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        燃?xì)飧粞嫱瓢甯G的設(shè)計(jì)與調(diào)試

        2021-11-30 06:02:30呂詩宏謝驍斐郭小軍王文學(xué)朱小東
        工業(yè)加熱 2021年5期
        關(guān)鍵詞:煙氣設(shè)計(jì)

        呂詩宏,謝驍斐,郭小軍,王文學(xué),朱小東

        (中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司,先進(jìn)耐火材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471039)

        2019年,受某公司的委托,我公司承擔(dān)了設(shè)計(jì)溫度1 300 ℃、窯長21 m、燃?xì)飧粞嫱瓢甯G的總承包工作。推板窯用于電子產(chǎn)品原材料的煅燒,該類電子產(chǎn)品原材料燒結(jié)用推板窯通常采用電加熱,為降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,委托單位要求采用燃?xì)飧粞婕訜岱ā2⑶矣捎谠摦a(chǎn)品性能的特殊性,隔焰燃燒爐襯結(jié)構(gòu)中不得采用高導(dǎo)熱的碳化硅質(zhì)材料。

        經(jīng)過三個半月的設(shè)計(jì)及建設(shè),推板窯于2019年5月進(jìn)行了烘窯調(diào)試,順利達(dá)到了1 300 ℃的最高工作溫度,窯內(nèi)溫度均勻性、能耗指標(biāo)、煙氣污染物排放數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求。目前,該推板窯已經(jīng)穩(wěn)定在1 250 ℃正常生產(chǎn)1年時間,為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        1 推板窯系統(tǒng)簡介

        推板窯總長度為21 m,內(nèi)部寬度0.75 m,高度0.32 m,內(nèi)部為雙推板,燃料為天然氣,整個推板窯由窯體、推板、匣缽、推車機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、天然氣站和控制系統(tǒng)組成,設(shè)計(jì)產(chǎn)能為40 kg/h。

        (1)預(yù)熱帶長度:9.5 m;

        (2)焙燒帶長度:5 m;

        (3)冷卻帶長度:6.5 m;

        (4)燒嘴數(shù)量:12支;

        (5)測溫元件:焙燒帶燃燒室溫度控制用S型熱電偶12支,爐膛內(nèi)S型熱電偶4支K型熱電偶8支;

        (6)溫度控制精度:≤±5 ℃;

        (7)爐內(nèi)溫差要求:≤±10 ℃;

        (8)回轉(zhuǎn)系統(tǒng):采用全自動液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

        2 推板窯設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        在推板窯項(xiàng)目開始實(shí)施前,項(xiàng)目組針對本項(xiàng)目的難點(diǎn)進(jìn)行了分析,主要有以下幾點(diǎn):一是在隔焰燃燒條件下,如何保證爐膛內(nèi)溫差達(dá)到要求的±10 ℃;二是燃燒系統(tǒng)如何滿足業(yè)主要求的節(jié)能環(huán)保的要求;三是爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如何充分利用煙氣產(chǎn)生的熱量。

        3 推板窯設(shè)計(jì)

        3.1 燒嘴的布置

        設(shè)計(jì)之初,我公司曾提出過在燒成帶兩側(cè)布置燃?xì)鉄旒訜岬姆桨?,由于爐膛內(nèi)部寬度較大(雙推板),高度較小,采用兩側(cè)加熱時,燒嘴的布置空間較小,也不利于熱量的傳遞??紤]到節(jié)能和提高傳熱效率等因素,根據(jù)爐內(nèi)溫度均勻性的要求,設(shè)計(jì)最終選用燒成帶推板下部加熱的方式。推板窯爐底設(shè)有爐底磚一層,爐底磚下部設(shè)計(jì)隔焰磚一層。爐底磚和隔焰磚交錯布置,錯縫砌筑,防止煙氣直接進(jìn)入爐膛。隔焰磚為全架空設(shè)計(jì),下部為燃燒室。燃燒室內(nèi)的燒嘴采用左右交錯布置的方案,每個溫度控制區(qū)布置一個燒嘴,測溫?zé)犭娕及惭b在燒嘴對面。

        3.2 燃燒方式的選擇

        當(dāng)前國內(nèi)的工業(yè)窯爐一般都采用連續(xù)比例燃燒控制的形式,即通過控制燃料和助燃空氣流量來使溫度、氣氛達(dá)到工藝要求。但由于這種連續(xù)燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調(diào)節(jié)和測量等環(huán)節(jié)的制約,在大多數(shù)工業(yè)窯爐中的控制效果不佳[1]。脈沖燃燒技術(shù)是提高窯爐溫度場均勻性的新型燃燒技術(shù)。

