基于隧道窯窯體散熱分析提出窯爐節(jié)能改造措施

■韓文祥，奉杰，朱群敏 ■江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院，江西 南昌 330001

1 引言

隨著改革開放30多年的發(fā)展，中國磚瓦工業(yè)也發(fā)生了巨大變化，原材料豐富多樣化、產(chǎn)品節(jié)能化、設備自動生產(chǎn)化、窯結構改造提升化、規(guī)模產(chǎn)量上升化。但隨著我國節(jié)能減排任務的加重，磚瓦行業(yè)也積極響應貫徹落實國家墻材革新與建筑節(jié)能的各項方針政策，將磚瓦工業(yè)節(jié)能減排列入議事日程。梁嘉琪［1］在當前我國燒結磚隧道窯發(fā)展中的問題與探討中指出當前我國磚瓦行業(yè)隧道窯的發(fā)展問題主要是缺乏對隧道窯基本概念上的系統(tǒng)知識，存在粗制濫造、低水平重復建

設現(xiàn)象。張翠清等［2］在工業(yè)鍋爐及窯爐節(jié)能減排技術途徑與關鍵問題分析中指出實現(xiàn)工業(yè)窯爐節(jié)能的主要途徑有運行控制技術、法規(guī)政策以及能效監(jiān)測和管理。2013年李江［3］等對湖南科輝墻材磚廠隧道干燥窯熱平衡測試進行分析，但文中并未詳細分析干燥窯體散熱情況，僅提出需增強干燥窯的保溫效果。鑒于當前我國磚瓦產(chǎn)品生產(chǎn)熱效率低，單位產(chǎn)品綜合能耗高，而窯體是磚瓦生產(chǎn)的主要設備之一，因此研究減少窯體散熱損失必能促進磚瓦行業(yè)節(jié)能減排偉業(yè)發(fā)展。

2 窯體測試方法與設備

對窯體表面散熱損失測試的方法主要依據(jù)JC/T 428－2007《磚瓦工業(yè)隧道窯熱平衡、熱效率測定與計算方法》［4］、JC/T 429 －2007《磚瓦工業(yè)隧道窯 －干燥室體系熱效率、單位熱耗、單位煤耗計算方法》［5］以及《磚瓦》雜志社的《燒結磚瓦干燥室窯爐熱工設計原理》［6］。首先將窯體外表面劃分為若干個矩形面，同一面上個點溫度值最大值與最小值之差不大于3℃，每個面的中心作為一個測點，在測定周期內(nèi)每隔6h測定一次，熱平衡計算取各次測定的平均值。窯體表面溫度及周圍空間溫度采用紅外測溫儀測定，紅外測溫儀見圖1所示，其測溫范圍為 －50～1000℃，誤差為 ±1．0℃，空間溫度誤差±0．5℃。矩形面積采用量程為5m，精度為1mm的卷尺測量。窯體表面散熱損失計算如下:

圖1 紅外測溫儀圖

式中abi——第i次測得的窯體表面綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K);

k——決定于散熱面位置的對流傳熱系數(shù)。側向散熱面取9．20，水平向上的散熱面取11．71，水平向下的散熱面取6．27;

tbi——第i次測得的窯體表面溫度，K;

tki——第i次測得的與測點相對應的空間溫度，K;

ε——窯體表面發(fā)射率，可查《實用供熱空調(diào)設計設計手冊》第二版上冊36－37頁;

qbsi——第i次測得的全窯表面平均散熱流量，kJ/(m2·h);

abi1、abi2……abin——分別為第i次測得的各個測點的窯體表面綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K);

tbi1、tbi2……tbin——分別為第i次測得的各個測點的窯體表面溫度，K;

tki1、tki2……tkin——分別為第i次測得的與各個測點相對應的空間溫度，K;Fb1、Fb2……Fbn——分別為各個測點所在矩形的面積，m2;

Qbs——相應于單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品的窯體表面散熱量，kJ;

n——測定次數(shù);

A——以單位質(zhì)量產(chǎn)品為計量單位的窯的小時產(chǎn)量。

3 數(shù)據(jù)分析

對測得數(shù)據(jù)按照公式(1)、(2)、(3)進行計算，計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同窯體表面散熱損失占窯總熱量損失的百分數(shù)

