CN101939607B - 改进的焙烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于工业炉焙烧器(16)的改进的焙烧系统，更具体地是用于用来烧成陶瓷材料的隧道型炉，以在烧成负载(10)(例如，地面砖、瓷砖、卫生材料、耐火材料、瓷器、绝热体、磨石、餐具陶瓷、红色陶瓷和通用陶瓷)的过程中通过这些炉提高热效率并减少消耗，通过使用火焰旋转系统，通过将火焰分成更小的间歇火焰来提供辐射火焰表面。

Description

改进的焙烧系统
技术领域
本发明涉及工业炉焙烧器(burner)中的改进的焙烧系统，更具体地是用于用来焙烧陶瓷材料的隧道炉。
背景技术
隧道炉(也叫做台车炉(trolley furnace))在现有技术中是广为人知的，并且数十年来已被用来烧成陶瓷产品、耐火材料等。
这些炉基本上如下操作：陶瓷产品、耐火材料等(在下文中称做“负载(load)”)以“原材料”的形式进入炉的一端，并向前移动至相对端，在相对端处，它们以“烧成品”的形式出来。然而，对于每种待烧成的产品，在炉的每段中细分而具有不同的理想内部温度曲线，以使材料具有期望的结构特性。例如，对于耐火粘土，温度应在1000℃左右。对于卫生陶瓷，温度应在1200℃左右。还可发现其它温度，例如，对于硬质餐具瓷器温度是1450℃，对于高铝材料温度是1600℃，并且，对于碱性砖(在鼓风炉中使用)温度高达1850℃。
与间歇式炉(intermittent furnace)相比，这些隧道炉具有非常好的热效率。这归因于许多因素，其中的事实是，与间歇式炉中发生的情况不同，隧道炉的隔热层(insulation)不需要加热。
如上所述，如同在传送带中一样，台车中的材料负载进入炉，并从炉的一端连续地向前移动至另一端，穿过具有不同温度的若干个区域，直到产品完全烧成且固化(cured)为止。在炉的第一区域中，原材料穿过预热区，在该预热区，炉通常具有仅在负载的下部(在台车的上隔热层与负载支撑板的下表面之间)工作的焙烧器。
负载所穿过的第二区域是主烧成区(firing zone)，该主烧成区通常在负载之上和之下的两个水平面上具有焙烧器。
在离开烧成区后，负载穿过过渡台(transition stage)，然后进入快速冷却区域。
在不具有焙烧器的该冷却区域中，冷空气在负载之下和之上直接喷入炉内。
负载所穿过的第四区域是叫做缓慢冷却区的过渡区，该过渡区在第五(是最后一个)区域之前，在第五区域处，通过再一次喷射大量空气以将烧成的负载冷却至室温来进行最终冷却。
一些现有技术文献教导了工业炉及其相应的焙烧器的实施。然而，其目的与本发明的目的根本不相似。1977年9月20日提交的文献GB 1,559,652描述了一种适于烧成陶瓷材料的加热炉(oven)，明显地以高热效率为目的，其中，陶瓷物品各自沿着加热炉前进。然而，其在具有旋转辊的加热炉中使用，该旋转辊转动以使物品(负载)前进。然而，这些加热炉不会降低气体燃料(gas)消耗，并且甚至未提及焙烧器的使用。现在仍然使用类似这样的加热炉，但是它们通常会产生问题，这是为什么不再建造这种类型的双辊道式加热炉的原因。
1991年6月27日提交的文献GB 2,245,693描述了用于烧成陶瓷产品的辊道窑，其中，窑道被再分成一个或多个由碳化硅板元件制成的中间顶(intermediate ceiling)，并且，焙烧器被引入由中间顶分隔的空间中，以便直接施加热量。然而，此文献针对的是用于细粒产物的辊道窑所出现的具体问题。此外，其目的并不在于减少气体燃料(通常在此类型的炉中使用的燃料)的消耗。
