工业窑炉节能技术.pdf

工业窑炉节能技术姓名：张毅专业：动力机械及工程一绪论1.1 采用先进技术，使工业窑炉不断改造升级窑炉的更新改造应该以优质、高效、节能、环保、安全、智能化、多工种、工序联动及自动化为主。水泥预分解技术是最具现代化、规模化的水泥生产方法，在世界各国被普遍采用，成为当代水泥生产方式的主流。该技术以悬浮预热和预分解为核心，利用现代流体力学、燃烧动力学、反应动力学、热工学、计算流体力学数值预测技术、粉体工程学和工程测试技术等现代科学理论和技术，并采用计算机信息及网络化技术，具有高效、优质、节能、节约资源等特点，符合可持续发展的要求。在工业窑炉燃烧技术节能方面，通过将高温空气燃烧技术、富氧燃烧技术、脉冲燃烧节能技术、水煤浆燃烧技术和流化床燃烧技术等先进燃烧技术应用于工业锅炉中，可显著提高燃烧热效率。2.1 推进工业窑炉余压热利用我国工业窑炉主要以煤炭为燃料，以电能为动力，是典型的耗能大户。一般工业窑炉烟气带走的热量占燃料炉总供热量的30%70%，充分回收烟气余热是节能的主要途径。通常烟气余热利用途径有：1）装设预热器，利用烟气预热助燃空气和燃料；2）装设余热锅炉，生产热水或是蒸汽，以供生产或生活；3）利用烟气作为低温炉的热源或用来预热冷的工件或炉料。二工业窑炉节能基本原理2.1 工业窑炉的分类工业窑炉是指加热或熔化金属或非金属的装置而言，加热或熔化金属的装置称为工业炉，加热或熔化非金属的装置称为窑炉。工业窑炉是工业加热的关键设备，同时工业窑炉又是高能耗设备。目前，全国工业窑炉年能耗约占总能耗的25%，占工业总能耗的60%。目前工业窑炉根据行业分类主要如图2.1.隧道窑陶瓷、耐火材料工业窑炉玻璃熔炉间歇式倒焰窑玻璃窑炉退火炉其他玻璃窑炉工业窑炉立窑水泥窑炉回转窑炼铁高炉钢铁工业窑炉炼铁转炉图 2.1 工业窑炉分类2.2 工业炉窑炉节能原理2.2.1 工业窑炉节能因素分析由于工业窑炉是集发热、传热、反应的功能于一身，有的还兼有输送物料的功能。因此，从满足煅烧制品要求考虑选择窑炉类型时，需要分析的因素有：热能来源、供热方法、传热方法、余热利用，炉内气氛性质及运料方法等。（1）热能来源硅酸盐工业中，燃料费用在生产总成本中所占比例较大，例如生产普通硅酸盐水泥时，以煤粉作为燃料，其燃料费用约占成本的13%-14%。如果以油作燃料，则燃料费用在成本中的比例还要高。（2）供热方法工业窑炉内产品在烧成时，均希望获得尽可能均匀的加热。为此，人们曾设想过多种均匀供热的方法。常用的有四种：内部供热：根据烧成制品性质和窑炉结构的许可，将燃料混入物料中进行燃烧供热。例如烧制轻质耐火材料时，在泥料中加入锯末、焦炭粉、无烟煤粉等，此时，不仅供热均匀，还由于可燃物的燃尽，使制品具有一定的气孔率。例如用立窑煅烧水泥熟料时采用黑生料球法，燃料（无烟煤粉）与生料粉紧密接触，不仅传热速度高，热利用也好，其热有效利用率可达 50%。但是由于燃料混入物料内部，燃料与空气接触不良，燃烧不集中，温度不高，容易出现燃料未尽、熟料欠烧。特别是当料球大小过分不均匀时，更加严重。底部供热：由于热气流有向上浮升的趋势，因而易造成加入热室内温度分布不均匀。并且由于底部燃烧烧嘴维修困难，烧嘴覆盖面不大，所以底部燃烧应用不多。侧面供热：在硅酸盐工业使用最为广泛的供热方法，如倒焰窑、梭式窑、隧道窑、池窑等。由于侧面燃烧的横焰覆盖面大，能够在较大面积的窑炉底部上获得较均匀的温度分布。为了避免火焰直接冲刷在物料上引起在物料上结焦或过烧变形，可采用火焰对准燃烧通道或采用挡火墙的办法。