CN106444914B - 一种隧道窑环境调节方法及窑内温度自调节装置 - Google Patents

一种隧道窑环境调节方法及窑内温度自调节装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道窑环境调节方法及窑内温度自调节装置。调节方法包括以下几个步骤：S1、在隧道窑内设置环境信息采集设备，环境信息采集设备用于采集隧道窑内待调节环境的环境参数，并将所述环境参数发送至控制器；S2、所述控制器根据所述环境信息采集设备所采集的环境参数，生成环境调节指令，并将所述环境调节指令发送至环境调节执行机构；S3、所述环境调节执行机构根据所述控制器发送的环境调节指令，对隧道窑内环境进行调节。本发明方法可以控制隧道窑的调温烧嘴角度、燃气喷射速率、调温烧嘴角速率、窑尾鼓风速率等，进行多种类耐火材料的烧结研究，增加研究的多样性。

Description

一种隧道窑环境调节方法及窑内温度自调节装置
技术领域
本发明涉及一种隧道窑环境调节方法及隧道窑。
背景技术
原有隧道窑的烧嘴直接安装在隧道窑两侧或者窑顶，烧嘴的位置是固定不变即烧嘴角度不可以调节，两侧窑墙以及窑顶都是耐火材料堆砌。原有的隧道窑温度只能通过改变空气与燃气的喷射速度以及粗放式调节窑内鼓风速度来改变窑内温度。其致命的缺点是：
一、原有的隧道窑通过改变空气与燃气速度来改变窑内温度，烧结温度变化范围较大，气体流速变化范围也不可精确控制，影响耐火材料的烧结质量。
二、原有的隧道窑在燃烧过程中燃气与空气不易湍流即不易充分混合，燃烧不够充分，并且在过程中还有大量的污染气体生成，污染气体的生成量也不易控制。
三、原有的隧道窑智能化程度低，不能实时根据窑内温度的变化调节空气与燃气的速度比，烧嘴角度的调节等。
四、原有的隧道窑在烧结耐火材料时窑内上下温差大，采取多种措施降低窑内温差的效果不明显。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种隧道窑自动调节温度研究平台，采用PID控制器控制隧道窑的调温烧嘴角度、燃气喷射速率、调温烧嘴角速率、窑尾鼓风速率等，可以进行多种类耐火材料的烧结研究，增加研究的多样性，与原有的隧道窑相比温度调节精度高、效率高、执行机构反应速率快、自动化程度高、污染性低，具有较高环保性与节能性。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
一种隧道窑环境调节方法，包括以下几个步骤：
S1、在隧道窑内设置环境信息采集设备，环境信息采集设备用于采集隧道窑内待调节环境的环境参数，并将所述环境参数发送至控制器；
S2、所述控制器根据所述环境信息采集设备所采集的环境参数，对系统参数进行调整，生成环境调节指令，并将所述环境调节指令发送至环境调节执行机构；
S3、所述环境调节执行机构根据所述控制器发送的环境调节指令，对隧道窑内环境进行调节；所述环境调节执行机构包括：设置在窑体两侧的调温烧嘴以及设置于窑体尾部的鼓风机；
所述环境信息采集设备包括多种类型的传感器，当单位时间内，控制器根据各传感器实时反馈的环境情况与用户设置值的差值小于预设范围时，生成指示所述调温烧嘴以及鼓风机停止工作；否则，生成指示调节所述调温烧嘴的角度、烧嘴燃气喷射速率、烧嘴转动的角速度以及鼓风机的鼓风速率。
进一步的，同一类型的所述传感器有多个，多个所述同一类型的传感器在隧道窑中以最大广度分布。
进一步的，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、烟气流速传感器和烟气浓度传感器。
