内外燃焙烧技术

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摘要：在环保要求越来越严的形势下，各地纷纷出台政策，一方面要求尾气排放达到国家标准（或地方标准）；且要求所有生产企业必须安装在线监测设备并联网运行；另一方面要求企业完成

在环保要求越来越严的形势下，各地纷纷出台政策，一方面要求尾气排放达到国家标准（或地方标准）；且要求所有生产企业必须安装在线监测设备并联网运行；另一方面要求企业完成天然气、集中煤制气或电等清洁能源置换。 在上述背景下，许多企业就地升级改造，新建生产线严格按照环保要求，从设计开始将清洁生产的理念贯彻到生产线的全过程。 本文主要针对清洁生产的焙烧环节，在新的环保形势下，焙烧过程如何运用内外燃焙烧技术适应环保的要求。 1 外燃能耗与成本 首先介绍以下纯外燃情况下，以天然气为燃料，制品的焙烧成本。以天然气烧普通砖为例，按烧成能耗300kal/kg制品计算。天然气热值8500kcal/m3，天然气价格3.50元/m3。 能耗：2.5kg×300kal/kg=750kcal/块 耗气：750/8500=0.0882(m3) 焙烧成本：0.0882×3.50＝0.31(元/块) 即采用天然气焙烧，烧成每块普通砖的燃料成本为0.31元。目前在国内很多地区普通砖的售价还不到0.30元/块，一下子要求改变传统的焙烧方式，生产企业和市场有一个适应过程。 2 内燃+外燃结合的焙烧方式 在环保要求下，生产企业焙烧方式必须要改。我们有经验，外燃可以添加内燃。在烧外燃的生产线上，由于产能扩大，煤制气的能力满足不了焙烧所需要的热量。经过尝试和调试，在以外燃为主的生产线上添加多种比例的内燃料，终于找到了合适的添加比例而不影响制品的内在品质和外观质量。 同样地，内燃生产线也可以添加外燃，好处有以下几方面： a.焙烧带不用外投煤，烟尘下降了，尾气中尘的污染物相对容易达标； b.温度控制精准，产品质量好； c.成本方面，比较如下： ①全内燃，以煤为燃料，采用5000kcal/kg的煤，价格500元/t。普通砖能耗：2.5kg×300kal/kg=750kcal/块 耗煤：750/5000=0.15(kg) 焙烧成本：0.15×0.50＝0.075(元/块) ②50%内燃，50%外燃 焙烧成本：0.075×50%+0.31×50%＝0.19(元/块) ③70%内燃，30%外燃 焙烧成本：0.075×70%+0.31×30%＝0.145(元/块) ④90%内燃，10%外燃 焙烧成本：0.075×90%+0.31×10%＝0.10(元/块) 以上分析可以看出，内外燃结合的焙烧方式，在烧成成本增加不多的情况下，满足了清洁生产的要求，减少了人工，产品质量更好了。 3 外燃系统的设计 内外然焙烧的窑炉，必须是既可以烧外燃，又可以烧内燃；烧外燃的窑炉一定是可以烧内燃的，反之则不一定。外燃有以下两种情形： a.全外燃设计，可实现100%外燃焙烧，外燃系统在焙烧带全覆盖。焙烧带全程可控，哪里温度低，外燃系统就在哪里补充热量，实现整个焙烧带温度的精准控制。可实现外燃比例从0～100%的调节。 如果焙烧带局部或大部分地区温度达到要求，可自动关闭相应区域的外燃系统。外燃系统设有自我保护装置，可保证外燃在不工作时不至于被高温烧毁。 如果局部温度过高，外燃系统还可以仅打入冷空气，使该区域温度降低。 该设计适应性广，既可以部分补充外燃，还可以实现100%外燃。一方面适应未来发展方向，另一方面为高档制品烧成提供前提条件。 b.部分外燃设计，即外燃系统仅可提供制品烧成所需热量的0～50%。 