提高輥道窯助燃風溫度的探討

摘要 本文分析了輥道窯熱能利用方面的不足，并主要從直接抽取冷卻帶熱風混合入助燃風、通過換熱器轉換窯爐排煙熱量、通過窯爐冷卻帶輥棒上下的換熱器來加熱助燃風三種方式探討了提高助燃風溫度的可行性，還以實際應用數據論證了節能效果。最后提出使用專用的高溫助燃風燒嘴和改善窯爐設計、改造對提高窯爐助燃風溫度的不可或缺。

關鍵詞 節能，輥道窯，助燃風溫度，高溫助燃風燒嘴，窯爐設計

1前言

尋找企業的節能方向，挖掘設備的節能潛力，降低能源消耗和生產成本，提高經濟效益是一個永恒的課題。從提高陶瓷企業窯爐的熱能利用效率和節約能源的角度來看，目前陶瓷行業內普遍使用的輥道窯，其熱能在合理利用方面仍然存在如下的不足之處：

（1） 窯爐余熱未能完全利用。無論在熱工設計或實際運行中，輥道窯的熱能在合理利用方面仍存在不盡人意之處。根據對一些較有代表的窯爐熱平衡測定所取得的熱工數據來看，大多數窯爐冷卻帶抽熱和排煙帶走熱合計占窯爐輸入熱量的比例為50～60%。由于受燃料成本比例增大的因素影響，并且配合陶瓷生產工藝改革和干燥設備技術的進一步完善，在業內技術人員的努力之下，在窯爐燒成中產生的這些余熱大部份供給了坯體干燥使用。這在窯爐余熱利用方面，確實取得了極大的進步。這一進步基本上使大多數企業不再需要使用燃料于干燥工序，這方面的成效是相當顯著的。然而，窯爐設計時，或在窯爐實際應用中，具體到各企業操作使用，或應用于不同產品燒制時，窯爐余熱利用的情況在不同的企業中就存在差異了。通過我們對目前業內使用的窯爐的余熱利用情況的調查了解，仍存在某些因素影響著窯爐的余熱未能完全被利用。一是生產方面，部份企業窯爐排出的冷卻帶抽熱和排煙帶走熱量供給干燥線有多余時，多余部份只采取向天排空；二是設備方面，部份企業窯爐太短，而又不適當地加大產量，致使出磚溫度在200℃以上，造成了冷卻余熱的浪費；三是操作方面，一些企業為加大產量拼命地加大燃燒量從而不惜以加大排煙解決窯爐正壓，造成排煙損失大大增加；四是意識方面，一些企業的產值與成本間仍有較大空間，不在乎燃料成本，不自覺節能。上述分析表明，窯爐余熱利用仍然有著很大的空間和許多工作要做。

（2） 助燃風升溫難題未能解決。我們一早就意識到，提高助燃風溫度能使窯爐節省燃料，得到明顯的效益。但是，這一節能措施仍未能實際使用。多年來我們所設計、建造的輥道窯，均是采用9-26型風機（A傳動方式）吸入大氣送入助燃風管道系統再進入燃油或燃氣燒嘴燃燒的方式。窯爐設備廠商也只是提供了適合于低溫助燃風的燒嘴，陶瓷生產企業無奈之下也只能夠習慣于使用此類設施。有企業曾嘗試使用冷卻帶熱風進入助燃風機入口，以期提高風溫節省燃料措施，但因助燃風機、管道系統及燒嘴不適應而放棄。據目前行業內使用此措施的少數企業的情況來看，也只是抽取極少量的冷卻帶熱風給助燃風混合，或只簡單利用窯體的少量散熱來提高較低的溫度，而在全面利用窯爐余熱來提高助燃風溫度方面的技術和設備問題仍舊未能得到徹底解決。

（3） 窯爐缺乏燃燒監控。一些輥道窯燒成帶燃燒空氣系數高，致使排煙損失增大。通常，輥道窯在消耗燃料量和窯爐最高燒成溫度一定的條件下，需要控制助燃空氣量以及燃燒空氣系數，使燃油工況的空氣系數控制在α＝1.4～1.6；燃煤氣工況的空氣系數應控制在α＝1.2～1.3。通過調整空氣系數，可提高燃燒溫度，排煙量大大減少，熱能的浪費也大大減少。由于大多數的窯爐都沒有安裝燃燒系統煙氣氧量計，這方面的監控至目前仍是空白。

