浅谈脉冲燃烧系统及其在还原焰梭式窑中的应用*
2010-09-07熊亮
熊 亮
(佛山市摩德娜机械有限公司 广东佛山 528222)
浅谈脉冲燃烧系统及其在还原焰梭式窑中的应用*
熊 亮
(佛山市摩德娜机械有限公司 广东佛山 528222)
介绍了脉冲燃烧控制系统的组成、工作原理及其特点。举例说明脉冲燃烧系统的具体工作情况;使用该系统后,窑内温度和气氛差均变小,升温周期缩短,耗气量下降。
脉冲燃烧系统 还原焰梭式窑 应用
1 脉冲燃烧控制系统介绍
梭式窑主要适用于产量小工艺特殊,高、大、重及异形特殊制品的烧成,如花瓶等艺术瓷、卫生洁具、日用瓷、微晶玻璃和特种陶瓷等等。它属于间隙式生产模式,产品固定静态升温烧好后,冷却完卸下产品并装入坯体再烧成下一批次,“从冷到热,从热到冷,周而复始”,尽管能耗高,操作麻烦,但仍然在相关各行业发挥着举足轻重的作用,无法完全淘汰。
由于梭式窑升降温频繁(会引起窑体吸热量变化),装载高度大(大件产品多或为了增加产量的加高),容易产生温差和气氛差等问题导致生产效率低,产品缺陷多,能耗高,这些问题一直困扰陶瓷行业多年,直到国内引进脉冲燃烧控制系统才解决和改善了梭式窑的形象。笔者主要结合我公司在某日用瓷厂设计制造和正在使用的脉冲燃烧控制系统梭式窑作些介绍,供同行参考或借鉴。
1.1 脉冲燃烧控制系统基本组成
主要由空气脉冲阀、空/燃压力比例阀、脉冲继电器模块、热电偶、烧嘴和温度控制器(或电脑或PLC)等配件组成。脉冲阀用于开、关风,实现大、小火控制;压力比例阀主要保证空气和燃气按比例供给;脉冲模块提供信号给脉冲阀;热电偶提供温度信号给温控器;烧嘴用于燃烧产生热量升温;温控器用于设定温度并通过PID(微积分调节)控制温度(所有温度控制器可以按时间段设置程序)。
1.2 脉冲燃烧控制系统的工作原理
该脉冲控制系统控制每个独立烧嘴的空气脉冲阀(一个烧嘴配一套脉冲系统)。烧成曲线的每区段设置点(根据产品烧成工艺特点按时间段设置程序)可以在脉冲控制系统的界面(控制仪表或电脑或PLC)中进行调整,每个烧嘴的脉冲频率根据每个区所需要的温度自动调节。其基本工作原理是:脉冲燃烧系统接收从热电偶输出的信号,经过分析处理后转换成脉冲信号,然后通过继电器模块输送给脉冲空气电动阀,执行脉冲动作(这个脉冲动作所依赖的脉冲信号将根据炉温来调节脉冲时间长短,以保证炉温的均匀性和稳定性),而空/燃比例阀将根据空气的变化来调节燃气的输出,在调整温度的同时保证均匀的空/燃比例,使窑内气氛保持稳定。脉冲燃烧过程可以通过充分搅拌窑内的空气来获得均匀的加热温度,同时缩短加热时间,节省燃料。脉冲燃烧由于火焰喷射距离大,速度快,如宽体的窑炉其优越性越突出。
1.3 还原焰脉冲系统
主要在上述脉冲系统的基础上增加气氛控制阀,它安装在脉冲阀后的空气管上,根据烧成工艺要求按预设程序自动限制风量供给(碳氢化合物燃烧空气不足时可以产生还原性气体CO和H2)。
1.4 脉冲控制系统的特点
1.4.1 优点
1)烧嘴燃烧速度快,喷射距离远。当温度低于设定值时,脉冲阀开到最大,此时烧嘴全功率持续燃烧,火焰猛烈,直到温度达到设定值才转换为最小功率。只要烧嘴选型合理,温度曲线设置合适,升温期间几乎都是最大功率运行,只有某个烧嘴达设定温度时才是小功率小火燃烧。
