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陶瓷辊道窑炉的节能和燃烧效能提高方案

陶瓷辊道窑炉的节能和燃烧效能提高方案

【概要描述】

陶瓷辊道窑炉的节能和燃烧效能提高方案

【概要描述】

    随着我国社会经济的发展,城市市政建设越来越受到重视。混凝土路面砖作为市政基础建设的重要组成部分,其技术质量水平的高低直接影响到城市大街小巷的观瞻,因此路面砖的技术质量水平状况越来越受到各地的关注和重视。市场的需求量也越来越大,所以给各地面砖生产厂家提高生产能力,降低生产成本,有效提高窑炉的生产效益,降低窑炉燃料的损耗是各面砖厂目前急需要解决的问题。

 

    一.窑炉烧结合理温度与坯料关系

    温度制度以温度曲线表示,它表明在烧成过程中温度随时间的变化关系。温度曲线一般分为四个阶段,即由预热升温、 最高焙烧温度、保温时间和冷却曲线所组成。温度曲线应根据制品在焙烧过程中的物理化学反应特性、原料质量、泥料成分、窑炉结构和窑内温度分布的均匀性等各方面因素等综合确定。

    A.预热带缓慢升温砖坯慢速脱水。

    根据砖坯的干燥情况,确定隧道窑第一个车位的温度。因为隧道干燥窑的热风入口温度控制在 105℃~120℃,因此,第一个车位的温度应严格控制,不超过100℃~105℃,而以后5~6个车位的温度就要缓慢升温。砖坯在300℃以前的低温阶段的升温速度是关键,在此温度范围内主要是排除坯体内的残余水分。如果在此阶段升温过快,坯体内的水分急剧蒸发,产生过热蒸汽的压力,会造成坯体开裂,一 般为表面裂纹,严重时会造成坯体爆裂,甚至发生砖坯塌车事故。

    按窑炉窑内温度的划分,低于600℃属于预热带,当坯体水分排出后,在500℃前可以较快升温,一般升温速度可以控制在80℃/h左右,但在573℃时,由于β-石英转化为α-石英,同时产生0.8%的体积膨胀,所以此阶段要特别注意缓慢升温,以防止制品产生裂纹。

    B.焙烧温度和保温。

    烧结砖的最高烧成温度一般定为1020℃左右。但是,在较低温度下,较长时间的保温也可以完成对烧成的要求。最高焙烧温度适当低些,高温车位多些,保温时间长些,使燃烧的热量能够得到充分的利用,制品烧成比较均匀。焙烧温度较高时,容易发生砖坯软化,特别是砖垛下层的制品可能变形和熔结。砖坯中的细粉微粒在800℃以后开始产生液相,随着温度的升高,液相增多,出现可塑变形现象,在900℃以后物化反应则剧烈进行。因此在高温阶段升温速度也应缓慢,以利于物理化学反应进行的比较均匀完全.为了使砖坯中理化反应能得到充分的进行,以及保证制品内部和外部都获得一致的烧结,当焙烧到最高温度或略低于最高温度时,根据砖的烧结性、窑炉温度的均匀性和高温阶段的升温速度等,保温4 ~8小时。

    C.冷却控温防止冷裂。

    烧结面砖伴随着制品的冷却而产生正常的收缩现象。当温度在800℃左右时,坯体中约有50%的粘性很大的高温熔液冷却成玻璃态,因不均匀 或过快冷却产生一定的应力会被制品的可塑变形作用而抵消。就产生裂纹而言,这时的应力对制品并无危害。但制品进入冷却带后,温度低于800℃,可采取的冷却速度,完全取决于制品的弹性性质和机械强度。因此在中温阶段,因砖体与气流温度差逐步缩小,冷却速度很慢,可以加快冷却。 制品在冷却阶段要特别注意两点:一是制品从焙烧带进入冷却带之后,冷却的速度很快,当制品在573℃时,又因α-石英转化为β-石英的同时,产生体积收缩,所以在此阶段必须缓慢冷却,以避免制品产生裂纹;而在400℃以下时虽然可快速降温,但是在230℃时,又因方石英产生快速体积收缩,所以这时若冷却过快,制品也会产生裂纹。

 

