墻地磚生產(chǎn)輥道窯的燃燒狀態(tài)檢測(cè)與調(diào)節(jié)

謝炳豪 譚映山 胡衛(wèi)清

摘 要：本文論述了陶瓷企業(yè)中普遍采用的墻地磚生產(chǎn)輥道窯燒成氣氛控制的重要性，以及燒成氣氛在窯爐燒成過程中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和能源消耗的影響。通過數(shù)據(jù)分析窯爐燒成氣氛調(diào)節(jié)對(duì)降低窯爐運(yùn)行過程能源消耗的重要性，并提出了窯爐燃燒狀態(tài)的檢測(cè)方法，為今后墻地磚生產(chǎn)輥道窯實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理和智能控制提出發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：墻地磚輥道窯；燃燒狀態(tài)；檢測(cè)與調(diào)節(jié)；智能控制

1 引言

陶瓷墻地磚企業(yè)中普遍采用的輥道窯，目前一般只裝備有檢測(cè)溫度的熱電偶和溫控儀表，普遍未裝備檢測(cè)和控制窯內(nèi)壓力、窯內(nèi)燃燒氣氛的儀表。筆者經(jīng)過多年控制與調(diào)節(jié)窯爐燒成過程的實(shí)踐，總結(jié)了窯爐燃燒狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的影響，并提出了窯爐燃燒狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，以期引起陶瓷企業(yè)對(duì)窯爐燃燒狀態(tài)調(diào)節(jié)的重視。

2 窯爐燒成氣氛

墻地磚生產(chǎn)輥道窯的燒成氣氛，是指在燒制過程中窯爐內(nèi)的燃燒產(chǎn)物（煙氣）中所含的氧（O2）含量和一氧化碳（CO）含量的百分比。一般將燒成氣氛分為氧化氣氛和還原氣氛兩種，窯內(nèi)煙氣中氧含量在8%以上時(shí)的燒成氣氛稱為強(qiáng)氧化氣氛，窯內(nèi)煙氣中氧含量在4%～5%時(shí)的燒成氣氛稱為普通氧化氣氛。墻地磚生產(chǎn)輥道窯一般采用氧化氣氛燒成。

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用何種氣氛制度來燒制陶瓷產(chǎn)品，要根據(jù)配方中原料的組成以及燒制過程中各階段的物化反應(yīng)情況來確定。當(dāng)原料中所含有機(jī)物和碳較少，且粘性低、吸附性弱、含鐵量較高時(shí)，適合于還原氣氛燒成，反之則適合于氧化氣氛燒成。

陶瓷產(chǎn)品在燒成過程中會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如水分的蒸發(fā)，鹽類的分解，有機(jī)物、碳和硫化物的氧化，晶型的轉(zhuǎn)變，晶相的形成等。這些物理化學(xué)反應(yīng)的速度，除了受溫度影響之外，氣氛對(duì)其也有很大的影響，如果控制不當(dāng)，就會(huì)使陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)生黑心、氣泡、針孔（低溫段氧化不足）和色差（燒成氣氛不穩(wěn)定）等各種缺陷。

3 燒成氣氛的控制

燒成氣氛的控制受到窯爐結(jié)構(gòu)和配置設(shè)備的限制，比如窯爐配置各風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小，風(fēng)管直徑的大小，排煙口、抽熱口、抽濕口位置的設(shè)置等，都會(huì)影響到燒成氣氛的控制。但是，最關(guān)鍵的還是根據(jù)窯爐的產(chǎn)量，穩(wěn)定壓力制度，采用合適的燃燒器來穩(wěn)定氣氛狀況。

墻地磚生產(chǎn)輥道窯的預(yù)熱帶，要排走水分和燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣，故壓力比窯外環(huán)境的壓力低，對(duì)比之下窯內(nèi)氣壓處于負(fù)壓狀態(tài)。而在冷卻帶要鼓入冷空氣使制品冷卻，壓力高于窯外環(huán)境，對(duì)比之下窯內(nèi)氣壓處于正壓狀態(tài)。在正負(fù)壓之間有一零壓面，燒成帶處在預(yù)熱帶和冷卻帶之間，因而零壓面的移動(dòng)就會(huì)引起燒成帶氣氛的變化。窯內(nèi)壓力制度的變化（波動(dòng)零壓面的移動(dòng)）會(huì)引起氣氛的波動(dòng)，因此要控制好氣氛，就必須先要穩(wěn)定好壓力制度，而穩(wěn)定壓力制度的關(guān)鍵在于控制好零壓面。

