CN105650673B - 高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉，包括助燃气总管、燃气总管以及沿纵向方向分为冷却段、燃烧段以及预热段的窑体，燃烧段包括至少三个控制分区，每个控制分区包括热电偶、至少五个喷嘴及控制箱，控制箱设有箱体、容置于箱体内的第一混合器、穿过箱体一侧壁连接于第一混合器与助燃气总管之间的助燃气控制支管、穿过箱体另一侧壁连接于第一混合器与燃气总管之间的燃气控制支管、以及自第一混合器穿过箱体一端壁延伸至箱体外部的混合气支管，助燃气控制支管上设有第一电动阀、第一温度计及第一流量计，燃气控制支管上设有第二电动阀及第二流量计，混合气支管分别与至少五个喷嘴相连。

Description

高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉

技术领域

本发明涉及一种陶瓷窑炉，特别涉及一种全自动控制陶瓷窑炉。

背景技术

目前，随着陶瓷的市场需求量越来越大，陶瓷窑炉也越建越长、截面也愈来愈宽，但同时窑内温度也越来越难以控制，而由于窑内温度不均匀造成的诸如变形、色差等烧成缺陷也日趋严重。此外，陶瓷窑炉常以燃气作为热源，燃烧时燃气与助燃气的配比是否合理直接影响到能耗的大小。助燃气量过少时，燃烧不完全，不完全燃烧产物中含有大量污染环境的物质，同时也造成能源的浪费；而助燃气量过大时，过量的空助燃气排出时又带走大量的热量，加大了热量的损失。因此，提供一种可均匀窑内温度、并可同时减少能耗和污染的全自动控制陶瓷窑炉成为业内关注的焦点。

如中国专利201110339112.6号公开的一种应用于陶瓷窑炉的助燃空气和天然气线性比例控制系统，它包括控制单元、热空气管道、冷空气管道以及出口均与陶瓷窑炉的燃烧室连接的混合空气管道和天然气管道，所述冷空气管道和热空气管道的出口端均与混合空气管道连接，且冷空气管道上设有电动阀；混合空气管道上设有加压风机以及测温装置；所述燃烧室上设有测温元件，所述电动阀、加压风机、测温装置以及测温元件均与控制单元连接，所述天然气管道和混合空气管道之间通过调压阀相互连接。然而，该应用于陶瓷窑炉的助燃空气和天然气线性比例控制系统存在如下的缺点或不足：(1)、仅利用设置混合空气管道的与天然气管道具有不同尺寸的管径来控制混合空气与天然气之间的比例，在温度发生变化时，难以精确地实现混合空气与天然气达到最佳空燃比；(2)、采用调压阀控制混合空气与天然气的气压达到控制窑内温度均匀，其控制效果较差，压力与温度之间转换的效果不明显，且反应速度较慢。因此，不能及时有效地控制窑内的温度变化。

又如中国专利201320216754.1号公开的一种陶瓷窑炉上可分段调节热气含氧量的节能装置，陶瓷窑炉为高温烧成区窑炉，包括一条向窑炉内引入助燃风的进风总管，炉内温度不同的各段窑炉内，分别设有各自独立且均与进风总管平行的进风分管，每段进风分管与进风总管之间，均间隔连有可自动调节进风量大小的自动阀，以及可手动调节进风量大小的手动阀。上述结构由于设置了进风分管及自动阀、手动阀，可自动或手动调节各段窑炉的助燃风大小，也即灵活调节了各段窑炉的热气含氧量，使热气排出炉外时不致因含氧量过高而带走部分煤气，从而实现良好的节能效果。然而，该陶瓷窑炉上可分段调节热气含氧量的节能装置存在如下的缺点或不足：(1)、仅可自动调节助燃空气量大小，不能同时调节燃气量大小，从而不能使燃气和空气达到最佳空燃比；(2)、通过监测空气含氧量来自动调节助燃空气量大小，在助燃空气温度降低时不能对系统进行自动调节；(3)、助燃空气量的调节与燃气量的调节不能保持同步或者随动，可能导致冷风吹入窑内，影响燃烧效率甚至影响陶瓷产品的质量。

再如中国专利201410171369.9号公开的一种分段式陶瓷窑燃气与空气联动控制系统，其包括窑体、空气总管、燃气总管、第一热电偶、以及至少三个控制分区，每个控制分区包括：空气支管；设置于空气支总管之间的连接管线上的空气电动阀及流量计；连接于空气支管与空气入口之间的至少三个空气输入管；燃气支管；设置于燃气支总管之间的连接管线上的燃气电动阀及流量计；连接于燃气支管与燃气入口之间的至少三个燃气输入管；用于测量窑体内的分区温度的第二热电偶。其中，控制中心根据燃气流量数据和第一热电偶获得的空气总管内的空气温度数据来耦合控制空气电动阀的开度，使得空气流量计获得的空气质量流量数据与燃气流量计获得的燃气质量流量数据达到系统预设的最佳空燃比。然而，该分段式陶瓷窑燃气与空气联动控制系统存在如下的缺点或不足：(1)、仅能单独地使用进行热交换后的热空气作为助燃气，而没有充分利用陶瓷窑炉排出的大量的高温低氧烟气作为辅助的助燃气；(2)、第一热电偶仅能够测量空气总管内的空气温度数据，而无法测量与空气总管存在温差的各个空气支管内的空气温度数据，在进行调整空燃比时存在误差；(3)、需要设置大量的空气输入管和燃气输入管排布于窑体上，组装繁琐，结构复杂。

