CN102809285B - 一种大截面高效节能型燃气隧道窑 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大截面高效节能型燃气隧道窑，包括燃烧器、预热带、烧成带和冷却带，隧道窑内横截面的宽×高为1800mm~3500mm×1000~1500mm。所述预热带内部顶端为平顶，烧成带内部顶端为拱顶结构。在烧成带内部的拱顶处设置多个用于阻挡热气流沿着顶拱的内高加速向前的挡板。本发明还对燃烧器、冷却带的散热结构等进行了改造。本发明比原来的隧道窑节能29.3%，有利于企业把烧成成本控制在30%以下，大大提高了能源利用率；另外，宽体隧道窑具有“生产热效率高、多变量耦合智能控制、系统响应速度快、整机操作方便、适合高温助燃”等优点，有利于提高产品烧成合格率和烧成质量。

Description

一种大截面高效节能型燃气隧道窑

技术领域

本发明涉及日用陶隧道窑技术领域，具体涉及一种大截面高效节能型燃气隧道窑。

背景技术

我国是陶瓷生产大国，日用陶瓷和卫生陶瓷的产量均居世界第一。但是中国陶瓷工业的能源利用效率普遍较低，差距较低，能源利用效率仅达到28%～30%，其主要原因是陶瓷生产的主要耗能设备窑炉的生产热效率低；国内日用陶瓷燃气隧道窑的烧成工序能耗平均水平为29271～39725KJ/Kg瓷，而先进国家平均水平仅为12549～39725KJ/Kg瓷，烧成工序能耗只有我国的一半左右。窑炉的能耗水平主要取决于窑炉结构和烧成技术。目前已有的日用陶隧道窑的结构设计、烧成技术和余热利用均存在不足。

例如，现有的日用陶隧道窑内截面（宽×高）为1000～1200mm×800～1000mm，散热占总输入热耗较大（20～25%）。现有的日用陶隧道窑普遍采用单一的平顶结构或拱顶结构。

在烧成技术上，现有的机械助燃旋流燃烧器很多，基本上都是燃气在旋流风板送风一侧喷出，与送出的空气混合的同时燃烧，混合性能差且时间短，易造成燃气裂解，积碳，影响燃烧效果。在火焰控制方面，由于窑炉燃烧工况实时多变，当要求升温速度快、装载重量大，需加大燃气，提高燃烧器功率。目前，多采用仪表带动执行机构控制燃气送气量的大小，实现控温。但是，当燃气量增大，则空气比例变小，影响燃烧，当燃气量变小，则空气过剩，浪费热源。

现有隧道窑烧成带与冷却带交接处多为压力平衡点，即交接点处气流互不流动，因此，余热没有得到更好的利用。

在隧道窑冷却带产品冷却中，目前基本上都是利用窑体耐火材料表面散热达到降温的目的，这样，要不就是延长冷却带长度，增加窑长；要不就是降低行车速度，减少产量，增加单位产品能耗，另一方面，也有采取强制降温的方法，即直接往窑内抽取热气，这样干扰窑内气流，影响烧成。

因此，优化结构设计、采用先进烧成技术、余热回收循环利用、自动监控控制技术是隧道窑技术改造的重点方向，对推动陶瓷行业的节能减排具有十分重要的战略意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种大截面高效节能型燃气隧道窑，具体技术方案如下。

一种大截面高效节能型燃气隧道窑，包括燃烧器、预热带、烧成带和冷却带，所述隧道窑内横截面的宽×高为1800mm~3500mm×1000~1500mm，优选2380mm×1220mm。

进一步优化的，所述预热带内部顶端为平顶，所述烧成带内部顶端为拱顶结构，所述拱顶中心的高度大于所述平顶的高度。

进一步优化的，在烧成带内部的拱顶处设置一个以上的用于阻挡热气流沿着顶拱的内高加速向前的挡板。

进一步优化的，所述挡板的上端与拱顶连接，挡板下端靠近隧道窑内产品装载的上平面。

进一步优化的，所述挡板为垂直向下且与隧道窑横截面平行。

进一步优化的，所述燃烧器为燃气燃烧器，所述燃烧器为燃气燃烧器，燃气燃烧器包括燃气通道、空气通道和燃气与空气的预混区；空气通道位于燃气通道的外侧，燃气通道一端与气源连接，燃气通道另一端接燃气与空气的预混区，预混区的外侧壁上设有旋流风板，旋流风板位于空气通道中；位于旋流风板一侧的预混区外侧壁上开有供空气通道中的部分空气进入并与燃气通道中的燃气进行预混的空气入口，旋流风板另一侧的预混区外侧壁上开有供预混后的混合气输出并与旋流风板上输出的空气混合的混合气出口。