1989年10月11日提交的英国文献GB 2,224,105也涉及工业炉。此炉具有多个焙烧器，其中，根据炉的气体燃料成分的含量，可利用二次空气以可控的量来供应焙烧器火焰的区域。此文献针对的是将二次空气喷入传统的焙烧器。现在仍广泛使用，但仅是在间歇式炉中而且用于细粒产物。二次空气降低了火焰温度并增大了炉内的气体燃料体积，使得其均匀(homogenous)。与本发明的目的相反，气体燃料消耗大幅度增加。
在1985年11月16日的美国专利4,884,969中发现另一种已有的解决方案。此文献描述了用于陶瓷产品的隧道窑，其包括加热部分、烧成部分和冷却部分，其中，通过气体燃料传送装置从所述冷却部分的区域获得气体燃料，并将气体燃料传送至所述烧成部分，由此将至少一个附加焙烧器布置在所述烧成部分与所述冷却部分之间的过渡区域中。此文献具有与本发明的理念相似的理念，即其利用来自窑底部的清洁空气作为燃烧和有效空气。第一重要差异在于这样的事实，本发明仅在以下两个区域中具有若干焙烧器/喷射器：第一个区域，其具有4个喷射器并位于快速冷却区之后，具有使温度均匀并在点燃后加热窑炉的用途；以及第二个区域，其具有8个喷射器并位于烧成区与快速冷却区之间的过渡区域中。此外，本发明在烧成区中使用传统的焙烧器，并在12个其它喷射器中包括不同的焙烧器，如图8所示。第二重要差异在于这样的事实，此现有技术文献未公开火焰“旋转(rotation)”。对于静态火焰，局部温度会非常高，而在产品上留下痕迹并使喷射器的气体燃料出口破裂。另一方面，本发明提出将所有喷射器沿着烧成区放置并利用火焰旋转。此特征很重要，不会仅在一个地方燃烧所有的氧气。
发明内容
考虑到所述问题，并且，为了克服这些问题，本申请提出一种旨在将工业炉中的负载烧成和固化工艺中的燃料消耗降低大约30％的系统。
本发明的另一目的是，通过使用火焰旋转来避免在火焰形成的位置处的局部加热，并由此避免最终产品中的不期望的痕迹和喷射器的破裂。
附图说明
图1示出了传统工业炉的烧成区的横截面图；
图2示出了工业炉的不同区域和卫生材料的特定烧成曲线图；
图3示出了炉的预热区；
图4示出了炉的烧成区；
图5示出了炉的快速冷却区、缓慢冷却区和最终冷却区；
图6示出了具有改进的焙烧系统的炉的烧成区的横截面图；
图7示出了具有改进的焙烧系统的炉的烧成区的外部视图；
图8A至图8F示出了隧道炉喷射器的平面图，其中火焰以渐进的时间间隔旋转地燃烧；以及
图9A和图9B分别示出了通过水套和通过空气套来冷却的焙烧器喷射器冷却系统。
具体实施方式
从以下对附图的详细描述可以更好地理解这里提出的系统。
图1示出了传统工业炉的烧成区的横截面图。负载10(即，陶瓷产品，耐火材料等)以“原材料”的形式进入炉，并在炉内部向前移动数小时，并在相对端处以“烧成品”的形式出来。对于每种产品，在炉的每个部分中存在内部温度曲线，以使材料具有期望的特性。如可在图2中看到的，负载在炉内向前移动，并穿过不同的区域和温度。图2中下部的图表示出了用于卫生材料的典型的温度曲线。
炉在侧部和顶部上具有陶瓷隔热层15。所述隔热层15的厚度取决于隔热层的特性并取决于该区域中的温度。返回图1，在炉的下部，由台车13提供隔热层，台车是具有钢架构和铸铁轮的非常坚固的结构。这些台车被定位为从炉的入口到出口一个接一个。仅需要用液压缸推动第一台车，以使整个台车系向前移动一个位置。推动台车的缸体的向前移动速度取决于待烧成的材料。
负载10的支撑板11的隔热层和支撑柱12放置在钢架构上。为了防止气体燃料通过台车的侧边进出炉，台车具有沿着由沙子填充的槽滑动的裙部14。
与间歇式炉相比，这些隧道炉具有非常好的热效率。这归因于许多因素，其中的事实是，与间歇式炉中发生的情况不同，隧道炉的隔热层不需要加热。此外，如上所述，与在传送带中一样，台车中的材料负载进入炉，并从炉的一端连续地向前移动至另一端，穿过具有不同温度的若干个区域，直到产品完全烧成且固化为止。
在炉的第一区域中，如可在图3中看到的，台车上的原材料穿过预热区，在该预热区，炉通常具有仅在负载的下部(在台车的上隔热层与负载支撑板的下表面之间)工作的焙烧器。