2)大小火产生强制搅拌,使窑内无死角,温差和气氛差很小。由于每条窑有多套脉冲系统(该窑设计的是每支烧嘴配一套脉冲系统),而每支烧嘴附近的温度因为装载量或吸热量不同等因素变化会各有不同,在同样时间内有些烧嘴区升温快,有些升温慢,正是这种变化使窑内各烧嘴间没有规律的大小火不断交替,产生高压烟气或低压烟气,从而实现各局部区域压力频繁变化,产生强紊流搅拌。其实质是大小火变化产生搅拌,使窑内燃烧烟气如刮风一般不停地变化,消除了因静态燃烧烟气加热可能产生的死角。
3)多点控制几乎不受装载量或产品变化的影响,吸热量多的区域大火时间长,反之小火时间长,保证了各区域控温的有效性。
1.4.2 缺点
图1 带脉冲控制系统的梭式窑示意图
1)易产生落脏。由于窑内烟气流速快,搅拌强烈,若控制不好,耐火材料选用不当,可能会因为气流冲刷和震荡产生落渣缺陷。
2)设计不合理或产品不适应,温升太快容易使制品开裂。
3)脉冲阀动作频繁易于损坏。
2 脉冲燃烧控制系统应用实例
脉冲燃烧控制系统梭式窑示意图,见图1。
2.1 梭式窑及脉冲系统介绍
该梭式窑主要烧制高温硬质瓷,还原焰气氛烧成。
2.1.1 梭式窑基本配置及结构
1)梭式窑有效装载容积,20γ。
2)窑车数:窑内4台;窑车之间和窑车与前后窑墙之间预留火道。
3)产品:日用瓷(杯、碗、壶、盘等)。
4)烧成温度:1 380℃;燃料为LPG。
5)烧成气氛:氧化+高温还原。
6)排烟方式:底抽(窑车台面有烟道,通过窑墙配冷风后引入排烟风机排出)。
7)保温结构:顶为1 600℃多晶毡组合块,墙为莫来石砖上贴100?厚多晶棉块,窑车台面铺多晶毡并用10?厚含锆莫来石板盖住防粉尘落脏。
8)烧嘴数量:10支,错落有致地分布于两侧墙,每支功率为230 kW。
9)控制仪表共13个,分别是温控器10个,助燃风压、窑压及气氛控制器各1个。
10)脉冲阀、继电器脉冲模块、空/燃压力比例阀、热电偶、气氛阀各10套。
2.1.2 基本设计思路(见图1)
采用多点脉冲控制温度和气氛,即每支烧嘴各设计一套独立的脉冲系统。曲线设置见表1。
表1 脉冲系统控制的梭式窑曲线
2.1.2.1 窑压、温度和气氛控制思路
通过排烟风机用变频器调整抽力的大小控制窑压;助燃风由变频器自动控制风压;温度的控制主要通过脉冲阀及压力比例阀改变烧嘴空气、燃气量来实现。气氛控制器同步调节每个气氛阀的开度来控制气氛的高低,气氛在烟气中的体积百分含量主要由便携式气氛仪抽检(检测范围:氧气0～21%;CO 0～10%)。
2.1.2.2 脉冲阀控制温度和气氛的思路
气氛阀设置在脉冲阀与烧嘴之间,空气旁路在脉冲阀与反馈管之间,压力比例阀的空气反馈管在空气旁路与气氛阀之间。在脉冲阀后还有空气旁路,它始终处于常开状态,风量的大小以保证烧嘴小火燃烧不熄灭即可。当脉冲阀将助燃风开到最大时,反馈给燃气压力比例阀的量也是最大的。当脉冲阀关闭时,烧嘴燃烧空气主要由空气旁路提供,得以实现大、小火控制。脉冲阀正常工作时不是开到最大就是关闭,开关动作时间在0～180 s可调。
