抽屉窑的设计与控制.docx
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抽屉窑的设计与控制
抽屉窑的设计与控制（提纲）
一、窑的命名和发展：
60年代末，70年代初，发明了高速烧嘴和等温高速烧成技术后应运而生。
二、抽屉窑与高速烧嘴的关系，什么叫等温高速烧成？
上世纪60年代~70年代的燃烧技术创新。
三、淘退了倒焰窑；提高了技术经济指标，如何增产节能，缩短生产周期减少温差，提高产量。
四、主要设计参数的确定：
1、车台面至窑顶的高度，例如装烧蜂窝陶七层，窑高2m左右，太高了不好干活，一般h≤2.3m，配上下两烧嘴。
h≤3.5m，配上、中、下三烧嘴。
最上层产品不能紧靠窑顶，要留有150mm~200mm缝隙，以利流通。
2、窑的内宽b≥（2m、3m、4m、5m、7m），一般在2.8~4.2m范围较多，要看烧什么产品来定。
增加宽度是降低单位能耗的有效途径。
也有利于降低造价。
但窑越宽，烧嘴的速度要越高。
3、窑车的长度；如果手工装卸，不拆窑具，长度≤1.8m,去除火道0.35~0.4m，装载长度为1.45m，便于干活。
4、火道宽度300~400mm,烧嘴出口大，速度低、火道反而要越宽，火道宽度要考虑产品坯件的耐热度，还与烧嘴能否装准火道中心有关。
5、总容积和装载容积（有效容积）国内最大容积180m3（烧高压电瓷），国外有216m3烧中低温耐火制品。
窑车4.5m宽，窑内宽4.9m。
烧嘴最高速度≤165m/s。
装窑要考虑火路如何通畅，火路通畅是窑炉设计中必须考虑的问题。
棚板之间要留出25~40缝隙！
6、下图表示窑车和地面排烟口的接缝，如果窑内有多个窑车，则每个缝隙大小都要一致，否则缝大者吸冷风量大，抽窑内烟气减少，造成窑内温差。
这个问题，经常疏忽，施工时应特别注意。
如果这条缝隙为30mm，当要窑压5pa。
窑内1400℃时，由于接缝处负压漏风，使地下烟道的温度降至≤650℃，所以这条缝是很关键的，如果窑停火进入急冷阶段。
烧嘴中风量大增，这时如排烟风机升到50HZ，窑内压力仍然达到20Pa左右，那条缝会漏出大量高温烟气，车下温度高达300℃以上，损坏车轴承。
窑压自控+5pa,测压位置的选定很重要，窑压太大会影响窑车轮子轴承的安全，使窑车卡死在窑里拉不出来。
7、
火焰在抽屉窑里是如何流动的，要想象清楚，才能使窑温真正均匀。
搞不好热电偶温度都一样，但实际产品温度还有温差。
甚至超过25℃（搞不好的情况下）。
理想的流动路径应该是：
上下烧嘴要同向，
才能旋转快。
产生漩涡，排烟
孔像漩涡中心。
可以一个中心排烟孔？
也可以两个排烟孔？
窑车长宽比相差太大时，应该两个孔。
红色箭头水平方向流动，烧嘴可以上下交叉，也可以仅仅水平交叉。
8、窑高度方向的流动，不能像楼板一样，隔死，要留出上下通缝，实在没办法也要搞个“直通烟道”。
只有气流均匀，受热才会均匀，温差才会变小。
窑烧得好不好跟装窑码坯设计关系重大，所以设计图纸中包含装车图和窑具尺寸等。
指出哪里要留缝，每层装载高度等。
要提示设计要求，码的火路不通的只能提升延长保温时间，燃料就烧多了。
当窑的基本尺寸，总体结构确定下来之后，燃烧系统和自控系统就成为技术的最核心的部分。
能否合理的使用各阶段的风量，既缩短周期烧好产品，又能节能。
这好比一个人的心血管系统和神经系统。
这两个没搞好，窑就不得安稳。
因为凡是窑炉都存在多烧多排、少烧少排的问题。
如何烧的合理，排的合理，这也是要以计算为基础。
例如对高速烧嘴来说，就要根据你产品工艺特性和烧嘴出口大小，来计算窑低温各阶段的风量。
再根据工艺要求、曲线最高烧成温度和燃料消耗量计算一个合理的风量。
然后编制出跟烧成温度曲线相对应的风量曲线，在点火之前把风量曲线或变频器或阀门的开度曲线输入到控制软件里面。
这就是为什么抽屉窑离不开孔板的原因。
有人觉得装孔板又费钱又麻烦，什么前十后五的，其实在条件合适的情况下。
您也可以将孔板装在助燃风机的吸风口上，连1寸管子都不需要。
