中窑技术

由于环境保护的需要,现代陶瓷窑炉在选择燃料方面应着重考虑用清洁燃料。
  清洁燃料包括:柴油、煤油、天然气、液化石油气。焦炉煤气、水煤气及发生炉冷煤气。
  1、柴油及煤油
  A、柴油用作清洁燃料其优点是:运输及贮存比较简便,设备投资少,热值高而稳定,粘度较小,较易雾化,发热温度高达2080~2100℃
  缺点是:价格高,凝点较高的柴油在较冷的环境中使用时需要加热。在选用柴油时应注意其含硫量,如含硫量过高,将会影响陶瓷产品品质并腐蚀设备及管道、污染环境。
  B、煤油用作清洁燃料其优点是:低位热值比轻柴油稍高约42.8~43.5MJ/kg。它是清洁燃料中的上品,不凝固,粘度比轻柴油更小,更易雾化。
  缺点是:闪点不低于40℃,否则使用不安全,另外价格太高。
  2、天然气及液化石油气
  A、天然气作为燃料其燃烧特性如下:
  (1)因其主要成分为甲烷,所以燃烧特性取决于甲烷。甲烷与空气混合物的着火浓度范围很窄,在5%~15%。因此,在燃烧过程中对缺氧很敏感,同时也减少了回火的危险性。
  (2)甲烷的火焰传播速度很小。其常温、常压下最大可见火焰传播速度不到时子环1.0m/s。因而
燃烧较为缓慢。天燃气属于低火焰传播速度的燃气。比较容易发生脱水。
  (3)天燃气的发热温度约2000~2040℃,对于各种陶瓷产品几乎都可满足要求的烧成温度,即使用常温空气。
  (4)天燃气与空气混合良好时其火焰黑度很小,为液化石油气的二分之一弱,比液体燃料的黑度更低得多。然而对于现代陶瓷窑炉来说,火焰辐射传热不占重要地位。一般都使用高速烧嘴,为无焰燃烧,几乎没有火焰。
  (5)天燃气的理论空气量大,约为7.8~11.2Nm3/Nm3,因此对烧嘴混合性能要求高,也就是说1Nm3,天然气要能很好地与多于7.8~11.2Nm3的空气混合。
  (6)天燃气的碳/氢质量比(3.0~3.2)比液体燃料(6.0~7.4)或固体燃料(10~30)低得多。因此燃烧产物中含H2O较多。
  B、液化石油气作为燃料有如下几个特点:
  (1)热值很高,是气体燃料中最高的。
  (2)理论空气量高达24~30Nm3/Nm3,因此,助燃空气与之混合完全比天燃气更为困难。可以用空气或烟气先冲稀液化石油气,然后使用。但用空气稀释时,不得在着火浓度范围内以防爆炸。通常规定液化石油气体积浓度必须高于着火浓度范围上限的1.5倍。
  (3)火焰传播速度低,燃烧缓慢,但较天燃气快一些。
  (4)纯净。一般含硫少,是烧制高档陶瓷产品的优质燃料。
  (5)密度较大,约为同温度及压力下的空气的1.5~2.0倍,泄漏时往下沉,易与空气混合达到着火浓度范围内,遇火发生爆炸。
  (6)一般液化石油气蒸气压较高。在37.8℃时约为0.9~1.5Mpa。这作为气体燃料是有利的。但在使用中必须要求气化站减压阀良好,以保证安全。
  3、焦炉煤气、水煤气及发生炉煤气
  焦炉煤气、水煤气及发生炉煤气这些人造气体燃料是由煤炭气化制成,又统称为煤制气。
  A、焦炉煤气
  焦炉煤气的平均组成为:
  H2 46%~61% CO 4.0%~8.5% CH4 21%~30% CmHn 1.5%~3.0%
  CO2 1.0%~4.0% N2 3.6%~26% O2 0.3%~1.7%
  干煤气的低热值为蓝膜片回收13.2~19.2MJ/Nm3,属于中热值燃气,其发热温度高约为2100~2130℃。由于含氢高,故火焰传播速度比天然气和液化石油气大,其常温、常压下最大火焰传播速度约为1.5m/s。焦炉煤气的着火范围也较大,下限约为6%,上限约为31%
焦炉煤气能够满足现代陶瓷窑炉各种烧成温度的要求,而且燃烧快,不易脱水,但回火的爆炸危险较大一些。
  B、水煤气
  水煤气是将水蒸气与赤热焦炭中的碳产生下列反应而生成的燃气
  H2O+C=CO+H2 2H2O+C=CO2+2H2
  生成的COCO2又产生下列反应