    二.高温助燃空气的利用有助窑炉能耗的降低

    高温空气燃烧技术是最新发展起来的先进燃烧技术,具有高效节能和超低NOX排放等多种优点,又被称为环境协调型燃烧技术。该技术自问世起,立刻受到了西方发达国家的高度重视,其在加热工业中的应用得到迅速推广,取得了举世瞩目的节能环保效益其中最具代表性的是蓄热式加热炉技术的应用和发展。加热炉的工作空间较大,合理的烧嘴结构和布置是实现蓄热式高温空气燃烧、确保加热效果的关键。以往燃烧室和工业炉的设计主要靠直观和经验以及大量实验。70年代以来,由于大型计算机以及CFD、计算传热学以及计算燃烧学的迅速发展,目前已能用数学模型和数值计算方法预测三维湍流两相有化学反应流动,可以预报燃烧室和工业炉中流场、壁面热流、燃烧及污染物排放等各种场的分布细节,有效地提供了进行最优化设计及放大设计的新方法。数学模拟或计算机模拟可大大减少实验所用的人力、物力和财力。

     A.物理模型

    以采用蓄热式高温空气燃烧技术改造的国内窑炉的空气-煤气双预热蓄热式加热炉为研究对象,炉膛尺寸为25490×8150× 5000mm,该炉采用蓄热室的群合式布置方式,以高炉煤气为燃料。图1为工作原理示意图,喷口对称布置在炉子两侧,两侧的喷口交替进行喷气和排烟,喷口 分布情况如图2所示

     B.炉内气体流动情况

     图3、图4分别给出了某工况下加热炉内A-A截面的速度场分布的矢量图和云图。

    该工况条件下,加热炉的预热段、加热段和均热段的四通换向阀的换向时间设为相同,但由于各段四通阀的换向动作设置为不同步(时间间隔可根据需要调节),使得炉内气体的流动状况复杂多变。由图可以看出,由于高速空气射流的抽引,煤气射流向空气射流快速扩散,相互间发生强烈混合并逐渐形成旋涡,卷吸炉内的烟气,使烟气在炉内的停留时间延长,有利于形成低氧气氛,实现高温低氧燃烧。

    C.炉内温度分布情况

    由于采用煤气-空气双预热的蓄热式高温空气燃烧方式,一方面解决了单一的低热值高炉煤气的直接使用问题;更重要的是,采用蓄热式高温空气燃烧技术以后,加热炉内的气体的温度整体升高且更趋均匀,不存在局部高温区,如图5所示。

这样一来,既增强了炉子的加热能力,又保证了坯料长度方向上温度的均匀性,提高了坯料的加热质量。

    D.炉内气体浓度分布情况

    炉内气体的浓度分布情况是判断烧嘴的工作性能和加热炉热工特性的重要依据。由于加热炉工作过程是一个高温条件下近乎封闭的过程,很难对炉内的气体进行取样分析。通常是在烟道取样分析,以期了解污染物的排放以及煤气燃烧是否完全,难以确切把握炉内气体的燃烧状况。本段计算了某工况下炉内气体的浓度分布。

    图6、图7分别为加热炉内A-A截面的氧气浓度和烟气浓度分布云图。

    从图可以看出,由于高速空气射流的抽引,煤气射流(图中褐色流股)迅速向空气射流扩散;同时由于高温烟气的卷混,空气射流的氧气浓度迅速降低,在整个炉内形成了低氧气氛。而在加热炉宽度方向(坯料长度方向)烟气主流可到对面炉墙,高温烟气与坯料之间的热交换能力加强,同时也说明蓄热式烧嘴产生的火焰刚劲有力。与传统的加热炉相比,蓄热式加热炉的处理能力增强,坯料的加热质量得到了改善。 蓄热式加热炉能获得很好的流场、温度场和浓度场分布,能满足高效、优质、低耗和环保的加热工作需要。 对生产现场的工艺操作参数的优化也具有非常重要的意义。

 

