李文碩 龍 妍 靳世平張竣溵＊

1.華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院

2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

0 引言

陶瓷行業(yè)屬于高耗能、高污染行業(yè)之一。工業(yè)陶瓷生產(chǎn)過程中，需要消耗大量能源和礦物資源。其中，燒成工序能耗約占總能耗的61%。窯爐為燒成工序的主要耗能設(shè)備，該設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了從倒焰窯、隧道窯和輥道窯的過程。燃料也從燒煤、燒油到燒氣的過程。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有燃煤工業(yè)窯爐總數(shù)接近550 000臺，總?cè)萘窟_(dá)118.4萬MW。隨著我國工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，工業(yè)爐作為主要的工業(yè)工具，得到了長足的發(fā)展。但是我國工業(yè)爐的平均熱效率相對于國際上先進(jìn)水平仍有將近20%的差距，僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家二、三十年前的水平[3]，具有巨大的提升空間。如何提高工業(yè)爐熱效率，保證合理用能效率，是關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)式梭式窯屬于周期性燒成，蓄熱損失和散熱損失大。傳統(tǒng)梭式窯的窯內(nèi)溫度為1 250℃～1 650℃，排煙溫度1 100℃～1 400℃左右，熱效率約20%。目前新建梭式窯改進(jìn)了窯體砌筑結(jié)構(gòu)，增設(shè)了簡單的煙氣余熱利用裝置，使熱效率有所提高，約為40%。由于排煙溫度高，煙氣帶走的余熱是梭式窯最主要的熱損失，約占總熱損失的50%[4]。

目前，傳統(tǒng)梭式窯均采用空氣預(yù)熱器回收爐窯排煙的余熱，常規(guī)空氣預(yù)熱器有管式、板式、熱管式等。其中板式和管式空氣預(yù)熱器在梭式窯上的應(yīng)用相對較多，但這些設(shè)備都采用金屬結(jié)構(gòu)，耐高溫能力差，當(dāng)爐膛出口溫度大于800℃，金屬換熱器易被損壞，無法達(dá)到余熱回收的目的。而爐膛出口煙氣溫度在800℃以上時，正是梭式窯能耗高的工況，此工況下余熱回收的潛力最大，能以較低的投資獲得較大的效率提升。

我國“十二五”期間節(jié)能減排的規(guī)劃目標(biāo)是單位GDP能耗下降16%，能源消耗總量控制在40億tce左右。在節(jié)能改造工程中，提出“實施燃煤鍋爐（窯爐）和鍋爐房系統(tǒng)節(jié)能改造，提高鍋爐熱效率和運行管理水平。在“十二五”期間形成7 500萬tce的節(jié)能能力”的目標(biāo)。在“十三五”規(guī)劃中，提出“推動低碳循環(huán)發(fā)展，加快能源技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系；主動控制碳排放，加強高耗能行業(yè)能耗管控，有效控制重點行業(yè)碳排放”等相關(guān)目標(biāo)。作為高耗能、高污染的陶瓷行業(yè)，主動進(jìn)行節(jié)能改造和技術(shù)升級是十分必要的。

本次技術(shù)改造通過多燃燒器交錯布置、合理的交錯燃燒控制、燃燒系統(tǒng)全自動控制等手段，對傳統(tǒng)的蓄熱式梭式窯進(jìn)行技術(shù)升級，節(jié)能效果可達(dá)30%以上。。

1 蓄熱式燃燒技術(shù)及可編程控制器技術(shù)概述

1.1 蓄熱式燃燒技術(shù)概述

蓄熱式燃燒單元由若干成對安裝的燃燒噴嘴本體、體積緊湊的蓄熱室、換向閥和與之配套的控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。當(dāng)燃燒噴嘴A工作時，產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，?jīng)過對應(yīng)的燃燒噴嘴B排出。燃燒噴嘴B兼具排煙和蓄熱的作用，高溫?zé)煔庀韧ㄟ^蓄熱室以輻射和對流傳熱的方式將熱量傳遞給蓄熱體，煙氣溫度降低后排出。工作一定時間后，換向閥通過換向使助燃空氣通過燃燒噴嘴B的蓄熱體，空氣立即被預(yù)熱到煙氣溫度的85%～95%以上，燃燒噴嘴B啟動的同時，燃燒噴嘴A停止工作，轉(zhuǎn)為排煙并進(jìn)行蓄熱。蓄熱式燃燒技術(shù)通過交替運行方式實現(xiàn)“煙氣余熱的極限回收”和“助燃空氣的高溫預(yù)熱”。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)原理圖

1.2 可編程邏輯控制器發(fā)展概述

可編程邏輯控制器PLC Programmable Logic Controller）[7，8]是在電子技術(shù)和計算機技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)自動控制設(shè)備，是一種通過數(shù)字運算操作的電子裝置，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它采用一類可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制，定時、計時、計數(shù)與算術(shù)運算等操作面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。其具有可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單，設(shè)計周期短，安裝、接線、調(diào)試工作量小，使用維護(hù)方便等優(yōu)點，具有很高的靈活性、適應(yīng)性和很強的信息處理能力。將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于梭式窯的燃燒控制中，不僅能節(jié)約人力，降低工程成本，而且控制可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2 蓄熱式梭式窯節(jié)能改造技術(shù)研究

