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陶瓷窑炉燃气?空气比率控制的研讨武立云(北京工业大学材料学院五系, 100022)本文介绍了陶瓷窑炉燃气?空气比率控制的三种方法: 面积控制法、流量控制法和压力控制法。重点介绍了发达国家广泛应用的压力控制法的工作原理、控制精度分析、实施时遇到的具体技术困难及解决方法。指出压力控制法是一种简易、可 靠、精度高、维护方便、投资效益高的控制方法, 特别适合于中、小型燃气火焰窑炉使用。21 燃气?空气比率的流量控制法是通过对燃气和空气流量的测量并进行相应的调整来控制其比率的。 该方法必须分别设 置燃气、空气流量计、调节阀及比例调节装置, 它还可以对燃气 的温度、密度、热值以及对空气的温度、湿度、压力、氧含量等参 数的变动进行自动校正。理论上可获得精确的燃气?空气比率控 制, 但由于系统复杂, 须采用精确的仪表和变送器, 维修困难, 投资昂贵, 通常仅在一些燃气消耗量大的工业炉上使用。近年由国外引进和国内新建了许多现代化燃用洁净气体燃料的陶瓷烧成窑炉。 这些窑炉的操作控制主要是调节燃气与空 气的流量来控制燃烧过程, 达到烧成工艺所要求的温度和气氛。为维持窑内所需要的气氛和正确组织燃烧过程, 燃气与助燃空气量应同时增减以保持给定的空气系数。 对于近年引进的 脉冲控制燃烧系统亦需按比例同时供给燃气与助燃空气, 以保持给定的空气系统。 若空气量不足, 窑内气氛呈还原性, 燃料中 的可燃成份不能完全燃烧, 随烟气排出, 造成不完全燃烧热损失, 并污染大气。相反, 供给的空气量超过了最佳值时, 窑内气氛氧化性加强, 同时会降低燃烧产物的温度, 增加排烟的热损失。 窑温越高, 排烟温度增高, 过剩空气的量对燃耗的影响就愈大,其关系见图 1。由图可见, 排烟温度为 1300℃时, 空气过剩 40%的燃料消耗量是空气过剩 5% 的 1167 倍。 按照工艺要求严格地控制燃料?空气的比率还会减少对环境的污染, 提高操作的安全性 ( 助燃空气量过多或过少, 都容易 产生熄火事故) , 有利于提高产品的产量和品质。燃气?空气比率控制的方法主要有以下三种:11 通过控制燃气和空气的流通面积来控制它们的比率 ( 空 气系数) , 简称为面积控制法, 该方法要求燃气和助燃空气压力稳定不变, 通过变更它们的流通面积达到调节和控制燃气?空气比率的目的。例如, 当空气阀门转动 30°, 使空气流量增加 25% , 燃气阀门也必须作相应的转动, 使燃气流量也增加 25% 。 控制 阀的流量与阀门开度之间的关系称为阀门特性。 如果燃气阀门与空气阀门的特性不完全相同, 通常只能在最大和最小的燃烧 能力上得到所要求的燃气?空气的比率, 而在其它能力均不能得到。同轴转动的燃气和空气阀门可以用于这种控制, 但更推荐 使用带有调节机构的连杆来联接这两个阀门, 通过适当的调节可以在一定的范围内补偿这两个阀门特性的差异。 面积控制法要求风机的风压恒定不变, 在燃气调节阀上游应设性能较好的稳压器, 所需的设备简单, 但只能提供粗略的比 率控制, 难以满足日益严格的工艺和节能要求, 另外还要求调试人员有丰富的实践经验, 也限制了它的推广使用。图 1 在不同烟气温度下燃料消耗与过剩空气的关系另外, 在实施本方法上还存在一些技术困难。 例如, 在气体 流量的测量上, 传统的孔板流量计的测量范围小 (量程比一般为5～ 3∶1) , 实际测量误差±3～ 5% , 阻力系数较大; 涡街流量计 的测量误差约为±1% , 测量范围可达 10∶1, 但在高测量限下,阻力损失达 7k P a, 且要求环境的震动小, 流量计前、后的直管段— 19 —《专题评述》 《M o no g rap h ic Comm en ta ry》长度大, 有的要求有 50 倍直径的直管段长度。 考虑到燃气与空气流量测量误差叠加, 加上阀门调节误差等, 应用孔板流量计 时, 控制误差约为±5～ 7% , 应用涡街流量计时, 约为±2% 。另一技术困难是确定燃气与空气的正确比率。理论上, 该比 率可根据燃气成份或热值进行计算, 但由于燃气成份和热值测 量的复杂与较大的测量误差而极少使用。在某些工业炉上, 可用烟气中 CO、CO 2 和 O 2 的测定来确定其空气系数。 但在陶瓷烧 成窑上通常有几个、几十个、甚至上百个烧嘴, 还有许多孔洞、缝隙和漏气处, 烟道处于负压状态, 给燃烧产物的正确取样, 流量 的测量及调节造成很大的困难。 例如, 在烟道中或窑内取样, 测得燃烧产物的空气系数大于 1. 0, 并不能确定每个烧嘴的空气 系数都大于 1. 0。 存在着某几个烧嘴甚至全部烧嘴在空气系数 小于 1. 0 的状态下进行燃烧的可能性。 对窑炉总管, 甚至分管 (通常每一分管对几个至几十个烧嘴供气) 的燃气和空气进行精 确