    三.陶瓷行业辊道窑炉窑宽的合理应用

    随着佛山陶瓷行业的飞速发展,部分佛山陶瓷辊道窑炉生产企业在逐步引进吸收国外先进技术后,佛山陶瓷辊道窑炉的生产行业也得到了快速发展。目前随着他们名 气的做大,部分企业除了承接佛山本地的陶瓷辊道窑炉的安装工程外,还将市场开拓到山东、四川等地。我们今天所说的是,为了产品质量,辊道窑炉是否越宽越好?要回答这个问题,首先我们要回顾佛山陶瓷的发展起源,在80年代,佛山的陶瓷生产线基本上是采用国外的生产线,当时的辊道窑炉宽度大概在1200MM 至1800MM,很少超过2000MM。但是,我们近两年上马的新项目普遍在2500MM以上,部分生产线还达到3100MM,可以说,连国外的陶瓷机械专家看到这么宽的窑炉也目瞪口呆,超宽度的窑炉是佛山陶瓷机械行业超速发展的表现。我们知道,窑炉宽度越宽,则意味着企业的产能会越高,举个例子, 1800MM的窑炉一次只能出两块600*600的陶瓷地砖,而3100MM的窑炉则可以一次性烧成4块600*600的陶瓷地砖,企业只要增加陶瓷压机,即可获得比原来大一倍的产量。从数量上来分析,效益确实是相当客观的。但是,从产品质量来分析,超宽度的窑炉也会带来质量下降的负面问题,主要表现在色差问题。按照目前佛山陶瓷的生产工艺,一块陶瓷地砖的好坏除了色差方面外,另外一个因素是该地砖是否完全烧成型,用行话来说是是否烧熟。如果陶瓷地砖烧不熟,地砖经不起敲打,用力一敲,地砖立刻会完全碎裂,在这方面,佛山陶瓷机械行业已经解决了该问题,即将辊道窑炉的长度不断加长,延长烧制时间来达到陶瓷烧制成型,目前新上马的(包括技术改造)辊道窑炉长度基本上在135米以上。但是,在解决陶瓷地砖色差方面,并不是这么容易解决的问题。窑炉内宽越大,则窑炉内部各部位温度差别越大,而温差正是除了釉料本身之外对色差最有影响的因素。如果要保证窑炉内部各部位的温差缩小,则最终结果是烧嘴系统更加复杂和油耗增加,这部分原因直接提高生产成本,是与增加窑炉宽度增产缩小单位成本向违背的,因此,新建或技术改造的新窑炉在决定陶瓷窑炉宽度时不能越大越好,要从实际情况和实践来决定,至于目前的窑炉内宽多少为宜,我们经过观察,最好在2000MM以下,而以2500MM为极限,至于采用2000MM还是 2500MM,则要看采用的燃料质量而定,一般来说,燃料质量越好,则陶瓷窑炉的内宽可以适当增加。

 

     四.陶瓷行业合理应用蓄热式辊道窑炉

    目前在中国的陶瓷行业已普遍应用了超宽辊道窑炉,但超宽辊道窑炉在烧结过程中存在的产品质量问题是每个企业急需解决的问题。利用好蓄热式辊道窑炉是陶瓷行业发展的趋势。20世纪90年代初始,蓄热式余热回收技术得到了快速发展:在蓄热体材质、构造、蓄热性能等方面都得到了许多改进;单位体积的传热面积由过去的10- 40m2/m3提高到200-1300 m2/m3,因而体积显著减小;换向阀和控制系统可靠性也得到改善,换向时间由过去的30min左右缩短至几分或几十秒钟,热效率大幅提高至80%~ 90%左右,助燃空气预热温度大幅提高至1000℃以上,而排出的烟气温度可降低至200℃以下,接近烟气的露点温度。 由于助燃空气预热温度高达1000℃,远高于传统的500℃ --- 600℃,从而改变了传统的燃料燃烧方式,出现了一项全新的燃烧技术高温空气燃烧技术。该技术的关键在于通过高效的蓄热式余热回收可实现 高温低氧的燃烧过程,形成与传统燃烧迥然不同的火焰特性,从而达到节能与环保的双重效益。