本梭式窯改造項目基于河南省某陶瓷生產(chǎn)廠，其原窯爐為傳統(tǒng)梭式窯。在間歇性燒制過程中，窯車先推進(jìn)窯內(nèi)燒制，燒制完成后再將其往相反方向拉出，卸下燒好的陶瓷，完成生產(chǎn)。在不改動本來窯爐墻體的情況下，進(jìn)行如下技術(shù)改造：

（1）將蓄熱式燃燒器對稱布置在墻體兩側(cè)，使兩組燃燒器可以分別用于燃燒和排煙；

（2）改變蓄熱室和燃燒室之間的結(jié)構(gòu)，提高助燃空氣進(jìn)入燃燒室的量，同時強化空氣與燃?xì)獾幕旌闲Ч?，縮短燃燒火焰；

（3）更換噴嘴，燃燒噴嘴需滿足火焰穩(wěn)定、頻繁開關(guān)不回火、燃燒時不嚴(yán)重積炭等條件。

改造后的蓄熱式梭式窯有以下優(yōu)點：

（1）節(jié)能量大幅增加：高溫?zé)煔夂屠淇諝饨?jīng)過換向閥的切換交替流經(jīng)蓄熱體，可將1 000℃煙氣降低至100℃以下，回收大量煙氣的顯熱，可節(jié)省燃料30%左右，節(jié)能效果明顯。

（2）溫度均勻性好：燃燒器燃燒與排煙兩種狀態(tài)不斷切換，火焰在窯內(nèi)交錯對沖，火焰（高溫點）不再固定，同時爐內(nèi)擾動增強，使窯內(nèi)溫度更均勻。

（3）升溫速率快：助燃空氣可預(yù)熱到800℃，使火焰溫度更高，升溫速率更快。

（4）理論燃燒溫度大幅提高，可拓寬燃料的使用范圍，如高爐煤氣等低熱值的燃料可被利用。

（5）NOx排放量大幅減少。

（6）燃燒噪音降低。

3 改進(jìn)型PLC控制方案

在原有PLC控制系統(tǒng)上，增加溫度、氣氛和壓力三大控制模塊，可實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的改造升級。

3.1 溫度控制方案

（1）窯內(nèi)整體溫度控制

爐膛溫度控制室的加熱爐是所有控制中最重要的控制系統(tǒng)之一，。

傳統(tǒng)梭式窯的窯內(nèi)整體溫度通過自動調(diào)節(jié)天然氣總管流量進(jìn)行控制（圖2），以滿足工藝溫度曲線。蓄熱式梭式窯也可采用自動調(diào)節(jié)天然氣總管流量的方式來調(diào)節(jié)窯內(nèi)整體溫度。唯一不同的是在于蓄熱式梭式窯節(jié)能效果顯著，相同溫度對天然氣流量要求更小。改造后可采取的溫度控制策略如圖2所示，其中，爐膛總體溫度采用所有熱電偶的平均溫度。

圖2 整體溫度控制流程圖

（2）溫度均勻性控制

目前梭式窯在燃燒器對墻位置布置熱電偶，通過熱電偶所測溫度對相應(yīng)的燃燒器燃?xì)饬髁窟M(jìn)行調(diào)節(jié)，直至溫度均勻。改造后由于燃燒器數(shù)量翻倍，并且周期性切換燃燒，因此熱電偶布置與溫度控制方法應(yīng)進(jìn)行修改。

改造后每個燃燒器對墻均布置一個熱電偶進(jìn)行測溫，并采用相對一組熱電偶的平均溫度對應(yīng)的燃燒器進(jìn)行調(diào)節(jié)，組成一組燃燒單元。改造后每個燃燒器均配備電動閥門對該燃燒器流量進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)。燃燒器流量調(diào)節(jié)采取人工通過計算機控制電氣閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式。

改造后的溫度控制策略如圖3所示：

圖3 溫度均勻性控制策略圖

3.2 氣氛控制方案

（1）控制方案

改造后氣氛控制策略采用以空燃比為參數(shù)調(diào)節(jié)氛圍和煙氣分析儀檢測出口煙氣氧含量綜合運用方式，該控制策略比通過經(jīng)驗確定空燃比調(diào)節(jié)氛圍的方式更精確和穩(wěn)定?？刂撇呗匀鐖D4所示：

圖4 氣氛控制策略圖

煙氣分析儀安裝位置為煙氣出口總管處，檢測出口煙氣氧含量。

（2）換向過程對氛圍影響的分析

在換向初始時刻，兩個蓄熱體內(nèi)一個充滿了煙氣，一個充滿了空氣，對爐內(nèi)氛圍可能造成影響的為空氣側(cè)。本次改造中配有排煙引風(fēng)機，一旦換向，空氣側(cè)轉(zhuǎn)換為排煙，此時空氣被負(fù)壓抽走，不會進(jìn)入爐內(nèi)影響氛圍。

