化石油氣為燃料的梭式窯。與以煤為燃料的間歇式倒焰窯相比具有操作簡(jiǎn)單、燒成時(shí)間短、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高、明焰裸裝、窯外裝拆方便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，改變了楓溪瓷區(qū)陶瓷燒成落后的狀況。因此，促進(jìn)了楓溪瓷區(qū)陶瓷事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

隨著陶瓷燒成技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的不斷更新，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)操控窯爐燒成的新一代自動(dòng)控制梭式窯已成為當(dāng)今陶瓷窯爐發(fā)展的主流，它實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制窯內(nèi)溫度、氣氛和壓力，使陶瓷制品在整個(gè)燒成過(guò)程中始終處于最佳的狀況，與傳統(tǒng)梭式窯相比更加優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能。

本文從目前楓溪瓷區(qū)日用瓷生產(chǎn)中使用的自動(dòng)控制梭式窯熱平衡測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)梭式窯單位產(chǎn)品燒成能耗進(jìn)行比較、分析，進(jìn)一步探討節(jié)能途徑。

2 測(cè)試方法與設(shè)備

2.1 測(cè)試的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡、熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》（GB/T23459-2009）進(jìn)行測(cè)試。

2.2 計(jì)算單位

計(jì)算單位采用國(guó)家法定計(jì)量單位（SI），以環(huán)境溫度為溫度基準(zhǔn)，物料基準(zhǔn)為1kg（產(chǎn)品）。

2.3 測(cè)試使用的儀器設(shè)備

測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表1所示。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 窯爐主要技術(shù)參數(shù)

窯爐的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 熱平衡檢測(cè)結(jié)果

熱平衡檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

4 燒成能耗對(duì)比

自動(dòng)控制梭式窯與傳統(tǒng)梭式窯燒成能耗對(duì)比見(jiàn)表4。

由表4可知，在燒成溫度相同、產(chǎn)品接近的情況下，自動(dòng)控制梭式窯比傳統(tǒng)梭式窯燒成時(shí)間縮短1.5h，單位產(chǎn)品燒成能耗降低0.67kgce/kg，節(jié)能率達(dá)到47.18%，具有良好的節(jié)能效果。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，主要有如下幾方面的原因。

4.1 采用自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)控制梭式窯，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)窯爐燒成進(jìn)行自動(dòng)控制，使窯內(nèi)的燒成溫度、氣氛和壓力的調(diào)節(jié)控制更加精確，使燒成始終處于最佳狀態(tài)，有效地縮短了燒成時(shí)間、減少熱損失、節(jié)約能源。

（1） 溫度控制

全窯共安裝有12支熱電偶，安裝在6條火道上，上、下共12個(gè)燒嘴進(jìn)行控制，每個(gè)燒嘴溫度根據(jù)制品的燒成要求設(shè)定升溫曲線，由熱電偶檢測(cè)后將信號(hào)值輸送AI人工智能儀進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果輸入到燃?xì)?、空氣電?dòng)執(zhí)行器中。如果實(shí)測(cè)溫度值小于設(shè)定溫度值時(shí)，將同步增大燃?xì)?、助燃空氣流量，使溫度升高；如果?shí)測(cè)溫度值大于設(shè)定溫度值時(shí)，則用相反方法調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制，使窯內(nèi)溫度均勻，縮短燒成時(shí)間。

（2） 氣氛控制

全窯采用氧化氣氛燒成。由設(shè)定的燃料燃燒空燃比，通過(guò)燃?xì)鈮毫Ψ答佇盘?hào)，調(diào)節(jié)助燃風(fēng)變頻器大小，控制助燃風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變助燃風(fēng)流量，實(shí)現(xiàn)燒成氣氛的自動(dòng)控制。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，煙氣中沒(méi)有不完全燃燒產(chǎn)物（CO），減少燃料的浪費(fèi)。

（3） 壓力控制

全窯采用正壓燒成。由設(shè)定的窯壓，通過(guò)窯內(nèi)測(cè)壓點(diǎn)反饋信號(hào)，由變頻器控制排煙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)窯內(nèi)壓力的自動(dòng)控制。有效地阻止了窯外冷空氣從窯爐不嚴(yán)密處流入窯內(nèi)，減少熱損失、提高窯爐熱效率、節(jié)約能源。

