脈沖燃燒技術(shù)在陶瓷輥道窯上的應(yīng)用

屈彬，柯善軍

（佛山歐神諾陶瓷股份有限公司,廣東佛山528138）

脈沖燃燒技術(shù)在陶瓷輥道窯上的應(yīng)用

屈彬，柯善軍

（佛山歐神諾陶瓷股份有限公司,廣東佛山528138）

脈沖燃燒是一種高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，在工業(yè)窯爐中有很好的應(yīng)用前景。闡述了脈沖燃燒技術(shù)的原理和特點(diǎn)，并分析了該技術(shù)在陶瓷輥道窯中的應(yīng)用可行性。

脈沖燃燒；輥道窯；應(yīng)用

輥道窯是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型快燒連續(xù)式工業(yè)窯爐，由于輥道窯斷面溫度均勻、傳熱效率高、能耗低，現(xiàn)已成為建陶企業(yè)普遍采用的燒成設(shè)備。目前建陶企業(yè)的產(chǎn)量越來(lái)越大，窯爐也越建越長(zhǎng)、截面也愈來(lái)愈寬,但窯內(nèi)溫度越來(lái)越難以控制，由于窯內(nèi)溫度不均勻造成的諸如變形、色差等燒成缺陷日趨嚴(yán)重。因此，如何均勻窯內(nèi)溫度、減小斷面溫差成了建陶企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題之一[1-2]。

當(dāng)前國(guó)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(guò)控制燃料和助燃空氣流量來(lái)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(cè)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[3-4]。目前高檔工業(yè)窯爐產(chǎn)品對(duì)窯爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性要求較高，對(duì)燃燒氣氛的穩(wěn)定可控性也要求較高，使用傳統(tǒng)的連續(xù)比例調(diào)節(jié)控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。隨著寬斷面、大容量工業(yè)窯爐的不斷出現(xiàn)，采用新的燃燒技術(shù)可能是控制窯爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性的有效方法之一，脈沖燃燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已得到了一定程度的應(yīng)用并取得了良好的效果[5-6]。

1 脈沖燃燒技術(shù)的原理及特點(diǎn)

脈沖燃燒是根據(jù)爐溫的變化，周期性向爐內(nèi)供入燃?xì)?，使燒嘴總是在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，以保證爐內(nèi)溫度均勻。脈沖燃燒與常規(guī)燃燒原理不同[7-8]，脈沖燃燒時(shí)爐內(nèi)熱氣體對(duì)流加強(qiáng)，如圖1所示。其工作原理近似于內(nèi)燃機(jī)的燃燒，在燃燒室中使燃?xì)夂涂諝獾目扇蓟旌衔锶紵?，靠產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾呐蛎泬毫煔馀懦觯紵覂?nèi)形成負(fù)壓吸入新的燃?xì)夂涂諝?。然后再由一部分向燃燒室逆向排入的煙氣或殘存在燃燒室?nèi)的高溫燃燒產(chǎn)物使其著火燃燒，因此，脈沖燃燒是周期進(jìn)行的。一個(gè)循環(huán)周期分三個(gè)過(guò)程，即燃燒過(guò)程、排氣過(guò)程和吸氣過(guò)程[9-10]。通常脈沖燒嘴每分鐘可完成5～20次脈沖燃燒，脈沖周期越短，熱氣流對(duì)流循環(huán)越強(qiáng)烈，溫差越小。因此，將脈沖燃燒應(yīng)用于寬體輥道窯上，可以減小窯內(nèi)溫差、穩(wěn)定窯內(nèi)氣氛，以滿足寬斷面窯爐燒制產(chǎn)品的要求。

圖1 常規(guī)燃燒和脈沖燃燒示意圖

脈沖燃燒與常規(guī)燃燒相比有很多優(yōu)點(diǎn)[11]：

（1）減小爐內(nèi)溫差，保持爐溫均勻性和穩(wěn)定性；

（2）提高對(duì)流傳熱系數(shù)，加速傳熱。脈沖燃燒是提高爐內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)的最直接也最簡(jiǎn)單的方法；

（3）提高熱效率，縮短加熱時(shí)間，大大降低能耗；

（4）減少NOx排放量；

（5）系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。

2 脈沖燃燒系統(tǒng)的組成

脈沖燃燒供熱系統(tǒng)的主要部件由高速燒嘴、帶處理器能產(chǎn)生脈沖信號(hào)的控制系統(tǒng)、能控制空氣和燃?xì)饬髁康拈y門等組成[12]。