  CO+H2O=CO2+H2 CO2+C=2CO
  由反应式可以看出,水蒸气被碳还原后生成的COH2的分子数是相等的,因此,水煤气的理论组成是:CO 50% H2 50%,理论低热值是11.78MJ/Nm3,水煤气也属中热值燃气,其发热温度高达2200℃左右。
  C、发生炉煤气 石榴套袋技术
  我国在现阶段,常压固定床发生炉冷煤气很适合陶瓷窑炉使用,因为这种煤制气虽然属于低热值燃气,但对于一般烧成温度不太高的陶瓷产品烧成,还是完全能够满足的。
  常压固定床发生炉煤气属于低热值燃气,冷煤气热值一般在4.49~7.62MJ/Nm3范围内,其发热温度为1650℃~1750℃,如果取空气系数为1.10,高温系数取0.83,则可得到助燃
空气温度与实际燃烧温度之间的关系,对烧成温度为1280℃的陶瓷产品来说,实际燃烧温度约高于烧成温度50~100℃,约为1350℃,当使用热值为5.70MJ/Nm3的冷煤气,助燃空气只需要常温即可。如烧成温度1300~1350℃,实际燃烧温度需要达到约1400℃,则助燃空气温度需要200℃左右,这对于一般隧道窑,辊道窑及带有换热器的间歇窑炉是不难做到的。对于烧成温度较低的1100~1200℃陶瓷产品,更可以使用发生炉煤气。
隧道窑炉温自动控制
  A、测温点的选取
  对炉温控制而言,起关键作用的是烧成带。为此,目前隧道窑的整个温度制度的控制,通常简化为对烧成带内若干个特定点的温度定值控制,即将烧成带的所有燃烧室分成若干个区,每一区选择一个测温点作为温度控制点。其温度控制数值由工艺给定的温度控制来决定。
  采用热电偶作为检测元件的有两种测温点选择方案;一种是选在侧墙上,将热电偶按垂直
方向插入窑内,另一种是选在窑顶上,将热电偶按垂直方向插入窑内。采用全辐射高温计作为检测元件的一般是在侧墙上留出水平方向的测温孔。
  B、对温度测量信号的处理
  用全辐射高温计测量窑内火焰空间的温度时,很容易受到各种干扰因素的影响。其中特别是火焰的脉动干扰,常使测量信号也出现严重的脉动情况。全辐射高温计输出的热电毫伏信号,直接送至电子电位差计记录下来的温度曲线,其脉动辐度可达30~40℃,而把这样的温度测量信号送入炉温控制系统是不适当的。因为这种脉动信号将使调节器的输出电流也随着发生波动,导致调节阀的频繁动作,显然这种情况对控制系统的工作是十分不利的。为此,必须设法减少温度测量信号的脉动,经常采用的方法是利用由电容和电阻组成的电子滤波器,对脉动信号进行滤波。全辐射高温计输出的热电毫伏信号送至DBW型温度变送器,变送器输出的脉动电信号进入RC滤波器,滤除脉动分量后的电流信号经电阻R1进入调节器。同时从电阻R1上取得电压毫伏信号送至电子电位差计作记录用。
  RC滤波器中的电阻R和电容C的取值,可以通过实验来确定,一般R取1KΩ左右,C取4000uF左右。
  C、热电偶的安装
  为了保证热电偶的测量精度,灵敏度和可检验性,使用寿命,以及安装和维护的方便,必须注意热电偶在窑炉上的安装基本方法和特点。
  ①窑炉碹顶上安装热电偶
  测量燃烧式工业窑炉火焰空间温度时,一般采用窑炉碹顶上安装热电偶,在碹顶测量点耐火砖预留孔内,插入WRR型或WRP型热电偶,并用耐火泥填塞孔隙,防止窜火,这是最简单的安装方法。插入深度可由撑架调整。一般认为,热电偶保护套伸入炉内30~50mm就可确保得到精确的示值和良好的动作灵敏度,但由于火焰的烧蚀,会缩短热电偶的寿命。
  为了便于安装和更换,延长热电偶的使用寿命,有时可以适当降低测温精度和灵敏度,采用未钻通的测温砖来插热电偶。热电偶被轴套和螺丝销子固定在平板上,平板由螺母固定在立柱上,高度可调,立柱支于碹顶上。②窑炉侧墙上安装热电偶
  热电偶露在测温砖外部的部分,可用蝶形螺母和夹板压紧在枕座上,枕座和丝杆连在一起,丝杆插在夹子中,夹子可沿着焊在钢架上的立杆移动调整热电偶的插入高度。
  ③炉底上安装热电偶。
  ④供料槽顶部安装热电偶。
