民用采暖爐具自動(dòng)化生產(chǎn)線方案技術(shù)研究

白文凱

摘 要：目前我國(guó)每年消費(fèi)煤炭約38億噸，其中民用煤炭3億多噸，基本上全部為分散式焚燒，沒(méi)有采取除塵、脫硫等環(huán)保措施，其對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)率占燃煤源的50%左右。本文對(duì)燃煤爐具解耦技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐，大面積推廣使用對(duì)國(guó)家環(huán)境治理具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境污染;脫硫;解耦爐具;技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0095-02

0 引言

在我國(guó)農(nóng)村和城郊地區(qū)，至少有2億人采用相對(duì)分散的燃煤供熱方式，不僅效率低、污染嚴(yán)重，而且對(duì)環(huán)境的影響數(shù)倍于其燃料消耗所占的比例。

家用燃煤爐的燃燒過(guò)程都具有周期性。燃燒初期容易空氣不足，煤熱解氣化產(chǎn)生的煤氣不能充分燃燒，大量毒害和可燃成分隨煙氣排放，造成環(huán)境污染和能量損失;燃燒后期煤層減薄，過(guò)量的空氣又會(huì)降低爐溫和傳熱效率，并增大排煙熱損失。有的爐型僅通過(guò)高溫富氧的方式來(lái)提高煤的燃燒效率，但卻會(huì)加大氮氧化物（NOx）排放。另外，提高燃燒溫度還會(huì)增大固硫逆反應(yīng)，降低爐內(nèi)固硫效率。因此，解除煙黑、CO與NOx、SO2的耦合排放問(wèn)題是燃燒技術(shù)上長(zhǎng)期存在的技術(shù)難點(diǎn)。因此，對(duì)燃煤爐具解耦技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐已經(jīng)迫在眉睫。

1 解耦燃燒技術(shù)原理

民用解耦燃煤爐是在“解耦燃燒技術(shù)”基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的系列節(jié)能環(huán)保爐具，它可有效降低燃煤氮氧化物、一氧化碳、煙黑等污染物的排放，并提高燃燒效率。

解耦燃燒技術(shù)通過(guò)使煤先后經(jīng)過(guò)低溫還原氣氛下低氮燃燒和高溫氧化條件下的可燃物燃盡兩個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)煤炭自身產(chǎn)生的熱解氣和半焦的混合燃燒，從而使中小型燃煤設(shè)備充分實(shí)現(xiàn)了分級(jí)燃燒，有效抑制燃燒過(guò)程中的NOx生成。

解耦爐爐膛分為兩部分：高溫燃燒區(qū)和低溫?zé)峤鈿饣瘏^(qū)。原煤首先加入熱解氣化室中，煤炭經(jīng)干燥、在缺氧條件下熱解，析出揮發(fā)分變成焦炭，并在該室底部進(jìn)行貧氧燃燒，以提供熱量完成熱解氣化室煤的氣化熱解過(guò)程。在燃燒期間加煤門(mén)關(guān)閉，因而從爐子底部進(jìn)入的空氣不容易進(jìn)入熱解區(qū)。煤在還原氣氛下熱解時(shí)，煤中的一部分氮將轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓硪徊糠值訬H3、HCN形式釋放出來(lái)，同時(shí)形成一些還原性物質(zhì)如CO、H2、CH4等。在熱解氣化區(qū)形成的焦炭在重力作用下被移動(dòng)到高溫燃燒區(qū)燃盡。熱解氣化室產(chǎn)生的還原性煙氣受到爐內(nèi)負(fù)壓的作用通過(guò)半焦層進(jìn)入主燃燒室，并在煤層半焦催化作用下，還原性煙氣使得NOx還原，生成無(wú)害的N2、CO2和H2O。熱解氣中的還原性物質(zhì)如NH3、CO、CH4等在焦炭燃燒的同時(shí)也會(huì)與生成的NOx 反應(yīng)，將NOx還原成N2。這樣通過(guò)在還原性氣氛下熱解將揮發(fā)分中一部分氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑫r(shí)利用揮發(fā)分中還原性氣體將已生成的NOx還原，可以有效降低NOx的排放。在這一過(guò)程中的后期，借助高溫半焦的吸附功能及擾混作用，和充足的供風(fēng)，以預(yù)混燃燒的方式使得CO和煙黑燃盡。由于N2在通過(guò)半焦層時(shí)不會(huì)再次生成NOx，從而完成了解耦燃燒，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)降低NOx、CO和煙黑的排放目的。