但是，換向時空氣側(cè)的空氣排出時會經(jīng)過煙氣分析儀，造成所檢測的氧含量偏高，該檢測數(shù)據(jù)不代表爐溫氛圍，但容易造成報警?？稍诳刂瞥绦蛏辖鉀Q該問題，在換向時退出煙氣分析儀報警程序，換向完成后再進(jìn)入煙氣分析儀報警程序。

3.3 壓力控制方案

（1）控制方案

梭式窯正壓過大容易導(dǎo)致窯爐縫隙冒火，造成能源浪費。負(fù)壓容易導(dǎo)致窯外空氣從縫隙進(jìn)入窯內(nèi)，影響窯內(nèi)氛圍，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此窯爐壓力控制十分重要。

蓄熱式梭式窯配備兩個風(fēng)機，一個風(fēng)機用于輸送燃料風(fēng)，另一個風(fēng)機用于排煙。為保證爐膛壓力穩(wěn)定與煙氣高溫膨脹的因素，排煙風(fēng)機的流量與壓力均需比送風(fēng)機流量大。本次改造通過控制系統(tǒng)對兩個風(fēng)機進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足工藝需求的同時保證穩(wěn)定的爐膛壓力。風(fēng)機控制策略如圖5所示。

圖5 送風(fēng)機控制策略

（2）引風(fēng)機控制策略：

本次改造在窯爐壁面安裝相應(yīng)壓力檢測器，引風(fēng)機采用變頻調(diào)速，通過采集窯內(nèi)壓力控制引風(fēng)機調(diào)速，以保證窯內(nèi)壓力狀況。

4 節(jié)能效果分析

通過對傳統(tǒng)梭式窯進(jìn)行技術(shù)改造，將原燃燒系統(tǒng)升級為蓄熱式燃燒系統(tǒng)，并對改造前后的天然氣消耗量進(jìn)行對比。對比情景的控制變量須保證升溫曲線誤差在合理范圍之內(nèi)。兩次實驗升溫曲線如圖6所示：

在控制升溫曲線基本相同的情況下，對傳統(tǒng)梭式窯和改進(jìn)后的蓄熱式梭式窯分別進(jìn)行測試，并對不同時刻的燃?xì)庀牧孔鲇涗洠玫饺鐖D7所示的天然氣流量曲線：

圖6 升溫曲線

圖7 天然氣流量曲線

由圖7可知：

（1）在窯爐燒制開始階段，爐膛溫度較低，對于蓄熱體來說，能夠回收的煙氣余熱量很小，因此，在初始低溫階段改造前后燃?xì)庀牧坎顒e較??；

（2）隨著窯爐燒制時間的延續(xù)，爐膛內(nèi)溫度逐漸上升，排煙溫度也隨之升高，蓄熱體可回收的煙氣余熱不斷增加，這部分熱量作為補充，使燃?xì)庀牧坎粩鄿p少。圖7曲線顯示，在燒制過程的中后期，蓄熱式梭式窯比傳統(tǒng)窯爐燃?xì)庀牧棵黠@降低。經(jīng)測算，改造后的蓄熱式梭式窯在相同溫升曲線中，燃?xì)庀牧勘葌鹘y(tǒng)梭式窯節(jié)省約30%。

5 結(jié)論與展望

在傳統(tǒng)的蓄熱式梭式窯基礎(chǔ)上，本次實驗通過改進(jìn)多燃燒器布置形式、優(yōu)化燃燒控制策略、升級燃燒控制系統(tǒng)等手段，達(dá)到了比傳統(tǒng)梭式窯節(jié)約燃?xì)?0%的節(jié)能效果。該技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)控制方面，蓄熱式梭式窯采用溫度、氣氛和壓力三大自動控制系統(tǒng)，在減少人力投入的同時，降低人為操作風(fēng)險。溫度、氣氛、壓力控制更精確穩(wěn)定。

（2）結(jié)構(gòu)布置方面，蓄熱式梭式窯采用多燃燒器交錯布置方式，火焰在窯內(nèi)交錯對沖，使窯內(nèi)溫度更均勻。

（3）蓄熱式梭式窯燃燒換向時壓力波動小。若采用蓄熱式燃燒技術(shù)，在燃燒換向時，必然會造成壓力的波動。本次技術(shù)改造根據(jù)仿真、實驗手段，分析發(fā)現(xiàn)壓力波動與換向時管道與蓄熱體內(nèi)氣體的滯留時間緊密相關(guān)。本實驗采用最為合理的布置手段，最大限度減少管道長度，降低滯留時間，可將壓力波動控制在較低水平。

在總結(jié)已有實驗成果的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)采取下列措施將進(jìn)一步提升工業(yè)窯爐的節(jié)能效果：

（1）改進(jìn)工業(yè)窯爐的爐體結(jié)構(gòu)，完善爐體密封性；

（2）增強爐內(nèi)絕熱性能，減小爐體的散熱表面積，以減少散熱損失；

（3）減少工業(yè)窯爐輔件的熱損失；

（4）加強工業(yè)窯爐余熱回收效率；

（5）采用新型的燃燒裝置和燃燒技術(shù)。