快开阀芯  D、炉温控制系统的设计
  a、控制手段的选择
  一般采用的办法是改变燃料用量。对于燃用煤或煤粉的窑炉来说,直接调整用煤量是控制炉温的主要手段。对于燃用气体燃料的窑炉来说,调整燃气用量来控制炉温。不过它有两种控制手段,例如在低压空气通过混合器引射煤气的燃烧系统中,可以采用调整空气流量来间接改变煤气流量,实现炉温控制。
  燃用液体燃料(重油等)时,有"直接调油","油气比值",和"以气调油"三种控制手段可供选择。其中"油气比"是指重油和雾化气用量同时按比例改变的控制方式;"以气调油"是指通过调雾化气流量来间接改变重油流量的控制方式。高压喷嘴的结构特点是提供了"以气调油"的可能性。
四甲基环丁烷采用"直接调油"控制方式时,调节阀可以安装在主油管上,实现直接或间接调整重油用量的目的。目前,以重油为燃料的燃烧式工业窑炉大多采用直接调油的控制手段。"以气调油"的控制手段曾用于大型平板玻璃池窑的分区炉温系统,它虽有管路系统和施工比较简单设备投资较少的优点,但也存在雾化气耗量大,喷油量多时雾化不良的缺点,故应用不广泛。
  b、执行器的选择
  控制气体和液体燃料以及雾化气和助燃空气的流量,通常采用改变调节阀的开度来实现。利用电动执行器输出轴来带动调节阀是十分方便的。利用电-气转换器将电流信号转换成气压信号,来推动气动薄膜调节阀也是很容易的,正是因为这样,电动调节阀和气动薄膜调节阀都是常用的执行器。
  c、调节方案的选择
  窑炉炉温控制,主要采用按连续PID控制规律进行定值控制的方案。被控变量-炉温,一般都是窑内某些特定测温点的火焰空间温度。在根据这些温度设定值进行调节时,必须注意维持一定的火焰特性,以免严重影响窑炉内的温度制度和气氛制度。从这一点出发,最好能同时调节重油和雾化气的流量,以及燃料和助燃空气的流量,即保持它们一定的配合比例。
  对于采用低压雾化喷嘴的隧道窑,进行重油-雾化气流量的比值控制是合适的。
  由于雾化气占全部助燃空气量的80%以上,所以对雾化气的比值控制,基本上也可以看成是对助燃空气的比值控制。
  对于采用高压雾化喷嘴的玻璃池窑,由于雾化气用量只占全部助燃空气量的很小部分,所
以同时采用重油-雾化气流量比值控制和重油-助燃空气流量比值控制的方案是合理的。
  大型窑炉和隔焰式窑炉的热容量很大,滞后现象严重,可以采用串级控制系统控制炉温。多燃烧室的隧道窑,大型退火窑和横火焰玻璃池窑等大中型窑炉可以采用分区炉温控制方案。
窑炉的施工和有关问题
  窑炉是陶瓷生产中重要的热工设备,烧成质量和成本与窑炉砌筑安装的质量密切相关。因此窑炉施工技术是一个非常重要的问题。如果施工质量差或方法不合理,便会在很大的程度上影响窑炉的使用寿命和烧成工艺,并降低窑的热效率,增加维修费用。
  窑炉总的特点和要求大致是承受高温荷重,要求一定的严密性和几何尺寸的准确性,以防止窑内热气体外漏和冷空气的吸入,能适应烧成工艺的要求,保证窑内压力、温度、气氛制度的实现。因窑墙是单面受热,且温度高低有别,膨胀和收缩不同,容易损坏,间歇式的窑炉尤甚。
  窑炉施工的首要任务就是保证砌筑安装质量,使昂贵的窑炉设备更好更快地发挥效益,同时也应争取降低造价。
窑炉的地基基础问题和要求
  (1)地基:窑炉地基同房屋地基一样是个复杂而重要的问题。需要设计和施工人员认真慎重对待。对于地基,一般来说应事先进行工程地质勘察,掌握土的物理和力学性质,要求搞清楚地基土质的好坏,承载力的大小,地下水位的高低,土层的分布是否均匀,有无软土层,有无暗滨、池塘、古井、古墓等情况。如实在无条件勘察,那只有在土壤开挖后看土质与设计要求是否相符,有无特殊之处,再根据具体情况,参照附近建筑物的处理地基的做法以及凭经验和参考有关资料商量研究决定其处理办法。
  就景德镇地区来说它属丘陵地带,城市区域内又有很多历代遗留下的废瓷渣,地质情况比较复杂。从一般情况来看部分地基土(表层以下)承载力可参考下表。
卫生杯
地基土壤名称
承载力kg/cm2