我们常用的国产差压流量变送计也就千元左右一台。
在宜兴大量使用至今已有五年以上，在一条烧蜂窝陶瓷的隧道窑上就要装七套，价格便宜，经济实用。
9、窑墙的厚度：
上世纪80年代，为提升电压等级由政府出资引进国外先进窑炉，电瓷行业主要引进美国、德国的大型抽屉窑。
都是80m3以上的，国外公司设计的最高烧成温度1300℃的抽屉窑，墙厚为273mm（耐火砖230mm+保温棉38mm+钢板5mm）。
外国专家指出：
“抽屉窑的墙体、窑车都是处于不稳定传热的，窑体的外表面的散热损失和窑体的蓄热损失都是热损失，设计计算的是这两者之和是最小的，才是最节能的。
”等到我们仿制的时候，考虑到国内外材质方面的差距，把窑墙搞成：
348mm砖+90棉+5mm棉=443mm。
为了不把烧嘴砖做的太长，把烧嘴砖长度定为350mm再加上一块90mm的喇叭砖。
所以抽屉窑的炉体和窑车砌体轻质化、优质化才是考虑重点，而不是一味的加厚墙体。
根据烧窑最高温度和总的加热时间的长短来考虑才是科学合理的。
10、燃烧系统的设计和烧嘴的选型。
表一.烧嘴出口火焰温度与空燃比（空气:
天然气）对照表
序号
烧嘴出口火焰温度（℃）
膨胀系数β
空燃比
烟燃比
空气过剩系数α
天然气在混合气中浓度％
燃烧烟气中O2％
备注
1
1600
6.39
10.5
11.5
1.03
8.696
0.52
（助燃风≥200℃）
2
1500
6.05
10.5
11.5
1.03
8.33
0.52
3
1480
5.98
11
12
1.08
7.69
1.4
4
1450
5.88
12
13
1.18
7.41
2.9
5
1420
5.78
12.5
13.5
1.23
7.143
3.58
6
1390
5.68
13
14
1.28
6.897
4.2
7
1355
5.56
13.5
14.5
1.32
6.667
4.78
8
1312
5.41
14
15
1.37
6.45
5.31
9
1277
5.29
14.5
15.5
1.42
6.25
5.82
10
1242
5.17
15
16
1.47
6.06
5.91
11
1218
5.09
15.5
16.5
1.52
5.88
6.745
12
1185
4.98
16
17
1.57
5.556
7.165
13
1125
4.77
17
18
1.67
5.263
7.93
14
1066
4.57
18
19
1.76
5
8.62
15
1008
4.37
19
20
1.86
4.762
9.24
16
937
4.13
20
21
1.96
4.545
9.8
17
874
3.91
21
22
2.05
10.31
18
760
3.53
22
23
2.10
10.78
19
575
2.89
33.5
34.5
3.28
14.18
20
390
2.26
45
46
4.41
15.88
21
200
1.61
91
92
8.92
18.44
22
100
1.27
183
184
17.94
19.72
23
70
1.17
209
210
20.00
19.85
表格基于：
标态助燃风20℃，天然气20℃，天然气低位发热量8500kcl/Nm3。
注：
β=（273+t）/（273+20）
从表一我们可以领会到:
烧嘴砖里面的火焰温度取决于空燃比,空气富裕越多,火焰温度越低,同样是1Nm3的天然气，配多少空气决定了火焰温度，从60~70℃到1600~1700℃。
全在您对风量的掌握之中，因此，在整个烧窑过程中都要关注空燃比的问题。
因此，一座成熟的的抽屉窑是不可能没有天然气的流量和助燃风的流量检测的，从抽屉窑点火开始，整个升温保温过程中，每时每刻空燃比都在不停的变化。
在曲线的各阶段，您是用多少风，多少气来烧窑的，涉及到1、窑内温度的均匀性、温差的大小；2、产品质量；3、窑的能耗大小；4、烧嘴砖的寿命都与此有关，不可忽视。