2.1 燒嘴及其分布

脈沖燃燒采用高速燒嘴，且每個(gè)燒嘴都配有單獨(dú)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中每個(gè)燒嘴的燃燒都是獨(dú)立的，不受同一區(qū)內(nèi)其它燒嘴的影響，每個(gè)燒嘴的燃燒能力是預(yù)先選定的。燒嘴一旦工作，其燃燒能力是不變的。脈沖燃燒將傳統(tǒng)的連續(xù)調(diào)節(jié)方式改為通斷式調(diào)節(jié)。因此，就某個(gè)燒嘴而言，它要么是在一定的燃燒能力下工作，要么就關(guān)斷，每個(gè)燒嘴的脈沖燃燒時(shí)間是一定的。爐子燃料消耗量調(diào)節(jié)是通過(guò)改變燒嘴脈沖燃燒的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。全部燒嘴都按照計(jì)算機(jī)發(fā)出的燃料消耗量指令進(jìn)行工作。燒嘴的燃燒是相繼進(jìn)行的，某個(gè)燒嘴的燃燒在很短的時(shí)間內(nèi)即可由下一個(gè)燒嘴所取代[13]。

目前燃?xì)鉄熘饕譃轭A(yù)混式和非預(yù)混式兩種。預(yù)混式高速燒嘴是將燃?xì)夂涂諝庠谒腿肴紵仪斑M(jìn)行充分混合，預(yù)混式高速燒嘴的調(diào)節(jié)范圍小，燃?xì)夂涂諝獠荒艿陀谀骋涣髁?，否則會(huì)出現(xiàn)回火現(xiàn)象。非預(yù)混式高速燒嘴是將燃?xì)夂涂諝庵苯铀腿肴紵?，二者在燃燒室?nèi)進(jìn)行非預(yù)混式燃燒。目前廣泛使用的是以下幾種高速燒嘴[14]：

（1）自身預(yù)熱式高速燒嘴

是由一個(gè)高速燒嘴和一個(gè)逆流式換熱器組成。燃?xì)鈴闹行墓芰魅肴紵遥諝庠诳諝夤芘c燃?xì)夤墉h(huán)縫中流入燃燒室，空氣管表面裝有換熱器肋片。煙氣在套管與空氣管之間經(jīng)肋片間隙與空氣成逆流，流向燒嘴前端被排出。預(yù)熱后的空氣立即進(jìn)入燃燒室與燃?xì)饣旌先紵Ｈ秉c(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，不適合加熱流態(tài)化物料。

（2）帶煙氣縮口的高速燒嘴

該高速燒嘴的特點(diǎn)是，空氣沿著燃燒室長(zhǎng)度分散供應(yīng)，且設(shè)有空氣節(jié)流室?；鹧娣€(wěn)定性高，適合在較大空氣系數(shù)下工作。主要用于室式金屬加熱爐，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不適合加熱小顆粒物料。

（3）SGM型燃?xì)獾蛪焊咚贌?/p>

燃?xì)饨?jīng)過(guò)狹縫呈薄層流出，空氣與燃?xì)獬?0°角相遇，由于空氣的引射作用，促使二者進(jìn)行強(qiáng)烈混合，混合氣體經(jīng)腰圓形孔進(jìn)入圓柱形燃燒室燃燒?；鹧娣€(wěn)定是依靠轉(zhuǎn)角處和流股間的高溫?zé)煔庠傺h(huán)及燃燒室壁面實(shí)現(xiàn)的。該種高速燒嘴空氣系數(shù)范圍廣，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，但加工工藝復(fù)雜，體積大，不適合小空間加熱的情況。

目前的高速燒嘴，雖結(jié)構(gòu)各有差別，但其共同點(diǎn)是助燃空氣進(jìn)氣管和燃料進(jìn)氣管在燒嘴內(nèi)一次性燃燒，導(dǎo)致火焰燃燒部位爐膛溫度較高、溫度控制不準(zhǔn)、溫度精度低及溫度均勻性差。有專利報(bào)道了一種蓄熱式脈沖燒嘴[15]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該高速燒嘴具有蓄熱式燃燒裝置節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，能量利用效率高。該燒嘴工作時(shí)，燃料分兩步進(jìn)入，在燒嘴不同的部位燃燒，能有效控制火焰溫度，控制精度高，爐溫均勻性好，且利用旁路燃燒系統(tǒng)，保證燃料能被及時(shí)引燃，有效避免因燃料不能及時(shí)引燃而引起的安全隱患。

