提高辊道窑助燃风温度的探讨

摘要 本文分析了辊道窑热能利用方面的不足，并主要从直接抽取冷却带热风混合入助燃风、通过换热器转换窑炉排烟热量、通过窑炉冷却带辊棒上下的换热器来加热助燃风三种方式探讨了提高助燃风温度的可行性，还以实际应用数据论证了节能效果。最后提出使用专用的高温助燃风烧嘴和改善窑炉设计、改造对提高窑炉助燃风温度的不可或缺。

关键词 节能，辊道窑，助燃风温度，高温助燃风烧嘴，窑炉设计

1前言

寻找企业的节能方向，挖掘设备的节能潜力，降低能源消耗和生产成本，提高经济效益是一个永恒的课题。从提高陶瓷企业窑炉的热能利用效率和节约能源的角度来看，目前陶瓷行业内普遍使用的辊道窑，其热能在合理利用方面仍然存在如下的不足之处：

（1） 窑炉余热未能完全利用。无论在热工设计或实际运行中，辊道窑的热能在合理利用方面仍存在不尽人意之处。根据对一些较有代表的窑炉热平衡测定所取得的热工数据来看，大多数窑炉冷却带抽热和排烟带走热合计占窑炉输入热量的比例为50～60%。由于受燃料成本比例增大的因素影响，并且配合陶瓷生产工艺改革和干燥设备技术的进一步完善，在业内技术人员的努力之下，在窑炉烧成中产生的这些余热大部份供给了坯体干燥使用。这在窑炉余热利用方面，确实取得了极大的进步。这一进步基本上使大多数企业不再需要使用燃料于干燥工序，这方面的成效是相当显著的。然而，窑炉设计时，或在窑炉实际应用中，具体到各企业操作使用，或应用于不同产品烧制时，窑炉余热利用的情况在不同的企业中就存在差异了。通过我们对目前业内使用的窑炉的余热利用情况的调查了解，仍存在某些因素影响着窑炉的余热未能完全被利用。一是生产方面，部份企业窑炉排出的冷却带抽热和排烟带走热量供给干燥线有多余时，多余部份只采取向天排空；二是设备方面，部份企业窑炉太短，而又不适当地加大产量，致使出砖温度在200℃以上，造成了冷却余热的浪费；三是操作方面，一些企业为加大产量拼命地加大燃烧量从而不惜以加大排烟解决窑炉正压，造成排烟损失大大增加；四是意识方面，一些企业的产值与成本间仍有较大空间，不在乎燃料成本，不自觉节能。上述分析表明，窑炉余热利用仍然有着很大的空间和许多工作要做。

（2） 助燃风升温难题未能解决。我们一早就意识到，提高助燃风温度能使窑炉节省燃料，得到明显的效益。但是，这一节能措施仍未能实际使用。多年来我们所设计、建造的辊道窑，均是采用9-26型风机（A传动方式）吸入大气送入助燃风管道系统再进入燃油或燃气烧嘴燃烧的方式。窑炉设备厂商也只是提供了适合于低温助燃风的烧嘴，陶瓷生产企业无奈之下也只能够习惯于使用此类设施。有企业曾尝试使用冷却带热风进入助燃风机入口，以期提高风温节省燃料措施，但因助燃风机、管道系统及烧嘴不适应而放弃。据目前行业内使用此措施的少数企业的情况来看，也只是抽取极少量的冷却带热风给助燃风混合，或只简单利用窑体的少量散热来提高较低的温度，而在全面利用窑炉余热来提高助燃风温度方面的技术和设备问题仍旧未能得到彻底解决。

（3） 窑炉缺乏燃烧监控。一些辊道窑烧成带燃烧空气系数高，致使排烟损失增大。通常，辊道窑在消耗燃料量和窑炉最高烧成温度一定的条件下，需要控制助燃空气量以及燃烧空气系数，使燃油工况的空气系数控制在α＝1.4～1.6；燃煤气工况的空气系数应控制在α＝1.2～1.3。通过调整空气系数，可提高燃烧温度，排烟量大大减少，热能的浪费也大大减少。由于大多数的窑炉都没有安装燃烧系统烟气氧量计，这方面的监控至目前仍是空白。

