燃气隔焰推板窑的设计与调试

吕诗宏，谢骁斐，郭小军，王文学,朱小东

(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，先进耐火材料国家重点实验室,河南 洛阳 471039)

2019年，受某公司的委托，我公司承担了设计温度1 300 ℃、窑长21 m、燃气隔焰推板窑的总承包工作。推板窑用于电子产品原材料的煅烧，该类电子产品原材料烧结用推板窑通常采用电加热，为降低产品生产成本，委托单位要求采用燃气隔焰加热法。并且由于该产品性能的特殊性，隔焰燃烧炉衬结构中不得采用高导热的碳化硅质材料。

经过三个半月的设计及建设，推板窑于2019年5月进行了烘窑调试，顺利达到了1 300 ℃的最高工作温度，窑内温度均匀性、能耗指标、烟气污染物排放数据均符合设计要求。目前，该推板窑已经稳定在1 250 ℃正常生产1年时间，为企业创造了良好的经济效益。

1 推板窑系统简介

推板窑总长度为21 m，内部宽度0.75 m，高度0.32 m，内部为双推板，燃料为天然气，整个推板窑由窑体、推板、匣钵、推车机、转运系统、助燃风机、排烟风机、天然气站和控制系统组成,设计产能为40 kg/h。

(1)预热带长度：9.5 m；

(2)焙烧带长度：5 m；

(3)冷却带长度：6.5 m；

(4)烧嘴数量：12支；

(5)测温元件：焙烧带燃烧室温度控制用S型热电偶12支，炉膛内S型热电偶4支K型热电偶8支；

(6)温度控制精度：≤±5 ℃；

(7)炉内温差要求：≤±10 ℃；

(8)回转系统：采用全自动液压回转系统。

2 推板窑设计要点

在推板窑项目开始实施前，项目组针对本项目的难点进行了分析，主要有以下几点：一是在隔焰燃烧条件下，如何保证炉膛内温差达到要求的±10 ℃；二是燃烧系统如何满足业主要求的节能环保的要求；三是炉衬结构的设计如何充分利用烟气产生的热量。

3 推板窑设计

3.1 烧嘴的布置

设计之初，我公司曾提出过在烧成带两侧布置燃气烧嘴加热的方案，由于炉膛内部宽度较大(双推板)，高度较小，采用两侧加热时，烧嘴的布置空间较小，也不利于热量的传递。考虑到节能和提高传热效率等因素，根据炉内温度均匀性的要求，设计最终选用烧成带推板下部加热的方式。推板窑炉底设有炉底砖一层，炉底砖下部设计隔焰砖一层。炉底砖和隔焰砖交错布置，错缝砌筑，防止烟气直接进入炉膛。隔焰砖为全架空设计，下部为燃烧室。燃烧室内的烧嘴采用左右交错布置的方案，每个温度控制区布置一个烧嘴，测温热电偶安装在烧嘴对面。

3.2 燃烧方式的选择

当前国内的工业窑炉一般都采用连续比例燃烧控制的形式，即通过控制燃料和助燃空气流量来使温度、气氛达到工艺要求。但由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，在大多数工业窑炉中的控制效果不佳[1]。脉冲燃烧技术是提高窑炉温度场均匀性的新型燃烧技术。

大小火脉冲燃烧是根据炉内温度的变化与设定温度的对比，分别调整每区烧嘴的大火和小火工作的时间，保证炉内温度始终与设定温度相一致。另外，由于大小火脉冲燃烧在切换时，炉内烟气的对流换热得到强化，缩小了烟气与制品的温差。

与常规燃烧相比，脉冲燃烧还可以减少NOx的排放量[2]。

根据燃气推板窑对炉温均匀性的要求，对比了连续比例燃烧控制和脉冲比例燃烧控制技术之后，确定采用大小火脉冲比例燃烧方式。

3.3 炉衬结构的设计和内衬材料的选择

烧成带燃烧室为全架空设计，内部设计有纵向的排烟通道。为增大烟气与炉膛的传热面积，烧成带的侧墙设计有夹层结构，燃烧室的高温烟气能够进入侧墙的夹层中，燃烧产生的高温烟气将热量通过辐射和对流的方式传递到炉膛内。燃烧室的高温烟气分别经过炉底的烟道和侧壁夹层烟道送至推板窑的窑头，然后经排烟风机排出。烧成带长度为5 m，12个烧嘴交错布置，测温孔设计在烧嘴的对侧。