據(jù)資料介紹，在排出煙氣中，每增加可燃成分1%，則燃料損失要增加3%。采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，則可節(jié)能5%～10%。

4.2 采用高速等溫?zé)?/p>

窯爐在加熱過(guò)程中，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，以對(duì)流傳熱和輻射傳熱的形式傳遞給制品，采用不同的燃燒裝置，可產(chǎn)生不同的傳熱效果。

根據(jù)對(duì)流傳熱公式：

Q =α ? △t ? F （1）

式中：α —對(duì)流傳熱系數(shù)；

△t—煙氣與制品間的溫差；

F—對(duì)流傳熱面積。

提高對(duì)流傳熱系數(shù)α ，有利于提高煙氣與制品間的對(duì)流傳熱Q，又從對(duì)流傳熱系數(shù)公式α=K可知，對(duì)流傳熱系數(shù)α 與煙氣流速W的0.8次方成正比，與氣體當(dāng)量通道d成反比，當(dāng)噴入窯內(nèi)煙氣的速度W增大時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)α 增大，對(duì)流傳熱Q就加快。

傳統(tǒng)梭式窯，采用文丘里燒嘴，火焰由窯內(nèi)兩側(cè)窯墻底部向上噴出，噴出速度小，為5～20m/s，熱氣體靠煙囪的自然抽力，做倒燃式運(yùn)動(dòng)，對(duì)流傳熱效果差，上下溫差大。在低溫時(shí)，由于燃?xì)饬坎欢?，產(chǎn)生的熱量也少，窯內(nèi)煙氣流動(dòng)速度小，對(duì)流傳熱不強(qiáng)烈，難于均勻整個(gè)窯內(nèi)空間，導(dǎo)致溫差大。測(cè)試結(jié)果表明：800℃的前窯內(nèi)上下溫差高達(dá)200℃，限制了制品的升溫速度，在高溫時(shí)，主要靠輻射傳熱，對(duì)流傳熱的作用不大，使制品燒成時(shí)間延長(zhǎng)，增加燃料消耗。

自動(dòng)控制梭式窯采用高速等溫?zé)?，火焰從窯墻兩側(cè)高速噴入窯內(nèi)火道，噴出速度>100 m/s，大大提高了煙氣與制品之間的對(duì)流傳熱，帶動(dòng)了窯內(nèi)熱氣體，形成循環(huán)攪動(dòng)，進(jìn)一步均勻窯內(nèi)溫度。測(cè)試結(jié)果表明：800℃的前窯內(nèi)上下溫差< 40℃，在高溫時(shí)，對(duì)流傳熱同樣起到很大的作用，縮短了制品的加熱時(shí)間，減少了窯體、窯車(chē)、窯具等耐火材料的蓄熱、散熱以及煙氣帶走熱量的損失，節(jié)約能源。采用高速等溫?zé)毂任那鹄餆炜晒?jié)約燃料25%～30%。

4.3 合適的空氣過(guò)剩系數(shù)

從窯爐熱平衡測(cè)試結(jié)果可知，排煙帶走的熱損失占總?cè)剂舷牡?5%～35%。主要原因是燃燒時(shí)空氣過(guò)剩系數(shù)過(guò)大?？諝膺^(guò)剩系數(shù)α是實(shí)際燃燒空氣量V與理論空氣量Vk0的比值，是衡量窯爐操作控制是否合理消耗燃料的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

排煙帶出顯熱公式：

Q=m×V+（α-1）V×C×△t（2）

由公式（2）可知，影響排煙熱損失Q的因素與煙氣中的空氣過(guò)剩系數(shù)α有著密切的關(guān)系，當(dāng)α值增大，實(shí)際排煙量V+（α-1）V隨之增大，排煙帶走的熱損失Q就越大，燃料m值消耗就增加。因此，在滿足制品的燒成工藝要求情況下，合理控制燃燒空燃比，才能使其燃燒充分，同時(shí)采用盡可能小的空氣過(guò)剩系數(shù)，減少排煙熱損失，節(jié)約燃料。