2提高助燃風溫度的節能效果

提高助燃風溫度能否使窯爐節能？我們通過以下的計算可以看出助燃風溫度提高后窯爐的節能效果。

2.1 窯爐的助燃風用量

據我們對一些窯爐的熱平衡測定，得出如表1的數據。

表1所列的是對普遍的陶瓷生產企業窯爐的測定數據，由此得出窯爐的助燃風用量一般為16Nm3/ kg燃油，并且此風量是在燃燒空氣系數偏高的情況下取得的。對燃煤氣的輥道窯，在能夠合理地調節窯爐燃燒空氣系數的情況下，助燃風用量可能會低一些。

2.2 提高助燃風溫度的方式

根據輥道窯的結構及目前大多數設備的運行實際情況，可采取以下方式對助燃風升溫：

（1） 直接抽取冷卻帶熱風作為助燃風，只需安裝抽取冷卻帶熱風的管道進入助燃風機入口（可設計成全部使用或部份使用冷卻帶熱風，依靠風閘調節），可以使窯爐現用助燃風的溫度提高至200℃左右，如圖1所示。此方式投資小，不過需注意以下兩點：一是調節好原有抽熱風到干燥的風量比例，以及確保煙氣不倒流至窯爐冷卻帶。如果覺得抽熱風量不足夠，完全可以通過加大窯爐冷卻風機風量的同時開大抽熱風機風量來解決，這樣將更有利于降低窯爐的出磚溫度。二是將原使用的A傳動方式的助燃風機更換為D傳動方式風機。此方式已有部份企業在使用，但存在一些操作上的問題。

（2） 當窯爐排煙量供給干燥線過多而出現余熱排空浪費的情況時，則可通過換熱器將排煙的熱量轉化為助燃風的熱量。此方式需要按照實際傳熱量、排煙流量和熱量、助燃風量等熱工參數來設計一臺適用的換熱器，同時要布置好相關的風管系統，但不需要更換原有的助燃風機，具體裝置如圖2所示。

（3） 可以將助燃風機的送風通過在窯內冷卻帶輥棒的上、下空間所設置的換熱器，使助燃風提高至適當溫度后，再進入助燃風管道系統。此方法需要按照實際所需的傳熱量、助燃風量等熱工參數設計一臺適合的換熱器，同時也需布置好相關的風管系統，這種方式也不需要更換原有助燃風機，如圖3所示。

以上三種方式均需要稍為改大助燃風的主送風管道及分支至每個噴槍的風管，并根據所提高的助燃風實際溫度，選用適合于該助燃風溫度的整個噴槍或槍芯選件（新研制）。

2.3 提高助燃風溫度可取得的節燃效益

以一條生產拋光磚的燃油輥道窯為例，來說明提高助燃風溫度的節燃效益。窯爐運行的有關參數見表2。

提高助燃風溫度后，所回收的排煙余熱或冷卻帶余熱的熱量為：

Q = V×C×（t2 - t1）

= 7487×1.42×(200-30)=1807362kJ/h

(式中煙氣平均比熱容C=1.42kJ/Nm3·℃)

此熱量通過助燃風送入窯內，由于使用了專用的燒嘴，故未增加窯爐原來的排煙量，在窯爐的產量及燒成制度、運行參數不改變的情況下，回收的熱量相當于燃油（熱值按39725kJ/kg算）消耗量為：

B=1807362/39725=45.5kg/h

相比于原用燃料消耗量的節約率為:

δ=(45.5/395)×100% =11.52%

按計算，該窯采用此方式改造一年可節約燃油360噸，節約燃料費用126萬元。

3專用高溫助燃風燒嘴是必要的保障設施

由于助燃風經預熱提高溫度后，空氣體積膨脹，動力粘性系數增大，流動阻力加大，如果不采取有效的技術措施，燒嘴的燃燒能力將會相應下降。我們對此在實驗爐中做了一個模擬試驗：選取市面上5萬大卡的液化氣燒嘴和燃油燒嘴，燃燒室是一節輥道窯箱體，試驗助燃空氣加熱至不同溫度下的燃燒狀況。當助燃風和燃氣（燃油）的壓力不變， 助燃風溫度達到80℃時，火焰開始變紅，證明因空氣體積膨脹后含氧量不足。