进一步的，所述温度传感器为热电偶温度传感器，通过热电偶温度传感器反馈Ti值，将Ti值与窑内温度T的差值进行比较，如果反馈到控制器为最大低温差，则通过电液比例阀控制窑尾风机的风速，加速整个窑内气体流速，满足窑内预热带、烧成带、冷却带的压力要求，达到最佳的烧成气氛，以利于烧成带前部砖坯的缓慢升温燃烧；如果反馈到温度控制器为最大温度差，继续通过电液比例阀控制调温烧嘴燃气与空气的喷射速率，保持合理的空燃比，达到控制烧结温度的目的；
如果多组Ti与T的差值进行比较，即多组温差值ε比较相差较大，即窑内燃烧不均匀温差较大，控制器将信号传递到角度控制器，通过放大器将反馈的信号进行放大，最后通过调节调温烧嘴摆动的角度、摆动的角速度，达到控制窑内烧结温度的目的。
本发明还公开了一种窑内温度自调节装置，包括：窑体、设置在窑体侧壁上的调温烧嘴、设置在窑体尾部的鼓风机、设置在窑体内的温度传感器以及PID控制器、以及控制器；还包括设置在窑体外部的第一电机、第二电机、第一连接轴、第二连接轴、第一连接块、球面副、第二连接块以及转动铰链座，其中，所述第一连接轴和第二连接轴相互垂直，第一电机通过齿轮传动副与第一连接轴一端传动连接，第二电机通过齿轮传动副与第二连接轴一端传动连接，第一连接轴的另一端和第二连接轴的另一端分别与第一连接块螺纹连接；第一连接块上固定连接所述球面副，球面副另一端固定连接第二连接块，第二连接块上滑动连接所述调温烧嘴的管子；所述转动铰链座 与调温烧嘴的管子之间铰接；所述温度传感器、PID控制器、第一电机、第二电机以及鼓风机均与所述控制器控制连接。
进一步的，所述调温烧嘴交错安装在隧道窑两侧。
进一步的，所述调温烧嘴与窑长方向形成角度α，角度α的范围为-23~23°，调温烧嘴与窑高方向的角度β，角度β的范围为-15~15°。
相对于现有安装普通烧嘴的隧道窑，本发明具有以下优点：
1. 本发明提供了一种可自动调节隧道窑内温度的方法，以提高隧道窑的智能化、节能性、环保性，旨在解决传统隧道窑使用时烧嘴固定不变，不能根据窑内烟气的流速、压力、温度等因素合理调节调温烧嘴角度，满足最佳的燃烧条件，提高耐火材料的烧结质量。
2.本发明增加的调温烧嘴取代原有的普通烧嘴，可以改变燃气喷射的角度，增加燃气混合燃烧区域、燃烧更加充分，降低污染气体的生成量，达到节能减排目的。
3.本发明的调温烧嘴交错安装在隧道窑窑墙两侧，调温烧嘴角度的变化通过PID控制器控制，调温烧嘴可以沿着窑长方向左右调节角度，可以沿着窑高方向上下调节角度，烧嘴角度的调整更易于在窑内产生湍流现象，窑内燃气与空气充分混合燃烧。
4.本发明增加的调温烧嘴与窑长方向成一定角度α转动范围为-23~23°，调温烧嘴与窑高方向的角度β转动范围为-15~15°，燃气可以对耐火材料充分燃烧，可以有效解决隧道窑上下温差难题。
5. 本发明增加了PID控制器，可以监测窑内温度变化，实时改变调温烧嘴角度变化，燃气喷射速率，窑尾鼓风速率等，达到控制温度变化的作用。
6. 本发明增加了PID控制器，根据窑内烧成带压力制度，实时调节窑尾鼓风机改变窑尾鼓风风速以及预热带、烧成带、冷却带的压力值，控制窑内气氛性质，以利于烧成带前部砖坯的缓慢升温燃烧，砖块均匀加热可以避免出现黑心砖制品，避免在预热带后半部以及烧成带全部形成还原气氛出现砖块欠烧现象。
附图说明
图1为本发明隧道窑窑高截面图；
其中，1为隧道窑窑底； 2为温度传感器； 3为调温烧嘴；4为支撑砖；5为窑体保温材料；6为防护盖板；7为调温烧嘴与窑高方向的角度β；9为第一电机；10为第一连接轴；11为第一连接块；12为球面副；13为第二连接块；14为调温烧嘴的管子；15为转动铰链座 ；19为第二电机；20为第二连接轴；