        大小火脈沖燃燒是根據(jù)爐內(nèi)溫度的變化與設(shè)定溫度的對比,分別調(diào)整每區(qū)燒嘴的大火和小火工作的時間,保證爐內(nèi)溫度始終與設(shè)定溫度相一致。另外,由于大小火脈沖燃燒在切換時,爐內(nèi)煙氣的對流換熱得到強(qiáng)化,縮小了煙氣與制品的溫差。

        與常規(guī)燃燒相比,脈沖燃燒還可以減少NOx的排放量[2]。

        根據(jù)燃?xì)馔瓢甯G對爐溫均勻性的要求,對比了連續(xù)比例燃燒控制和脈沖比例燃燒控制技術(shù)之后,確定采用大小火脈沖比例燃燒方式。

        3.3 爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和內(nèi)襯材料的選擇

        燒成帶燃燒室為全架空設(shè)計(jì),內(nèi)部設(shè)計(jì)有縱向的排煙通道。為增大煙氣與爐膛的傳熱面積,燒成帶的側(cè)墻設(shè)計(jì)有夾層結(jié)構(gòu),燃燒室的高溫?zé)煔饽軌蜻M(jìn)入側(cè)墻的夾層中,燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱崃客ㄟ^輻射和對流的方式傳遞到爐膛內(nèi)。燃燒室的高溫?zé)煔夥謩e經(jīng)過爐底的煙道和側(cè)壁夾層煙道送至推板窯的窯頭,然后經(jīng)排煙風(fēng)機(jī)排出。燒成帶長度為5 m,12個燒嘴交錯布置,測溫孔設(shè)計(jì)在燒嘴的對側(cè)。

        燃燒室內(nèi)部設(shè)計(jì)有大量的支撐結(jié)構(gòu),用于支撐推板窯的爐底磚。支撐磚長期經(jīng)受高溫,工作環(huán)境較為嚴(yán)酷,設(shè)計(jì)采用剛玉莫來石材質(zhì)。爐底磚下部保溫層采用MG26莫來石輕質(zhì)磚和低鐵微孔免燒磚,低鐵微孔免燒磚具有導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)。

        為充分利用煙氣熱量,推板窯的預(yù)熱帶爐底也設(shè)計(jì)有煙道,并與燒成帶爐底煙道相連。隔焰磚和爐底磚設(shè)計(jì)在煙道上部。

        根據(jù)推板窯爐膛內(nèi)最高1 300 ℃的要求,綜合考慮隔焰燃燒傳熱的特點(diǎn),預(yù)估燃燒室內(nèi)部溫度可達(dá)1 450 ℃左右,并且受到燒嘴火焰的直接沖擊,因此燒成帶燃燒室側(cè)壁選用氧化鋁空心球磚作為內(nèi)襯。保溫層采用MG26莫來石輕質(zhì)磚和硅酸鋁纖維氈,爐襯總厚度為450 mm。燒成帶爐底磚和隔焰磚也采用剛玉莫來石材質(zhì),具有熱震穩(wěn)定性好,使用壽命長等特點(diǎn),能夠經(jīng)受燒嘴大小火脈沖頻繁的火焰沖擊。

        預(yù)熱帶和冷卻帶爐頂和側(cè)壁隔焰板采用堇青石板,爐低磚和爐底隔焰磚采用莫來石磚。側(cè)墻保溫層采用低鐵微孔磚和硅酸鋁纖維氈。爐頂絕熱層采用平鋪纖維毯結(jié)構(gòu)。

        3.4 管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        燃?xì)馔瓢甯G設(shè)計(jì)有天然氣管道系統(tǒng)、助燃風(fēng)管道系統(tǒng)、冷卻管道系統(tǒng)和排煙管道系統(tǒng)。每個管道系統(tǒng)都具有較大的可調(diào)性,方便根據(jù)溫度曲線的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。分別介紹如下:

        (1)天然氣管道系統(tǒng),天然氣供應(yīng)由壓縮天然氣運(yùn)輸車和減壓撬組成,壓縮天然氣運(yùn)輸車送到廠區(qū)后,直接接到天然氣減壓撬的入口,經(jīng)過減壓和計(jì)量后送到車間,天然氣站的供氣能力為40 N·m3/h。進(jìn)入車間的天然氣壓力為0.2 MPa,經(jīng)繼續(xù)減壓到8 kPa后送到窯前供燒嘴使用。燒嘴前的天然氣管道按每個燒嘴一個分區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì),有利于提高燃燒室溫度的均勻性。每個燒嘴前的天然氣管道上都安裝有球閥、比例閥和電磁閥。

