新型燃气推板窑的研制
摘要：介绍了高速燃气推板窑的结构、工作系统及其特点，通过窑炉热平衡计算，得出了热量收入和支出各项的具体数据。关键词：燃气；推板窑；热平衡；Research on a New Type of Pusher FurnacePi LeminChina National Electronics Components & Equipments CorporationBeijing Zhongchu Furnace Co,Ltd .Abstract:Structures, working systems and specialities of the high velocity burner pusher furnace are introduced in this paper .By the calculation of the heat balance the data of heat receiving/disbursement are obtained.技术进步是现代企业生存与发展的重要保证。对于大多数使用工业窑炉的企业来讲，节能降耗，提高产品质量，降低生产成本，是企业技术进步的主要工作方向。目前全国还要许多企业由于各方面的原因，仍然在使用落后的工艺技术，陈旧的生产设备在进行生产，如大量的直接燃煤窑炉及老式的油窑和电窑。这不仅造成企业本身的能源费用高，产品质量差，同时对整个社会也造成资源的浪费和环境的污染。为此，我们在数年前就开始研制新型燃气窑炉来取代上述落后的设备。本文所论及的新型燃气推板窑是指用于电子陶瓷等行业、十几米至三、四十米长的推板式隧道窑，用以替代传统老式推板窑及小型车式隧道窑。根据目前国家的能源及环境政策，全国许多地区已逐步禁止、限期淘汰直接燃煤窑炉。而随着西部开发、西气东输工程的进展，许多地区的能源结构将会有一个大的改变，可以说正孕育着一场能源变革。在这种大背景之下，相信新型燃气推板窑会得到很快的推广与发展。下面，以一台20m燃气双推板窑为例，介绍一下其设计方案及技术特点。1 原始设计要求1.1 产量要求：年产500吨滑石装置瓷1.2 窑炉最高使用温度：1400℃1.3 燃料：洗涤发生炉煤气，低位热值5200KJ/Nm31.4恒温区温度均匀性：≤±5℃1.5液压推进: 窑炉推板全自动循环2 设计步骤及方案2.1 确定烧成曲线及产品码放方式烧成曲线是设计窑炉的基本依据，其中包括温度曲线、压力曲线、气氛曲线等。不同的产品需要不同的烧成曲线，在制定烧成曲线时，如有可能，要充分利用原有的经过实践检验的烧成工艺，再根据新窑型的特点，科学地进行修正，从而得到一套既先进、又实用的烧成制度。本设计就是参照原有10m电热推板窑的烧成曲线，根据燃气窑炉的特殊条件制定的。主要内容是：推进速度1200mm/h，烧成周期为16.7 小时，高温保温时间为2.5小时以及相应的升、降温速度。产品的码放方式有两种，一种是采用原电炉所用的明装无匣钵方式，另一种是采用通常火焰炉采用的匣钵装烧方式。两种方式各有优缺点，最后经过分析研究，决定采用第一种方式即明装无匣钵码放，理由是可选用新型预混式无焰高速烧嘴，烟气温度均匀，洁净无污染，完全可以满足明烧的要求，而且可以提高传热效率。2.2 确定窑炉的工作系统窑炉的工作系统包括以下几个部分：燃烧系统，温度控制系统，送、排风系统，推进及循环系统，安全保护系统等。根据产品的烧成曲线及有关工艺要求，这几部分分别确定如下：2.2.1燃烧系统：燃烧器选用北京工业大学为此项目特殊设计的小型预混式烧嘴。