图2为隧道窑窑长截面图；
其中，16为调温烧嘴与窑长方向成一定角度α；17为烧结砖；18为鼓风机；
图3为本发明中温度自动调节方法流程图；
图4为温度自动调节方法执行机构模块连接图；
图5为调温烧嘴上下摆动隧道窑内温度分布图；
图6为调温烧嘴左右摆动隧道窑内温度分布图；
图7为普通烧嘴隧道窑内温度场分布图。
具体实施方式
实施例1
一种隧道窑环境调节方法，包括以下几个步骤：
S1、在隧道窑内设置环境信息采集设备，环境信息采集设备用于采集隧道窑内待调节环境的环境参数，并将所述环境参数发送至控制器；
S2、所述控制器根据所述环境信息采集设备所采集的环境参数，对系统参数进行调整，生成环境调节指令，并将所述环境调节指令发送至环境调节执行机构；
S3、所述环境调节执行机构根据所述控制器发送的环境调节指令，对隧道窑内环境进行调节；所述环境调节执行机构包括：设置在窑体两侧的调温烧嘴以及设置于窑体尾部的鼓风机；
所述环境信息采集设备包括多种类型的传感器，当单位时间内，控制器根据各传感器实时反馈的环境情况与用户设置值的差值小于预设范围时，生成指示所述调温烧嘴以及鼓风机停止工作；否则，生成指示调节所述调温烧嘴的角度、烧嘴燃气喷射速率、烧嘴转动的角速度以及鼓风机的鼓风速率。
进一步的，同一类型的所述传感器有多个，多个所述同一类型的传感器在隧道窑中以最大广度分布。
进一步的，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、烟气流速传感器和烟气浓度传感器。
进一步的，所述温度传感器为热电偶温度传感器，通过热电偶温度传感器反馈Ti值，将Ti值与窑内温度T的差值进行比较，如果反馈到控制器为最大低温差，则通过电液比例阀控制窑尾风机的风速，加速整个窑内气体流速，满足窑内预热带、烧成带、冷却带的压力要求，达到最佳的烧成气氛，以利于烧成带前部砖坯的缓慢升温燃烧；如果反馈到温度控制器为最大温度差，继续通过电液比例阀控制调温烧嘴燃气与空气的喷射速率，保持合理的空燃比，达到控制烧结温度的目的；
如果多组Ti与T的差值进行比较，即多组温差值ε比较相差较大，即窑内燃烧不均匀温差较大，控制器将信号传递到角度控制器，通过放大器将反馈的信号进行放大，最后通过调节调温烧嘴摆动的角度、摆动的角速度，达到控制窑内烧结温度的目的。
本发明还公开了一种窑内温度自调节装置，包括：窑体、设置在窑体侧壁上的调温烧嘴3、设置在窑体尾部的鼓风机18、设置在窑体内的温度传感器以及PID控制器、以及控制器；还包括设置在窑体外部的第一电机9、第二电机19、第一连接轴10、第二连接轴20、第一连接块11、球面副12、第二连接块13以及转动铰链座15，其中，所述第一连接轴10和第二连接轴20相互垂直，第一电机9通过齿轮传动副与第一连接轴10一端传动连接，第二电机19通过齿轮传动副与第二连接轴20一端传动连接，第一连接轴10的另一端和第二连接轴20的另一端分别与第一连接块11螺纹连接；第一连接块11上固定连接所述球面副12，球面副12另一端固定连接第二连接块13，第二连接块13上滑动连接所述调温烧嘴3的管子；所述转动铰链座 15与调温烧嘴3的管子之间铰接；
本发明中调温烧嘴的角度调节原理是：
第一电机9通过齿轮传动副与第一连接轴10传动连接，所述第一连接块11用于限制第一连接轴10和第二连接轴20互相垂直地运动，第一连接轴10与第一连接块11之间为螺纹连接，通过第一电机9带动第一连接轴10的旋转，当第一连接轴10旋转时，第一连接块11便可通过螺纹上、下移动带动第二连接轴20上、下移动；同理，当第二连接轴20旋转时，第一连接块11便可通过螺纹左、右移动带动第一连接轴10左、右移动，第一连接块11便可完成复合的运动，即可以到达平面内的任意一点。球面副12与第一连接块固定，球面副12的运动即可视为第一连接块11的运动。