2提高助燃风温度的节能效果

提高助燃风温度能否使窑炉节能？我们通过以下的计算可以看出助燃风温度提高后窑炉的节能效果。

2.1 窑炉的助燃风用量

据我们对一些窑炉的热平衡测定，得出如表1的数据。

表1所列的是对普遍的陶瓷生产企业窑炉的测定数据，由此得出窑炉的助燃风用量一般为16Nm3/ kg燃油，并且此风量是在燃烧空气系数偏高的情况下取得的。对燃煤气的辊道窑，在能够合理地调节窑炉燃烧空气系数的情况下，助燃风用量可能会低一些。

2.2 提高助燃风温度的方式

根据辊道窑的结构及目前大多数设备的运行实际情况，可采取以下方式对助燃风升温：

（1） 直接抽取冷却带热风作为助燃风，只需安装抽取冷却带热风的管道进入助燃风机入口（可设计成全部使用或部份使用冷却带热风，依靠风闸调节），可以使窑炉现用助燃风的温度提高至200℃左右，如图1所示。此方式投资小，不过需注意以下两点：一是调节好原有抽热风到干燥的风量比例，以及确保烟气不倒流至窑炉冷却带。如果觉得抽热风量不足够，完全可以通过加大窑炉冷却风机风量的同时开大抽热风机风量来解决，这样将更有利于降低窑炉的出砖温度。二是将原使用的A传动方式的助燃风机更换为D传动方式风机。此方式已有部份企业在使用，但存在一些操作上的问题。

（2） 当窑炉排烟量供给干燥线过多而出现余热排空浪费的情况时，则可通过换热器将排烟的热量转化为助燃风的热量。此方式需要按照实际传热量、排烟流量和热量、助燃风量等热工参数来设计一台适用的换热器，同时要布置好相关的风管系统，但不需要更换原有的助燃风机，具体装置如图2所示。

（3） 可以将助燃风机的送风通过在窑内冷却带辊棒的上、下空间所设置的换热器，使助燃风提高至适当温度后，再进入助燃风管道系统。此方法需要按照实际所需的传热量、助燃风量等热工参数设计一台适合的换热器，同时也需布置好相关的风管系统，这种方式也不需要更换原有助燃风机，如图3所示。

以上三种方式均需要稍为改大助燃风的主送风管道及分支至每个喷枪的风管，并根据所提高的助燃风实际温度，选用适合于该助燃风温度的整个喷枪或枪芯选件（新研制）。

2.3 提高助燃风温度可取得的节燃效益

以一条生产抛光砖的燃油辊道窑为例，来说明提高助燃风温度的节燃效益。窑炉运行的有关参数见表2。

提高助燃风温度后，所回收的排烟余热或冷却带余热的热量为：

Q = V×C×（t2 - t1）

= 7487×1.42×(200-30)=1807362kJ/h

(式中烟气平均比热容C=1.42kJ/Nm3・℃)

此热量通过助燃风送入窑内，由于使用了专用的烧嘴，故未增加窑炉原来的排烟量，在窑炉的产量及烧成制度、运行参数不改变的情况下，回收的热量相当于燃油（热值按39725kJ/kg算）消耗量为：

B=1807362/39725=45.5kg/h

相比于原用燃料消耗量的节约率为:

δ=(45.5/395)×100% =11.52%

按计算，该窑采用此方式改造一年可节约燃油360吨，节约燃料费用126万元。

3专用高温助燃风烧嘴是必要的保障设施

由于助燃风经预热提高温度后，空气体积膨胀，动力粘性系数增大，流动阻力加大，如果不采取有效的技术措施，烧嘴的燃烧能力将会相应下降。我们对此在实验炉中做了一个模拟试验：选取市面上5万大卡的液化气烧嘴和燃油烧嘴，燃烧室是一节辊道窑箱体，试验助燃空气加热至不同温度下的燃烧状况。当助燃风和燃气（燃油）的压力不变, 助燃风温度达到80℃时，火焰开始变红，证明因空气体积膨胀后含氧量不足。