        (2)助燃風(fēng)管道系統(tǒng),根據(jù)推板窯的特點(diǎn)和溫度要求,設(shè)計(jì)采用冷空氣助燃。助燃空氣由2臺(1用1備)高壓風(fēng)機(jī)送到窯前,助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)口安裝有消聲器來降低車間噪聲。每個燒嘴前的助燃風(fēng)管道上都安裝有電動調(diào)節(jié)蝶閥,根據(jù)燃燒室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)各區(qū)閥門的開度。

        (3)冷卻管道系統(tǒng)分2部分組成。一組設(shè)計(jì)在冷卻帶的窯頂,通過窯內(nèi)熱空氣的自然排氣抽力帶動窯內(nèi)氣流對制品進(jìn)行冷卻,風(fēng)管道采用耐熱不銹鋼管,根據(jù)產(chǎn)品降溫曲線,冷卻帶的窯頂設(shè)計(jì)了4組抽氣冷卻管道,4組管道能夠通過閥門獨(dú)立進(jìn)行控制,排出的熱空氣經(jīng)匯總后排出車間外部。另一組冷卻管道設(shè)計(jì)在冷卻帶的爐底,在爐底磚下部的爐襯內(nèi)布置有互相連通的冷卻風(fēng)通道,通過布置在兩側(cè)墻下部的風(fēng)口吸入冷空氣對爐底進(jìn)行冷卻,冷空氣的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)閥門,可以調(diào)整吸入的冷空氣的數(shù)量。爐底冷卻風(fēng)管道排出的熱空氣通過排煙風(fēng)機(jī)排出廠房外,同時可以起到調(diào)節(jié)窯頭煙氣溫度的作用。

        (4)排煙管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)在推板窯的預(yù)熱帶,燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)煔庋貭t底磚下部的煙道送到窯頭,煙氣在流動過程中將熱量通過爐底磚傳遞到爐膛內(nèi)。燃燒室的末端安裝有微差壓變送器,用于顯示燃燒室的壓力,并通過排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對燃燒室內(nèi)的壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié),防止燃燒室的壓力過高時煙氣進(jìn)入爐膛內(nèi)。煙氣從爐底煙道首先進(jìn)入爐墻側(cè)壁的夾層中,然后再進(jìn)入爐頂?shù)呐艧熤Ч?,?jīng)過匯總后進(jìn)入排煙風(fēng)機(jī)排空。

        3.5 測溫及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        爐膛內(nèi)最高溫度要求為1 250 ℃,燃燒室與爐膛之間有2層爐底磚相隔。設(shè)計(jì)時預(yù)估燃燒室內(nèi)溫度為1 400~1 450 ℃,根據(jù)計(jì)算的功率大小,燒成帶底部設(shè)計(jì)了12個小型高速燒嘴,燒嘴采用大小火脈沖控制方案,每個燒嘴為一個溫區(qū),獨(dú)立控制。

        控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和西門子S7-1500系列PLC來實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的自動控制。模擬量輸入模塊采集當(dāng)前溫度和壓力,數(shù)字量輸出模塊控制空氣管道上電動調(diào)節(jié)閥的開閉時間,模擬量輸出模塊控制變頻器轉(zhuǎn)速。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子公司的WinCC,完成流程組態(tài)編程、診斷、工況顯示、參數(shù)和曲線顯示、打印、監(jiān)控、報(bào)警等各種管理功能。

        溫度控制過程中,PID模塊根據(jù)設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度之間的差值,計(jì)算出在120 s內(nèi)大火和小火的燃燒時間,通過數(shù)字量開關(guān)打開和關(guān)閉燒嘴前空氣管道上的電動調(diào)節(jié)閥,來調(diào)整進(jìn)入燒嘴的空氣量,燒嘴前燃?xì)夤艿郎厦娴谋壤y根據(jù)電動調(diào)節(jié)閥出口的空氣壓力自動調(diào)整燃?xì)獾倪M(jìn)氣量,以適當(dāng)?shù)目杖急冗M(jìn)行燃燒。

        轉(zhuǎn)運(yùn)控制系統(tǒng)采用OMRON小型PLC和觸摸屏組成,PLC自動檢測推板位置,啟動液壓泵,控制液壓推頭等一系列動作,觸摸屏具有顯示當(dāng)前工作狀態(tài)、手動操作、設(shè)定參數(shù)等功能。

