傳統梭式窯與全自動梭式窯的性能對比研究

李昊奇　汪和平　陸琳　宮小龍　湯宇

摘 要：梭式窯是應用于燒制如藝術瓷、日用瓷等小型陶瓷的非連續性窯爐。結構緊湊、產品適應性強的傳統梭式窯和控制精準、燒成確定性強的全自動梭式窯在控制方式、熱能利用方面存在諸多差異。本文利用PLC控制、流體動力仿真學，研究對比傳統梭式窯與全自動梭式窯在溫度控制、能耗大小。為不同需求，不同應用條件下使用梭式窯的企業、個人提供理論指導。

關鍵詞：梭式窯;PLC控制;溫度控制;能耗

1 前 言

隨著“中國制造2025”的號角吹響，工業化4.0疊加智能化、數字化在陶瓷窯爐行業掀起浪潮。傳統陶瓷窯爐能耗大、污染強、燒成差的劣勢一方面掣肘企業無力發展，也倒逼窯爐研發領域不斷創新，持續改良。梭式窯是一種對產品適應性強且滿足個性化需求的小型熱工設備，相對于隧道窯、輥道窯，梭式窯體積小，結構緊湊，在較小的燒成空間要根據陶瓷的燒成溫度迅速升溫至1000℃左右，再急冷到500℃至600℃，前后溫差變化很大，故對梭式窯的燃燒控制系統和冷卻通風系統要求較高。傳統的梭式窯采用自吸式燒嘴，自動化程度低，在陶瓷燒制過程中窯工通過手動調節燃氣管道閥門和排煙擋板控制窯溫度，費時費力且產品質量得不到保障，應用而生的現代全自動梭式窯補上其短板，一是采用動力式燒嘴交錯布置，控制燒成溫度;二是采用流體仿真技術模擬不同工況從而確定合理參數范圍，優化窯爐結構;三是采用PLC對梭式窯窯內溫度、氣氛、壓力控制調節，達到針對不同產品的不同燒制要求。

2 傳統梭式窯

2.1傳統梭式窯結構

傳統梭式窯是典型的間歇式倒焰窯爐。通俗講，是一種燒制陶瓷過程不連續、燃燒火焰在窯內流動過程是向上至拱頂后又向下流動的熱工設備，大體結構分為：窯室，窯車、燃燒系統、排煙系統。窯室自上而下由固定的窯頂窯墻，及可活動的窯車窯門組成，為維持窯內較高密封性，在窯墻與窯車間設有曲封和沙封，窯車在坯體裝卸過程以“車”為用，在燒制過程以“底”為用，兼具窯車窯底二者的功能。

傳統梭式窯的燃燒系統核心就是不同類型燒嘴的應用。市面上多見使用的燒嘴是調溫高速燒嘴、文丘里燒嘴（如圖1，2），充分利用兩種不同燒嘴的特點為自身所用，即高速燒嘴可顯著提高火焰傳熱效率，改善窯內溫度均勻性，文丘里燒嘴利用文丘里原理自吸液化氣完全混合后噴入即可快速燃燒且具有自調性。近年，脈沖燃燒技術的應用在梭式窯中逐漸普遍，通過脈寬調制技術調節燃燒時間的通斷比按所需溫度控制，作為一種新型的高效節能的低污染技術，簡潔可靠、造價實惠的系統，熱工效率高，可調節性強的噴嘴以及有效提高窯內溫度均勻性，低NOx的特性成為傳統梭式窯選用的技術之一。

傳統梭式窯的排煙系統主要由煙囪、排煙機產生抽力可在窯尾、窯頂、窯底或窯墻中的任意一處排煙，選用恰當的位置布置排煙口需要考慮窯爐結機構、阻力大小、施工難易程度來確定，常見的是在窯頂或窯底兩側布置排煙口，以利于減少動力損失、降低煙氣溫度。在高溫階段排出的煙氣有上千度，窯中各器具有效利用的僅為全部熱量的15%～40%，也就是說大量煙氣溫度都被帶走排出，為了有效利用煙氣余熱，在換熱器中通過對流或輻射傳熱的方式傳給空氣，經加熱后再次送入燃燒系統作助燃風。天津大學宋耑教授研制的噴流輻射換熱器已成功轉化在生產應用中，經換熱器傳輸可使得空氣預熱溫度達到煙氣進口溫度的1/2進入窯內，極大的提高了燃料的利用率。

2.2傳統梭式窯數值模擬及分析

以2m3的傳統梭式窯為研究模型，設置X、Y、Z方向長度分別為1850mm、1100mm、1000mm，根據坯體在窯內實際比例大小和擺放方式，放置3×5個高度在800mm的圓柱坯體，窯底兩側同排布置12對管徑80mm的自吸式噴嘴。整體模型如下圖所示。利用ANSYS中的icem對模型進行網格劃分，所生成結構網格數量1507751，網格質量在0.6以上，可在fluent仿真軟件中有效模擬計算。

根據傳統梭式窯在實際燒成過程中的現象，在fluent模擬環節相應設置各參數。窯內氣體流動為有旋渦的湍流形式，故選用Realizable K-epsilon湍流模型，高溫煙氣具有擴散效應和輻射能力，選擇P1輻射模型，控制方程采用質量守恒方程、動量方程、能量方程。網格模型邊界條件設置中，設置24個燒嘴煙氣入口均設為Velocity-inlet，窯墻、窯頂、窯底、坯體均設為Wall，2個窯尾煙氣出口設為Out-flow。為保證模擬精度足夠高，采用二階迎風格式和SIMPLEC算法。自吸式燒嘴流速取9.5m/s，窯內煙氣溫度取1573K，通過查找煙氣物理性質表，該溫度對應的煙氣參數ρ=0.240kg/m³、Cp=1.340kJ/kg·K、λ=12.62×10²W/m·K、μ=53.0×10⁶Pa·s。