该系统一般设置在焙烧带的后半部分，至最高温度点处止。焙烧带前部包括预热带依赖坯体中添加的内燃料提供热量，外燃系统对焙烧带后半部分，集中在设置的最高温度点及之前较小的范围进行集中补给热量，使制品最终达到相同的焙烧温度，保证烧成制品的质量。 缺点是，针对不同的燃料，坯体着火（点）区域及内燃发力的区域存在很大差别。针对某一种内燃料（如烟煤）布置好了外燃系统，如果内燃料变化了（如无烟煤），之前布置了外燃系统的区域可能温度达不到要求，也补充不了热量，焙烧带前部没有外燃系统，表现为预热带、焙烧带前部温度过低，焙烧带后部温度才开始上升，虽有外燃系统又不可以补充热量，否则坯体表面迅速玻化，导致坯体内部黑心，同时冷却带内燃继续燃烧，并释放部分污染物，给余热利用增加了尾气处理难度，因为尾气中O2含量超标严重。 结论是推荐全外燃设计。 除以上设置在窑炉上外燃系统外，在窑炉之前还应设置减压站或气化站或煤气发生站等。 4 窑炉结构与码坯方式 窑炉结构、窑车码坯方式必须与外燃系统相适应。 首先，码坯方式很重要。不管是全内燃方式还是外燃方式，燃料的燃烧需要有燃烧空间，码坯密度要求间接保证了燃烧空间，经验证明码坯密度在230～260块/m3较为合适。近些年，行业内码坯方式发生了很多变化，目的是为了提高产能，诞生了大量的黑心砖。其主要原因就是码坯方式不合理，坯垛局部码坯密度过大，为了火行速度纵向风道留设过宽。一方面，过密的坯垛中坯体缺乏燃烧空间，燃料燃烧不充分导致黑心、浪费能源；另一方面，过宽的纵向风道中O2得不到充分利用，导致烟气或尾气中空气过剩系数过大，风机动力增加了，尾气处理量和难度增加了，使得尾气处理达标困难。 外燃的码坯方式，一是要杜绝纵向风道过大、坯垛局部密度大。外燃产生的热量要均匀地传导给每块坯体，不能让热量从纵向风道跑掉了，这样才能保证每块坯体的质量。二是，要预留横向拉缝。前后坯垛之间构成横向拉缝，这里就是外燃料的燃烧空间，烧嘴设置在该横向拉缝的正上方（大断面隧道窑）或左右两侧（小断面）；外燃烧嘴功率选型小且数量多，其需要的前后空间相对较小，若选型功率大且数量少，其需要的前后空间较大，否则烧嘴喷出火焰直接接触坯体导致坯体表面局部颜色显青色，产品色差较大。图1显示的是既适应外燃又适应内燃的码垛形式。 图1 外燃码坯示意图1-坯垛；2-烧嘴位置；3-横向拉缝；4-车 有了合理码坯方式，才有窑炉结构。外燃烧嘴位置设置在横向拉缝正上方，呈一排排列，前后排烧嘴一般错位布置，呈梅花形，目的是为了使所有坯体均匀受热；若小断面窑炉布置在窑炉两侧，同一拉缝中的左右烧嘴宜上下错位，使热气体在该断面形成旋转气流，气流重新分配后均匀地通过每一坯垛。 5 操作，控制与安全 窑炉外燃系统必须遵循从设计、制造、安装、调试验收到点火运行等一系列规范要求，做到专业设计、专业制造、规范操作。外燃系统的控制，包括温度控制与安全控制。 5.1 燃烧安全控制 具备点火条件后，总控柜的按钮启动系统启动后，启动助燃风机，系统会自动进行下列程序，通过风压开关检查风机运行是否正常、通过燃气压力开关检查燃气压力是否在设定的工作范围、燃气检漏装置对燃气电磁阀进行密封性进行检验。其中只要有一项异常，将发出报警信号，排除故障后才能重新启动。只有在全部正常情况下，开启控制柜，按上述程序对管辖的若干个烧嘴进行检查，完全正常后，全部就地控制箱得电。就地控制箱装有一个点火变压器，一个燃烧安全程序控制器。就地控制箱装有转换开关，可以在现场单独操作（一般用于维修时）也可以拨动开关送总控柜控制。 依次在每个烧嘴的就地控制箱上启动烧嘴，使烧嘴点着小火，并转入到大火状态下运行，至此整个炉窑启动完成。