自動(dòng)控制梭式窯，可有效利用燃?xì)鈮毫Ψ答佇盘?hào)，由變頻器控制助燃風(fēng)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳燃燒空燃比值。而傳統(tǒng)梭式窯則憑經(jīng)驗(yàn)、靠肉眼觀察。采用氧化氣氛燒成時(shí)，往往容易導(dǎo)致空氣過(guò)剩系數(shù)過(guò)大，造成燃料浪費(fèi)。

在自動(dòng)控制梭式窯與傳統(tǒng)梭式窯燒成過(guò)程中，煙氣分析得出的空氣過(guò)剩系數(shù)見(jiàn)表5。

由表5可知，傳統(tǒng)梭式窯比自動(dòng)控制梭式窯能耗高的主要因素之一，是空氣過(guò)剩系數(shù)過(guò)大。

5 節(jié)能途徑建議

從熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，楓溪瓷區(qū)自動(dòng)控制梭式窯單位產(chǎn)品燒成能耗為0.75kgce/kg，對(duì)比楓溪瓷區(qū)燃?xì)馑淼栏G熱平衡測(cè)試結(jié)果：日用瓷隧道窯單位產(chǎn)品燒成能耗為0.547kgce/kg，還有很大的節(jié)能空間，可以從如下幾方面采取措施。

5.1 縮短燒成時(shí)間

該窯具有良好的窯爐結(jié)構(gòu)（從熱平衡測(cè)試結(jié)果可知，窯體外表面散熱為1337.93MJ，占總熱耗3%），窯內(nèi)傳熱速率大、效果好、溫度均勻、溫差小，為縮短加熱時(shí)間提供了有利條件?？梢酝ㄟ^(guò)控制坯體入窯水分，當(dāng)入窯坯體水分＜1%時(shí)，可以避免坯體由于過(guò)多水分排除時(shí)，坯體間存在的溫差而產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致制品炸裂，從而加快升溫速度，縮短加熱時(shí)間。經(jīng)測(cè)算，每縮短10%的燒成時(shí)間可節(jié)約燃料6%～8%。

5.2 合理調(diào)整燃?xì)獾目杖急?/p>

一般燃料充分燃燒的空燃比最佳比值為1.05～1.1，對(duì)于氧化燒成窯爐比值可以略大些，有利窯內(nèi)通風(fēng)、廢氣的排除，保證燒成質(zhì)量。一般的比值在1.1～1.2之間。由熱平衡測(cè)試結(jié)果可知，該窯煙氣中的空氣過(guò)剩系數(shù)值為1.5～1.61，可以通過(guò)調(diào)整燃燒的空燃比比值，保證煙氣中盡可能小的空氣過(guò)剩系數(shù)，減少排煙熱損失，降低能耗。煙氣中空氣過(guò)剩系數(shù)值每降低0.1，可節(jié)約燃料2%左右。

5.3 采用輕型薄壁窯體，減輕窯體質(zhì)量

由熱平衡檢測(cè)結(jié)果可知，窯體的蓄熱損失為18817.4MJ，占總能耗的42.19%，窯體的蓄熱與窯體的砌筑材料質(zhì)量成正比。該窯體結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯為50mm耐高溫陶瓷纖維氈、中間層為460mm厚輕質(zhì)莫來(lái)石磚、外層為40mm硅酸鋁纖維氈?？梢酝ㄟ^(guò)減少中間層磚厚度，采用輕型薄壁窯體，減輕窯體材料的質(zhì)量，減少窯體蓄熱損失。據(jù)有關(guān)資料介紹，采用耐高溫陶瓷纖維氈砌筑窯體可節(jié)能35%以上。

6 結(jié)語(yǔ)

楓溪瓷區(qū)自動(dòng)控制梭式窯單位產(chǎn)品燒成能耗為0.75kgce/kg，比傳統(tǒng)梭式窯節(jié)約0.67kgce/kg，節(jié)能率為47.18%，節(jié)能效果明顯。同時(shí)還可以通過(guò)縮短加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速燒成。同時(shí)，合理調(diào)整燃?xì)饪杖急?，降低空氣過(guò)剩系數(shù)，采用輕型薄壁窯體，減輕窯體質(zhì)量等措施，可進(jìn)一步提升楓溪瓷區(qū)自動(dòng)控制梭式窯的節(jié)能效果。