高温区选用预混式等温高速烧嘴，低温区选用预混式调温高速烧嘴。为了充分保证窑炉内温度的均匀性及可调性，按多数量，小能量的原则，从预热带开始就布置烧嘴，在预热带下部（推板下面）两侧交错布置有8对小能量调温烧嘴，可以按温度曲线的要求向窑膛内喷出相应温度的烟气，也可以喷入冷风来调节预热带的温度曲线；高温带布置稍大能力的等温高速烧嘴14支，上、下分别交错分布，上部布置6支，下部布置8支。每只烧嘴对面设有一个温度测量孔，可插入热电偶测量此点的实际温度。2.2.2温度控制系统：温度控制系统分为两部分，预热带为手动控制，高温带为自动控制。由于窑炉是连续稳定运行的，燃烧器的工作处于相对稳定状态，所以先用手动调节各燃烧器的工作温度，使窑内形成符合生产工艺要求的温度分布。当由于各种扰动引起高温区温度变化时，控温热偶测出的温度反馈信号与控温仪表中输入的标准值相比较后进行放大，经PID运算后输出DC-4—20mA的信号到伺服放大器，伺服放大器输出信号命令电动执行机构正转或反转，经过电动操作器操纵高温区助燃空气干管的蝶阀来调节其空气流量。由于各燃烧器的煤气流量是经空气/燃气自动比例调节阀随空气成比例变化的，因此调节助燃空气流量即可调节高温区的温度。此种控制方式控温精度可达±2℃。2.2.3送排风系统： 窑炉采用四风机系统，即设有助燃风机、排烟风机、冷却带送冷风机及冷却带排热风机。 助燃风机为高压风机，供给全窑烧嘴助燃空气及预热带烧嘴的调温二次空气。 排烟风机为锅炉引风机，烟气排放温度不得高于200℃，若超过200℃时，可调节窑头排烟口及排烟管路中的兑风阀门，兑入适量的冷空气以调节排烟温度。也可以采用变频风机排烟，这将会使窑内的压力调整更加平稳和方便。 冷却风机为低压离心风机，用来调节窑炉的冷却曲线，冷却风有间接冷却、直接冷却及窑尾集中送风冷却三种，每个送风管路均有可调阀门来调节送风量。排热风机也是低压离心风机，用来排出鼓入窑内的冷却风并起到调整冷却带窑压的作用。排风方式为顶部分散排风，每个排风口均设有可调阀门，当排出热风温度超过80℃时，需从兑风口兑入冷风来降低排气温度。2.2.4推进及循环系统： 系统由一台液压站，四个液压缸及窑内外轨道组成，由可编成程控制器PLC控制，可以实现自动循环连续推进，也可设在手动工作状态。每个液压缸的正反向运行速度可由与之相对应的流量调节阀进行调整。推进器控制电路为一独立的控制单元，在操作盘面板上有窑炉推进系统动作模拟图及各种控制按钮、信号灯，可以直观地了解推进器各部分的运行状态。在窑炉进、出口处各设有一个按钮站，手动状态时可以控制油缸单独动作，正常运行时如发现设备有故障，也可以操作紧急停止按钮。2.2.5安全保护系统: 超温报警：在仪表上设定的超温保护温度一般比高温区控温点的正常工作温度高20～30℃，当窑膛内温度超过设定的保护温度时，电铃及信号灯会发出声光报警信号。 火焰监测报警：在低温区调温烧嘴处设有火焰监测装置。因为烧嘴在低温状态下工作，当由于某种原因熄火后不能自然恢复燃烧，此时如果煤气继续喷出会发生危险。因此，当火焰熄灭时，火焰监测装置上的紫外光探头会将熄火信号送至电气控制柜上的火焰监控仪，发出声光报警信号，操作人员应及时将熄灭原因查明，并将烧嘴重新点燃。煤气紧急关断及报警：在助燃空气干管和煤气干管上各装有一块电接点压力表，当助燃空气或煤气压力低于某一危险临界值时，压力表的电接点动作，发出声光报警信号，同时关断煤气紧急截上阀门及助燃风机电路，以保护整个设备不发生危险。