此外，由于熱解氣化室下部在還原性氣氛、低溫下穩(wěn)定燃燒，上部進(jìn)行氣化熱解，因而熱解氣化室維持在易于固硫的有利條件。由于解耦爐熱解氣化室存煤量較大，固硫時(shí)間較長(zhǎng)，因而比傳統(tǒng)爐可提高固硫率。

解耦燃煤爐是在解耦燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一款節(jié)能環(huán)保爐具，它可有效降低燃煤氮氧化物、一氧化碳、煙黑等污染物的排放，并提高燃燒效率。與傳統(tǒng)燃煤爐相比，中小型解耦燃煤爐NOx排放降低30%-45%，排煙林格曼黑度小于1，完全達(dá)到“無(wú)煙排放”標(biāo)準(zhǔn)。倘若使用優(yōu)質(zhì)煤并配套新型高效除塵固硫設(shè)備，中小型解耦燃煤鍋爐的NOx、SO2和煙塵等污染物排放指標(biāo)可接近甚至達(dá)到燃?xì)馀欧艠?biāo)準(zhǔn)。中小型解耦燃煤鍋爐燃燒穩(wěn)定，燃盡率高，排煙溫度和過(guò)量空氣系數(shù)低，相對(duì)傳統(tǒng)爐節(jié)煤量可達(dá)20%-30%。

解耦爐可直接連接自來(lái)水管道進(jìn)行熱交換，具有熱水供給、做飯、取暖等功能。解耦爐具燃燒效率高，基本達(dá)到無(wú)煙排放標(biāo)準(zhǔn)。解耦爐設(shè)計(jì)采用具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“解耦燃燒技術(shù)”，爐具燃燒熱效率可提高約20-30%，NOx和CO排放量分別降低約30%～40%和70%，煙氣林格曼黑度小于1。

2 技術(shù)要求

合理規(guī)劃工藝流程、設(shè)計(jì)合理工位、優(yōu)選相應(yīng)工藝裝備，設(shè)備技術(shù)參數(shù)、工作效率滿足工位布局、物流能力、系統(tǒng)工藝節(jié)拍要求。

2.1 備料單元工藝流程及設(shè)備

2.1.1 工藝流程

（1）型材：型料入廠存放→自動(dòng)散捆上料→數(shù)控鋸床自動(dòng)鋸切下料→檢驗(yàn)識(shí)別打碼→機(jī)器人分揀→煙筒開(kāi)孔（鉆床、數(shù)控切割相關(guān)線或激光切割相關(guān)線）→AGV配送→零件緩存區(qū)。

（2）板材：（鋼板卷料入廠存放→開(kāi)卷校平→單面噴丸處理→定尺剪切→定尺板自動(dòng)存放）→AGV配送→板材立體庫(kù)→機(jī)器人自動(dòng)上料→數(shù)控激光切割→檢驗(yàn)識(shí)別打碼→機(jī)器人分揀→數(shù)控折彎成型（機(jī)器人自動(dòng)上下料）→零件緩存區(qū)。

（3）煙筒工藝：1）采用焊管數(shù)控鋸床鋸切下料，鉆床、數(shù)控等離子切割或激光切割開(kāi)孔;2）用熱卷板卷圓焊接，鉆床、數(shù)控等離子切割或激光切割開(kāi)孔。

（4）下料基本要求：切割精度高、切縫窄（0.1～0.2mm）、切割面光滑（Ra12.5以下）、速度滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求、切割質(zhì)量好等。

2.1.2 主要工藝設(shè)備

AGV運(yùn)輸系統(tǒng)、助力搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)、搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)、開(kāi)卷校平機(jī)、噴砂機(jī)、自動(dòng)剪板機(jī)、鋼板專用自動(dòng)料庫(kù)、數(shù)控激光切割機(jī)、自動(dòng)散捆上料系統(tǒng)、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、沖壓機(jī)、檢測(cè)識(shí)別打碼機(jī)、數(shù)控鋸床、折彎沖壓模具、煙筒卷圓機(jī)、煙筒焊機(jī)、數(shù)控等離子切割機(jī)等。

2.2 拼焊單元

（1）工藝布局：對(duì)焊裝車(chē)間進(jìn)行合理規(guī)劃，利用機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)焊接工裝。整個(gè)爐具內(nèi)、外膽的拼焊、上下料及運(yùn)輸過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)計(jì)合理的拼焊工裝夾具，滿焊率達(dá)到100%，同時(shí)配以煙塵凈化裝置，滿足環(huán)保要求，物流轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化要求。