圖3 單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品內(nèi)燃料的燃燒反應熱及窯體表面散熱量

從圖2中，可以看出4#窯的窯體表面(文中窯體包含窯頂外表面、窯墻外表面、窯門外表面、煙道外表面、投煤孔外表面等)散熱損失占窯總熱量損失的百分數(shù)最大，依次是1#、2#、3#。由此可知，4#窯的窯體表面散熱損失部分具有明顯降低空間，其次是1#、2#、3#。減少窯體表面散熱損失，就意味著可以減少內(nèi)燃料的燃燒反應熱，即減少輸入熱量，窯爐熱效率也必定會提高。

從圖3中，可以看出窯體表面散熱損失趨勢與內(nèi)燃料的燃燒反應熱一致，也可以說單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品摻入內(nèi)燃料的燃燒反應熱越多，窯體表面散熱損失也就越多，但并沒有對應的比例關系。因為窯體散熱損失Q散

式中Q散——單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品窯體表面散熱損失，W;

Tin——窯體內(nèi)表面溫度，K;

To——窯體外表面溫度，K;

A——以單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品為計量單位的窯的小時產(chǎn)量;

λ——窯體導熱系數(shù)，W/(m·K);

δ——窯外厚度，m;

F——窯體外表面面積，m2。

我們知道，窯體內(nèi)表面溫度Tin與單位質(zhì)量(噸)產(chǎn)品摻入內(nèi)燃料的燃燒反應熱有關，內(nèi)燃料摻的越多，窯體內(nèi)表面溫度就越高;反之越低。而相同大小窯的表面積變化很小，假定窯體外表面溫度To在環(huán)境中不變，因此要減少窯體表面散熱損失的主要因素有:

(1)控制摻入的內(nèi)燃料量。隧道窯生產(chǎn)的熱量輸入主要是內(nèi)燃料，內(nèi)燃料摻入越多，測出窯表面溫度越高，窯表面散熱損失越大。因此，為減少窯體散熱損失，可通過量熱儀測試坯體熱值，控制內(nèi)燃料的摻入量。

(2)提高窯的小時產(chǎn)量。磚瓦焙燒生產(chǎn)全程在隧道焙燒窯和干燥窯及其相關設施加上自動檢測和自動控制等設備構成一個磚瓦焙燒自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中的各個設備協(xié)調(diào)配合，工藝要求的質(zhì)量和產(chǎn)量才能達到最佳效果。

(3)窯體保溫和密封。常用材料有:聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料、巖棉、微孔硅酸鈣、珍珠巖等。它們的導熱系數(shù)處0．025～0．05W/(m·K)范圍內(nèi)，是較好的保溫隔熱材料。

(4)在經(jīng)濟合理、制造可行的情況下，盡可能增加窯體厚度。從傳熱學角度考慮，窯體厚度越厚，傳熱熱阻越大，熱量損失就越少。

4 結論

通過四家窯體測試對比分析，得出窯體散熱損失主要影響因素有煤摻入量、窯的小時產(chǎn)量、窯體的保溫及窯體厚度等。提出相應解決措施:(1)通過量熱儀測試坯體熱值，監(jiān)控內(nèi)燃料的摻入量;(2)生產(chǎn)過程采用自動檢測和自動控制設備，確保設備配合協(xié)調(diào);(3)加強窯體的保溫和密封;(4)適當增加窯體的厚度。

［1］梁嘉琪．當前我國燒結磚隧道窯發(fā)展中的問題與探討［J］．磚瓦，2010，7∶80 －86．

［2］張翠清，杜銘華，郭治，俞珠峰．工業(yè)鍋爐及窯爐節(jié)能減排技術途徑與關鍵問題分析［J］．中國能源，2008，2(30):17 －20，41．

［3］李江，曹小林，彭好義，陳立勇，朱金明等．湖南科輝墻材磚廠隧道干燥窯熱平衡測試［J］．磚瓦，2013，3∶22 －23．

［4］JC/T 428－2007．磚瓦工業(yè)隧道窯熱平衡、熱效率測定與計算方法［S］．

［5］JC/T 429－2007．磚瓦工業(yè)隧道窯－干燥室體系熱效率、單位熱耗、單位煤耗計算方法［S］．

［6］《磚瓦》雜志社．燒結磚瓦干燥室窯爐熱工設計原理［M］．