朱云峰

（上海潔槿園林綠化有限公司，上海 200241）

1 前言

焙燒是分子篩生產(chǎn)的一個重要工序，焙燒的目的是脫除分子篩孔隙中吸附的水分，以使分子篩得到活化或改性，其次，使分子篩中的晶態(tài)粘土粘結(jié)劑相變，成為無定形態(tài)，使分子篩晶體(1～3μm)之間通過粘土相互連接，達到增強作用，滿足工業(yè)需求。

焙燒中的主要控制變量為：物料的溫度分布、進料速率、進料含水率、吹掃壓縮空氣流量和抽風負壓。由于分子篩存在熱穩(wěn)定性問題，不同品種的分子篩有不同的溫度分布要求，因此，在操作中控制物料的溫度在一個狹窄的范圍至關(guān)重要。

焙燒爐的熱能是通過燃燒天然氣所獲得，燃燒溫度高低是根據(jù)不同的產(chǎn)品所設(shè)置，因此要求焙燒爐設(shè)計中，內(nèi)膽筒體壁上的溫度設(shè)置范圍要求在250～800℃之間可控。

2 課題背景

根據(jù)?上海市節(jié)能和應(yīng)對氣候變化“十三五”規(guī)劃?，上海市“十三五”能源消費總量凈增量控制在970萬t標準煤以內(nèi)，2020年能源費總量控制在1.2357億t標準煤以內(nèi)；二氧化碳排放總量控制在2.5億t以內(nèi)；單位生產(chǎn)總值能耗和單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放量分別比2015年下降17%、20.5%。

該公司所屬上海華誼集團屬下分子篩有限公司，生產(chǎn)和銷售各種分子篩吸附劑,使用的主要能源是天然氣和電，使用天然氣的主要設(shè)備是二臺A5100和B5100回轉(zhuǎn)式焙燒爐，24小時連續(xù)運行，日用氣量8000～10000m3。

根據(jù)市上海市發(fā)展和改革委員會文件?滬發(fā)改環(huán)資（2017）25號?，針對我司現(xiàn)有的二臺A5100和B5100回轉(zhuǎn)式焙燒爐高能耗設(shè)備，必須進行降能降耗改造。

通過一個實際的節(jié)能案例來探討焙燒爐設(shè)備的節(jié)能方法。

3 焙燒爐結(jié)構(gòu)說明和分析

焙燒爐整體設(shè)備有：窯爐部分、旋轉(zhuǎn)筒體部分、天然氣燃燒系統(tǒng)部分、溫度控制及反饋部分、煙囪排煙量控制部分、DCS編程系統(tǒng)控制部分（見圖1）。下面對焙燒爐作一個簡要的介紹，通過對設(shè)備的結(jié)構(gòu)了解和功能設(shè)施的理解，才能掌握和理解節(jié)能的關(guān)鍵點。

圖1

3.1 窯爐爐體部分

（1）窯爐爐體下半部分。爐體下半部為框架鋼結(jié)構(gòu)，外形整體為開口的箱體，爐底采用多層不同絕熱材料進行保溫，從里到外依次為莫來石磚、輕質(zhì)粘土轉(zhuǎn)、漂珠磚、燒結(jié)珍珠巖，在絕熱材料的最外面用鋼板固定，一半留有12個燃燒噴口，另外一半為半圓弧內(nèi)壁（便于火焰在爐膛內(nèi)部形成穩(wěn)定流向）；爐膛可分三個區(qū)加熱，相鄰區(qū)用隔熱墻隔開，以便每區(qū)可獨立加熱控制溫度。

（2）窯爐爐體上半部分。爐墻采用高溫折疊塊（含高溫骨架）進行保溫，高溫折疊塊與鋼殼之間用背襯板過渡。爐頂采用圓拱形結(jié)構(gòu)，采用梯型高溫折疊塊（含高溫骨架）保溫，高溫折疊塊與鋼殼之間用背襯板加固，在爐頂上有3個排煙管分別對應(yīng)3個爐腔煙道排煙，另外，在爐頂排煙口與直通樓頂?shù)臒焽柚g，安裝1個“將軍帽”裝置，用于控制每個排煙口的排煙大小，這個裝置能否正確使用直接影響焙燒爐熱能使用效率的大?。ㄒ妶D2）。