耕地地基
1.2-2.0
老窑地基和老房屋渣片地基
0.9-1.2
堆积年代较久的渣片地基
0.7-0.9
新近渣片地基
0.4-0.7
  但市效区和某些地段则有风化岩地基,其承载力那就很高了,做窑炉地基是毫无顾虑的。
  (2)圆窑的地基和基础:圆窑的整体性较好,容许有较大的均匀沉陷,基础的单位荷重根据计算一般为1.2kg/cm2左右,在景德镇地区来看,常说的老土和老窑基或老房屋渣片地基,一般都可以做圆窑地基,而不需要经过特别加固处理。
  圆窑一般要求建筑在比较高爽的位置,这对烧成工艺有利,所以圆窑要求基础高出地下最高水位(或叫地表水位)60公分以上,若不得已只有建在低洼的或地下水位过高的地方,则应采取防水、排水措施,防止地下水进入或渗透到窑底与烟道中,以免影响通风或由于湿气太重而影响制品的质量(山东地区地下水位均较高)。 圆窑的基础通常采用刚性基础 。
  (3)隧道窑的地基与基础:因为隧道窑是长形的建筑物,而且是比较长的,制品装上窑车在轨道上运行。所以要求地基有较高的承载力,特别要求在窑的长度范围内土质均匀一致。因为隧道窑不允许有不均匀的沉陷,否则将严重影响窑的运转使用,甚至不能运行,那就造成很大的损失。
  隧道窑同圆窑一样要求建在地下水位以上。它的基础几乎都采用钢筋混凝土。因基础面积较大,工程量多,耗时亦长。施工中更要认真注意质量。
  总之窑炉地基与基础施工很重要,一定要严格遵照设计图纸和有关施工规范的要求搞好质量。对于其它一些类型的窑炉地基与基础的要求基本上与上两种窑大致相同 。
  (4)烟囱的地基与基础:烟囱是独立的砌体。根据示范允许较大的均匀下沉。地基承载力达1.2kg/cm2以上的比较均匀土质做为烟囱地基是无问题的。囱基埋置的深度,除根据地基的承载力、土层的厚度考虑外,还应配合烟道的位置来综合考虑。烟囱基础(尤其是高30米以上的)几乎都采用钢筋混凝土基础。
  (5)关于窑炉地基及排水问题:景德镇地区某瓷厂在六十年代兴建的几座圆窑,地处市区薛家坞,这里历史上曾是低洼地段,历年来堆积瓷渣垃圾极厚,很难挖见老土,只得在渣片上建,这种地基经充分夯实,倒了一层三合土再做钢筋混凝土基础,至今基础无变异。又如最近建的一座长93米燃油隧道窑,其地基更为复杂,在该市来说亦属少见,在93米长的范围内有风化岩层、有老土层、有瓷渣片层等几种不同情况。且因位于山坡脚下,地下水位很高,而本窑又设有坑道,所以要做到既经济又有效地处理此地基和搞好排水是一件既重要又辣手的事,为此颇费周折,耗时半年多,结果经多方反复研究定案:①因地基软硬不一,承载力不等,为均衡沉降,提高软弱土的承载力,采用全窑长的砂垫层。根据地基软硬,砂垫层分为三种厚度:最软弱处厚1.1米,最硬处厚0.5米,其它为0.8米左右。
该窑于1981年底建成后使用至今,其基础未发现有何问题,证明该种地基情况下用上述方法处理是成功的。②窑基础排水采用盲沟,即在基础砂垫层下沿窑长铺设一条预制混凝土管连接成的排水沟,沟水引至室外集水井,用泵抽水排掉。结果因地下水位很高,水量太多,始终排除不尽,使坑道常年积水,雨季尤甚,所以后又在坑道内增设水泵加强排水,才得免强济事。基础防水排水还有其它一些措施,同处理地基一样可根据具体情况的不同而分别参考土建上的做法。不过防水工程的施工质量倒是关键问题,否则将会引起渗漏,而使防水工程起不到应有的作用。 窑炉地基与基础问题于整个窑炉工程是至关重要的,所以一般都慎重对待,并希望一劳永逸为好(当然是要恰到好处,不至于浪费)。窑炉工程因此而出大问题者尚极少见,但基础轻微下沉却是有的,如有的隧道窑在大修理时,检测轨道水平,发现一头高一头低,标高数相差多者竟以公分计,这基本上就是因基础下沉造成的。但轨道仅有轻微倾斜,只要停窑时调整好并不怎么防碍推车,最可怕的是轨道成波浪变形,因其极易引起卡车等事故。

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