2.2 脈沖燃燒控制系統(tǒng)

脈沖燃燒控制采用的是一種通斷開關(guān)控制方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的通斷比實(shí)現(xiàn)窯爐的溫度控制[16]，其控制過(guò)程如圖3所示。在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，溫度調(diào)節(jié)器對(duì)設(shè)定溫度與熱電偶檢測(cè)到的爐膛實(shí)際溫度進(jìn)行比較，根據(jù)偏差值大小輸出一個(gè)電流信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器換成數(shù)字量，送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生一列周期為T的時(shí)序脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖時(shí)序分配器，將控制脈沖發(fā)到相應(yīng)的空、燃?xì)獾膿Q向切斷閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終完成閥門的開、閉，并根據(jù)數(shù)字量的大小控制燒嘴，使他們按照一定的順序點(diǎn)燃或熄滅，從而達(dá)到控制爐溫的目的。

圖2 蓄熱式脈沖燒嘴結(jié)構(gòu)圖

圖3 脈沖燃燒控制系統(tǒng)框圖

脈沖燃燒控制以計(jì)算機(jī)程序控制為主，它的控制對(duì)象是工業(yè)爐，控制參數(shù)主要包括爐溫、加熱時(shí)間、空燃比等變量，干擾因素有窯內(nèi)壓力的變化、燃?xì)鈮毫εc流量、空氣的壓力與流量的變化，以及其他隨機(jī)擾動(dòng)。在脈沖燃燒控制系統(tǒng)中，如何控制燒嘴的開關(guān)順序和燃燒時(shí)間是保證爐膛溫度均勻的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，燒嘴的燃燒時(shí)間根據(jù)爐膛溫度確定，而燒嘴的開關(guān)由脈沖信號(hào)控制。

氣氛的調(diào)節(jié)是提高工業(yè)窯爐性能必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的連續(xù)燃燒控制只能通過(guò)在線測(cè)量煙氣殘氧量，反饋給燃燒氣氛控制器，然后實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制助燃空氣流量執(zhí)行器的輸出，才能精確控制爐內(nèi)的燃燒氣氛。由于檢測(cè)煙氣殘氧的傳感器的可靠性、壽命和價(jià)格的原因，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用往往不理想。有些窯爐自控系統(tǒng)干脆采用一臺(tái)比例跟隨器，使助燃空氣的流量與燃料的流量成固定的比例，但這種方法不得不將助燃空氣的富余量留得很大，達(dá)不到最佳的節(jié)能和控制過(guò)?？諝庀禂?shù)的要求。采用脈沖燃燒控制方式，可以將油壓和風(fēng)壓一次性調(diào)整到合適值，在系統(tǒng)投入運(yùn)行后，只需保持這兩個(gè)壓力穩(wěn)定即可。對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量和控制要比流量簡(jiǎn)單得多，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況采取全自動(dòng)控制，也可以采取人工手動(dòng)控制[17]。

2.3 換向系統(tǒng)

常規(guī)燃燒方式具有燃燒和排煙狀態(tài)，而脈沖燃燒方式除了具有燃燒狀態(tài)和排煙狀態(tài)以外，還有一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)，即不燃燒也不排煙。要實(shí)現(xiàn)脈沖燃燒方式，必須要利用特殊的三通換向閥，這種特殊的換向閥具有雙執(zhí)行器，以達(dá)到三種狀態(tài)的交替變換。圖4為脈沖燒嘴換向裝置示意圖，該裝置由一個(gè)雙執(zhí)行器三通換向閥和二個(gè)快速切斷閥及一個(gè)雙蓄熱燒嘴組成。

圖4 脈沖燒嘴換向示意圖

當(dāng)燒嘴進(jìn)入燃燒狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)驅(qū)動(dòng)活塞，打開左側(cè)的換向閥，關(guān)閉右側(cè)的換向閥，空氣即可通過(guò)換向閥進(jìn)入燒嘴。同時(shí)，煤氣快切閥打開，煙氣快切閥關(guān)閉，讓煤氣也進(jìn)入燒嘴，空氣及煤氣經(jīng)過(guò)高溫蓄熱室被預(yù)熱成為高溫后混合燃燒。