在侧面燃烧中，如在一般的隧道窑中那样，由于受到烧嘴喷射力的限制，窑不宜太宽。顶部供热：窑的宽度可不受限制。烧嘴设在顶部，数目可不受限制，从而可以采用小流量、多点分散的配置方式，进一步改善窑内温度分布的均匀性和火焰气体对制品的传热条件。（3）传热方式明焰传热：火焰直接进入窑内进行传热；半隔焰传热：部分火焰直接进入窑内进行传热；隔焰传热：火焰不进入窑内进行传热。（4）余热利用工业窑炉的余热利用主要是指排出的燃烧产物的显热与加热制品带走的显热的利用。这些显热所带走的热量数量较大，如果能很好的加以利用，其经济效益、社会效益都是显著的。例如，硅酸盐工业余热回收主要用于：料粉或生坯的预热；煤气、燃油及助燃空气的预热；余热发电及其他供热。（5）回收余热方式 有的余热是在窑炉内直接加以利用的，如回转窑及隧道窑的预热带；有的采用通用的换热设备，如换热器、蓄热器、热管等回收热量；有的则采用专用的预热器，冷却机等设备加以回收。一些专用设备将结合具体窑炉加以叙述。（6）物料的输运方式对于粉状和块状物料已有多种加料和出料设备可供选用，如螺旋输送机、皮带输送机，气力提升泵等，就是对于单机日产几千吨水泥熟料的回转窑实现加料的机械化和自动化也已经不成问题。值得讨论的是具有一定形状的制品，如陶瓷制品、耐火材料制品的装窑和出窑。在运送制品方面，减轻劳动强度的装置分为两大类：一类是用于间歇式窑的装窑和出窑；一类为连续式窑上的进料和使制品穿过窑炉运行的装置。2.2.2 窑炉生产参数控制对制品质量与能耗的影响工业窑炉的生产参数控制包括：温度、气氛和压力的控制。(1)温度控制使原料或成型坯体按工艺要求，进行升温、保温及冷却的控制，以期完成所需的物理化学变化，获得合格的产品。烧制硅酸盐产品时，为达到温度控制的目的，一般事先要制定一条合理的烧成温度曲线，即窑炉的温度控制。影响窑内温度均匀、稳定的主要因素包括：燃料种类及其热值；燃烧方法、燃烧室结构与分布；助燃空气的比例与温度；窑炉结构、耐火材料的选择。(2)窑炉气氛控制在工业窑炉中，煅烧物料或制品时，不仅有物理过程，还有化学反应。在窑炉内，除了原料之间的反应外，物料与周围介质之间也有反应。如果介质为气体，该气体所具有的性质称为窑炉内的气氛。窑炉内的气氛可以分为：氧化气氛当窑炉内含有过剩的氧时，称氧化气氛。此时窑炉内的气体中氧的分压较高，易是其中的物料发生氧化反应。氧化气氛是由工艺要求的。还原气氛该气氛下窑炉内气体中的CO 和 H2 等的分压较高，此种气氛可使物料中的氧化物发生还原反应。不仅如此，瓷坯中的硫酸盐、磁铁矿和云母等含铁物质的分解在还原气氛中可提前到坯、釉尚属多孔状态下完成，这时气体可自由逸出，过热膨胀大为减轻。烧制日用瓷时，当坯中含铁量多时，为使瓷色白里泛青和增加透光度，高温时采用还原焰。烧制电瓷制品，一般也采用还原焰。中性气氛当窑炉内的氧含量不过余也不缺少时的状态，这样的气氛就是中性气氛，这种气氛状态有利于 节约能耗。特殊气氛对于特殊陶瓷和特种耐火材料窑炉，需要从周围气体介质中摄取所有元素，如利用氮气作介质以制取氮氧化物（如氮化硅、氮化钛等）。也有由于某组分易于挥发，需要在气氛中增加该组分分压以阻止其挥发，如钛酸铅陶瓷烧成时，需要造成PbO 气氛，以阻止样品中PbO的挥发。窑炉气氛控制目的在于加热煅烧的过程中完成一些需要的化学反应，在工业窑炉内不仅有一定的气氛要求，还要使气氛与物料或制品各部分之间反应均匀。(3)窑内压力控制2.2.3 工业窑炉节能原理的数学表达式