（2）主要工藝措施：1）拼焊工藝。根據(jù)后續(xù)拼焊工藝可采用機(jī)器人或人工配盤(pán)，配盤(pán)自動(dòng)送料至拼焊工位，由機(jī)器人將工件移至變位機(jī)工裝平臺(tái)。針對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)，采用專用自動(dòng)或半自動(dòng)工裝裝夾（可人員適當(dāng)輔助裝夾）。裝夾完成后一次性完成點(diǎn)焊、滿焊，焊縫均采用焊接機(jī)器人完成。滿焊后的工件自動(dòng)卸料至運(yùn)輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)序。2）焊接工作站。采用機(jī)器人+變位機(jī)+焊接系統(tǒng)，可針對(duì)內(nèi)膽及合裝等工序進(jìn)行無(wú)死角滿焊，焊縫滿焊率達(dá)100%。焊接過(guò)程采用激光（視覺(jué)）跟蹤技術(shù)，可對(duì)復(fù)雜焊縫軌跡自動(dòng)掃描，即時(shí)生成焊接軌跡，節(jié)省編程時(shí)間。焊接機(jī)器人要配有適合產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝程序配備。3）焊縫檢測(cè)系統(tǒng)。為了檢測(cè)本項(xiàng)目產(chǎn)品的焊縫不漏水，需設(shè)計(jì)自動(dòng)化檢測(cè)工作站，對(duì)爐具內(nèi)膽、整機(jī)分別進(jìn)行兩次0.2MPa加壓試驗(yàn);對(duì)于不合格產(chǎn)品需設(shè)置試漏補(bǔ)焊區(qū)。爐體和底座合焊后需設(shè)置抽檢區(qū)域，以檢測(cè)合焊的焊縫質(zhì)量，同時(shí)需設(shè)置試漏補(bǔ)焊區(qū)。 試漏合格產(chǎn)品自動(dòng)完成試漏、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，試漏不合格品可人工參與撿漏、補(bǔ)焊。4）煙塵凈化系統(tǒng)。為了確保加工過(guò)程的工藝清潔和焊接質(zhì)量，生產(chǎn)線集成了先進(jìn)的工業(yè)煙塵凈化系統(tǒng)。該套系統(tǒng)能夠及時(shí)清除焊接加工過(guò)程中產(chǎn)生的非大氣成分的物質(zhì)，包括粉塵，懸浮顆粒，氣溶膠和廢尾氣體等。該煙塵凈化系統(tǒng)用于本套生產(chǎn)線長(zhǎng)期運(yùn)作場(chǎng)合，過(guò)濾后的空氣要滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)的所發(fā)出的噪聲須低于85dB（A）。

2.3 涂泥單元

（1）耐火材料。耐火材料選用耐火溫度不低于1580℃，與攪拌混合后可以滿足后續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝要求;或者先預(yù)制成塊，然后裝入爐腔內(nèi)，需要自動(dòng)化或者半自動(dòng)化工裝人工參與輔助;材料成型時(shí)間要滿足中間立體庫(kù)庫(kù)位設(shè)計(jì)，材料自然冷凝時(shí)間滿足生產(chǎn)節(jié)拍。

（2）備料。原材料存放要符合防火材料存放標(biāo)準(zhǔn)要求（GB/T 15545-1995），按原材料輸送重量設(shè)計(jì)自動(dòng)輸送方式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)輸送至原材料攪拌工序，按材料配比自動(dòng)進(jìn)行混合均勻攪拌，攪拌量要求精確計(jì)算不能使材料凝固;攪拌設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音、粉塵等要滿足環(huán)保要求，必要時(shí)可以增加除塵、靜音設(shè)備;設(shè)備安裝要充分考慮場(chǎng)地位置環(huán)境以及物料運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)環(huán)節(jié)。

