基于改進型PLC的蓄熱式梭式窯節能技術的研究

李文碩 龍 妍 靳世平張竣溵＊

1.華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院

2.華中科技大學能源與動力工程學院

0 引言

陶瓷行業屬于高耗能、高污染行業之一。工業陶瓷生產過程中，需要消耗大量能源和礦物資源。其中，燒成工序能耗約占總能耗的61%。窯爐為燒成工序的主要耗能設備，該設備的發展經歷了從倒焰窯、隧道窯和輥道窯的過程。燃料也從燒煤、燒油到燒氣的過程。據統計，我國現有燃煤工業窯爐總數接近550 000臺，總容量達118.4萬MW。隨著我國工業水平的不斷進步，工業爐作為主要的工業工具，得到了長足的發展。但是我國工業爐的平均熱效率相對于國際上先進水平仍有將近20%的差距，僅相當于發達國家二、三十年前的水平[3]，具有巨大的提升空間。如何提高工業爐熱效率，保證合理用能效率，是關鍵問題。

傳統式梭式窯屬于周期性燒成，蓄熱損失和散熱損失大。傳統梭式窯的窯內溫度為1 250℃～1 650℃，排煙溫度1 100℃～1 400℃左右，熱效率約20%。目前新建梭式窯改進了窯體砌筑結構，增設了簡單的煙氣余熱利用裝置，使熱效率有所提高，約為40%。由于排煙溫度高，煙氣帶走的余熱是梭式窯最主要的熱損失，約占總熱損失的50%[4]。

目前，傳統梭式窯均采用空氣預熱器回收爐窯排煙的余熱，常規空氣預熱器有管式、板式、熱管式等。其中板式和管式空氣預熱器在梭式窯上的應用相對較多，但這些設備都采用金屬結構，耐高溫能力差，當爐膛出口溫度大于800℃，金屬換熱器易被損壞，無法達到余熱回收的目的。而爐膛出口煙氣溫度在800℃以上時，正是梭式窯能耗高的工況，此工況下余熱回收的潛力最大，能以較低的投資獲得較大的效率提升。

我國“十二五”期間節能減排的規劃目標是單位GDP能耗下降16%，能源消耗總量控制在40億tce左右。在節能改造工程中，提出“實施燃煤鍋爐（窯爐）和鍋爐房系統節能改造，提高鍋爐熱效率和運行管理水平。在“十二五”期間形成7 500萬tce的節能能力”的目標。在“十三五”規劃中，提出“推動低碳循環發展，加快能源技術創新，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系；主動控制碳排放，加強高耗能行業能耗管控，有效控制重點行業碳排放”等相關目標。作為高耗能、高污染的陶瓷行業，主動進行節能改造和技術升級是十分必要的。

本次技術改造通過多燃燒器交錯布置、合理的交錯燃燒控制、燃燒系統全自動控制等手段，對傳統的蓄熱式梭式窯進行技術升級，節能效果可達30%以上。。

1 蓄熱式燃燒技術及可編程控制器技術概述

1.1 蓄熱式燃燒技術概述

蓄熱式燃燒單元由若干成對安裝的燃燒噴嘴本體、體積緊湊的蓄熱室、換向閥和與之配套的控制系統組成，如圖1所示。當燃燒噴嘴A工作時，產生大量高溫煙氣，經過對應的燃燒噴嘴B排出。燃燒噴嘴B兼具排煙和蓄熱的作用，高溫煙氣先通過蓄熱室以輻射和對流傳熱的方式將熱量傳遞給蓄熱體，煙氣溫度降低后排出。工作一定時間后，換向閥通過換向使助燃空氣通過燃燒噴嘴B的蓄熱體，空氣立即被預熱到煙氣溫度的85%～95%以上，燃燒噴嘴B啟動的同時，燃燒噴嘴A停止工作，轉為排煙并進行蓄熱。蓄熱式燃燒技術通過交替運行方式實現“煙氣余熱的極限回收”和“助燃空氣的高溫預熱”。