如果连续两次手动复位后仍然发生“锁定”，应立即停机，仔细检查原因，排除故障后才能重新启动。 上述每一个程序都通过线缆接到总控柜，正常、故障信号多可以在显示屏上显示、查阅。 5.2 温度控制 在烧嘴进入大火运行状态以后，炉窑进入升温阶段。热电偶将热信号变电信号送到总控柜，当炉内温度逐渐升高到设定的温度时，它发出信号到电动执行器，开关关小，并通过燃气、空气蝶阀及连动机构将燃气、空气呈比例地关小。但是由于炉窑的热惯性，炉温还可能继续上升，负载控制器可能将烧嘴关得更小；烧嘴关小以后炉温降低，负载控制器又将小火开大，同样由于热惯性，炉温仍继续降低，负载控制器又可能将烧嘴开得过大。如此经过几次反复以后，炉温逐渐接近设定的温度，并在设定温度附近波动直至加热工作结束。 由于用户要求在烧结过程中内燃及外燃的比例从1%～100%可通过中央控制室任意调控。考虑到内燃时煤燃烧的突发性，温度变化的滞后性。为防止炉温超温引起砖坯过烧，烧嘴还带脉冲燃烧功能。燃烧及停顿时间可在中控室根据炉况调整。 炉温的实时情况（设定温度、实际温度）、天然气的瞬时流量均可在显示屏上查阅、显示。 天然气外燃系统，若空燃比控制不合适，可造成燃烧不充分，燃气局部聚集，引起爆炸、爆燃；若无熄火保护措施，同样会引起爆炸、爆燃。发生炉煤气外燃系统，同样具有上述特点，若发生泄漏，还会引起中毒事件。毒性更强的高炉煤气，对燃烧系统安全的要求更高，必须保证运行过程不熄火、不泄露，且须配备固定式和便携式报警器。安全，对于老企业改造工程来说显得尤为重要。 6 结论与建议 内外燃结合的燃烧方式是目前环保形势下传统烧成方式向清洁能源过渡时期的产物，从国外发展历程看，行业最终实现全外燃清洁生产。所以，对于新建企业来讲，生产线的窑炉必须具备外燃的条件，环保要求严格、市场条件成熟时（市场接受外燃砖价格），逐步实现全外燃焙烧，给市场提供更加优质的产品，同时为保持我们头顶的蓝天贡献一分力量。 在环保要求越来越严的形势下，各地纷纷出台政策，一方面要求尾气排放达到国家标准（或地方标准）；且要求所有生产企业必须安装在线监测设备并联网运行；另一方面要求企业完成天然气、集中煤制气或电等清洁能源置换。在上述背景下，许多企业就地升级改造，新建生产线严格按照环保要求，从设计开始将清洁生产的理念贯彻到生产线的全过程。本文主要针对清洁生产的焙烧环节，在新的环保形势下，焙烧过程如何运用内外燃焙烧技术适应环保的要求。1 外燃能耗与成本首先介绍以下纯外燃情况下，以天然气为燃料，制品的焙烧成本。以天然气烧普通砖为例，按烧成能耗300kal/kg制品计算。天然气热值8500kcal/m3，天然气价格3.50元/m3。能耗：2.5kg×300kal/kg=750kcal/块耗气：750/8500=0.0882(m3)焙烧成本：0.0882×3.50＝0.31(元/块)即采用天然气焙烧，烧成每块普通砖的燃料成本为0.31元。目前在国内很多地区普通砖的售价还不到0.30元/块，一下子要求改变传统的焙烧方式，生产企业和市场有一个适应过程。2 内燃+外燃结合的焙烧方式在环保要求下，生产企业焙烧方式必须要改。我们有经验，外燃可以添加内燃。在烧外燃的生产线上，由于产能扩大，煤制气的能力满足不了焙烧所需要的热量。经过尝试和调试，在以外燃为主的生产线上添加多种比例的内燃料，终于找到了合适的添加比例而不影响制品的内在品质和外观质量。同样地，内燃生产线也可以添加外燃，好处有以下几方面：a.焙烧带不用外投煤，烟尘下降了，尾气中尘的污染物相对容易达标；b.温度控制精准，产品质量好；c.成本方面，比较如下：①全内燃，以煤为燃料，采用5000kcal/kg的煤，价格500元/t。