当控制氧化气氛时,气氛阀开度最大为100%;当需要还原气氛时,气氛阀根据程序逐步关小。由于它处于比例阀反馈管之后,不管脉冲阀开或关,都会反馈给压力比例阀,直接控制燃气量的大小,而空气量由于受到气氛阀的限制,对脉冲阀的影响效果将会发生变化。当脉冲阀开到最大时,燃气也达到100%,而此时气氛阀如果开到100%,则供给空气充足,有过剩的空气使窑内为氧化气氛。如果气氛阀仅开到70%,提供给烧嘴的实际空气量也仅为70%左右,将导致燃烧不足,产生CO(注:这种变化一是靠空气和燃气管径设计好,二是靠调节压力比例阀的燃气量,只有两者协调到位时才会使空气过剩或不足)。
表2 两种梭式窑主要参数比较
通过上述设计,可以将脉冲燃烧系统与气氛控制系统有机地结合在一起,从而达到既可自动控制温度,又可控制气氛的目的。
2.1.3 运行情况
烧成情况及参数如下:
1)装载量:约3 000ϖ瓷/窑次;装烧方式为明焰裸烧(无匣钵,仅将产品放于垫板上);
2)升温时间为9.5 h,冷却时间为6 h;
3)耗气量:1 125ϖ;
4)窑墙外表温度:高温时40℃,顶部70℃;
5)窑内温差,每台窑车四角放测温环,一般控制温差在8℃以内;
6)气氛差,用便携式气氛仪通过观火孔检测,每个位置差值在0.5%以内;
7)烧成缺陷率:0.5%,主要是冷却裂和烟熏。产品整体合格率为95%,其他缺陷为成形(如厚薄不均、变形、毛孔等)、施釉(如釉缕、波纹等)和装坯(如缺釉、磕碰等)时产生。
2.2 与该厂老梭式窑的比较
该厂老梭式窑与新建脉冲系统梭式窑有效装载容积相同,都是20γ,但为传统倒焰式梭式窑结构,烧嘴为36个自然引射式烧嘴,自然排烟,温度的控制主要靠各人经验操作,专人负责。
3 结论
从表2比较可以看出,在窑容积、产品和产量完全相同的情况下,使用脉冲系统控制的梭式窑,主要有如下优势:
1)由于脉冲系统的应用,使窑内温差和气氛差缩小,产品烧成缺陷率仅为0.5%。未用脉冲阀的梭式窑主要烧成缺陷为生烧和过烧,针孔(温差大,氧化时间不足或各区制品氧化时间不同步),白度差、烟熏和阴黄(气氛差太大),烧成缺陷率高达5.8%。
2)升温周期缩短了40.6%。由于温差和气氛差的减小,烧成时间大幅缩短。
3)耗气量下降了30.6%。脉冲系统的应用,可以确保已达到设定温度的区域实行大、小火交替燃烧,小火时耗气量很低(不熄火即可)。而如果没有脉冲系统,始终是同种火焰燃烧,将会导致相应区域温度超高,产品过烧,白白浪费了燃气。当然该窑耗气低除了用脉冲系统外,压力比例阀、保温系统和结构设计,以及排烟量的控制及每次坯体入窑时窑内温度的高低等因素也是减少耗气的关键因素。
该窑与传统梭式窑相比,多了排烟和助燃风机,耗电增加。但是按照该日用瓷厂家的说法,脉冲燃烧梭式窑增加电耗是合理的,其综合优势非常明显。主要体现在产品质量大幅提升,省气显著,操作人员工作时间缩短操作强度降低,同时数据化管理也保证了每窑次产品质量的稳定,不受人为因素的影响。在人工短缺,用户品质意识增强,燃料成本不断攀升以及国家节能减排政策执行力度加强的今天,该脉冲燃烧控制系统梭式窑以其明显的优势必将获得广阔的发展前景,值得大力提倡和推广。
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1002-2872(2010)09-0014-05