圖1 蓄熱式燃燒技術原理圖

1.2 可編程邏輯控制器發展概述

可編程邏輯控制器PLC Programmable Logic Controller）[7，8]是在電子技術和計算機技術基礎上發展起來的一種先進自動控制設備，是一種通過數字運算操作的電子裝置，在工業領域應用廣泛。它采用一類可編程的存儲器，在其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制，定時、計時、計數與算術運算等操作面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分。其具有可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單，設計周期短，安裝、接線、調試工作量小，使用維護方便等優點，具有很高的靈活性、適應性和很強的信息處理能力。將PLC控制系統應用于梭式窯的燃燒控制中，不僅能節約人力，降低工程成本，而且控制可靠，系統運行穩定。

2 蓄熱式梭式窯節能改造技術研究

本梭式窯改造項目基于河南省某陶瓷生產廠，其原窯爐為傳統梭式窯。在間歇性燒制過程中，窯車先推進窯內燒制，燒制完成后再將其往相反方向拉出，卸下燒好的陶瓷，完成生產。在不改動本來窯爐墻體的情況下，進行如下技術改造：

（1）將蓄熱式燃燒器對稱布置在墻體兩側，使兩組燃燒器可以分別用于燃燒和排煙；

（2）改變蓄熱室和燃燒室之間的結構，提高助燃空氣進入燃燒室的量，同時強化空氣與燃氣的混合效果，縮短燃燒火焰；

（3）更換噴嘴，燃燒噴嘴需滿足火焰穩定、頻繁開關不回火、燃燒時不嚴重積炭等條件。

改造后的蓄熱式梭式窯有以下優點：

（1）節能量大幅增加：高溫煙氣和冷空氣經過換向閥的切換交替流經蓄熱體，可將1 000℃煙氣降低至100℃以下，回收大量煙氣的顯熱，可節省燃料30%左右，節能效果明顯。

（2）溫度均勻性好：燃燒器燃燒與排煙兩種狀態不斷切換，火焰在窯內交錯對沖，火焰（高溫點）不再固定，同時爐內擾動增強，使窯內溫度更均勻。

（3）升溫速率快：助燃空氣可預熱到800℃，使火焰溫度更高，升溫速率更快。

（4）理論燃燒溫度大幅提高，可拓寬燃料的使用范圍，如高爐煤氣等低熱值的燃料可被利用。

（5）NOx排放量大幅減少。

（6）燃燒噪音降低。

3 改進型PLC控制方案

在原有PLC控制系統上，增加溫度、氣氛和壓力三大控制模塊，可實現PLC控制系統的改造升級。

3.1 溫度控制方案

（1）窯內整體溫度控制

爐膛溫度控制室的加熱爐是所有控制中最重要的控制系統之一，。

傳統梭式窯的窯內整體溫度通過自動調節天然氣總管流量進行控制（圖2），以滿足工藝溫度曲線。蓄熱式梭式窯也可采用自動調節天然氣總管流量的方式來調節窯內整體溫度。唯一不同的是在于蓄熱式梭式窯節能效果顯著，相同溫度對天然氣流量要求更小。改造后可采取的溫度控制策略如圖2所示，其中，爐膛總體溫度采用所有熱電偶的平均溫度。

圖2 整體溫度控制流程圖

（2）溫度均勻性控制

目前梭式窯在燃燒器對墻位置布置熱電偶，通過熱電偶所測溫度對相應的燃燒器燃氣流量進行調節，直至溫度均勻。改造后由于燃燒器數量翻倍，并且周期性切換燃燒，因此熱電偶布置與溫度控制方法應進行修改。

改造后每個燃燒器對墻均布置一個熱電偶進行測溫，并采用相對一組熱電偶的平均溫度對應的燃燒器進行調節，組成一組燃燒單元。改造后每個燃燒器均配備電動閥門對該燃燒器流量進行單獨調節。燃燒器流量調節采取人工通過計算機控制電氣閥門進行調節的方式。

改造后的溫度控制策略如圖3所示：

圖3 溫度均勻性控制策略圖

3.2 氣氛控制方案

（1）控制方案

改造后氣氛控制策略采用以空燃比為參數調節氛圍和煙氣分析儀檢測出口煙氣氧含量綜合運用方式，該控制策略比通過經驗確定空燃比調節氛圍的方式更精確和穩定?？刂撇呗匀鐖D4所示：

圖4 氣氛控制策略圖

煙氣分析儀安裝位置為煙氣出口總管處，檢測出口煙氣氧含量。

（2）換向過程對氛圍影響的分析

在換向初始時刻，兩個蓄熱體內一個充滿了煙氣，一個充滿了空氣，對爐內氛圍可能造成影響的為空氣側。本次改造中配有排煙引風機，一旦換向，空氣側轉換為排煙，此時空氣被負壓抽走，不會進入爐內影響氛圍。