进一步优化的，燃气通道上设有用于检测空气通道中的空气压力并根据空气压力调节燃气通道流量的空气/燃气比例阀，按比例调节燃气量。

进一步优化的，还包括用于在冷却带自窑后往前进行轴向强制送风的风机。

进一步优化的，在冷却带处的窑体内层墙和内层顶部采用金属波纹板，将窑炉内腔与外部隔离，窑体外层采用耐火材料，确保热量不往外部空间散发，且窑体外层耐火材料与金属波纹板之间留出间隙作为气流通道，在气流通道底部的耐火材料下端开有与外部空气相通的开口。

进一步优化的，隧道窑中的温度和空气压力调节由PLC控制，PLC还控制进窑输送车、窑炉前端窑车、窑炉后端窑车的自动接驳和回车输送。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明对窑体结构、燃烧系统、精准及智能控制、余热利用等多方面进行设计，大大提高了能源利用效率。本发明采用大截面设计，对预热带、烧成带和冷却带的结构进行改进，回收余热用于热空气助燃，提高了能源利用率。本发明进一步安装空气/燃气比例阀和具有良好预混或半预混功能的燃烧器，使得能源利用率进一步提高。以1座68.5米长宽断面（1.8米）日用陶瓷燃气隧道窑为例，隧道窑生产热效率≥38%，单窑年节能折标煤915.3吨（相当于减少排放2288.25吨二氧化碳）。烧成工序能耗≤9000KJ/Kg瓷，比原来的隧道窑节能29.3%，有利于企业把烧成成本控制在30%以下，大幅提高企业的经济效益；另外，大截面隧道窑具有“生产热效率高、多变量耦合智能控制、系统响应速度快、整机操作方便、适合高温助燃”等优点，有利于提高产品烧成合格率，提高产品的烧成质量，多产出高档产品。 

附图说明

图1a和图1b分别为现有的日用陶隧道窑和实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑的预热带内截面示意图。

图2a和图2b分别为现有的日用陶隧道窑和实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑的预热带及烧成带的轴向截面示意图。

图3a和图3b分别是现有的日用陶隧道窑和实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑的燃烧器部分结构示意图。

图4a和图4b分别为现有的燃烧器火焰控制结构示意图和实施方式中大截面高效节能型燃气隧道窑的燃烧器火焰控制结构示意图。

图5a和图5b分别为现有的日用陶隧道窑和实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑的冷却带内结构示意图。

图6为实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑的冷却带散热结构示意图。

图7为大截面高效节能型燃气隧道窑的一种总体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1a，目前日用陶隧道窑内截面（宽×高）为1000～1200mm×800～1000mm，如图1b本实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑内截面（宽×高）为1800mm~3500mm×1000~1500mm，其中宽4为宽体结构，宽×高优选2380mm×1220mm，根据GB/T23459-2009标准的测试方法，以隧道窑窑体表面散热量的测试及计算所知，一般隧道窑墙体散热占总输入热耗的20～25%，而本实施方式进行大截面设计后，可降低至16%左右。                           

本实施方式中的大截面高效节能型燃气隧道窑采用平顶、拱顶5和挡板6巧妙结合的方案。隧道窑气流走向特点是：烧成带高温烟气流向预热带，且预热带热气容易上升往内腔的上半部流动，所以，预热带如果砌成拱形（如图1a和图2a），拱顶5部分高于拱角1所在的高度，增加了中心的内高，而产品3的装载一般上部为平面型，造成了产品3的装载高度与拱形顶孔隙2过大，热气流上浮后流出窑外，既增加了热量损失，又增加了上下温差。如图1b和图2b所示，预热带采用平顶，内高贴近产品装载的上平面，减少了上部孔隙而增加气流阻力，迫使气流往下前行，将烟气热量交换给窑坯体，并提高了装载截面的下半部温度，缩小预热带上下温差。 