1、关于温差和产品质量问题，窑内热电偶都只相差1~2℃是否说明窑的温差只有1~2℃呢？
非也，还要看看算算您的烧嘴在什么工况下烧的。
在窑较宽的情况下，火焰速度与窑内实际温差紧密相关，产品装在棚架的不同工位，温差还是存在的，而温差的大小，也和烧嘴的火焰温度即和烧嘴使用风量密切相关。
2、如何既烧好产品，又节约用气？
根据具体某种产品的烧成工艺特点，对曲线各阶段的供用风量要进行具体问题具体分析。
对某些低温阶段允许温差大些，也不影响质量的产品。
此温度阶段，风量可以适当减小，也是节能的。
相反对于某些温度超高也不会报废的产品。
烧窑时高温阶段取的风量也可用小一些。
用较高的火焰温度（即较小空燃比）来烧窑，也会省些燃气。
反之，就应增大风量至一个合理的范围，才能确保产品质量。
3、设计时上述两问题的考虑，也将影响对烧嘴出口的计算。
4、风气比的合理选用，也关乎到烧嘴砖的材质和其使用寿命，譬如说某座窑设计最高温度为800℃。
那火焰最高温度不需要超过1000℃。
那么为了节约资金，可能就选用了磷酸盐这类低温烧嘴砖。
结果，由于您烧窑的过程中，不知道在某个阶段风、气比是否太小，造成火焰温度超过了1000℃很多。
以致烧嘴砖很快就烧坏了！
5、如果助燃风进的是热风，风温越高，空气带入烧嘴的热量越大，促使天然气的用量减少，就有了节能效果，但各阶段助燃空气都应该以标态Nm3/h表示，流量曲线是不需要改变的。
6、在风量既定的条件下，根据当时的烧成工艺曲线，已定的升温速度和燃气量成正比关系，因此升温速度快时，空燃比会自动变小。
这是正常的，一般不需要进行人工干涉。
当然，如果小过了头，变成还原气氛了，那还是要人工干预，修改风量设定值。
表二.在相同动压头下高速烧嘴工况性能表
说明：
高速烧嘴的火焰出口动压头（ω2γ）下限取值应在1500以上，即无论在高温状态还是低温状态，要保证ω2γ≥1500。
才具备流体力学中流股喷出所具备的吸卷和搅拌作用，当ω2γ＜1500时，这个作用就很小了。
（表格基于：
标态助燃风20℃，天然气20℃，天然气低位发热量8500kcl/Nm3）
序号
喷出火焰温度（℃）
气体密度γ
气体流速ω≥（m/s）
φ40出口下流量（Nm3/h）
空燃比
烟燃比
耗气量Nm3/h
空气量Nm3/h
备注
1
20
1.200
35.36
160.00
—
—
—
—
要求该烧嘴喷出火焰动压头即ω2γ≥1500下工作，工况数据。
2
313
0.625
48.99
110.80
72.4
73.4
1.51
109.290
3
606
0.417
60.00
90.48
31
32
2.83
87.650
4
899
0.313
69.28
78.35
20.5
21.5
3.64
74.710
5
1192
0.250
77.46
70.08
15.9
16.9
4.15
65.930
6
1280
0.236
79.75
68.07
14.5
15.5
4.39
63.680
7
1485
0.208
84.85
64.00
10.9
11.9
5.38
58.620
8
313
0.625
69.28
156.70
72.4
73.4
2.14
154.560
要求该烧嘴喷出火焰动压头即ω2γ=3000下工作，工况数据。
9
606
0.417
84.80
128.00
31
32
4
124.000
10
899
0.313
97.98
110.80
20.5
21.5
5.15
105.650
11
1192
0.250
109.54
99.00
15.9
16.9
5.86
93.140
12
1280
0.236
112.78
96.20
14.5
15.5
6.21
90.060
13
1485
0.208
120.00
90.48
10.9
11.9
7.6
82.880
结论：
当ω2γ翻倍时，烧嘴的燃烧功率会增加√2倍。
烧窑过程中风量与气量变化示意图（据表一、表二）
中间这块面积变化过程就是空燃比由大变小的变化过程.