要保持燒嘴的燃燒能力不變，需要采取如下措施：

（1） 提高燒嘴前的助燃空氣壓力，以保證有足夠的空氣參與燃燒。所需壓力可由下式求出:

Pt= P0×(1+t/273)

其中:

t——助燃空氣預熱溫度

Pt—— 助燃空氣預熱溫度為t℃時燒嘴前壓力

P0—— 助燃空氣未預熱時燒嘴前壓力

（2） 增大空氣的流通面積，減小壓力損失，使單位時間內流過的助燃空氣質量保持不變。根據:

Vt=V0[1+Av(t-t0)]

式中：

Vt——溫度為t時的體積

V0——常溫t0時的體積

Av——體積膨脹系數 (空氣=216)

t0——加熱前助燃風溫度

t——加熱后助燃風溫度

若助燃空氣從30℃加熱到200℃時，得出:

Vt = V0[1+(473-303)/216]=1.78V0

即在不改變流速v的情況下管路的流通面積要相應增大1.78倍，在實際應用中可選原管路截面積的1.5倍。

根據上述原理，為了使輥道窯及其燒嘴能夠適用于高溫助燃風，我們根據預熱助燃空氣的特點，優化了助燃風通道，減小了風道的壓力損失，并且設計出新型的可使用預熱空氣的專用燒嘴，其特點如下：

1） 燃燒完全，燃燒效率高(可達92%以上)，空氣消耗系數在1.2時，煙氣的CO<7×10-4%。

2） 燃燒穩定可靠，調節比達5:1。

3） 適用于200℃的高溫助燃風。

4） 燃燒火焰為淡藍色透明，火焰長度300～500mm。

5） 燒嘴可電子點火，可配紫外線火焰監測探頭。

輥道窯通過更換此燒嘴及將風管管路作相應加大，即能保障使用經余熱回收提高溫度之后的助燃風，從而使輥道窯的節能措施得到實施。

4窯爐的設計、建造及窯爐運行制度的改善

使用高溫助燃風需要從以下幾個方面考慮，才能更有效地保障這一節能措施的長期實施。

在窯爐設計、研制和建造方面，為解決窯爐的斷面溫差，一種新型的拱頂結構輥道窯已在行業內得到實際應用。拱頂結構窯爐的內部空間比吊頂窯爐大，窯內蓄熱量相對較多，保證了窯內溫度的均勻，并調整了熱輻射的角度，因此窯內斷面各處溫差較小，從而解決了寬斷面輥道窯常見的斷面溫差難題。窯爐的排煙系統則采用窯頭集中排放方式，也為充分利用窯爐余熱、降低能耗創造了條件。

輥道窯的寬度問題，須從實際情況來決定，不是越寬越好。窯爐的內寬要考慮采用的燃料質量，燃料質量較好，窯爐的內寬則可以適當增加。另一方面，窯爐內寬增大，必然致使助燃風加大，從而使窯爐排煙也加大，窯爐排煙熱損失增大了，會使得窯爐的單位產品能耗增多。

使用助燃風提溫節能措施的窯爐，必須貫徹一個新的燒成制度。這個新的燒成制度，要司窯者必須改變以往一些在腦袋中已凝固的想法和做法，密切地配合窯爐新措施的使用。如合適地調節窯爐的進、出風風量，調節窯內燃燒空氣系數，調整或稍改變原來的壓力、溫度曲線。不能認為不需調整就能采用新的節能措施，只要能保障產品產量、質量，這些調整對節能措施的應用都是必要的。

5結 語

為貫徹落實國家節能減排的基本政策，加快節約型社會建設，強化企業的節能技術革新，實現“十一五”期間的節能目標。從提高陶瓷企業窯爐的熱能利用效率和節約能源提高效益出發，輥道窯熱能合理利用方面必然會得到越來越多的改善。通過采用高溫助燃風燒嘴，及適當改造窯爐送風系統，改革燒成方式等，來提高窯爐助燃風溫度的節能措施，必然使企業在通過逐步應用后，從中得到最佳的經濟效益。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。