目前，对于个别有特殊要求的隧道窑，其内宽度也有大于1000mm，当宽度较大时，其窑顶自头到尾仍全部使用平顶，容易造成烧成带截面温差。如图2b本实施方式的烧成带采用拱顶结构，一方面增加使用的可靠性，另一方面温差小，提高了烧成合格率，节能。窑炉烧成带窑顶本来是可靠性较薄弱的部位，如使用平顶，除易于下沉外，还容易造成垂直缝隙，造成热气穿透，因此，烧成带窑顶（非全部窑顶）采用拱形，受力集中在窑墙拱角1处，拱砖始终存在侧向夹紧力，牢固性好。另一方面，在烧成带的窑炉的热传递中，高温主要靠辐射，采用平顶时，辐射面积小，且只有垂直向下，若采用拱顶，则辐射面积大，且优选拱顶横截面的内边缘为抛物线形，射向装载截面中心，温度均匀。 

由于本发明采用大截面时拱高较大，造成拱内高与装载产品上平面孔隙较大，有可能出现上部气流流速高，本设计在烧成带沿差窑长方向设置多道挡板6，挡板从拱内高垂直向下安装到接近产品装载的上平面，这样一方面限制热气流7沿着拱的内高加速向前流动。另一方面，改变了气流7的走向，气流7在没有挡板位置流线向上、向前几何又叠加，碰上挡板时流线垂直向下渗入装载截面中间，随后在装载截面中间向上、向前几何叠加，形成“S”型气流走向，达到很好的温度均匀效果。 

如图3a，目前机械助燃旋流燃烧器很多，基本上都是燃气302在旋流风板301送风一侧喷出，与送出的空气303混合的同时燃烧，混合性能差且时间短，易造成燃气裂解，积碳，影响燃烧效果。如图3b，本实施方式中，燃气通道一端接气源，另一端接燃气与空气的预混区，预混区的外侧壁上设有旋流风板301，旋流风板301位于空气通道中；位于旋流风板301一侧的预混区外侧壁上开有供空气通道中的部分空气303进入并与燃气通道中的燃气302进行预混的空气入口，旋流风板另一侧的预混区外侧壁上开有供预混后的混合气304输出并与旋流风板上输出的空气混合的混合气出口。本发明在旋流风板前端面将燃气与部分空气先预混，在风板送风一侧喷出是混合气，使混合良好，燃烧完全。

在燃烧器火焰控制方面，由于窑炉燃烧工况实时多变，当要求升温速度快、装载重量大，需加大燃气，提高燃烧器功率。如图4a，目前多采用仪表TC带动执行器401控制燃气阀402来控制燃气送气量的大小，实现控温。但是，当燃气量增大，则空气比例变小，影响燃烧，当燃气量变小，则空气过剩，浪费热源。如图4b，本实施方式不采用直接控制燃气，而采用控制空气，让空气先导后，通过空气/燃气比例阀403取空气压力信号并根据空气压力大小来控制燃气的流量大小，按比例调节燃气量，实现火焰燃烧状况稳定。 

如图5a，现有隧道窑烧成带与冷却带交接处多为压力平衡点501，即交接点处气流互不流动，余热503在风扇504的吹动下从窑顶502上的孔隙流出。如图5b本实施方式通过窑尾风机507在冷却带自窑后往前轴向强制送风，使经加热之后的高温空气，越过上述交接处，直接进入烧成带，实现余热窑内直接回收利用，节能效果明显。 

在隧道窑冷却带产品冷却中，基本上都是利用窑体耐火材料表面散热达到降温的目的，这样，要不就是延长冷却带长度，增加窑长；要不就是降低行车速度，减少产量，增加单位产品能耗，另一方面，也有采取强制降温的方法，即直接往窑内抽取热气，这样干扰窑内气流，影响烧成。如图6，本实施方式中冷却采用金属内墙马福壁式金属换热器，即窑体内层墙及内层顶部采用金属波纹板505，将窑炉内腔与外部隔离，窑体外层采用耐火材料506，确保热量不往外部空间散发，且耐火材料与金属波纹板之间留出间隙作为气流通道，通道底部在耐火材料下端开口与外部相通，冷却时，从耐火材料与金属波纹板之间的上部孔隙抽热气，通道底部的下端吸入外界的空气508，沿孔隙冲刷金属波纹板的外表面，带走热量，实现热交换，这样既达到快速降温的目的，又不干扰窑内气流，同时，余热得到充分的回收利用。  