燃烧室内部设计有大量的支撑结构，用于支撑推板窑的炉底砖。支撑砖长期经受高温，工作环境较为严酷，设计采用刚玉莫来石材质。炉底砖下部保温层采用MG26莫来石轻质砖和低铁微孔免烧砖，低铁微孔免烧砖具有导热系数小的特点。

为充分利用烟气热量，推板窑的预热带炉底也设计有烟道，并与烧成带炉底烟道相连。隔焰砖和炉底砖设计在烟道上部。

根据推板窑炉膛内最高1 300 ℃的要求，综合考虑隔焰燃烧传热的特点，预估燃烧室内部温度可达1 450 ℃左右，并且受到烧嘴火焰的直接冲击，因此烧成带燃烧室侧壁选用氧化铝空心球砖作为内衬。保温层采用MG26莫来石轻质砖和硅酸铝纤维毡，炉衬总厚度为450 mm。烧成带炉底砖和隔焰砖也采用刚玉莫来石材质，具有热震稳定性好，使用寿命长等特点，能够经受烧嘴大小火脉冲频繁的火焰冲击。

预热带和冷却带炉顶和侧壁隔焰板采用堇青石板，炉低砖和炉底隔焰砖采用莫来石砖。侧墙保温层采用低铁微孔砖和硅酸铝纤维毡。炉顶绝热层采用平铺纤维毯结构。

3.4 管道系统的设计

燃气推板窑设计有天然气管道系统、助燃风管道系统、冷却管道系统和排烟管道系统。每个管道系统都具有较大的可调性，方便根据温度曲线的要求进行调节。分别介绍如下：

(1)天然气管道系统，天然气供应由压缩天然气运输车和减压撬组成，压缩天然气运输车送到厂区后，直接接到天然气减压撬的入口，经过减压和计量后送到车间，天然气站的供气能力为40 N·m3/h。进入车间的天然气压力为0.2 MPa，经继续减压到8 kPa后送到窑前供烧嘴使用。烧嘴前的天然气管道按每个烧嘴一个分区进行设计，有利于提高燃烧室温度的均匀性。每个烧嘴前的天然气管道上都安装有球阀、比例阀和电磁阀。

(2)助燃风管道系统，根据推板窑的特点和温度要求，设计采用冷空气助燃。助燃空气由2台(1用1备)高压风机送到窑前，助燃风机进口安装有消声器来降低车间噪声。每个烧嘴前的助燃风管道上都安装有电动调节蝶阀，根据燃烧室内温度数据自动调节各区阀门的开度。

(3)冷却管道系统分2部分组成。一组设计在冷却带的窑顶，通过窑内热空气的自然排气抽力带动窑内气流对制品进行冷却，风管道采用耐热不锈钢管，根据产品降温曲线，冷却带的窑顶设计了4组抽气冷却管道，4组管道能够通过阀门独立进行控制，排出的热空气经汇总后排出车间外部。另一组冷却管道设计在冷却带的炉底，在炉底砖下部的炉衬内布置有互相连通的冷却风通道，通过布置在两侧墙下部的风口吸入冷空气对炉底进行冷却，冷空气的进风口设计有调节阀门，可以调整吸入的冷空气的数量。炉底冷却风管道排出的热空气通过排烟风机排出厂房外，同时可以起到调节窑头烟气温度的作用。

(4)排烟管道系统设计在推板窑的预热带，燃烧室产生的高温烟气沿炉底砖下部的烟道送到窑头，烟气在流动过程中将热量通过炉底砖传递到炉膛内。燃烧室的末端安装有微差压变送器，用于显示燃烧室的压力，并通过排烟风机的转速对燃烧室内的压力进行自动调节，防止燃烧室的压力过高时烟气进入炉膛内。烟气从炉底烟道首先进入炉墙侧壁的夹层中，然后再进入炉顶的排烟支管，经过汇总后进入排烟风机排空。

3.5 测温及控制系统的设计

炉膛内最高温度要求为1 250 ℃，燃烧室与炉膛之间有2层炉底砖相隔。设计时预估燃烧室内温度为1 400～1 450 ℃，根据计算的功率大小，烧成带底部设计了12个小型高速烧嘴，烧嘴采用大小火脉冲控制方案，每个烧嘴为一个温区，独立控制。

控制系统采用上位机和西门子S7-1500系列PLC来实现温度和压力的自动控制。模拟量输入模块采集当前温度和压力，数字量输出模块控制空气管道上电动调节阀的开闭时间，模拟量输出模块控制变频器转速。上位机监控软件采用西门子公司的WinCC，完成流程组态编程、诊断、工况显示、参数和曲线显示、打印、监控、报警等各种管理功能。