圖2

3.2 旋轉(zhuǎn)筒體及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部分

焙燒爐主體主要由旋轉(zhuǎn)筒體、鏈輪傳動、筒體支承裝置、爐頭喂料器、進出料箱及其它輔助部件組成，主要介紹爐筒體和傳動部分。

（1）爐筒。爐筒是燃氣式焙燒爐的核心，其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用直接影響到焙燒爐的安全、使用壽命。爐筒體主要參數(shù)：筒體的尺寸：直徑×壁厚×長度mm；筒體的大小決定生產(chǎn)能力；筒體內(nèi)結(jié)構(gòu)：根據(jù)具體要求選擇物料的翻轉(zhuǎn)形式：翻料板、環(huán)型堰板；主要材質(zhì)：根據(jù)焙燒物料的使用溫度區(qū)間，選材（如304、321、310S）；設(shè)備傾角：固定角度（一般1°左右）或可調(diào)角度；爐筒轉(zhuǎn)速：變頻電機驅(qū)動筒體的滾動鏈輪-變頻調(diào)速；內(nèi)置吹風管：內(nèi)置1根DN100不銹鋼管，單排吹風-排除焙燒物料的焙燒所產(chǎn)生的水蒸氣，排出干燥風，壓力穩(wěn)定1000～1100Pa。

（2）傳動系統(tǒng)。由于焙燒爐的轉(zhuǎn)速比較低，2～10轉(zhuǎn)/分，變頻電機通過鏈輪和鏈條將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給爐筒鏈輪，筒體的二側(cè)端有2個鋼制的輪環(huán)，筒體橫臥在二組托輪上作滾動旋轉(zhuǎn)，使筒體內(nèi)的物料不停均勻翻轉(zhuǎn)加熱，脫除分子篩內(nèi)部的水分，并將粘土燒結(jié)，以活化分子篩，并增強分子篩顆粒強度（見圖3）。

圖3

（3）焙燒爐的燃燒系統(tǒng)及輔助設(shè)備部分。焙燒爐內(nèi)部分成3個加熱區(qū)域，每個區(qū)域的燃氣燒嘴分布有4個：Ⅰ區(qū)-升溫區(qū)，Ⅱ區(qū)-高溫區(qū)，Ⅲ區(qū)-保溫區(qū)。Ⅰ區(qū)-升溫區(qū)的特點：燃燒火焰短，溫度控制在200～400℃；Ⅱ區(qū)-高溫區(qū)的特點：燃燒火焰長，溫度控制在400～650℃；Ⅲ區(qū)-保溫區(qū)的特點：燃燒火焰長，溫度控制在600～750℃。這是焙燒爐燃燒系統(tǒng)控制原理圖（見圖4）。

圖4

3.3 焙燒爐燃燒系統(tǒng)管道與輔助設(shè)備

（1）天然氣管道分二路，一路手動控制，一路自動控制，自動控制線路中包含（燃氣自動報警斷路器+穩(wěn)壓薄膜閥+壓力表），在緊急狀態(tài)情況下，斷路器會自動關(guān)閉燃氣進口管道。（2）總管分成3根分別接入3個燃燒區(qū)域，其中每個區(qū)域有4個燒嘴，共計12個，均勻分布在爐體一側(cè)。（3）風機：高壓風機和低壓風機2臺，高壓風機的作用是提供燒嘴燃燒的助燃空氣，風壓范圍（0.8～2.5kPa），低壓風機的作用是提供燒嘴的引導(dǎo)火，風壓范圍（0.1～0.5kPa）。（4）爐腔內(nèi)部負壓測試記錄儀的功能是檢測，爐腔內(nèi)部燃氣充分燃燒后，煙氣通過排煙管向外快速排放時，造成爐內(nèi)腔氣壓產(chǎn)生負壓，爐腔內(nèi)部負壓高→排煙量大→燃氣用量大→燃氣不易充分燃燒→耗能；總之，控制好爐腔內(nèi)負壓的合適范圍就能實現(xiàn)降低燃氣的消耗量；怎樣調(diào)節(jié)爐腔內(nèi)部的負壓值，取決于排煙管的排煙量的控制。負壓檢測裝置組成：不銹鋼DN12金屬管+終端檢測箱+微電腦數(shù)字壓力計（見圖5）。（5）煙道排放控制閥：“將軍帽”（圓錐體管扣臺）（見圖2）。（6）測溫點。在旋轉(zhuǎn)筒體內(nèi)部的料杯中，安放熱電偶探頭與物料接觸所測得的溫度為物料的實際溫度，熱電偶電流通過轉(zhuǎn)換成模擬信號。

