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(jī)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(jī)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(diǎn)。舉例說(shuō)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(wú)法完全淘汰。

由于梭式窯升降溫頻繁(會(huì)引起窯體吸熱量變化),裝載高度大(大件產(chǎn)品多或?yàn)榱嗽黾赢a(chǎn)量的加高),容易產(chǎn)生溫差和氣氛差等問(wèn)題導(dǎo)致生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品缺陷多,能耗高,這些問(wèn)題一直困擾陶瓷行業(yè)多年,直到國(guó)內(nèi)引進(jìn)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(jì)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?jí)毫Ρ壤y、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(kāi)、關(guān)風(fēng),實(shí)現(xiàn)大、小火控制;壓力比例閥主要保證空氣和燃?xì)獍幢壤┙o;脈沖模塊提供信號(hào)給脈沖閥;熱電偶提供溫度信號(hào)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(guò)PID(微積分調(diào)節(jié))控制溫度(所有溫度控制器可以按時(shí)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(gè)獨(dú)立燒嘴的空氣脈沖閥(一個(gè)燒嘴配一套脈沖系統(tǒng))。燒成曲線的每區(qū)段設(shè)置點(diǎn)(根據(jù)產(chǎn)品燒成工藝特點(diǎn)按時(shí)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(jìn)行調(diào)整,每個(gè)燒嘴的脈沖頻率根據(jù)每個(gè)區(qū)所需要的溫度自動(dòng)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(hào),經(jīng)過(guò)分析處理后轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),然后通過(guò)繼電器模塊輸送給脈沖空氣電動(dòng)閥,執(zhí)行脈沖動(dòng)作(這個(gè)脈沖動(dòng)作所依賴(lài)的脈沖信號(hào)將根據(jù)爐溫來(lái)調(diào)節(jié)脈沖時(shí)間長(zhǎng)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(lái)調(diào)節(jié)燃?xì)獾妮敵?在調(diào)整溫度的同時(shí)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(guò)程可以通過(guò)充分?jǐn)嚢韪G內(nèi)的空氣來(lái)獲得均勻的加熱溫度,同時(shí)縮短加熱時(shí)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(dòng)限制風(fēng)量供給(碳?xì)浠衔锶紵諝獠蛔銜r(shí)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(diǎn)

1.4.1 優(yōu)點(diǎn)

1)燒嘴燃燒速度快,噴射距離遠(yuǎn)。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí),脈沖閥開(kāi)到最大,此時(shí)燒嘴全功率持續(xù)燃燒,火焰猛烈,直到溫度達(dá)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(yùn)行,只有某個(gè)燒嘴達(dá)設(shè)定溫度時(shí)才是小功率小火燃燒。

2)大小火產(chǎn)生強(qiáng)制攪拌,使窯內(nèi)無(wú)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(jì)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?yàn)檠b載量或吸熱量不同等因素變化會(huì)各有不同,在同樣時(shí)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(méi)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(shí)現(xiàn)各局部區(qū)域壓力頻繁變化,產(chǎn)生強(qiáng)紊流攪拌。其實(shí)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(diǎn)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(shí)間長(zhǎng),反之小火時(shí)間長(zhǎng),保證了各區(qū)域控溫的有效性。

1.4.2 缺點(diǎn)

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(qiáng)烈,若控制不好,耐火材料選用不當(dāng),可能會(huì)因?yàn)闅饬鳑_刷和震蕩產(chǎn)生落渣缺陷。

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

3)脈沖閥動(dòng)作頻繁易于損壞。

2 脈沖燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

脈沖燃燒控制系統(tǒng)梭式窯示意圖,見(jiàn)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(chē)數(shù):窯內(nèi)4臺(tái);窯車(chē)之間和窯車(chē)與前后窯墻之間預(yù)留火道。

3)產(chǎn)品:日用瓷(杯、碗、壺、盤(pán)等)。

4)燒成溫度:1 380℃;燃料為L(zhǎng)PG。

5)燒成氣氛:氧化+高溫還原。

6)排煙方式:底抽(窯車(chē)臺(tái)面有煙道,通過(guò)窯墻配冷風(fēng)后引入排煙風(fēng)機(jī)排出)。

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

8)燒嘴數(shù)量:10支,錯(cuò)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(gè),分別是溫控器10個(gè),助燃風(fēng)壓、窯壓及氣氛控制器各1個(gè)。

