窑炉节能措施－热风助燃

摘要：随着节能和环保的概念与意识越来越被人们重视，保护环境、节约能源已经称谓企业减低生产成本增强产品市场竞争力的最有效手段之一。各类炉窑设备作为耗能和排放“大户”，其节能降排措施已被广泛关注。此文简单谈谈炉窑节能措施之一的热风助燃。
关键词：热风助燃 换热器 燃烧温度 燃烧效率
一、前言
    目前我国每年就陶瓷工业生产中，煤炭的使用量已经超过一千万吨标煤，如果其中80%的陶瓷窑炉能使用热风助燃技术进行改造，达到平均节能5%的水平，可以节约50万吨标准煤。若对其它燃烧效率更低的加热炉等，使用热风助燃技术进行改造，节能潜力更加可观。
    使用热风助燃燃烧技术除了经济效益非常明显以外，环保效益更加显著。由于提高热效率，燃料减少5%，相应的各种燃烧产物如CO2也减少5%。
    此外，一些低热值煤气在常规条件下燃烧的燃烧温度较低，达不到工艺燃烧要求，以前只能配高热值煤气使用，这样工序繁琐且增加了投资。若采用热风助燃燃烧技术，无需配高热值煤气亦可达到工艺燃烧温度。
    长时间来，我公司就致力于节能环保窑炉的研发和生产。在长期的热工设计、窑炉施工、调试的过程中，注重实践经验的总结，并结合理论，研发一套高效、安全的热风助燃技术。使得我公司建造的各类炉窑具有高效、节能、环保的优点。
一，热风助燃的机理
1，可提高燃烧温度
    燃烧温度即燃料燃烧后燃烧产物所达到的温度。在实际条件下，燃料燃烧的温度与燃料的种类、燃烧条件、传热条件等各方面因素有关。归纳起来，燃烧温度将决定于燃烧过程中热量收入和热量支出的平衡关系。所以从分析燃烧过程的热量平衡，可以计算处燃烧温度，找出提高燃烧温度的方法及措施。
燃烧温度计算公式：
其中：t产——燃烧温度 QD——化学热（即燃料的发热只）
Q物——燃料和助燃空气带入的物理热 Q不——不完全燃烧热损失
Q传——散热损失 Q分——产物中热分解消耗的热量
Vn——燃烧产物的量 C产——燃烧产物的比热容
    根据燃烧温度计算公式得知：在保持其他条件不变的情况下，提高助燃空气或燃料的温度，势必增加助燃空气或燃料带入炉内的物理热，在整个平衡中，势必提高燃烧温度。分析得知：预热助燃空气和燃料，可以提高燃烧温度，使得窑内辐射传热强度增加。并且对低位热值低的燃料的有着更广泛的选择。
2，提高火焰传播速度
    在静止的可燃气体与空气的混合物中，当某一局部地区着火燃烧，在燃烧处就形成了燃烧火焰面，由于燃烧产生大量的热，使该处温度提高，以热传导的方式传给邻近一层的气体，使其达到着火温度以上而燃烧，并形成新的燃烧火焰面，这种火焰面不断向未燃气体方向移动的现象叫火焰传播现象，这个传播速度称为火焰传播速度。
    影响火焰传播速度的因素有：一、与燃料的种类有关，主要取决可燃气体混合物的热效应及化学反应速度，若可燃气体混合物的热效应及化学反应速度低，则火焰传播速度数值就小。二、与气体混合物的物理常数有关，火焰传播速度与其平均导热系数的平方根成正比例，与其定压比热Cp的平方根成反比。三、送入的燃料温度和助燃空气温度有关，将燃料和助燃空气预热后再送入燃烧室，则火焰传播速度能得以提高。四、与助燃空气过剩系数有关，助燃空气量不足（α＜1）或过多时（α＞1），都会使燃烧温度降低，因而亦降低火焰传播速度。
    对于窑炉设备来讲，燃料的种类既定，即燃料侧成分很难改变，则影响火焰传播速度的因素的一和二项亦是既定的。若要改变火焰传播速度需从三或四项来考虑，第四项一般在烧嘴的设计和制造中考虑。第三项则操作性很大，一般来讲，预热发燃料在实际操作中相对困难些，且不安全。因此，欲提火焰传播速度，预热助燃空气是较为方便且安全的方法。
3，提高燃烧效率
    所谓的提高燃烧效率，就是让适量的燃料和适量的空气组成最佳比例进行燃烧。空气中有79%的氮气，这些氮气不参加燃烧，但在燃烧过程中一样被加热，吸取了能量从烟道中被排到大气中。为了使空气中20.9%的氧气参与燃烧，必须要加热近4倍的氮气，然后将其放掉。这些能量的损耗是不可避免的，但可以设法减到最低程度。如果能在保证燃料充分燃耗的前提下最大程度地减少空气的输入量，则这种形式的损耗将减至最低。但是空气的减少必须在保证燃料充分燃烧的前提下进行，否则由于燃料燃烧的未充分燃烧的能量损失也是非常可观的，同时也会对大气造成污染。这就要求控制好助燃空气过剩系数，一般情况助燃空气过剩系数控制在1.05至1.15（依据燃料种类不同而不同）。 虽然燃烧效率主要取决于燃烧装置，但预热助燃空气是有利控制助燃空气过剩系数的。因助燃空气预热后，其体积膨胀，则调节助燃空气给入量时，相对与冷空气其调节精度会更高些，即有利于提高燃烧效率。
    另外，使用热风助燃，提高了燃烧温度，也有利于燃料的充分燃耗，自然提高燃烧效率。总之，减少烟气的生成量，减少热损失。
4，提高窑炉内温度场的均匀性和稳定性
    一般窑炉多采用中速喷射烧嘴，在使用的过程气体喷射速度有限，使得在窑内气体扰动有限。特别对于宽断面的窑炉，预热助燃空气对改善窑炉内温度场的均匀性和稳定性是十分有益的。
    使用热风助燃与传统的燃烧技术相比，在热力学、动力学方面或燃烧室温度场的分布、传热情况方面都有着显著的不同。热风助燃火焰前锋面相对比较宽，比较大，火焰的自身热扰动较大，有利于提高窑炉内温度场的均匀性，保证温度的稳定。因此，热风助燃特别有利于高温段的温度准确控制，对烧成成品率的提高给予最大的保证。
    此外，由于增加助燃空气温度，增加助燃空气带入热含量，这样有利于抵制低热值燃料（如发生炉煤气）低位热值的波动造成对炉内燃烧温度的影响。
5，方便余热利用
    热风助燃的热源，一般采用产品冷却余热或高温烟气余，不增加燃料的使用量，而是增加热量回收，从而提高热能的使用率。我公司采用的自主研发的热风助燃技术可使助燃空气高达200℃，使得余热回收率到达30%以上。经过实践数据统计知，可以节约燃料5%-10%左右。
三，热风助燃的缺点及克服措施
    1，增加阻力，增加动力损失
提高助燃空气温度的同时，使得整个助燃空气体积急剧增加，同时增加助燃气流粘度，从而增加阻力，增加动力损失。
我公司采用高压风机，克服助燃空气温度增加带来的流动阻力的影响，同时精确计算合理增大助燃风管道，使得整个热风助燃效果达到最佳。
    此外，合理选材，保证助燃风管道在长期高温情况下，长久耐用。
2，减少氧份的空间溶度，对氧化不利
    产品的烧制工艺各有不同，对气氛的要求也不同。例如在陶瓷烧成的整个过程包括：预热排水、化学氧化、高温釉封、烧结成瓷等过程，热风助燃并不是对每个过程都是有利的。