在第二区域中，根据图4，负载穿过主烧成区，该主烧成区通常具有位于负载之上和之下的两个水平面上的焙烧器16。所产生的燃烧气体燃料在相反的方向上移动，并被入口中的炉抽力20吸出(在图3中示出)。
在离开烧成区后，负载移动至分区域，穿过短的过渡区，然后移动至第三区域，快速冷却区23。此冷却区域没有焙烧器，并且，在此处，冷空气在负载之下和之上直接喷入炉内。
负载所穿过的第四区域是叫做缓慢冷却区的过渡区，该过渡区在第五(最后一个)区域之前，在第五区域处，通过再一次喷射大量空气以将烧成的负载冷却至室温来进行最终冷却。在图5中示出了这三个最后的区域，快速冷却区、缓慢冷却区和最终冷却区。
如可从上面的描述注意的，空气及其温度是完美地固化待烧成材料的关键因素，尤其是冷却空气。部分空气在炉的出口处通过热空气抽吸系统21被吸出。然而，大量空气在炉的入口处由炉抽力吸出。精确地，由炉抽力吸出的空气将隧道炉与间歇式炉完全区分开。
基本上，当空气第一次穿过与炉的入口相对的端部进入炉内时，此空气是冷的，并且，当空气沿着与负载相反的方向向前移动时，其通过热交换“吸收”材料的热温度并冷却负载。所有这些“冷的”和纯净的空气(大约21％的氧气)到达主烧成区，该主烧成区的温度比产品的烧成温度稍低(差异大约是30℃)。应该指出，这些空气的大约90％在负载之上和之下向前移动。这些热量(流速×温度×比热)的大部分用来加热负载。在间歇式炉中未发现这些空气。
换句话说，这些炉是大的热交换器，其中，负载从入口移动至出口并且气体燃料从出口移动至入口。
现在使用的隧道炉的焙烧器被分成烧成组，如图1的横截面图所示。隧道炉具有3至11个烧成组。炉的每个模块是大约2至3m长，并且，炉的相同侧上的焙烧器隔开0.75至1.5m的间隔。然而，相对侧上的焙烧器不对齐。
每个传统的焙烧器喷射过量空气系数(air excess factor)在大约0.8至1.15(正常变化)范围内的气体燃料和空气。这表示，例如，为了燃烧1m3的天然气，最少需要8.5m3的空气体积，以获得化学计量的燃烧(过量空气系数＝1)。因此，这表示，对于每m3的气体燃料，传统的焙烧器喷射气流速度从0.8×8.5＝6.8到1.15×8.5＝9.77m3变化的空气。
通常，将冷的环境空气喷入焙烧器。一些炉(主要是高温炉)具有回收系统(recovering system)，以将燃烧空气预热至高达400℃的温度。此预热的主要目的是节约能量。燃烧空气的温度越高，火焰的温度越高且达到相同温度所需的气体燃料体积越小。在离解作用(dissociation)下，绝热火焰温度从1971℃(空气为25℃)达到2543℃(空气为1100℃)。
理想地，从理论角度来看，不应将冷的燃烧空气直接喷入传统的焙烧器，并且，应将冷却处理产生的“预热”空气作为燃烧空气。基本理念将是，用喷射纯净气体燃料或喷射具有大约从0.1至0.2的过量空气系统的气体燃料的若干个喷射器代替传统的焙烧器。然而，实际上这不可能实现，主要是由于两个因素：在形成火焰的位置的过热和由于气体燃料爆裂而阻塞气体燃料出口。
为了解决第二个问题，可设计特殊的气体燃料出口，并且，可一直使用冷却水直到出口，等等。但是，对于局部火焰过热问题，本发明提出用辐射火焰表面解决该问题，通过将火焰分成若干股较小的间歇火焰，而不是将火焰集中在单个固定位置。
代替在烧成区(温度高于800℃)中使用传统的焙烧器，本发明寻求实现喷射纯净气体燃料或具有非常少量的空气的气体燃料的若干个喷射器17，由此提供脉动烧成，如图6所示。
将控制装置(优选地是电磁阀，但不限于此)插入每个喷射器中，使得喷射器响应于具有专用软件的可编程逻辑控制器(PLC)的信号而旋转地工作。这避免出现局部过热。图7示出了包括多个喷射器的炉及喷射器的布置的外部视图。