10)脈沖閥、繼電器脈沖模塊、空/燃?jí)毫Ρ壤y、熱電偶、氣氛閥各10套。

2.1.2 基本設(shè)計(jì)思路(見(jiàn)圖1)

采用多點(diǎn)脈沖控制溫度和氣氛,即每支燒嘴各設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的脈沖系統(tǒng)。曲線設(shè)置見(jiàn)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(guò)排煙風(fēng)機(jī)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(dòng)控制風(fēng)壓;溫度的控制主要通過(guò)脈沖閥及壓力比例閥改變燒嘴空氣、燃?xì)饬縼?lái)實(shí)現(xiàn)。氣氛控制器同步調(diào)節(jié)每個(gè)氣氛閥的開(kāi)度來(lái)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(cè)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(kāi)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(kāi)到最大時(shí),反饋給燃?xì)鈮毫Ρ壤y的量也是最大的。當(dāng)脈沖閥關(guān)閉時(shí),燒嘴燃燒空氣主要由空氣旁路提供,得以實(shí)現(xiàn)大、小火控制。脈沖閥正常工作時(shí)不是開(kāi)到最大就是關(guān)閉,開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間在0～180 s可調(diào)。

當(dāng)控制氧化氣氛時(shí),氣氛閥開(kāi)度最大為100%;當(dāng)需要還原氣氛時(shí),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(kāi)或關(guān),都會(huì)反饋給壓力比例閥,直接控制燃?xì)饬康拇笮?而空氣量由于受到氣氛閥的限制,對(duì)脈沖閥的影響效果將會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)脈沖閥開(kāi)到最大時(shí),燃?xì)庖策_(dá)到100%,而此時(shí)氣氛閥如果開(kāi)到100%,則供給空氣充足,有過(guò)剩的空氣使窯內(nèi)為氧化氣氛。如果氣氛閥僅開(kāi)到70%,提供給燒嘴的實(shí)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?xì)夤軓皆O(shè)計(jì)好,二是靠調(diào)節(jié)壓力比例閥的燃?xì)饬?只有兩者協(xié)調(diào)到位時(shí)才會(huì)使空氣過(guò)?；虿蛔?。

表2 兩種梭式窯主要參數(shù)比較

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

2.1.3 運(yùn)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(wú)匣缽,僅將產(chǎn)品放于墊板上);

2)升溫時(shí)間為9.5 h,冷卻時(shí)間為6 h;

3)耗氣量:1 125?;

4)窯墻外表溫度:高溫時(shí)40℃,頂部70℃;

5)窯內(nèi)溫差,每臺(tái)窯車(chē)四角放測(cè)溫環(huán),一般控制溫差在8℃以?xún)?nèi);

6)氣氛差,用便攜式氣氛儀通過(guò)觀火孔檢測(cè),每個(gè)位置差值在0.5%以?xún)?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(shí)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(gè)自然引射式燒嘴,自然排煙,溫度的控制主要靠各人經(jīng)驗(yàn)操作,專(zhuān)人負(fù)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(shì):

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(guò)燒,針孔(溫差大,氧化時(shí)間不足或各區(qū)制品氧化時(shí)間不同步),白度差、煙熏和陰黃(氣氛差太大),燒成缺陷率高達(dá)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(shí)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(dá)到設(shè)定溫度的區(qū)域?qū)嵭写?、小火交替燃?小火時(shí)耗氣量很低(不熄火即可)。而如果沒(méi)有脈沖系統(tǒng),始終是同種火焰燃燒,將會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域溫度超高,產(chǎn)品過(guò)燒,白白浪費(fèi)了燃?xì)?。?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(jì),以及排煙量的控制及每次坯體入窯時(shí)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(jī),耗電增加。但是按照該日用瓷廠家的說(shuō)法,脈沖燃燒梭式窯增加電耗是合理的,其綜合優(yōu)勢(shì)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(shí)間縮短操作強(qiáng)度降低,同時(shí)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(shí)增強(qiáng),燃料成本不斷攀升以及國(guó)家節(jié)能減排政策執(zhí)行力度加強(qiáng)的今天,該脈沖燃燒控制系統(tǒng)梭式窯以其明顯的優(yōu)勢(shì)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