普通砖能耗：2.5kg×300kal/kg=750kcal/块耗煤：750/5000=0.15(kg)焙烧成本：0.15×0.50＝0.075(元/块)②50%内燃，50%外燃焙烧成本：0.075×50%+0.31×50%＝0.19(元/块)③70%内燃，30%外燃焙烧成本：0.075×70%+0.31×30%＝0.145(元/块)④90%内燃，10%外燃焙烧成本：0.075×90%+0.31×10%＝0.10(元/块)以上分析可以看出，内外燃结合的焙烧方式，在烧成成本增加不多的情况下，满足了清洁生产的要求，减少了人工，产品质量更好了。3 外燃系统的设计内外然焙烧的窑炉，必须是既可以烧外燃，又可以烧内燃；烧外燃的窑炉一定是可以烧内燃的，反之则不一定。外燃有以下两种情形：a.全外燃设计，可实现100%外燃焙烧，外燃系统在焙烧带全覆盖。焙烧带全程可控，哪里温度低，外燃系统就在哪里补充热量，实现整个焙烧带温度的精准控制。可实现外燃比例从0～100%的调节。如果焙烧带局部或大部分地区温度达到要求，可自动关闭相应区域的外燃系统。外燃系统设有自我保护装置，可保证外燃在不工作时不至于被高温烧毁。如果局部温度过高，外燃系统还可以仅打入冷空气，使该区域温度降低。该设计适应性广，既可以部分补充外燃，还可以实现100%外燃。一方面适应未来发展方向，另一方面为高档制品烧成提供前提条件。b.部分外燃设计，即外燃系统仅可提供制品烧成所需热量的0～50%。该系统一般设置在焙烧带的后半部分，至最高温度点处止。焙烧带前部包括预热带依赖坯体中添加的内燃料提供热量，外燃系统对焙烧带后半部分，集中在设置的最高温度点及之前较小的范围进行集中补给热量，使制品最终达到相同的焙烧温度，保证烧成制品的质量。缺点是，针对不同的燃料，坯体着火（点）区域及内燃发力的区域存在很大差别。针对某一种内燃料（如烟煤）布置好了外燃系统，如果内燃料变化了（如无烟煤），之前布置了外燃系统的区域可能温度达不到要求，也补充不了热量，焙烧带前部没有外燃系统，表现为预热带、焙烧带前部温度过低，焙烧带后部温度才开始上升，虽有外燃系统又不可以补充热量，否则坯体表面迅速玻化，导致坯体内部黑心，同时冷却带内燃继续燃烧，并释放部分污染物，给余热利用增加了尾气处理难度，因为尾气中O2含量超标严重。结论是推荐全外燃设计。除以上设置在窑炉上外燃系统外，在窑炉之前还应设置减压站或气化站或煤气发生站等。4 窑炉结构与码坯方式窑炉结构、窑车码坯方式必须与外燃系统相适应。首先，码坯方式很重要。不管是全内燃方式还是外燃方式，燃料的燃烧需要有燃烧空间，码坯密度要求间接保证了燃烧空间，经验证明码坯密度在230～260块/m3较为合适。近些年，行业内码坯方式发生了很多变化，目的是为了提高产能，诞生了大量的黑心砖。其主要原因就是码坯方式不合理，坯垛局部码坯密度过大，为了火行速度纵向风道留设过宽。一方面，过密的坯垛中坯体缺乏燃烧空间，燃料燃烧不充分导致黑心、浪费能源；另一方面，过宽的纵向风道中O2得不到充分利用，导致烟气或尾气中空气过剩系数过大，风机动力增加了，尾气处理量和难度增加了，使得尾气处理达标困难。外燃的码坯方式，一是要杜绝纵向风道过大、坯垛局部密度大。外燃产生的热量要均匀地传导给每块坯体，不能让热量从纵向风道跑掉了，这样才能保证每块坯体的质量。二是，要预留横向拉缝。前后坯垛之间构成横向拉缝，这里就是外燃料的燃烧空间，烧嘴设置在该横向拉缝的正上方（大断面隧道窑）或左右两侧（小断面）；外燃烧嘴功率选型小且数量多，其需要的前后空间相对较小，若选型功率大且数量少，其需要的前后空间较大，否则烧嘴喷出火焰直接接触坯体导致坯体表面局部颜色显青色，产品色差较大。