但是，換向時空氣側的空氣排出時會經過煙氣分析儀，造成所檢測的氧含量偏高，該檢測數據不代表爐溫氛圍，但容易造成報警?？稍诳刂瞥绦蛏辖鉀Q該問題，在換向時退出煙氣分析儀報警程序，換向完成后再進入煙氣分析儀報警程序。

3.3 壓力控制方案

（1）控制方案

梭式窯正壓過大容易導致窯爐縫隙冒火，造成能源浪費。負壓容易導致窯外空氣從縫隙進入窯內，影響窯內氛圍，導致產品質量下降。因此窯爐壓力控制十分重要。

蓄熱式梭式窯配備兩個風機，一個風機用于輸送燃料風，另一個風機用于排煙。為保證爐膛壓力穩定與煙氣高溫膨脹的因素，排煙風機的流量與壓力均需比送風機流量大。本次改造通過控制系統對兩個風機進行調節，在滿足工藝需求的同時保證穩定的爐膛壓力。風機控制策略如圖5所示。

圖5 送風機控制策略

（2）引風機控制策略：

本次改造在窯爐壁面安裝相應壓力檢測器，引風機采用變頻調速，通過采集窯內壓力控制引風機調速，以保證窯內壓力狀況。

4 節能效果分析

通過對傳統梭式窯進行技術改造，將原燃燒系統升級為蓄熱式燃燒系統，并對改造前后的天然氣消耗量進行對比。對比情景的控制變量須保證升溫曲線誤差在合理范圍之內。兩次實驗升溫曲線如圖6所示：

在控制升溫曲線基本相同的情況下，對傳統梭式窯和改進后的蓄熱式梭式窯分別進行測試，并對不同時刻的燃氣消耗量做記錄，得到如圖7所示的天然氣流量曲線：

圖6 升溫曲線

圖7 天然氣流量曲線

由圖7可知：

（1）在窯爐燒制開始階段，爐膛溫度較低，對于蓄熱體來說，能夠回收的煙氣余熱量很小，因此，在初始低溫階段改造前后燃氣消耗量差別較??；

（2）隨著窯爐燒制時間的延續，爐膛內溫度逐漸上升，排煙溫度也隨之升高，蓄熱體可回收的煙氣余熱不斷增加，這部分熱量作為補充，使燃氣消耗量不斷減少。圖7曲線顯示，在燒制過程的中后期，蓄熱式梭式窯比傳統窯爐燃氣消耗量明顯降低。經測算，改造后的蓄熱式梭式窯在相同溫升曲線中，燃氣消耗量比傳統梭式窯節省約30%。

5 結論與展望

在傳統的蓄熱式梭式窯基礎上，本次實驗通過改進多燃燒器布置形式、優化燃燒控制策略、升級燃燒控制系統等手段，達到了比傳統梭式窯節約燃氣30%的節能效果。該技術具有如下優勢：

（1）系統控制方面，蓄熱式梭式窯采用溫度、氣氛和壓力三大自動控制系統，在減少人力投入的同時，降低人為操作風險。溫度、氣氛、壓力控制更精確穩定。

（2）結構布置方面，蓄熱式梭式窯采用多燃燒器交錯布置方式，火焰在窯內交錯對沖，使窯內溫度更均勻。

（3）蓄熱式梭式窯燃燒換向時壓力波動小。若采用蓄熱式燃燒技術，在燃燒換向時，必然會造成壓力的波動。本次技術改造根據仿真、實驗手段，分析發現壓力波動與換向時管道與蓄熱體內氣體的滯留時間緊密相關。本實驗采用最為合理的布置手段，最大限度減少管道長度，降低滯留時間，可將壓力波動控制在較低水平。

在總結已有實驗成果的基礎上，我們發現采取下列措施將進一步提升工業窯爐的節能效果：

（1）改進工業窯爐的爐體結構，完善爐體密封性；

（2）增強爐內絕熱性能，減小爐體的散熱表面積，以減少散熱損失；

（3）減少工業窯爐輔件的熱損失；

（4）加強工業窯爐余熱回收效率；

（5）采用新型的燃燒裝置和燃燒技術。