當(dāng)燒嘴進(jìn)入排煙狀態(tài)時(shí)，換向閥狀態(tài)正好相反，即將右側(cè)的換向閥打開，關(guān)閉左側(cè)的換向閥，爐內(nèi)的廢氣即可通過(guò)換向閥排出爐外。同時(shí)煤氣快切閥關(guān)閉，煙氣快切閥打開，讓燃燒后的廢氣經(jīng)快切閥也能排出爐外。無(wú)論是通過(guò)換向閥還是通過(guò)快切閥，排出爐外的廢氣都要經(jīng)過(guò)蓄熱室，把高溫廢氣中帶有的大部分能量存到蓄熱體，用于下一個(gè)周期將空氣和燃?xì)忸A(yù)熱。

當(dāng)燒嘴進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)則關(guān)閉兩側(cè)的換向閥，同時(shí)所有的快切閥也都關(guān)閉。此時(shí)，空氣和煤氣不能夠進(jìn)入爐膛，燃燒的廢氣也不能夠經(jīng)過(guò)此燒嘴排出爐外。

目前工業(yè)爐改造結(jié)合蓄熱燃燒技術(shù)，利用蓄熱燃燒的換向閥作為實(shí)現(xiàn)脈沖燃燒的控制閥。這樣通過(guò)蓄熱室換熱把熱煙氣的熱量傳遞給冷空氣和煙氣，大大降低了工業(yè)爐的高溫?zé)煔鈳ё叩哪遣糠譄釗p失。由于一對(duì)換向裝置的換向過(guò)程需要一定的時(shí)間，為了不使燒嘴的換向給流量帶來(lái)太大的波動(dòng)，以致給爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)帶來(lái)很大影響，蓄熱式工業(yè)爐在設(shè)計(jì)時(shí)，一般不采用集中換向的控制策略，而是采用分段分散的控制策略，即每段的換向燒嘴組成一個(gè)獨(dú)立的換向單元，每個(gè)換向單元內(nèi)的換向裝置輪流地?fù)Q向，其中每個(gè)排煙和進(jìn)風(fēng)、燃?xì)舛纪ㄟ^(guò)蓄熱室。最大限度地利用燃燒時(shí)放出的熱量，大大提高窯爐的熱效率。

3 脈沖燃燒技術(shù)在輥道窯上的應(yīng)用

燒制陶瓷一般采用輥道窯、隧道窯、梭式窯三大類型的熱工設(shè)備，由于脈沖燃燒技術(shù)在隧道窯、梭式窯上的應(yīng)用，造成隧道窯、梭式窯在寬度、高度、溫度的均勻性以及氣氛穩(wěn)定性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于輥道窯，隧道窯可以做到內(nèi)寬9.2m，內(nèi)高2.6m，上、下溫差及左、右溫差均不超過(guò)10℃，而梭式窯可以做到內(nèi)寬4.1m，內(nèi)高2.1m，上、下溫差及左、右溫差均不超過(guò)5℃，并且氣氛得到有效控制，能耗降低很多。在2016年廣州陶瓷工業(yè)展上，陶瓷窯爐企業(yè)均推出的最寬的輥道窯為內(nèi)寬3.85m。

有文獻(xiàn)報(bào)道脈沖控制比例燃燒是一種高效率的燃燒方式，現(xiàn)已在梭式窯和寬斷面隧道窯上廣泛使用，但如果能將脈沖控制比例燃燒技術(shù)應(yīng)用到輥道窯上，輥道窯就可以做到更寬更大，單窯的產(chǎn)量將會(huì)大大提高，從而產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。圖5是一種脈沖控制比例燃燒系統(tǒng)示意圖[18]，該燃燒系統(tǒng)可應(yīng)用于寬體輥道窯，整個(gè)系統(tǒng)由若干燃燒子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)包括脈沖控制器和比例燃燒控制器，且窯體內(nèi)設(shè)有助燃空氣支管、燃料支管及火焰噴嘴所構(gòu)成的燃燒系統(tǒng)，助燃空氣一端連接火焰噴嘴，另一端連接助燃空氣總管，助燃空氣支管上設(shè)有助燃空氣支管閥門，燃料支管一端連接火焰噴嘴，另一端連接燃料總管，燃料支管上設(shè)有燃料支管閥門，助燃空氣支管閥門、燃料支管閥門均與比例燃燒器相連接，比例燃燒器與脈沖控制器相連接。綜上所述，將該新型脈沖控制比例燃燒系統(tǒng)應(yīng)用于寬體輥道窯，一方面提高了高溫氣體對(duì)流速度和熱交換效率，另一方面降低了空氣系數(shù)，提高了火焰溫度和輻射效率，減少了廢氣的產(chǎn)生，達(dá)到了節(jié)能的目的，從而使輥道窯做得更寬更大，應(yīng)用前景更加廣闊。