要保持烧嘴的燃烧能力不变，需要采取如下措施：

（1） 提高烧嘴前的助燃空气压力，以保证有足够的空气参与燃烧。所需压力可由下式求出:

Pt= P0×(1+t/273)

其中:

t――助燃空气预热温度

Pt―― 助燃空气预热温度为t℃时烧嘴前压力

P0―― 助燃空气未预热时烧嘴前压力

（2） 增大空气的流通面积,减小压力损失，使单位时间内流过的助燃空气质量保持不变。根据:

Vt=V0[1+Av(t-t0)]

式中：

Vt――温度为t时的体积

V0――常温t0时的体积

Av――体积膨胀系数 (空气=216)

t0――加热前助燃风温度

t――加热后助燃风温度

若助燃空气从30℃加热到200℃时，得出:

Vt = V0[1+(473-303)/216]=1.78V0

即在不改变流速v的情况下管路的流通面积要相应增大1.78倍，在实际应用中可选原管路截面积的1.5倍。

根据上述原理，为了使辊道窑及其烧嘴能够适用于高温助燃风，我们根据预热助燃空气的特点，优化了助燃风通道，减小了风道的压力损失，并且设计出新型的可使用预热空气的专用烧嘴，其特点如下：

1） 燃烧完全，燃烧效率高(可达92%以上)，空气消耗系数在1.2时，烟气的CO

2） 燃烧稳定可靠，调节比达5:1。

3） 适用于200℃的高温助燃风。

4） 燃烧火焰为淡蓝色透明，火焰长度300～500mm。

5） 烧嘴可电子点火，可配紫外线火焰监测探头。

辊道窑通过更换此烧嘴及将风管管路作相应加大，即能保障使用经余热回收提高温度之后的助燃风，从而使辊道窑的节能措施得到实施。

4窑炉的设计、建造及窑炉运行制度的改善

使用高温助燃风需要从以下几个方面考虑，才能更有效地保障这一节能措施的长期实施。

在窑炉设计、研制和建造方面，为解决窑炉的断面温差，一种新型的拱顶结构辊道窑已在行业内得到实际应用。拱顶结构窑炉的内部空间比吊顶窑炉大，窑内蓄热量相对较多，保证了窑内温度的均匀，并调整了热辐射的角度，因此窑内断面各处温差较小，从而解决了宽断面辊道窑常见的断面温差难题。窑炉的排烟系统则采用窑头集中排放方式，也为充分利用窑炉余热、降低能耗创造了条件。

辊道窑的宽度问题，须从实际情况来决定，不是越宽越好。窑炉的内宽要考虑采用的燃料质量，燃料质量较好，窑炉的内宽则可以适当增加。另一方面，窑炉内宽增大，必然致使助燃风加大，从而使窑炉排烟也加大，窑炉排烟热损失增大了，会使得窑炉的单位产品能耗增多。

使用助燃风提温节能措施的窑炉，必须贯彻一个新的烧成制度。这个新的烧成制度，要司窑者必须改变以往一些在脑袋中已凝固的想法和做法，密切地配合窑炉新措施的使用。如合适地调节窑炉的进、出风风量，调节窑内燃烧空气系数，调整或稍改变原来的压力、温度曲线。不能认为不需调整就能采用新的节能措施，只要能保障产品产量、质量，这些调整对节能措施的应用都是必要的。

5结 语

为贯彻落实国家节能减排的基本政策，加快节约型社会建设，强化企业的节能技术革新，实现“十一五”期间的节能目标。从提高陶瓷企业窑炉的热能利用效率和节约能源提高效益出发，辊道窑热能合理利用方面必然会得到越来越多的改善。通过采用高温助燃风烧嘴，及适当改造窑炉送风系统，改革烧成方式等，来提高窑炉助燃风温度的节能措施，必然使企业在通过逐步应用后，从中得到最佳的经济效益。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。