經數值模擬計算達到收斂，采用后處理軟件Tecplot分析截面云圖，選取具有代表性的截面x-0.9m，x-1.0m溫度云圖和速度云圖，觀察溫度云圖，溫度區間在1543K～1562K，高溫區集中在坯體兩側，窯墻壁面周圍，在有限的空間里形成旋渦，在燒嘴不斷噴入高溫煙氣的同時，旋渦不斷疊加，形成局部高溫且與下部的溫度差增大，不利于坯體整體燒成。由X-0.9m溫度云圖看到，煙氣在窯頂受到阻隔后順坯體間隙向下流動，由正壓向負壓流動的過程并不會讓底部低溫負壓區壓力升高，類似倒焰窯。結合倒焰窯的特點，燒成至高溫的坯體消耗大量的熱能，但對熱能的利用率并不高在25%左右，同時，煙氣離開吸火孔時的溫度比燒成產品溫度高30℃左右，通過煙囪當做廢氣排走，煙氣余熱沒有被很好利用。由速度云圖看到，煙氣流速大小的分布與溫度大小分布一致，受壓力的影響明顯，底部溫度高，上部溫度低，受浮力影響煙氣整體有向上流動的趨勢，煙氣在坯體與坯體間，坯體和窯內之間以3～6m/s流速流動。在X-1.0m截面，煙氣流速在窯內流動不均勻，且流速較大區域在中上部，結合同一截面溫度云圖，應用自吸式燒嘴的梭式窯燒成效果并不好，坯體的熱利用不高，經計算，近60%熱量以散熱和輻射形式由窯墻散出。B61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5

3 全自動式梭式窯

3.1全自動式梭式窯結構

現代全自動式梭式窯常指燒成自動控制裝置下的梭式窯，自動控制的方式不盡相同，有利用USB數據采集設計的溫度控制系統、Honeywell HC900 DCS單回路控制、Win CC組態軟件系統管控等。采用產生高速氣流的動力式燒嘴噴入剛度較強的火焰，當高速噴出后快速攪動窯內煙氣。本文主要是根據原有的燒成曲線針對陶瓷制品的智能化窯控制系統，采用的方式是PLC系統對窯內溫度、壓力、氣氛控制，應用雙執行器控制空燃比，使其控制在一定范圍之內，達到理想的燒制溫度要求。結構上為控制變量有效計算，僅將燒嘴由傳統自吸式燒嘴改變為動力式燒嘴。即在窯墻左右兩側交錯布置2對管徑60mm的動力式燒嘴。整體模型如下圖所示。利用ANSYS中的icem對模型進行網格劃分，所生成結構網格數量1004521，網格質量在0.75以上，可在fluent仿真軟件中有效模擬計算。網格模型邊界條件設置與之上傳統梭式窯設置基本相同。區別是動力式燒嘴流速取110M/S，煙氣參數設置不變。

3.2全自動式梭式窯數值模擬及分析

選取截面x-0.9m，x-1.0m溫度云圖和速度云圖，觀察溫度云圖，溫度范圍在1544K—1549K，溫差為5K，溫度分布均勻。四周壁面溫度普遍高于中間，是由于動力式燒嘴噴入火焰進入有限空間后形成貼附射流，即高溫煙氣以更高速度在壁面附近擾動，主流貼壁的層流速度邊界層被破壞，換熱加強，所以四周的溫度略高于中間溫度。從速度云圖不難發現煙氣主流區和溫度分布規律相近，速度大小也是四周大于中間，其原因是噴嘴在內部空間形成良好的氣流循環，中間局部有旋渦，增強了高溫煙氣與坯體的對流換熱，中部位置的坯體受熱更加均勻，燒成更加穩定。由X-1.0m面溫度、速度云圖看出，整體較為均勻分布，溫度差、速度差小，旋渦變小分布，加強了擾動從而增強換熱和熱利用率。

4 結論

（1）全自動式梭式窯的結構相較傳統式梭式窯簡單，燒嘴數量少，人工維修成本大為降低，且在相同工況下，全自動式梭式窯溫度場更均勻，熱利用率更高。

（2）使用動力式燒嘴的全自動式梭式窯在窯內形成多個旋渦，增強了煙氣對坯體的擾動，其窯內氣體擾動較強，傳熱效率明顯增強，降低了坯體在窯內燒成周期。

（3）相同工況下同一截面，全自動式梭式窯溫度分布更均勻，溫差小，對坯體的燒成品質更有保障，同時為其后自動控制或智能化控制可以提供更有效的燒成曲線和研究參數，便于開展科研進階研究。

參考文獻

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Performance Comparison Between Traditional Shuttle Kiln and Automatic Shuttle Kiln

LI Hao-qi， WANG He-ping， LU Ling， GONG Xiao-long，TANG Yu

（Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333001， China）

Abstract： Shuttle kiln is a discontinuous kiln used for firing small ceramics such as art porcelain and daily-use porcelain.There are many differences between the traditional shuttle kiln with compact structure and strong product adaptability and the automatic shuttle kiln with accurate control and strong firing certainty in terms of control mode and thermal energy utilization. In this paper， PLC control and fluid dynamics simulation are used to study and compare the temperature control and energy consumption of traditional shuttle kiln and automatic shuttle kiln. Provide theoretical guidance for enterprises and individuals using shuttle kiln under different needs and application conditions.

Keywords： Shuttle kiln ; pLC control ; temperature control ; energy consumptionB61AD2E6-93C4-4E77-9D8C-A6E7F4EB30F5