温度控制过程中，PID模块根据设定温度和当前温度之间的差值，计算出在120 s内大火和小火的燃烧时间，通过数字量开关打开和关闭烧嘴前空气管道上的电动调节阀，来调整进入烧嘴的空气量，烧嘴前燃气管道上面的比例阀根据电动调节阀出口的空气压力自动调整燃气的进气量，以适当的空燃比进行燃烧。

转运控制系统采用OMRON小型PLC和触摸屏组成，PLC自动检测推板位置，启动液压泵，控制液压推头等一系列动作，触摸屏具有显示当前工作状态、手动操作、设定参数等功能。

4 调试与运行

燃气隔焰推板窑施工完成后，根据计划进行了烘炉调试工作。调试主要工作就是烧嘴的燃烧以及脉冲开关期间平衡问题。根据烧嘴额定功率首先调整烧嘴达到额定负荷状态下的助燃风总管压力并保持稳定。通过助燃风各支管手动阀调整各个烧嘴确保充分燃烧，空气过剩系数达到1.05～1.1。通过助燃风支管电动执行器限位调整烧嘴最大输出功率90%，最小功率10%，既保证了燃烧室所需热量，同时也保证了在脉冲开关期间烧嘴的稳定连续燃烧。

烘炉升温运行平稳，炉膛内最高温度达到1 250 ℃时，燃烧室温度为1 385 ℃左右，燃烧室与炉膛温差为135 ℃，比预估温差小。

炉内温度均匀性测试结果为：炉膛左右两侧温差为±2 ℃，两层匣钵上下温差为±6 ℃，达到了合同要求的±10 ℃。

正式运行时，烧成带炉膛内温度稳定在1 150 ℃，每20 min转运系统推车一次，每次推4个匣钵，可装载制品15.2 kg，则每小时可生产45.6 kg，每天产能为1 094.4 kg。

4.1 燃烧室压力波动问题

推板窑在调试和生产过程中，出现燃烧室压力波动情况，在各个烧嘴大小火交替燃烧过程中，炉膛压力波动数值通常为-50～50 Pa，炉膛压力波动导致排烟机控制困难。排烟风机转速控制是根据燃烧室的炉膛压力实测数据进行的，当炉膛压力波动时，排烟风机转速调节滞后较多，控制困难。

原因分析：由于炉膛空间狭小，当烧嘴进行大小火交替燃烧时，对炉压的冲击较大。烧嘴满负荷燃烧时烟气量大，炉压高；断开时无烟气，炉压低。因此，炉压随着烧嘴燃烧的大小火变换及通断状态的改变波动非常大[3]。

为尽快解决问题，查阅了相关资料，文献[4]提出：为了避免燃烧室断续供热造成的炉压波动(这给炉压控制带来困难)，采取对各个烧嘴的开关时间及其开关顺序进行控制，即将炉子的各个烧嘴的开关时间错开，保证在任一瞬间开/关烧嘴的数量相同，这就避免了对炉压的冲击。

根据相关文献的建议，我公司调试人员对烧嘴的脉冲控制时序进行了调节，在不影响炉温均匀性的前提下，通过控制程序对各个烧嘴的开关时间进行了调节，使炉膛压力波动情况大幅降低，为炉压的控制提供了保障，顺利解决了问题。

4.2 炉壁温度偏高问题

推板窑运行以后，烧成带炉壁温度比理论计算数值明显偏高，造成工作环境恶化和能量损失，分析原因后认为是燃烧室炉膛压力波动造成的。由于操作过程中，燃烧室压力波动频繁，炉压升高后，部分热烟气通过燃烧室的孔洞外溢，造成炉壁温度升高。

通过对各个烧嘴脉冲控制时间的调节，不仅解决了炉压控制困难的问题，也使炉壁温度逐步恢复正常，接近了理论设计数值。

5 结 论

经过实践，该燃气隔焰推板窑成功实现了窑内温度1 250 ℃，炉膛内温差达到了合同要求的±10 ℃，同时具有能耗低，烟气氮氧化物排放数量少，无需二次治理的特点。

脉冲燃烧控制的火焰炉燃烧系统调试对发挥脉冲系统的优点至关重要，通过控制系统的优化调节，可以有效地发挥脉冲燃烧炉温均匀性的优点，避免了炉膛压力波动，控制困难等缺点的出现。