图8A至图8F示出了交替地且旋转地烧成的炉的喷射器。在图8A中，在号码从20至39的喷射器中，在瞬时t1工作的喷射器焙烧器(injector burner)是号码20、25、30和35。在瞬时t2＝t1+1，将之前工作的喷射器关闭，并且，喷射器22、27、32和37开始工作-图8B。在瞬时t3＝t2+1，关闭之前的喷射器，并且，以下喷射器24、29、34和39开始烧成，等等，直到瞬时t6，如图8F所示，其对应于从t1开始的循环的重新开始。该时间由可编程逻辑控制器(PLC)控制，并可根据需要设置间隔t。
此外，为了避免气体燃料爆裂，可以通过使用冷却装置18(优选地是水套)，或通过使少量空气循环通过喷射器，来冷却喷射器的末端。此冷却系统在图9A和图9B中示出。类似地，为了提高热效率，还可以改进炉的冷却区域，以便通过在出口处再循环空气和通过在快速冷却风扇中使用从炉底部重新获得的空气，来获得更多空气和进入烧成区的空气的更高温度。这通过将再循环装置定位在炉出口的顶部上来实现，由此大幅度提高冷却空气的温度。此方法与增大炉的尺寸类似，仿佛将炉的出口端“展开”一样。
增加热空气量的另一种可能性是，通过在快速冷却风扇中使用预热空气而不是使用冷空气。应该指出，此空气可在炉的出口处从热空气去除。
应该进一步指出，本发明也可在辊道炉中实现。
因此，应该理解，本发明的主题及其上述组成部分是一些优选形式的一部分和会发生的情况的实例的一部分，然而，本发明主题的实际范围在权利要求中定义。

Claims (10)

1.一种改进的陶瓷材料焙烧系统，包括具有隔热壁(15)并被分成具有不同温度的不同区域的炉，所述焙烧系统的烧成区进一步包括被分成多个组的多个喷射器(16)，每个喷射器都包括控制装置，其特征在于，所述多个组的喷射器响应于控制装置的信号交替地且旋转地工作，以防止局部过热；并且
其中，所述焙烧系统进一步包括位于炉的出口处并朝向烧成区的空气再循环装置，以利用高温空气反馈来提高热效率。
2.根据权利要求1所述的改进的焙烧系统，其特征在于，每组喷射器由具有专用软件的可编程逻辑控制器(PLC)启动。
3.根据权利要求1所述的改进的焙烧系统，其特征在于，所述炉为隧道型的或辊子型的工业炉。
4.根据权利要求1所述的改进的焙烧系统，其特征在于，所述喷射器喷射纯净气体燃料或具有少量空气的气体燃料。
5.根据权利要求1所述的改进的焙烧系统，其特征在于，所述多个喷射器中的每个喷射器的末端由冷却装置(18)来冷却。
6.根据权利要求5所述的改进的焙烧系统，其特征在于，所述冷却装置(18)是水套或少量空气的循环。
7.根据权利要求1所述的改进的焙烧系统，其特征在于，所述控制装置是电磁阀。
8.一种用于控制炉中的焙烧系统的方法，具有隔热壁(15)的所述炉被分成具有不同温度的不同区域，所述焙烧系统包括被分成多个组的多个喷射器(17)，每个喷射器包括控制装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)在瞬时t1启动一组喷射器；
b)在瞬时t2＝t1+1启动另一组喷射器，同时关闭前一组喷射器；
c)通过在相对于前一瞬时增加的瞬时重复步骤a)和b)来旋转待启动的喷射器组，直到瞬时tn为止，其中，n是喷射器组的总数；
d)在以t1开始的回路中重新开始循环。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在瞬时tn和t1启动同一组喷射器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，旋转喷射器组的步骤以下面的步骤为条件：通过输出由可编程逻辑控制器(PLC)产生的信号来启动每组喷射器，以控制同步性并防止局部过热。
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