基于DOE的CO2燃燒爐節能研究

胡 晨

（安徽中煙工業有限責任公司蕪湖卷煙廠，安徽蕪湖 241002）

0 引言

CO2燃燒爐是卷煙工業企業膨脹煙絲生產線的重要用能設備，試驗設計（Design of Experiments，DOE）是一種安排試驗和分析試驗數據的數理統計方法。將該方法與企業的生產實踐相結合，記錄制絲車間膨脹煙絲生產線CO2燃燒爐的生產過程數據，借助MINITAB軟件，統計分析新風開度、含氧量、爐溫與天然氣流量之間的關系，從而得出具有實際指導意義的結論。

1 試驗材料與方法

1.1 材料/設備

膨脹煙絲ET－X；CO2燃燒爐（焚燒前/后含氧量表，天然氣流量計，新風風門，聯動風門）。

1.2 方法

在CO2線帶料生產過程中，不同的設定爐溫下，手動調節新風風門開度，觀測并記錄天然氣流量計和焚燒前/后含氧量表的顯示值以及聯動風門開度值。

2 試驗設計和數據收集

DOE設計目的：天然氣流量是重點需要降低的CO2燃燒爐消耗指標，影響天然氣流量的主要因子有新風風門開度A和爐溫B。為了找出2個因子的最佳取值，確定天然氣流量，通過2因素一個4水平和一個3水平的辦法來進行DOE全因子試驗。具體水平和因子見表1。由MINITAB軟件生成全因子實驗表，并按照設計進行實驗。相關的試驗數據記錄見表2。爐溫550℃、新風風門開度25%的情況未進行試驗。原因是在爐溫550℃、新風風門開度50%的情況下，聯動風門開度已經達到90%左右，數據顯示此時的工藝氣體溫度始終略低于設定值260℃，如果在此溫度下再降低新風風門開度，就會導致工藝氣體溫度無法達標，造成產品質量不合格。

表1 DOE因子與水平設置

3 結果與討論

3.1 關鍵節能生產參數研究

3.1.1 試驗的直觀分析

（1）天然氣流量主效應圖（圖1）解析。①新風風門開度越大，天然氣流量越大；反之，新風風門開度越小，天然氣流量越小。且新風風門開度對天然氣流量的影響很大。②爐溫越高，天然氣流量越大；反之，爐溫越低，天然氣流量越小。且爐溫對天然氣流量的影響相對較小。③為了得到更低的天然氣流量，爐溫設在550℃，新風風門開度設在25%。

表2 試驗數據匯總

（2）天然氣流量交互作用圖（圖2）解析。各曲線接近平行無相交，說明新風風門開度與爐溫對天然氣流量大小無交互作用。

圖1 天然氣流量主效應

圖2 天然氣流量交互作用

3.1.2 試驗的統計分析

（1）判斷模型有效性。天然氣流量殘差圖（圖3）解析：試驗模型的殘差呈正態分布，殘差和為0，殘差沒有明顯的模式和趨勢，說明模型是有效的。

（2）利用統計工具進行分析（表3）。方差分析表明：新風風門開度和爐溫的P值≤0.05，說明二者都是重要的，主效應是顯著的。

3.2 過程生產參數的節能影響研究

除了新風風門開度和爐溫這兩個燃燒爐關鍵參數以外，焚燒前后含氧量、聯動風門開度等這些過程生產參數對于節能研究也具有十分重要的意義。

3.2.1 焚燒前含氧量的影響因素

在550℃，560℃，570℃爐溫下，分別研究新風開度與焚燒前含氧量的關系（圖4）。由圖4可見，在爐溫一定的情況下，隨著新風風門開度的增大，焚燒前含氧量不斷提高。同時，在新風風門開度一定的情況下，隨著爐溫的增加，焚燒前含氧量無明顯變化。結果表明：焚燒前含氧量與新風風門開度具有正相關關系，不受爐溫的影響。