第二连接块13与调温烧嘴的管子14为滑动副连接，调温烧嘴的管子14与转动铰链座 15为铰链连接，使得烧嘴可以在上、下范围内移动，同时，使得烧嘴又可以完成左右范围内的移动，即使得烧嘴可以完成复合的运动，到达上下左右23°范围内的任意一点。
所述温度传感器、PID控制器、第一电机、第二电机以及鼓风机均与所述控制器控制连接。
作为本发明隧道窑技术方案的进一步优选，所述调温烧嘴交错安装在隧道窑两侧。本发明的调温烧嘴交错安装在隧道窑两侧，烧嘴角度的调整更易于在窑内产生湍流现象充分燃烧。
作为本发明隧道窑技术方案的进一步优选，所述调温烧嘴与窑长方向形成角度α，角度α的范围为-23~23°，调温烧嘴与窑高方向的角度β，角度β的范围为-15~15°。经过数值模拟得出调温烧嘴与窑长方向可以形成角度α的范围为-23~23°，即调温烧嘴左右转动的角度范围-23~23°，调温烧嘴与窑高方向的角度β为-15~15°，即调温烧嘴上下转动的角度范围为-15~15°，调温烧嘴的上下左右转动可以增加对耐火材料的燃烧区域，耐火材料可以均匀烧结，可以有效解决隧道窑上下温差难题。
调温烧嘴上下左右的转动喷射燃烧同时与窑尾鼓入的冷风混合，易形成湍流混合更均匀、燃烧更充分、热利用率更高，充分燃烧，可以减少窑内污染气体的生成，冷却风在沿窑长方向通道及砖垛与窑体间隙内流速快、对流强烈，在沿窑宽方向通道内气体流速慢、湍流强度弱，粉尘污染物主要集中在窑宽方向间隙内，浓度沿窑长方向逐渐增加，在冷却风下游聚集，在沿窑高方向，随着高度增加，粉尘浓度越来越低，达到节能减排的目的。
本发明增加的PID控制器控制流程图如图3所示，隧道窑烧结某种耐火材料的烧结温度是固定的T值以及设定温差值ε，预热时间、烧结时间、冷却时间都是固定的，当窑内热电偶温度传感器反馈的温度值为Ti时，PID控制器会将Ti与T的差值进行比较，如果两者差值大于ε，相应的调节调温烧嘴喷射的角度、燃气喷射速率、烧嘴转动的角速度、窑尾鼓风速率等因素，目的是将Ti与T差值保持在合理的温差值ε范围内。
本发明增加的PID控制器执行机构如图4所示，热电偶温度传感器反馈Ti值，将Ti与T的差值进行比较，如果反馈到温度控制器为最大低温差，则通过电液比例阀控制窑尾风机的风速，电液比例阀是阀内比例电磁铁输入电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例压力、流量输出元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电形式进行反馈。电液比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，应用领域日益拓宽，加速整个窑内气体流速，满足窑内预热带、烧成带、冷却带的压力要求，达到最佳的烧成气氛，保证砖块的质量。如果反馈到温度控制器为最大温度差，继续通过电液比例阀控制调温烧嘴燃气与空气的喷射速率，保持合理的空燃比，达到控制烧结温度的目的。
如果多组Ti与T的差值进行比较，即多组温差值ε比较相差较大，即窑内燃烧不均匀温差较大，将信号传递到角度控制器，通过放大器将反馈的信号进行放大，最后通过电机及执行机构调节调温烧嘴摆动的角度、摆动的角速度等，达到控制窑内烧结温度的目的。
图5、图6、图7分别为调温烧嘴在不同角度位置模拟窑内温度场的分布情况，温度场分布云图颜色接近黑色表示温度越高，烧嘴沿着窑高方向上下摆动或者沿着窑长方向左右摆动易于产生湍流，强烈的湍流易于燃气与空气充分混合，燃烧更加充分，在湍流区域烧结温度较高，图5、图6与图7安装普通烧嘴窑内温度场分布相比烧结温度均匀且烧结温度高，温度分布的区域较均匀，可以降低窑内的上下温差，提高耐火材料烧结质量。