燒成的燃料是否完全燃燒將會(huì)影響到窯爐氣氛，特別是燒成帶的氣氛?？刂坪萌剂系娜紵潭龋强刂聘G內(nèi)氣氛的重要手段。因此要根據(jù)窯爐自身的狀況選用合適的燃燒器和燒嘴火焰長(zhǎng)度，選用合適的燃燒器，也是確保窯爐橫斷面溫差一致，保證產(chǎn)品不存在色差的措施。

4 影響窯爐氣氛變化的因素

在實(shí)際操作中，窯爐操作人員會(huì)因?yàn)橐鉀Q某些燒成問題而改變窯爐的氣氛，從而出現(xiàn)各種問題。

（1）為了提高燒成溫度而改變空氣過剩系數(shù)。

有些企業(yè)為了追求單窯產(chǎn)量的最大化，不斷地加快燒成速度，縮短燒成周期。而操作工最常用的手段就是加大燃料供應(yīng)量，但燃料供應(yīng)量增加后往往沒有及時(shí)調(diào)節(jié)各燒嘴助燃空氣的供應(yīng)量和助燃風(fēng)機(jī)總量，造成燒成氣氛由氧化氣氛變?yōu)檫€原氣氛。

（2）為了解決預(yù)熱帶出現(xiàn)的缺陷而改變其氣氛。

一些操作工為了降低預(yù)熱帶后段的溫度而減小排煙風(fēng)閘的開度，或?yàn)榱颂岣哳A(yù)熱帶的溫度而增加排煙機(jī)的開度，從而影響了窯爐壓力平衡和氣體流速，使預(yù)熱帶的氧化氣氛變化。

（3）為了解決冷卻帶出現(xiàn)的缺陷而改變冷風(fēng)量。

操作人員在加大或減少急冷風(fēng)風(fēng)量時(shí)，燒成帶零壓面也受到影響而移動(dòng)，都會(huì)使窯內(nèi)燃燒氣氛發(fā)生改變。為了穩(wěn)定窯內(nèi)壓力，進(jìn)行上述操作時(shí)必須相應(yīng)調(diào)節(jié)抽熱風(fēng)機(jī)風(fēng)閘的開度，以平衡全窯的氣體進(jìn)出量，穩(wěn)定零壓面。

（4）為了解決產(chǎn)品色差，開大助燃風(fēng)以加長(zhǎng)燒嘴火焰長(zhǎng)度。

產(chǎn)品出現(xiàn)色差，經(jīng)測(cè)溫環(huán)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)窯內(nèi)存在橫斷面溫差問題，操作人員往往采用加大助燃風(fēng)風(fēng)量從而加長(zhǎng)燒嘴火焰來解決，但這樣會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)燃燒氣氛發(fā)生改變。因此應(yīng)更換更合適的燒嘴或采用其它措施解決此問題。

5 燃燒狀態(tài)檢測(cè)與調(diào)節(jié)

任何一種燃料燃燒都需要一定量的氧氣或空氣，燃料的種類和用量確定之后，進(jìn)行燃燒所需要的空氣量是一定的，為保證充分燃燒常常需要比理論值稍過量的空氣。

對(duì)于目前大多數(shù)墻地磚生產(chǎn)輥道窯均采用氣體燃料，燃燒空氣系數(shù)∝值在1.10～1.15即可。若當(dāng)窯爐燒成帶助燃風(fēng)量不足夠，燃料（煤氣）燃燒不完全，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示為窯內(nèi)煙氣含氧量低，CO含量偏高，出現(xiàn)這種情況是煤氣未能完全燃燒而導(dǎo)致的；當(dāng)窯爐燒成帶中燃燒空氣過量，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示為窯內(nèi)煙氣含氧量高、燃燒空氣系數(shù)大，這是因?yàn)檫^量的空氣進(jìn)入燃燒系統(tǒng)，此時(shí)為了保持窯內(nèi)的溫度，就需要過量燃料（煤氣）進(jìn)入燃燒系統(tǒng)，同時(shí)也迫使窯爐的預(yù)熱帶負(fù)壓開得很大來適應(yīng)窯爐運(yùn)行，從而使排煙量增大，窯爐熱損失增大，燃料消耗增加。燃燒空氣系數(shù)與窯爐燃燒效率和窯爐熱損失之間的關(guān)系如圖1所示。