        4 調(diào)試與運(yùn)行

        燃?xì)飧粞嫱瓢甯G施工完成后,根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行了烘爐調(diào)試工作。調(diào)試主要工作就是燒嘴的燃燒以及脈沖開關(guān)期間平衡問題。根據(jù)燒嘴額定功率首先調(diào)整燒嘴達(dá)到額定負(fù)荷狀態(tài)下的助燃風(fēng)總管壓力并保持穩(wěn)定。通過助燃風(fēng)各支管手動閥調(diào)整各個燒嘴確保充分燃燒,空氣過剩系數(shù)達(dá)到1.05~1.1。通過助燃風(fēng)支管電動執(zhí)行器限位調(diào)整燒嘴最大輸出功率90%,最小功率10%,既保證了燃燒室所需熱量,同時也保證了在脈沖開關(guān)期間燒嘴的穩(wěn)定連續(xù)燃燒。

        烘爐升溫運(yùn)行平穩(wěn),爐膛內(nèi)最高溫度達(dá)到1 250 ℃時,燃燒室溫度為1 385 ℃左右,燃燒室與爐膛溫差為135 ℃,比預(yù)估溫差小。

        爐內(nèi)溫度均勻性測試結(jié)果為:爐膛左右兩側(cè)溫差為±2 ℃,兩層匣缽上下溫差為±6 ℃,達(dá)到了合同要求的±10 ℃。

        正式運(yùn)行時,燒成帶爐膛內(nèi)溫度穩(wěn)定在1 150 ℃,每20 min轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)推車一次,每次推4個匣缽,可裝載制品15.2 kg,則每小時可生產(chǎn)45.6 kg,每天產(chǎn)能為1 094.4 kg。

        4.1 燃燒室壓力波動問題

        推板窯在調(diào)試和生產(chǎn)過程中,出現(xiàn)燃燒室壓力波動情況,在各個燒嘴大小火交替燃燒過程中,爐膛壓力波動數(shù)值通常為-50~50 Pa,爐膛壓力波動導(dǎo)致排煙機(jī)控制困難。排煙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制是根據(jù)燃燒室的爐膛壓力實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的,當(dāng)爐膛壓力波動時,排煙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)滯后較多,控制困難。

        原因分析:由于爐膛空間狹小,當(dāng)燒嘴進(jìn)行大小火交替燃燒時,對爐壓的沖擊較大。燒嘴滿負(fù)荷燃燒時煙氣量大,爐壓高;斷開時無煙氣,爐壓低。因此,爐壓隨著燒嘴燃燒的大小火變換及通斷狀態(tài)的改變波動非常大[3]。

        為盡快解決問題,查閱了相關(guān)資料,文獻(xiàn)[4]提出:為了避免燃燒室斷續(xù)供熱造成的爐壓波動(這給爐壓控制帶來困難),采取對各個燒嘴的開關(guān)時間及其開關(guān)順序進(jìn)行控制,即將爐子的各個燒嘴的開關(guān)時間錯開,保證在任一瞬間開/關(guān)燒嘴的數(shù)量相同,這就避免了對爐壓的沖擊。

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的建議,我公司調(diào)試人員對燒嘴的脈沖控制時序進(jìn)行了調(diào)節(jié),在不影響爐溫均勻性的前提下,通過控制程序?qū)Ω鱾€燒嘴的開關(guān)時間進(jìn)行了調(diào)節(jié),使?fàn)t膛壓力波動情況大幅降低,為爐壓的控制提供了保障,順利解決了問題。

        4.2 爐壁溫度偏高問題

        推板窯運(yùn)行以后,燒成帶爐壁溫度比理論計(jì)算數(shù)值明顯偏高,造成工作環(huán)境惡化和能量損失,分析原因后認(rèn)為是燃燒室爐膛壓力波動造成的。由于操作過程中,燃燒室壓力波動頻繁,爐壓升高后,部分熱煙氣通過燃燒室的孔洞外溢,造成爐壁溫度升高。

        通過對各個燒嘴脈沖控制時間的調(diào)節(jié),不僅解決了爐壓控制困難的問題,也使?fàn)t壁溫度逐步恢復(fù)正常,接近了理論設(shè)計(jì)數(shù)值。

        5 結(jié) 論

        經(jīng)過實(shí)踐,該燃?xì)飧粞嫱瓢甯G成功實(shí)現(xiàn)了窯內(nèi)溫度1 250 ℃,爐膛內(nèi)溫差達(dá)到了合同要求的±10 ℃,同時具有能耗低,煙氣氮氧化物排放數(shù)量少,無需二次治理的特點(diǎn)。

        脈沖燃燒控制的火焰爐燃燒系統(tǒng)調(diào)試對發(fā)揮脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)至關(guān)重要,通過控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié),可以有效地發(fā)揮脈沖燃燒爐溫均勻性的優(yōu)點(diǎn),避免了爐膛壓力波動,控制困難等缺點(diǎn)的出現(xiàn)。

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