    增加热风助燃温度的同时，体积急剧增加，使得相对空间的氧气溶度降低。这对陶瓷烧成中的化学氧化阶段是不利的。因此陶瓷烧成窑炉设计时，我公司采用前端常温空气助燃与后端热风助燃有机相结合，避免氧化段的氧化的不良现象发生。窑前段燃料使用量相对较低，使用热风助燃经济效益不大，从而可减少设备和管道材料的投入，减少窑炉的制造成本，保证初投资资金的使用效率，使资金用在刀刃上。

四，我公司热风助燃技术简介
    使用热风助燃有其优点也有其困难之处。因此在热工窑炉设计过程中充分利用其优点，克服困难。
我公司的热风助燃技术视窑炉的不同，烧制产品的不同可分为三类。
一、连续式窑炉，烧制产品较为干净。要求窑炉是连续作业的，如辊道窑、隧道窑等，烧制的产品较为干净是要求其冷却后的热风可直接利用，而不污染产品。此类窑炉的热风助燃，一般采用其冷却段冷却置换出的热风来做助燃风。应注意冷却段热风的选择，和风机的选型。
二、连续式窑炉，烧制的产品不洁净。也就是说产品冷却置换的热风不可以直接利用。此类窑炉的热风助燃则通过在冷却段设置换热器，通过间接冷却，预热助燃空气。这样其制造成本有所增加。
三、间歇式窑炉。此类窑炉一般在其排烟道内设置换热器，将高温烟气的余热置换给助燃空气。
    在节能环保方面走在了同行业的前列，做到资源浪费最小化、经济效益和环境效益最大化。热风助燃是一项可选的不错措施。