图1显示的是既适应外燃又适应内燃的码垛形式。图1 外燃码坯示意图1-坯垛；2-烧嘴位置；3-横向拉缝；4-车有了合理码坯方式，才有窑炉结构。外燃烧嘴位置设置在横向拉缝正上方，呈一排排列，前后排烧嘴一般错位布置，呈梅花形，目的是为了使所有坯体均匀受热；若小断面窑炉布置在窑炉两侧，同一拉缝中的左右烧嘴宜上下错位，使热气体在该断面形成旋转气流，气流重新分配后均匀地通过每一坯垛。5 操作，控制与安全窑炉外燃系统必须遵循从设计、制造、安装、调试验收到点火运行等一系列规范要求，做到专业设计、专业制造、规范操作。外燃系统的控制，包括温度控制与安全控制。5.1 燃烧安全控制具备点火条件后，总控柜的按钮启动系统启动后，启动助燃风机，系统会自动进行下列程序，通过风压开关检查风机运行是否正常、通过燃气压力开关检查燃气压力是否在设定的工作范围、燃气检漏装置对燃气电磁阀进行密封性进行检验。其中只要有一项异常，将发出报警信号，排除故障后才能重新启动。只有在全部正常情况下，开启控制柜，按上述程序对管辖的若干个烧嘴进行检查，完全正常后，全部就地控制箱得电。就地控制箱装有一个点火变压器，一个燃烧安全程序控制器。就地控制箱装有转换开关，可以在现场单独操作（一般用于维修时）也可以拨动开关送总控柜控制。依次在每个烧嘴的就地控制箱上启动烧嘴，使烧嘴点着小火，并转入到大火状态下运行，至此整个炉窑启动完成。如果连续两次手动复位后仍然发生“锁定”，应立即停机，仔细检查原因，排除故障后才能重新启动。上述每一个程序都通过线缆接到总控柜，正常、故障信号多可以在显示屏上显示、查阅。5.2 温度控制在烧嘴进入大火运行状态以后，炉窑进入升温阶段。热电偶将热信号变电信号送到总控柜，当炉内温度逐渐升高到设定的温度时，它发出信号到电动执行器，开关关小，并通过燃气、空气蝶阀及连动机构将燃气、空气呈比例地关小。但是由于炉窑的热惯性，炉温还可能继续上升，负载控制器可能将烧嘴关得更小；烧嘴关小以后炉温降低，负载控制器又将小火开大，同样由于热惯性，炉温仍继续降低，负载控制器又可能将烧嘴开得过大。如此经过几次反复以后，炉温逐渐接近设定的温度，并在设定温度附近波动直至加热工作结束。由于用户要求在烧结过程中内燃及外燃的比例从1%～100%可通过中央控制室任意调控。考虑到内燃时煤燃烧的突发性，温度变化的滞后性。为防止炉温超温引起砖坯过烧，烧嘴还带脉冲燃烧功能。燃烧及停顿时间可在中控室根据炉况调整。炉温的实时情况（设定温度、实际温度）、天然气的瞬时流量均可在显示屏上查阅、显示。天然气外燃系统，若空燃比控制不合适，可造成燃烧不充分，燃气局部聚集，引起爆炸、爆燃；若无熄火保护措施，同样会引起爆炸、爆燃。发生炉煤气外燃系统，同样具有上述特点，若发生泄漏，还会引起中毒事件。毒性更强的高炉煤气，对燃烧系统安全的要求更高，必须保证运行过程不熄火、不泄露，且须配备固定式和便携式报警器。安全，对于老企业改造工程来说显得尤为重要。6 结论与建议内外燃结合的燃烧方式是目前环保形势下传统烧成方式向清洁能源过渡时期的产物，从国外发展历程看，行业最终实现全外燃清洁生产。所以，对于新建企业来讲，生产线的窑炉必须具备外燃的条件，环保要求严格、市场条件成熟时（市场接受外燃砖价格），逐步实现全外燃焙烧，给市场提供更加优质的产品，同时为保持我们头顶的蓝天贡献一分力量。

文章来源：《内燃机与配件》 网址: http://www.nrjypj.cn/qikandaodu/2020/0529/337.html

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