圖5

溫度信號的傳輸與反饋：焙燒爐內(nèi)的熱電偶數(shù)值電流通過一組無線傳送器（XYR-FDAP）將溫度模擬信號數(shù)據(jù)傳送DCS數(shù)據(jù)處理中心，DCS處理器模塊輸出4～20mA至現(xiàn)場顯示表，另外一路至選擇開關(guān)，控制方式手動、自動2種，通過電腦編制程序來控制燃氣流量閥的執(zhí)行機構(gòu)，從而達到自動控制焙燒爐的溫度，同時發(fā)送至控制室顯示屏便于操作人員現(xiàn)場觀察（見圖6）。

圖6

4 焙燒爐現(xiàn)狀調(diào)研分析

這2臺焙燒爐設(shè)備（A5100、B5100）的燃氣消耗量占比整個生產(chǎn)線上日燃氣用量的50%～70%。為了更好記錄這2臺設(shè)備在改造前的燃氣用量，以及便于節(jié)能改造后準確統(tǒng)計節(jié)能數(shù)據(jù)，必須在每臺焙燒設(shè)備前端統(tǒng)一安裝燃氣流量表，公司總?cè)細夤艿肋M入生產(chǎn)單元后，在各用氣設(shè)備進口管道處安裝燃氣流量表，用于記錄觀察生產(chǎn)不同產(chǎn)品所消耗的燃氣用量，對節(jié)能效果的評判依據(jù)詳見公司燃氣管道網(wǎng)絡(luò)圖（見圖7）。

圖7

對應(yīng)不同的生產(chǎn)產(chǎn)品型號所獲得的燃氣用量數(shù)據(jù)也不同，因為不同的產(chǎn)品在焙燒爐3個區(qū)間所設(shè)置的溫度也有所不同，下面是當時的實際記錄數(shù)據(jù)：

A5100焙燒爐數(shù)據(jù)記錄分析見表1。

表1

注1：平均燃燒比=當日用氣量(m3)/當日生產(chǎn)量(kg)×100%；注2：OEE的概念：設(shè)備綜合效率，總體設(shè)備效率，其本質(zhì)就是設(shè)備負荷時間內(nèi)實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值，OEE (Overall Equipment Effectiveness)。

計算公式：計劃開工率(%)×非計劃開工率(%)×產(chǎn)品首次合格率(%)

B5100焙燒爐數(shù)據(jù)記錄分析見表2。

表2

5 B5100焙燒爐節(jié)能改造和規(guī)范操作

5.1 焙燒爐燃氣熱值變化

焙燒爐原燃燒系統(tǒng)的設(shè)備以城市煤氣（4000kcal/m3）進行設(shè)計的，現(xiàn)已把燃料改成天然氣（8400kcal/m3）,兩者熱值將近相差1倍，除增加一組助燃空氣流量外，其它設(shè)備均未做改變。B線焙燒爐在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)火焰硬度不夠且火焰顏色偏黃，煙道口時常出現(xiàn)冒火現(xiàn)象，很顯然是空氣燃氣配比混亂導(dǎo)致，從而大量的天然氣未被充分燃燒。