     A.蓄热式燃烧技术的应用

    工业炉窑是热加工生产的主要设备之一,也是能源消耗大户。随着工业产品市场竞争日益激烈和环保要求越来越高,在保证产品质量的同时,如何降低燃料消耗和减少环境污染,已引起普遍重视,钢铁行业更是如此。多年来,工程技术人员一直在改进炉体结构、燃烧器、回收烟气余热、优化加热工艺、控制技术和管理及采用新型保温材料等方面寻求各种节能措施,以提高炉子的热效率。 蓄热式燃烧技术是随着工业发展、科技进步和市场需求发展起来的,采用最新的技术成果解决生产过程中高产与低耗间的矛盾,具有高效节能和低污染排放等多重优越性。这项技术从根本上提高了加热炉的能源利用率特别是对低热值燃料(如高炉煤气)的合理利用,既减少了污染物(高炉煤气)的排放,又节约了能源,是满足当前资源和环境要求的先进技术。

     B.蓄热燃烧技术的发展过程

    在工业燃烧炉中,排烟浪费的可用热能是十分巨大的。在冶金、机械、建材等工业部门所用的许多工业炉中,排出废气的温度高达600℃~1 100℃。如果把这些高温废气全部排放到大气中,其热损失通常达到其总能耗量的60%~90%,如何充分有效地把这部分热量加以利用一直是企业界和科学界关注的问题。 早期空气预热的热回收装置,主要有间壁式换热器和蓄热式换热器。间壁式换热器的气体流向不变、工作状况稳定、结构简单,一般仅能预热到400℃~600℃,废气最终排放温度仍有600℃~700℃,但换热器的空气预热温度因受其结构及材料的限制,价格较贵、热回收率较低、排放的烟气仍有较高温度,且换热器使用寿命较短,有的仅为1~2年,只能用于中低温烟气余热回收。

    目前,间壁式换热器受热温度可达1 000℃左右,所得到的最高预热空气温度达700℃,但想再提高预热温度,就会出现高NO,问题,以及因换热器传热面积扩大所引起的设备费用增加和换热器本身的寿命问题,制约了它进一步发展。采用蓄热式换热器可以达到的加热温度较高(1200℃左右),并且寿命较长、热回收率较高(最高可达70%)。早期的蓄热式换热器蓄热体采用格子砖材料,它的综合传热系数较低、单位体积蓄热体的换热面积小,导致蓄热体体积庞大、换向时间较长、预热温度波动较大,同时烟气的排出温度仍有300℃~600℃。另外换热设备要求既耐热又气密,以致结构复杂、操作不灵活、造价较高。然而随着材料工业的发展,蓄热式换热器又一次展现出了新的活力。

    陶瓷行业的超宽辊道窑炉利用蓄热式技术可有效降低燃料的能耗,解决在烧结过程中产品不能烧熟的缺陷。可在辊道窑炉的烧结段与降温段间,把炉内的高温气抽出回送到助燃管道,这样在炉内就可有效地组织炉堂的气流,依靠助燃空气及燃料形成的高速射流的卷吸效应,使炉内大量的燃烧产物回流,稀释燃烧区的含氧体积浓度。

    在高温预热空气和燃料气流高速射入炉堂内时,形成湍流型射流,达到燃料扩散燃烧的目的。高温空气燃烧主要就是控制燃烧段的含氧体积浓度,使之达到低于15%,甚至达到2%~3%。然而,采用蓄热式燃烧技术将助燃空气与低热值气体燃料双预热到高温,利用燃料中的二氧化碳等不活性成分的稀释作用,这样就可实现炉内高温低氧燃烧,炉内的燃烧得以改善,燃料热利用率显著提高,可以带来明显的经济效益。

    C.控制好炉内氧含体积浓度的重要性

    怎样来观察和控制好炉内的氧含体积浓度,是整个节省能耗,提高效益的关键,因抽去的烟气温度较高,在1000℃左右,而且要把烟气中的氧含体积浓度从21%,降到15%,8%,5%,2%的循环降低,这就需要在高温下检测炉内的氧含体积浓度,当炉内的氧含体积浓度达到5%左右时,需加入一定比率的空气以达到燃料气充分燃烧的目的。

    目前可采取控制的手段是,在高温抽取管道口安装直插式高温氧化锆探头,用澳大利亚NOVATECH的1633燃烧控制仪,达到检测和控制炉内氧含体积浓度的目的。因1633燃烧控制仪可检测炉内的氧含体积浓度,还可控制电磁阀的开启,以达到炉内所需的空气比率,可根据炉内的氧含体积浓度的变化,开关所控制的电磁阀门。

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