通過合理地調(diào)整窯爐燃燒狀態(tài)，不僅可以解決產(chǎn)品質(zhì)量問題，同時(shí)可以減少窯爐能耗和污染物排放。調(diào)整窯爐燃燒狀態(tài)之前，必須要進(jìn)行窯爐燃燒狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)，掌握窯內(nèi)燃燒狀況，從而根據(jù)所檢測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)窯爐燒成溫度曲線、壓力曲線、氣氛曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，使窯爐燃燒狀態(tài)更加合適，從而減少排煙的熱損失，降低窯爐能耗。

當(dāng)前，墻地磚生產(chǎn)輥道窯普遍仍存在著缺乏燃燒狀態(tài)監(jiān)控儀表的問題，一般只裝備有檢測(cè)溫度的熱電偶和溫控儀表，仍然未裝備窯內(nèi)壓力、窯內(nèi)氣氛檢測(cè)和控制的儀表。目前僅使用便攜式微壓力計(jì)和煙氣成份分析儀沿著窯爐的燒成區(qū)在觀火孔處探入窯內(nèi)逐點(diǎn)逐點(diǎn)測(cè)試窯內(nèi)壓力和煙氣成份變化數(shù)據(jù)。測(cè)試過程的具體操作方法如圖2所示。

其中，便攜式微壓力計(jì)的測(cè)量范圍為0～2000 Pa，數(shù)據(jù)分辨率為1 Pa；煙氣成份分析儀能夠測(cè)量煙氣中O2、CO2、CO成份即可。為了能夠抽取窯內(nèi)的煙氣，可采用一根長(zhǎng)度1 m以上直徑Φ10 mm的瓷管或耐高溫不銹鋼管在觀火孔處插入窯內(nèi)一定深度連接至儀器探頭，并以保溫棉堵塞好瓷管插入處，防止外界空氣漏入，以保證儀器所抽取的煙氣為窯內(nèi)真實(shí)的煙氣。儀器顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄儀器顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄煙氣成份和壓力數(shù)據(jù)。先測(cè)試窯爐的主動(dòng)側(cè)，再測(cè)試被動(dòng)側(cè)，沿著窯爐預(yù)熱帶至燒成帶，從低溫區(qū)至高溫區(qū)選擇12至15個(gè)點(diǎn)測(cè)試。

表1為某企業(yè)的窯爐內(nèi)煙氣成份和壓力數(shù)據(jù)，以表1中的煙氣含氧量數(shù)據(jù)、窯內(nèi)壓力數(shù)據(jù)繪制出窯內(nèi)的氣氛變化曲線、窯壓變化曲線分別如圖3和圖4所示。通過對(duì)表1所測(cè)試的數(shù)據(jù)分析可知：燒成帶低溫區(qū)存在燃?xì)馊紵煌耆那闆r（CO偏高），高溫區(qū)存在空氣系數(shù)偏高的情況；同時(shí)也存在窯內(nèi)低溫區(qū)負(fù)壓偏大，窯爐排煙量偏大的情況。若安排人員查找原因并對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，窯爐能耗仍有降低的潛力。

6 結(jié)語

窯爐燃燒狀態(tài)的調(diào)節(jié)是否合理，是影響窯爐運(yùn)行的重要因素。除了窯爐的設(shè)計(jì)合理和配置的燒嘴合適之外，合理調(diào)節(jié)燃燒狀態(tài)可達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低窯爐能耗的目的。通過對(duì)窯爐燃燒狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，可掌握窯內(nèi)燃燒狀況，指導(dǎo)操作人員對(duì)窯爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。窯爐裝備有實(shí)時(shí)監(jiān)控窯爐內(nèi)壓力變化和燃燒狀態(tài)變化的儀表，隨時(shí)測(cè)取和顯示窯內(nèi)壓力和窯內(nèi)煙氣成份數(shù)據(jù)，以測(cè)取的數(shù)據(jù)通過自控調(diào)節(jié)窯爐燃燒狀態(tài)，將是今后窯爐實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理、智能控制的發(fā)展方向。