5.2 燃氣管道流量改進

制定方案：為達到節(jié)能降耗，增加焙燒爐燃燒效率，針對焙燒爐的現(xiàn)況局限性和操作實用性設(shè)計了一套改造方案：

（1）燃燒系統(tǒng)燃氣支管改造：根據(jù)所使用的燒嘴功率及天然氣的熱值，重新計算燃氣管徑的大小，主要針對燒嘴前燃氣管道進行改進。原先燒嘴前燃氣管均為DN40，現(xiàn)1、3區(qū)燒嘴前燃氣管改為采用DN25，2區(qū)燒嘴前燃氣管改為DN20。由于管徑的變化，所以在管道上相應(yīng)比例閥、流量控制閥也要隨之更改。如表3。

表3

根據(jù)分析和測試的結(jié)果，需要對原有B5100焙燒爐的燃氣管道進行改造，施工方案如圖8、圖9。

圖8

（2）燃氣管道改造內(nèi)容：燃氣管道系統(tǒng)中更改的設(shè)備有燃氣孔板、燃氣比例閥、燃氣限流閥及相對的部分燃氣管道；空氣管道系統(tǒng)中更改的設(shè)備有助燃風機及風機出口連接管道；電氣控制系統(tǒng)中更改的設(shè)備有風機電源線和風機的回路控制元器件。

（3）燃氣管道改造后的效果：原先每區(qū)只運行一兩個燃燒器，且燃燒溫度和火焰情況均不是最佳狀態(tài)，現(xiàn)通過改造后，實現(xiàn)所有燃燒器同時運行，且能很好控制爐溫；原先運行的燃燒器幾乎處于大火狀態(tài)，無功率可調(diào)節(jié)范圍，改造后，確保每個燃燒器的功率調(diào)節(jié)范圍由5%～100%；原先每個引導(dǎo)火種一直處于運行狀態(tài)，改造后，只需要點主火時才運行；爐溫控制原先主要以手動控制各個燃燒器的燃氣量來實現(xiàn)控溫，改造完后控溫實現(xiàn)自動化控制，大大減少操作人員的工作量。

圖9

改造前的燃氣耗量為200m3/h，改造完后，生產(chǎn)3A產(chǎn)品時所需燃氣量為110m3/h左右，生產(chǎn)13X產(chǎn)品時所需燃氣量為70m3/h左右。經(jīng)過測試各燃燒器嘴前空氣壓力和燃氣孔板流量計算得出與燒嘴設(shè)計的功率一致。具體數(shù)據(jù)見表4。

表4

5.3 B5100焙燒爐排煙囪改造

（1）改造前焙燒爐排煙管的出口使用“將軍帽”結(jié)構(gòu)來控制排煙量的大小，主要靠人工調(diào)節(jié)“將軍帽”（圓錐體管扣臺）二端的鐵鏈條的高長短來實現(xiàn)（見圖10）。

圖10

（2）改造后焙燒爐排煙管情況。煙道閘板閥的作用：利用閘閥控制流量的原理，通過絲桿來調(diào)節(jié)排煙管的直徑口的大小，從而達到控制排煙量的大小。

自力閥的作用：當排煙煙囪出口的煙量大于焙燒爐排煙量時，平衡閥的三通進口就會補充新風來自動平衡，但是，平衡閥（自力閥）補充新風量的大小由配重片數(shù)量決定，可以根據(jù)煙囪抽力的大小來調(diào)整每個自力閥的配重重量，這個需要根據(jù)具體情況來進行調(diào)整（見圖11）。

自力閥的原理是：根據(jù)伯努利原理，文丘里效應(yīng)的體現(xiàn)。

伯努利原理往往被表述為：

P+1/2ρv2+ρgh=C

圖11

式中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。它也可以被表述為：

P1+1/2ρv12+ρgh1=P2+1/2ρv22+ρgh2

文丘里效應(yīng)：

P1+1/2ρv12+ρgh1=(P2+1/2ρv22+ρgh2)+(P3+1/2ρ v32+ρgh3)

這個式子中P1、v1、h1為煙囪頂部的動力勢能，P2、v2、h2為焙燒爐煙氣排放的動力勢能，P3、v3、h3為自力閥補充平衡的動力勢能。

根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，ΔP2、Δv2、Δh2焙燒爐煙氣排放量的動力勢能需要變化，那么ΔP3、Δv3、Δh3為自力閥補充平衡的動力勢能也需要變化。