圖5 寬體輥道窯脈沖控制比例燃燒系統(tǒng)示意圖

4 脈沖燃燒技術(shù)應(yīng)用還需解決的問(wèn)題

脈沖燃燒技術(shù)在工業(yè)爐上應(yīng)用的研究雖然取得了一定的成果，但主要都集中在冶金行業(yè)，在陶瓷窯爐上的應(yīng)用還很少，無(wú)論是控制方案、控制效果和可靠性等都與國(guó)外存在一定差距，要充分發(fā)揮脈沖燃燒的潛力，同時(shí)避免其產(chǎn)生的不利影響，仍需要進(jìn)行大量研究工作。主要表現(xiàn)在：

（1）缺乏高性能的控制閥，包括燃料閥、空氣閥、爐壓控制閥等。閥門應(yīng)具有較高的靈敏度，可靠性和較長(zhǎng)的壽命。目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)的閥門不同程度地存在可靠性差、高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活的缺點(diǎn)，制約了脈沖燃燒技術(shù)的推廣。因此，研制適應(yīng)于脈沖燃燒的高性能的專用控制閥，是推廣脈沖燃燒技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（2）脈沖燃燒雖然強(qiáng)化了對(duì)流傳熱，但會(huì)對(duì)燃?xì)鈮毫?、空氣壓力和窯內(nèi)壓力產(chǎn)生沖擊，造成窯內(nèi)壓力的波動(dòng)，對(duì)燒制產(chǎn)品的質(zhì)量有較大影響。因此，如何控制穩(wěn)定的窯壓，也成為該技術(shù)在陶瓷窯爐中應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題。

（3）脈沖燃燒過(guò)程中燃料和助燃空氣的調(diào)節(jié)難以完全同步進(jìn)行，最佳的燃料和助燃空氣的配比也難以在全過(guò)程得到保證。且脈沖燃燒升溫速度過(guò)快，不能很好地滿足陶瓷工藝溫度漸進(jìn)升降的要求，易使制品產(chǎn)生裂紋等缺陷。

（4）脈沖燃燒時(shí)，燒嘴噴射氣體速度高，易產(chǎn)生落臟，影響制品合格率。此外，脈沖燃燒噪聲大，需要設(shè)置消聲器或隔聲設(shè)備等。

5 脈沖燃燒技術(shù)應(yīng)用前景展望

脈沖燃燒技術(shù)被認(rèn)為是具有創(chuàng)造性、實(shí)用性以及增長(zhǎng)潛力的新型戰(zhàn)略技術(shù)，同時(shí)也是控制領(lǐng)域中一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。該技術(shù)的推廣應(yīng)用有利于能源的高效利用，降低能源消耗，緩解環(huán)境污染的壓力，因此如何發(fā)揮脈沖燃燒的優(yōu)勢(shì)，克服其缺點(diǎn)。成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。隨著人們對(duì)脈沖燃燒認(rèn)識(shí)的不斷深化，這一新技術(shù)一定會(huì)逐步完善起來(lái)，最終將在陶瓷工業(yè)顯露出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

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表3 燃燒能力配置

5 結(jié)論

（1）采用天然氣單蓄熱的燃燒形式可以滿足不銹鋼的加熱要求，但是對(duì)于不同的鋼種，需要進(jìn)行不同的供熱配置。

（2）而且有需要低溫加熱的爐子內(nèi)，盡量設(shè)置隔墻以滿足溫度的控制要求。

參考文獻(xiàn)：

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Application of Pulse Firing Technology in Ceram ic Roller Kiln

QU Bin,KE Shanjun
（Foshan Oceano Ceramics Co.,Ltd,Foshan 528138,China）

Pulse-firing is a promising technology for high efficiency and energy saving,which has excellent applied prospects in industrial furnaces.The principles and advantages of pulse burning technique is introduced,and the application of the pulse firing technique in the ceramic roller kiln is analyzed.

pulse firing;roller kiln;application

TQ174.6+5

B

1001-6988（2016）05-0034-05

2016-05-24

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)，2015B090927002；廣東省產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目，2014B090903003。

屈彬（1976—），男，助理工程師，主要從事建筑陶瓷生產(chǎn)工藝研究工作.