燃?xì)飧粞嫱瓢甯G的設(shè)計(jì)與調(diào)試

呂詩(shī)宏，謝驍斐，郭小軍，王文學(xué),朱小東

(中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司，先進(jìn)耐火材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 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(zhǎng)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(gè)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(shí)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(jiǎn)介

推板窯總長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)度：9.5 m；

(2)焙燒帶長(zhǎng)度：5 m；

(3)冷卻帶長(zhǎng)度：6.5 m；

(4)燒嘴數(shù)量：12支；

(5)測(cè)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(dòng)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(duì)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(shí)，燒嘴的布置空間較小，也不利于熱量的傳遞。考慮到節(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(cuò)布置，錯(cuò)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(cuò)布置的方案，每個(gè)溫度控制區(qū)布置一個(gè)燒嘴，測(cè)溫?zé)犭娕及惭b在燒嘴對(duì)面。

3.2 燃燒方式的選擇

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[1]。脈沖燃燒技術(shù)是提高窯爐溫度場(chǎng)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(duì)比，分別調(diào)整每區(qū)燒嘴的大火和小火工作的時(shí)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(shí)，爐內(nèi)煙氣的對(duì)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(duì)爐溫均勻性的要求，對(duì)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(duì)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(zhǎng)度為5 m，12個(gè)燒嘴交錯(cuò)布置，測(cè)溫孔設(shè)計(jì)在燒嘴的對(duì)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(zhǎng)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(lái)石材質(zhì)。爐底磚下部保溫層采用MG26莫來(lái)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(lái)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(lái)石材質(zhì)，具有熱震穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)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(lái)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(gè)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(gè)燒嘴一個(gè)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(gè)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(tái)(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(lái)降低車間噪聲。每個(gè)燒嘴前的助燃風(fēng)管道上都安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，根據(jù)燃燒室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)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(dòng)窯內(nèi)氣流對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)燃燒室內(nèi)的壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，防止燃燒室的壓力過高時(shí)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(cè)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(shí)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(gè)小型高速燒嘴，燒嘴采用大小火脈沖控制方案，每個(gè)燒嘴為一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的自動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的開閉時(shí)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(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，來(lái)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(dòng)調(diào)節(jié)閥出口的空氣壓力自動(dòng)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(dòng)檢測(cè)推板位置，啟動(dòng)液壓泵，控制液壓推頭等一系列動(dòng)作，觸摸屏具有顯示當(dāng)前工作狀態(tài)、手動(dòng)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(dòng)閥調(diào)整各個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(cè)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(shí)，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(gè)匣缽，可裝載制品15.2 kg，則每小時(shí)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(dòng)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(dòng)情況，在各個(gè)燒嘴大小火交替燃燒過程中，爐膛壓力波動(dòng)數(shù)值通常為-50～50 Pa，爐膛壓力波動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，當(dāng)爐膛壓力波動(dòng)時(shí)，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(shí)，對(duì)爐壓的沖擊較大。燒嘴滿負(fù)荷燃燒時(shí)煙氣量大，爐壓高；斷開時(shí)無(wú)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(dòng)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(dòng)(這給爐壓控制帶來(lái)困難)，采取對(duì)各個(gè)燒嘴的開關(guān)時(shí)間及其開關(guān)順序進(jìn)行控制，即將爐子的各個(gè)燒嘴的開關(guān)時(shí)間錯(cuò)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(duì)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(duì)燒嘴的脈沖控制時(shí)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€(gè)燒嘴的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使?fàn)t膛壓力波動(dòng)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(dòng)造成的。由于操作過程中，燃燒室壓力波動(dòng)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(duì)各個(gè)燒嘴脈沖控制時(shí)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(shí)具有能耗低，煙氣氮氧化物排放數(shù)量少，無(wú)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(duì)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(dòng)，控制困難等缺點(diǎn)的出現(xiàn)。