推进器油路超压报警：当油路出现油压过高情况时，油路压力继电器动作，发出超压报警信号，同时停止油泵运转及各油缸动作。主推进超时报警：当主推进器在一个工作周期内超过了设定时间还未完成动作时，时间继电器将发出声光报警信号，以防止窑内产品过烧或发生其它事故。推进循环动作安全互锁：为防止在自动或手动时推进机构发生误推、卡板等事故，各推进器之间有动作互锁设计，某一动作未完成时，另一有可能发生干扰的动作不会开始。2.3热工计算 热工计算是窑炉设计中重要的一环，在窑炉设计时具有指导性的意义，但其项目较多，计算过程较为繁杂，本文就不一一具体列出，只做一简单概述。2.3.1燃烧计算：这部分包括：燃烧温度计算，助燃空气量计算，调温二次空气量计算，烟气量计算等项。经过计算得出，按所给热值的发生炉煤气，在空气系数α=1.1,高温系数η=0.85时,实际燃烧温度为1394℃,达不到所要求的1400℃,为保险起见,应考虑将助燃空气预热至100℃左右,设计时应采用换热器。2.3.2预热、烧成带热平衡计算：计算目的是求出燃料用量以及对窑体表面温度及各带各层耐火保温材料的选用进行验证。计算基准是：0℃，1小时。计算方法：首先按热收入项目及热支出项目画出热平衡示意图（框图），然后分别逐项计算出热量收入及支出情况，按照能量守恒定律列出热平衡方程式，即热收入项目=热支出项目，最后求出燃料用量，计算过程中需要采用一些经验公式及假设，应注意其选用的合理性。2.3.3冷却带热平衡计算：计算目的是为了求出冷却风用量，为风机选型提供依据以及验证冷却带耐火保温材料选用的合理性。计算步骤及方法同预热、烧成带热平衡。2.3.4预热烧成带热平衡表 序 号 项目名称 K J / h %热 1收 2入 3项 4目 5 制品带入显热 Q1窑具带入显热 Q2燃料带入显热 Q3燃料化学热 Q4空气带入显热 Q5总计 1455108332066362805952647976 0.230.170.4998.190.92100热 1支 2出 3项 4目 5 6 制品带出显热 Q1’窑具带出显热 Q2’物化反应耗热 Q3’排烟带走显热 Q4’窑表面散热 Q5’其它热损失 Q6’总计 13082698727158712647297302564798647976 20.1915.242.4540.8511.2710.001002.3.5 预热、烧成带热流图3 窑体结构简述3.3 预热带结构根据产品要求及产品的码放方式，移进板尺寸定为300×300mm（L×W），窑膛有效截面为600×240mm（W×H），周围再留出气流通道，预热带窑膛实际截面为860×284mm（W×H），高度H为轨道平面至拱脚。窑顶为60℃角拱形结构。双排并进的移进板在下部纵向排列的五根滑轨上前进。预热带长度为7.8m。与传统煤气隧道窑不同的是：从窑头2m多一点的位置开始，在整个预热带的两侧下部交错布置了10只调温高速烧嘴，升温曲线容易调整控制，所以不必采用分散排烟的方式，而在窑头集中排烟。在窑头底部一侧设一个主排烟口，接排烟风机将烟气排出窑外。3.4 烧成带结构烧成带总长度为4.2m,产品烧成时在此段需要的热量最多。滑石瓷的特点是烧成范围很窄，从产生30%液相到烧成终了之间的间隔只有10～20℃，因此这段温度必须均匀，一般采用下限温度、适当延长保温时间的方法烧成。根据以上原因，在烧成带上、下均布置烧咀，以达到控温灵活、温度均匀的目的。烧成带的窑膛尺寸比预热带要适当增大，这样增大了气体层厚度，有利于加强气体辐射传热。3.3冷却带结构冷却带有分为两部分，一是急冷段，二是辊道冷却段。