根据表二：
计算高速烧嘴的运用参数，还是离不开ω2γ的概念，它比动压头少除了2g，是为了便于计算。
先以烧嘴的助燃风管为例。
冷风（20℃）可取20~25m/s其ω2γ值为202×1.2=480；252×1.2=750，那么如果热风313℃时，可取管内最大流速多大呢？
313℃下，β=2，ω2×1.2/2=750，ω=35.35m/s,此时的管道管阻力与冷风25m/s相同，在一根内径φ85管子里，可达流量：
0.36×π/4×8.52×35.35÷2=361Nm3/h，而如果这根管子通冷风，则可达流量：
0.36×π/4×8.52×25=510Nm3/h，可见同样压力条件下热风因膨胀使其流通量下降了。
高速烧嘴的ω2γ值范围:
ω2γ=1500~5600
在火焰出口温度1280℃；β=（1280+273）/（20+273）=5.3（膨胀系数）；γ=γ0/β
烟气标况密度1.25kg/Nm3（20℃）；空气标况密度1.2kg/Nm3（20℃）；
出口火焰速度：
ω值ω2γ值
80m/s1510
90m/s1910举例：
902×1.25/5.3=1910
100m/s23581002×1.25/5.3=2358
110m/s2853
120m/s3400
150m/s5306
155m/s5600
ω2γ=5600时，1280℃火焰的喷出速度可达到150m/s，那么问此时烧嘴砖内的压力有多大呢？
可先算出其动压头ω2γ/2g=5600/（2×9.81）=285.4mm*H2O，压强285.4mm×1.0×9.81=2797pa,根据帕努力方程，此时烧嘴砖内压力约为2.8kpa。
那么当ω达到155m/s时，烧嘴的进风管压力要达到多大呢？
仿美烧嘴基本都在4.5~4.6Kpa。
所以助燃风机有7500~8000pa就够用了。
在此前提下，选用ω2γ=2800。
是旱涝保收的。
1280℃时出口速度108m/s,其功率是可以在额定功率的72％~141％范围内实际应用，都具备高速烧嘴的特性。
如何计算确定烧嘴砖出口直径：
1、根据产品烧成工艺，窑的最高烧成温度确定；烧嘴的火焰最高温度应比窑的最高烧成温度高出50℃~150℃，由此选用烧嘴砖的材质。
2、根据经验和现场调查了解，定窑炉的烧成曲线，根据曲线中烧成温度和升温速度确定小时最大燃气量。
3、根据窑的内宽尺寸和焙烧产品对温差的要求，确定火焰出口速度和最大ω2γ值，要求温差越小时，选用速度越高。
选用ω2γ值时还要考虑，您核定的最大流量（天然气）准不准？
如果把握很大，可选用ω2γ高些。
把握不大时，应选在2800~3000值范围内。
4、为给设计留有余地，以仿美烧嘴为例，如果按120m/s工况火焰流速设计（ω2γ=3400），那么，该烧嘴在进口风压4.5Kpa时，可以烧到150m/s流速，已留有余地：
150/120=1.25,即25％余地。
所以不要怕烧嘴口选小了，万一不够怎么办?