煙囪抽力計算

公式△P=0.0345H[1/(273+tb)-1/(273+tg)]B

參數(shù)說明：△P—煙囪的抽力（pa）；H—產(chǎn)生抽力的管道高度(m)；tb—外部空氣溫度（℃）；tg—計算管段中煙氣的平均溫度（℃）；B—大氣壓力（pa）。煙囪抽力計算1、公式h抽=H（γ空-γ氣）；參數(shù)說明

（?。└叨菻的影響：由公式可知，H愈大，也即煙囪愈高，抽力愈大；H愈小，也即煙囪愈低，抽力愈小。

（ⅱ）空氣重度的影響：由公式可知，在H、γ氣不變的情況下，γ空愈大，也即外界空氣溫度愈低，抽力愈大。

（ⅲ）煙氣溫度的影響：由公式可知，在H、γ空不變的情況下，γ氣愈大，也即煙氣溫度愈低，抽力愈?。沪脷庥?，也即煙氣溫度愈高，抽力愈大。

5.4 制定生產(chǎn)工藝規(guī)范操作

為了更好的節(jié)約燃氣能源，要求操作人員必須按照下列生產(chǎn)工藝規(guī)范流程操作。

（1）爐腔內(nèi)部負壓必須控制在3～5Bar，操作方法可以調(diào)整煙道排氣閘板閥門的開度（見圖12）。

圖12

（2）1～3區(qū)12個燒嘴必須全部同時點燃開啟，根據(jù)不同的產(chǎn)品，焙燒爐各區(qū)域所設(shè)置的區(qū)溫度曲線及燒嘴噴射量的大小由DCS自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，DCS根據(jù)編制的溫度控制曲線和爐腔內(nèi)部反饋的溫度信息進行對比，操作人員只要正確輸入產(chǎn)品型號，確認現(xiàn)場操作屏中顯示的在線數(shù)據(jù)，做好定時巡檢記錄。

（3）如生產(chǎn)遇到非連續(xù)運行或切換產(chǎn)品，停止供料大于2h，各區(qū)域的溫度必須控制在保溫溫度200～250℃之間。

（4）嚴格控制好焙燒爐升溫的時間，避免等料待機現(xiàn)象，減少燃氣浪費。

6 設(shè)備改造后燃氣記錄及數(shù)據(jù)分析結(jié)果

6.1 A5100焙燒爐燃氣記錄（表略）

依據(jù)上述記錄，A5100焙燒爐從（15天）每日平均節(jié)約燃氣648.83m3，總計節(jié)約9732.46m3。

6.2 B5100焙燒爐燃氣記錄（表略）

依據(jù)上述數(shù)據(jù)記錄，B5100焙燒爐從（14天）每日平均節(jié)約燃氣318.01m3總計節(jié)約4452.16m3。

6.3 焙燒爐節(jié)能改造后運行變化（表5）

表5

7 結(jié)語

（1）通過在燃氣管道上加裝的燃氣表，收集了A5100、B5100 2臺焙燒爐在節(jié)能改造前每天消耗的燃氣數(shù)據(jù)，作為改造后燃氣消耗的比較基準。

（2）在對A5100、B5100焙燒爐結(jié)構(gòu)和運行分析的基礎(chǔ)上，提出了對燃氣管道、排煙煙囪改造和操作規(guī)范運行方案，并具體實施了節(jié)能改造。

（3）收集了A5100、B5100 2臺焙燒爐在節(jié)能改造和規(guī)范操作后每天消耗的燃氣數(shù)據(jù)，并與改造前相比較。

（4）通過焙燒爐的節(jié)能改造和規(guī)范操作，燃氣消耗顯著降低。A5100焙燒爐在測試的15天內(nèi)每日平均節(jié)約燃氣649m3，比改造前每日平均節(jié)約37%。B5100焙燒爐在測試的14天內(nèi)每日平均節(jié)約燃氣318m3，比改造前每日平均節(jié)約26%。