急冷段长度为2.1 m，窑膛稍微变窄，仍采用耐火材料滑道结构。此段设有管形喷流式换热器，一方面冷却产品，另一方面将换出的热风送至高温带烧嘴助燃用，即可提高煤气的燃烧温度，又可提高能源利用率。另外还设有直接风冷结构，可调整冷却速度及窑压。辊道冷却带采用辊道结构，移进板在活动的钢辊上前进，这可大大减少摩擦阻力，减轻窑内推板之间的压力及主推进器的推力，对于延长推板寿命，防止拱板等事故的发生很有作用。此段下部设有4个送风孔，顶部设有4个抽风孔，可以用来调整冷却速度，控制产品出窑温度。4 窑炉技术特点分析 新型燃气推板窑与传统的燃气车式窑及推板式电窑相比，具有以下特点：4.1自动化程度高，工人劳动强度低，操作环境得到很大改善，安全保护措施完善大大降低了发生事故的可能性。4.2与传统燃气窑相比控温精度高，恒温区控温精度可达±2 ℃，全窑温度曲线调整方便，调节范围大。4.3与推板式电窑相比，新型燃气推板窑的窑膛可以做得更宽、更高，且温度均匀性好。4.4从结构形式上看，新型燃气窑采用的是扁宽炉膛无匣钵明烧的双推板结构，而传统的煤气隧道窑往往是窑膛较高，装匣钵烧成，匣钵与产品的重量比约为2～4比1。如为车式窑，窑车的积散热就会占总热耗的20～30%，再加上车下漏入冷空气，预热带上下温差相当大，有时可达300～400℃，不得不延长预热时间，产品进车速度很慢，从而造成能源的浪费。即使采用无钵推板形式，一般也是采用隔焰式，马弗道内与窑膛内的温差较大，传热也较慢，仍然不能快速烧成。新型燃气推板窑则没有窑车的积散热，没有窑下漏风，窑具（推板）与产品的重量比仅为0.8:1,可大大降低能耗,又因燃烧方式为预辊式无焰燃烧,喷入窑内的是完全燃烧的热气体,不会污染制品.4.5从传热原理上分析,高速烧嘴对加快烧成速度,降低能耗起着关键作用.一般认为传统隧道窑中气流速度很慢,预热带以对流传热为主,高温带(800℃以上)以辐射传热为主。但当采用了高速烧嘴后，高温带的对流传热就不容忽视了,辐射传热与对流传热变得同等重要。根据对流传热公式Q=αΔT F可以看出，气体对流传给制品的热量与换热面积F成正比，与气流与制品的温差ΔT成正比，还与对流换热导数系数α成正比，而α又与气流速度的0.8次方成正比。若传统隧道窑中气流速度为每秒几米到十几米，采用高速烧嘴后气流速度可达每秒数十米至上百米，传热速率则可提高数倍到数十倍，再加上高速气流的强烈搅拌作用，使得窑内温度更加均匀，传热效率大幅提高，从而加快产品推进速度，缩短烧成时间，达到优质、高产、节能、降耗的效果。4.6经济效果分析从热平衡计算来看，产品烧成热效率为20.19%,在实际运行时热效率值比这要低一些,但仍然比传统煤气隧道窑高一倍以上。与原来使用的电气推板窑相比，单位产品能源费用可降低1/2～1/3。而且产品成品率还有所提高。因此，可以认为新型燃气推板窑是节能型窑炉，经过数年来的使用效果良好，其设计是成功的。5 存在问题及改进方向5.1排烟温度较高，排烟热损失较大，占总热量的40.85%,这与窑炉较短有关。从实际结果分析，高速烧嘴的燃气窑应设计得宽一些，长一些，效果会更好。但窑长受推板式的结构限制，一般以20～40 m之间为宜。排出的烟气应该考虑余热利用。5.2初次投资较大，国内许多用户可能较难承受，这点可以简化设计，减少附加功能入手解决。5.3 预热带烧嘴能量偏大，有些可以省掉，用高压搅拌风来代替。5.4 换热器位置离高温区较近，寿命缩短。以上是新型燃气推板窑研制的粗浅介绍，肯定有许多不妥及错误之处，欢迎提出批评指正，使这一窑型更加完善