（3）耐火材料噴涂。根據(jù)噴涂需要設(shè)計(jì)工裝定位，保證工件耐火材料噴涂質(zhì)量。

1）爐體涂泥：①可采取直接噴涂，滿足耐火材料位置和厚度要求，不得有漏涂現(xiàn)象，材料噴涂要密實(shí)，不得脫落，成型完成后輸送至人工檢查工位，人工檢查涂泥效果并做局部修補(bǔ);②可將耐火材料預(yù)制成型，利用自動(dòng)工裝人工輔助，將預(yù)制塊放入爐腔內(nèi)，然后再將預(yù)制塊與爐腔一體化處理，爐腔與耐火材料間鏈接要緊實(shí)，接縫處涂抹耐火材料效果要達(dá)到與預(yù)制塊成型一致。預(yù)制塊制作要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或者采用自動(dòng)工裝人工輔助的方式，盡量減少人員使用的數(shù)量，預(yù)制塊制作時(shí)間要滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要，預(yù)制塊要密實(shí)、均勻，厚度達(dá)到要求，預(yù)制塊不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法GB/T10326-2001（2004），根據(jù)產(chǎn)品需要選擇經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備，預(yù)制塊組裝后爐體耐火位置達(dá)到100%完全覆蓋，預(yù)制塊緩存量要滿足兩天的生產(chǎn)需要，預(yù)制塊存放要統(tǒng)籌考慮場(chǎng)地存放和現(xiàn)場(chǎng)使用以及運(yùn)輸通道等問(wèn)題。2）底座涂泥：底座需要先安裝爐排后再涂制耐火材料，爐排裝配、開(kāi)口銷(xiāo)、爐排堵要滿足組對(duì)精度，不影響后續(xù)工序。①可采取直接噴涂，滿足耐火材料位置和厚度要求，不得有漏涂現(xiàn)象，材料噴涂要密實(shí)，不得脫落，成型完成后輸送至人工檢查工位，人工檢查涂泥效果并做局部修補(bǔ);②可將耐火材料預(yù)制成型，利用自動(dòng)工裝人工輔助，將預(yù)制塊放入底座內(nèi)，然后再將預(yù)制塊與底座一體化處理，底座與耐火材料間鏈接要緊實(shí)，接縫處涂抹耐火材料要與預(yù)制塊成型效果一致。預(yù)制塊制作要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或者采用自動(dòng)工裝人工輔助的方式，盡量減少人員使用的數(shù)量，預(yù)制塊制作時(shí)間要滿足生產(chǎn)節(jié)拍需要，預(yù)制塊要密實(shí)、均勻，厚度達(dá)到要求，預(yù)制塊不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法GB/T10326-2001（2004），根據(jù)產(chǎn)品需要選擇經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備，預(yù)制塊組裝后底座耐火位置達(dá)到100%完全覆蓋，預(yù)制塊緩存量要滿足兩天的生產(chǎn)需要，預(yù)制塊存放要統(tǒng)籌考慮場(chǎng)地存放和現(xiàn)場(chǎng)使用以及運(yùn)輸通道等問(wèn)題。

（4）冷凝成型。產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)街虚g緩存庫(kù)，自動(dòng)碼放，自然干燥;耐火材料干燥速度不得過(guò)快，避免產(chǎn)生開(kāi)裂和變形等產(chǎn)品缺陷，預(yù)制塊成型后不得出現(xiàn)層裂和層密度等缺陷的現(xiàn)象符合耐火制品尺寸外觀及斷面的檢查方法。

2.4 涂裝單元工藝流程

（1）前處理。前處理可采用噴砂或拋丸，工件的結(jié)構(gòu)形狀及表面狀態(tài)、表面污物的成分及清潔度、產(chǎn)量及質(zhì)量要求、與后道工序的配套性等應(yīng)滿足質(zhì)量要求。

（2）噴涂工藝及參數(shù)。廠家應(yīng)根據(jù)爐具外觀、耐磨性、耐酸堿、耐高溫等要求確定涂層質(zhì)量要求。同時(shí)，根據(jù)這些要求來(lái)確定滿足質(zhì)量保證的噴涂材料和工藝過(guò)程。自動(dòng)噴涂線則必須按照這些要求和工藝過(guò)程來(lái)進(jìn)行噴涂作業(yè)。1）根據(jù)涂層厚度和質(zhì)量要求決定噴涂次數(shù)。2）根據(jù)噴涂材料的流動(dòng)性和鏈速確定。3）按照噴層光澤度要求和涂料物理性能（如粘度、電導(dǎo)率等）確定噴槍類型。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)燃煤爐具解耦技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出低污染、高效率、節(jié)能環(huán)保的解耦爐具，采用自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行批量生產(chǎn)，在民用采暖爐市場(chǎng)進(jìn)行推廣，很大程度上提高了燃燒效率，對(duì)環(huán)境治理具有非常重要的意義。

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