实际高速烧嘴也可以留有较大余地的。
只要助燃风机压力有余地，也就是为烧嘴留了余地。
5、实际真正在烧窑时，并不是要求在同一个ω2γ值下工作，根据该阶段所需气量、风量可以选择在1500~5600ω2γ值范围内工作，都是允许的。
6、口径小，速度较高的烧嘴会节能一些，什么原因呢？
因为低温阶段所需要风量变小，而高温阶段其均温作用好。
7、速度高了，烧嘴砖里压力大了，容易漏火、渗火。
所以烧嘴砖的设计和材质是有讲究的，要细讲。
8、烧嘴砖出口大了，会迫使我们在窑低温阶段使用更大的风量，因为风量小了，窑里的温度均匀性就不行，风量太大，会浪费燃料。
抽屉窑上的烧嘴设计是为了烧好从低温到高温的整个过程，必须全程兼顾，不能顾此失彼。
9、以上说的是抽屉窑设计烧嘴的一般规律，同一烧嘴选用不同大小的出口，使其功率随之变化，被烧产品对温差耐受性较好的，可以适当减少风量，以利于节能。
但对温差很敏感的产品，如蜂窝陶瓷等，就要非常讲究了。
10、其实在实际烧窑过程中，烧嘴并不是在一个恒定的ω2γ值运行的，烧嘴出口是根据这座窑的最大小时耗气量和此时的火焰温度等因素来计算的，可以选用较高的ω2γ值来计算，即高温状态，烧嘴速度更高，用较高的ω2γ值，如ω2γ=3600计算，这样算出的烧嘴出口较小。
这样就可以兼顾到烧嘴在低温时的工况，可以减少烧嘴低温阶段所需要的风量（以ω2γ=1500来计算）。
简单的说，高温状态烧嘴以高ω2γ值（如3600）计算，而低温阶段，只要产品质量情况许可。
也可以用ω2γ值（如1500）计算最小风量，根据工艺要求设定升温各阶段的烧嘴火焰ω2γ值。
计算出风量，连成曲线，就有了整个烧窑过程中的风量（Nm3/h）曲线。
11、如果要的宽度较窄，是否烧嘴的出口速度就不易过高吗？
其实只能说要较窄，烧嘴的出口速度可以允许有所降低，但如果有条件使用高的火焰速度，窑温只会更均匀，更节能，而没有什么不良反应。
案例（以萍乡为案例）
烧LPG760kg/窑1200℃窑温每窑烧17小时
760÷17=44.7kg/hLPG
小时最大用气量：
44.7×1.666=74.5kg/h每个烧嘴9.313kg/h（4.65Nm3/h）
总发热量：
74.5×11600=864200kcal/h
换算消耗燃气量：
864200/8500=101.67Nm3/h≈102Nm3/h
全窑8支烧嘴、平均每支烧嘴：
102/8=12.75Nm3/h
火焰温度约为1350℃（窑温1250℃）β=5.56查表：
空燃比13.5：
1
助燃风量为：
13.5×12.8=172.8Nm3/h
烟气量为：
12.75+172.8=185.55Nm3/h
选择ω2γ=2800即ω2×1.25/5.56=2800ω=111.6m/s
总烟气量：
172.8+4.65=177.5Nm3/h
（177.5×5.56）/（0.36×π/4×D2）=111.6m/s
D=5.6cm，烧嘴出口φ56可用。
风机选型要远大于燃烧阶段风量，按冷窑时考虑比燃烧时风量要大很多。
如像烧窑时最大风量（低温阶段）3600Nm3/h，急冷时用到了7200Nm3/h。
所以助燃风机选型和板孔量程都要有足够的余地。
孔板的差压△P=2500pa,可显示10倍流量；△P=1600pa,可显示8倍流量，天然气△P=10kpa,可显示12倍流量。
1.高速烧嘴对烧嘴砖的设计要求：
美国烧嘴，如北美燃烧公司，Eclipst公司（天时）等，都是做成联体型，设计院也是做成联体型的，联体有什么好处呢？
可靠，不会漏火。
而我们做成了分离型的，当然各有优缺点。
我认为分离型的存在隐患，其接合处如果处理不好，会产生漏火，窑墙钢板发红等问题。
我们可以画个图来剖析一下。
（1）联体式如何连法（口述）？
（2）分体式又该如何接合（口述）？
控制
1、窑压控制
2、风量控制、量程和孔板参数确定风量曲线设定和编程。
△P=2500pa,10倍流量；△P=1600pa,8倍流量（可能不够用），孔板装在何处？
3、气量控制、孔板装在何处，天然气△P=10kpa,12倍流量（最大和最小流量之比）
4、调试：
冷态，检测所有烧嘴风速能否达到35m/s,各烧嘴如不均匀，用阀调正后，作阀位记录，风机赫兹数—流量—风压对应的参数。
烧窑时发现温度逐步升高的同时，Hz数不变的情况下，风流量也会自动变小的，这正好符合您设计的意图。
5、上述为均匀各烧嘴风量所开阀位记录，在窑拥有自控系统情况下，应作为软件设计一部分，存入电脑，使窑每次点火时，都能重复各烧嘴的阀位。
6、如果该窑都是烧氧化气氛的，这个阀位在烧窑阶段是固定不变的，窑内风量的演变是通过风机变频仪的开度曲线来完成递变的，直到窑炉停火。
而后，这些烧嘴的自动风阀才会根据曲线设定温度、自动调节各烧嘴出口风量。
7、温控方式有连续火焰和脉冲火焰两种控制方式，可供选择。
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