现行隧道窑，多采用温度调节仪控制各温区的温度，本设计采用PLC一体化控制，除了温度自控，设置了进窑输送车、窑炉前后端窑车自动接驳、回车输送，实现窑车闭环逻辑运行。同时，设置窑炉运行显示、运行记录、自动保护、故障指示等一体化功能。PLC还控制进窑输送车、窑炉前端窑车、窑炉后端窑车的自动接驳和回车输送。

如图7，为本发明大截面高效节能型燃气隧道窑的一种总体结构示意图。其中预热带709长为8160mm，烧成带710长为26520mm，冷却带711长为28560mm。预热带上方设有烟囱风机704，用于抽除燃烧时产生的挥发物；烧成带710中设有多个燃烧器702，燃气通道与燃气电磁总阀703连接且设有燃气压力表701；烧成带710中还通过助燃风机706和空气通道引入燃烧用的空气；烧成带710内部上方沿差窑长方向还设置多道挡板6；冷却带711中通过急冷风机707引入冷却空气，冷却带711上方还设有引风风机708，用于抽除冷却带中内层金属波纹板与外层耐火材料之间的热气；冷却带711的窑尾处设有窑尾风机507，用于在冷却带711自窑后往前轴向强制送风，使经加热之后的高温空气，越过上述交接处，直接进入烧成带710，实现余热窑内直接回收利用。

实例：采用以上方案对现有2座老式68.5米长日用陶瓷燃气隧道窑（断面为1米）进行改造，建设1座68.5米长宽断面（1.8米）日用陶瓷燃气隧道窑。改建后，隧道窑生产热效率≥38%，单窑年节能折标煤915.3吨，比原来的隧道窑节能29.3%，有利于企业把烧成成本控制在30%以下，大幅提高企业的经济效益；另外，宽体隧道窑具有“生产热效率高、多变量耦合智能控制、系统响应速度快、整机操作方便、适合高温助燃”等优点，有利于提高产品烧成合格率，提高产品的烧成质量，多产出高档产品。

Claims (7)

1.一种大截面高效节能型燃气隧道窑，包括燃烧器、预热带、烧成带和冷却带，其特征在于所述隧道窑内横截面的宽×高为1800mm~3500mm×1000~1500mm；所述预热带内部顶端为平顶，所述烧成带内部顶端为拱顶结构，所述拱顶中间的高度大于所述平顶的高度；在烧成带内部的拱顶处设置一个以上用于阻挡热气流沿着顶拱的内高加速向前的挡板；在冷却带处的窑体内层墙和内层顶部采用金属波纹板，将窑炉内腔与外部隔离，窑体外层采用耐火材料，且窑体外层耐火材料与金属波纹板之间留出间隙作为气流通道，在该气流通道底部的耐火材料下端开有与外部空气相通的开口。

2.根据权利要求1所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征是所述挡板的上端与拱顶连接，挡板下端靠近隧道窑内产品装载的上平面。

3.根据权利要求1所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征是所述挡板为垂直向下且与隧道窑横截面平行。

4.根据权利要求1所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征是所述燃烧器为燃气燃烧器，燃气燃烧器包括燃气通道、空气通道和燃气与空气的预混区；空气通道位于燃气通道的外侧，燃气通道一端与气源连接，燃气通道另一端接燃气与空气的预混区，预混区的外侧壁上设有旋流风板，旋流风板位于空气通道中；位于旋流风板一侧的预混区外侧壁上开有供空气通道中的部分空气进入并与燃气通道中的燃气进行预混的空气入口，旋流风板另一侧的预混区外侧壁上开有供预混后的混合气输出并与旋流风板上输出的空气混合的混合气出口。

5.根据权利要求4所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征在于燃气通道上设有用于检测空气通道中的空气压力并根据空气压力调节燃气通道流量的空气/燃气比例阀。

6.根据权利要求5所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征是还包括用于在冷却带自窑后往前进行轴向强制送风的风机。

7.根据权利要求1～6任一项所述的大截面高效节能型燃气隧道窑，其特征是隧道窑中的温度和空气压力调节由PLC控制。

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