圖3 天然氣流量殘差

表3 天然氣流量方差分析

圖4 新風風門開度與焚燒前含氧量的關系

3.2.2 焚燒后含氧量的影響因素

在550℃，560℃，570℃爐溫下，分別研究新風開度與焚燒后含氧量的關系（圖5）。由圖5可以看出，當新風風門開度在50%以上時，爐溫一定的情況下，焚燒后含氧量跟隨新風風門開度的變化不顯著。在新風風門開度一定的情況下，焚燒后含氧量隨爐溫的變化也不顯著。但是，當新風風門開度在25%時，焚燒后的含氧量呈現快速增大的現象。結果表明：焚燒后含氧量具有相對穩定性，受爐溫的影響不顯著。新風開度過小會導致焚燒后的含氧量值較大，說明燃燒過程中氧氣消耗少，燃燒不充分。

3.2.3 聯動風門開度的影響因素

圖5 新風風門開度與焚燒后含氧量的關系

在新風風門開度值25%，50%，75%和100%的情況下，分別研究新風風門開度與聯動風門開度的關系（圖6）。由圖6可見，在爐溫一定的情況下，聯動風門開度隨著新風風門開度的增大，呈現減小的趨勢。在新風風門開度一定的情況下，聯動風門開度隨著爐溫的升高，同樣呈現減小的趨勢。結果表明：聯動風門的作用是自動控制工藝氣體的溫度。新風風門加大，系統的含氧量提高，燃燒更充分，爐溫有上升的趨勢，熱量積累的更快，因此需要進入工藝加熱器的工藝氣體量就更少，使得聯動風門開度有減小的趨勢。新風量不變，爐溫升高時，煙氣溫度升高，維持工藝氣體溫度，而需要進行換熱的工藝氣比例減少，因此相應的聯動風門開度有減小趨勢。

圖6 新風風門開度與聯動風門開度的關系

3.2.4 聯動風門開度對天然氣流量的影響

在550℃，560℃和570℃爐溫下，分別研究聯動風門開度與天然氣流量的關系（圖7）。由圖7可知，在爐溫一定的情況下，天然氣流量隨著聯動風門開度值的增大而降低。結果表明：聯動風門開度值越大，天然氣流量越小，就越節能。但是，并不是越大越好，開度值如果過大，會造成聯動風門對工藝氣體溫度的調節空間過小，不利于工藝氣體溫度的穩定性。開度值如果過小，又會造成換熱量小，燃燒不經濟，不利于節約天然氣。因此，聯動風門開度應處于一個合理的范圍內。

圖7 聯動風門開度與天然氣流量的關系

4 結論

（1）爐溫越低，新風風門開度越小，聯動風門開度越大，越節約天然氣。

（2）新風風門開度不宜過小，聯動風門不宜過大。第一，新風風門開度過小會導致聯動風門開度過大，試驗中新風風門開度為25%、爐溫為560℃和570℃時，聯動風門開度分別達到了84.2%和90%，如果生產流量出現較大波動，就會要求供應更多的熱量，而此時聯動風門已經接近全開狀態，系統就會因為飽和而失去調節空間。第二，新風風門開度過小，會導致焚燒前含氧量偏低，焚燒后含氧量偏高，影響燃燒充分性和系統穩定性。因此，新風風門開度宜控制在25%～75%，聯動風門開度宜控制在70%～80%，焚燒前氧氣含量在17%～18%，焚燒后氧氣含量在15%～16%,能較好兼顧系統的穩定性和生產的經濟性。

（3）鑒于以上結論，為了最大限度地節能，同時又能確保生產穩定，選定膨脹絲ET－X的最優生產參數，即設定新風風門開度50%、爐溫560℃。過程參數：焚燒前含氧量17.9%，焚燒后含氧量15.9%，聯動風門開度78.8%，此時天然氣流量約為64.4 m3/h。