Claims (6)

1.一种隧道窑环境调节方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、在隧道窖内设置环境信息采集设备，环境信息采集设备用于采集隧道窑内待调节环境的环境参数，并将所述环境参数发送至控制器；
S2、所述控制器根据所述环境信息采集设备所采集的环境参数，对系统参数进行调整，生成环境调节指令，并将所述环境调节指令发送至环境调节执行机构；
S3、所述环境调节执行机构根据所述控制器发送的环境调节指令，对隧道窑内环境进行调节；所述环境调节执行机构包括：设置在窑体两侧的调温烧嘴以及设置于窖体尾部的鼓风机；
所述环境信息采集设备包括多种类型的传感器，当单位时间内，控制器根据各传感器实时反馈的环境情况与用户设置值的差值小于预设范围时，生成指示所述调温烧嘴以及鼓风机停止工作；否则，生成指示调节所述调温烧嘴的角度、烧嘴燃气喷射速率、烧嘴转动的角速度以及鼓风机的鼓风速率；
温度传感器为热电偶温度传感器，通过热电偶温度传感器反馈Ti值，将Ti值与窑内温度T的差值进行比较，如果反馈到控制器为最大低温差，则通过电液比例阀控制窑尾风机的风速，加速整个窑内气体流速，满足窑内预热带、烧成带、冷却带的压力要求，达到最佳的烧成气氛，以利于烧成带前部砖坯的缓慢升温燃烧；如果反馈到温度控制器为最大温度差，继续通过电液比例阀控制调温烧嘴燃气与空气的喷射速率，保持合理的空燃比，达到控制烧结温度的目的；
如果多组Ti与T的差值进行比较，即多组温差值ε比较相差较大，即窑内燃烧不均匀温差较大，控制器将信号传递到角度控制器，通过放大器将反馈的信号进行放大，最后通过调节调温烧嘴摆动的角度、摆动的角速度，达到控制窑内烧结温度的目的。
2.根据权利要求1所述的隧道窑环境调节方法，其特征在于，同一类型的所述传感器有多个，多个所述同一类型的传感器在隧道窑中以最大广度分布。
3.根据权利要求1所述的隧道窑环境调节方法，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、烟气流速传感器和烟气浓度传感器。
4.一种基于权利要求1所述隧道窑环境调节方法的窖内温度自调节装置，其特征在于，包括：窖体、设置在窖体侧壁上的调温烧嘴、设置在窖体尾部的鼓风机、设置在窖体内的温度传感器以及PID控制器、以及控制器；还包括设置在窖体外部的第一电机、第二电机、第一连接轴、第二连接轴、第一连接块、球面副、第二连接块以及转动铰链座，其中，所述第一连接轴和第二连接轴相互垂直，第一电机通过齿轮传动副与第一连接轴一端传动连接，第二电机通过齿轮传动副与第二连接轴一端传动连接，第一连接轴的另一端和第二连接轴的另一端分别与第一连接块螺纹连接；第一连接块上固定连接所述球面副，球面副另一端固定连接第二连接块，第二连接块上滑动连接所述调温烧嘴的管子；所述转动铰链座 与调温烧嘴的管子之间铰接；
所述温度传感器、PID控制器、第一电机、第二电机以及鼓风机均与所述控制器控制连接。
5.根据权利要求4所述的窖内温度自调节装置，其特征在于，所述调温烧嘴交错安装在隧道窑两侧。
6.根据权利要求4所述的窖内温度自调节装置，其特征在于，所述调温烧嘴与窑长方向形成角度α，角度α的范围为-23~23°，调温烧嘴与窑高方向的角度β，角度β的范围为-15~15°。
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