因此，提供一种节能减排的全自动控制陶瓷窑炉成为业内急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可充分利用高温烟气热量，并可及时控制陶瓷窑内温度，在任何负荷下均可实现最佳空燃比的高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉，包括内部设有炉膛的窑体、助燃气总管以及燃气总管，窑体沿纵向方向分为冷却段、燃烧段以及预热段，燃烧段包括沿窑体的纵向方向依次布置的至少三个控制分区，高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉对应于每个控制分区包括：热电偶，其设置于每个控制分区的窑体侧壁上以获得每个控制分区对应的燃烧段内的分区温度数据；至少五个喷嘴，至少五个喷嘴间隔设置于每个控制分区的窑体侧壁上；以及控制箱，控制箱设有箱体、容置于箱体内的第一混合器、穿过箱体一侧壁连接于第一混合器与助燃气总管之间的助燃气控制支管、穿过箱体另一侧壁连接于第一混合器与燃气总管之间的燃气控制支管、以及自第一混合器穿过箱体一端壁延伸至箱体外部的混合气支管，其中，位于箱体外部的助燃气控制支管上设有第一电动阀及第一温度计，位于箱体内部的助燃气控制支管上设有第一流量计，位于箱体外部的燃气控制支管上设有第二电动阀及第二流量计，位于箱体外部的混合气支管分别与至少五个喷嘴相连以将燃气和助燃气体喷射至炉膛内燃烧放热；其中，各控制分区的第一电动阀和第二电动阀均独立控制，使得第一电动阀的开度按照控制中心设定的预设空燃比随着第二电动阀的开度变化而变化。

可选择地，第一混合器设有助燃气入口、燃气入口以及混合气出口，助燃气入口与助燃气控制支管相连接，燃气入口与燃气控制支管相连接，混合气出口与混合气支管相连接。

可选择地，各个控制分区对应的窑体内的温度可以设定成彼此不同，比如至少三个控制分区对应的燃烧段内的温度设定为从邻近冷却段一侧向邻近预热段一侧逐渐升高，或者设定成中央控制分区的温度高于两侧控制分区的温度。当然，根据具体工艺要求，各个控制分区对应的窑体内的温度可以任意设定。

优选地，高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉包括五个或五个以上的控制分区。

优选地，至少五个喷嘴的末端与混合器支管的管壁相连接。

可选择地，还包括用于向助燃气总管提供混合助燃气的第二混合器，第二混合器设有热烟气入口、热空气入口以及空烟混合气出口，热烟气入口通过烟气回流管线与预热段的烟气管道相连接，热空气入口通过热空气连接管线与冷却段的冷却风出口相连接，空烟混合气出口通过管线与助燃气总管相连接。

优选地，预热段设有烟气出口，烟气管道连接于烟气出口与烟囱之间，烟气回流管线连接于烟气管道侧壁，其中，烟气管道中占烟气总量约15～30％(体积)的烟气经由烟气回流管线回流至第二混合器。

优选地，冷却段设有冷却风入口和冷却风出口，来自风机的冷空气自冷却风入口进入冷却段冷却陶瓷后变成热空气，热空气从冷却风出口经由热空气连接管线输送至第二混合器。可选择地，占冷却风总量约50％～100％的热空气输送至第二混合器，其余热空气输送至余热锅炉用于加热水。

可选择地，单位时间内进入第二混合器的热空气与热烟气的体积比设为2:1～1:2，比如1:1。

优选地，温度为350～450摄氏度的含氧量13％～18％(体积)的热烟气及温度为250～350摄氏度的含氧量21％的热空气分别经由烟气回流管线及热空气连接管线进入第二混合器中形成温度为300～400摄氏度的含氧量15％～20％的助燃气。

更优选地，温度为400摄氏度的含氧量15％的热烟气及温度为300摄氏度的含氧量21％的热空气分别经由烟气回流管线及热空气连接管线进入第二混合器中形成温度为350摄氏度的含氧量18％的助燃气。

可选择地，位于箱体内部的助燃气控制支管在第一流量计与助燃气入口之间设有氧量表以获得助燃气中的氧气含量数据。

可选择地，位于箱体内部的助燃气控制支管在第一温度计与第一流量计之间设有第一引风机以向第一混合器中输入助燃气。

可选择地，烟气回流管线上设有第二风机以向第二混合器中输入热烟气，热空气连接管线上设有第三风机以向第二混合器中输入热空气。

可选择地，预设空燃比为理论空燃比，理论空燃比设定成随着第一温度计获得的助燃气温度数据升高而变大。这是因为助燃气的温度越高则密度越小，从而单位流量的助燃气中的含氧量越低。假定燃气量不变，则需要增加助燃气量来保证助燃效果。

可选择地，预设空燃比为理论空燃比与校正系数的乘积，理论空燃比设定成随着第一温度计获得的助燃气温度数据升高而变大，校正系数设定成随着氧量表获得的氧气含量数据变大而减小。

可选择地，第二电动阀设定成当热电偶获得的分区温度数据高于设定温度范围上限时逐次调小开度，直至热电偶获得的分区温度数据处于设定温度范围。

可选择地，第二电动阀设定成当热电偶获得的分区温度数据与设定温度范围的下限之差大于200摄氏度时开度调至最大并且当分区温度数据与设定温度范围的下限之差小于100摄氏度时逐次调小开度，直至热电偶获得的分区温度数据处于设定温度范围。

可选择地，通过在每个控制分区内设置热电偶，将其温度转换为电信号，该信号被传送到中央控制器(控制中心)，中央控制器根据其温度信号来控制每个控制分区的对应的第二电动阀的开度，通过第二流量计将燃气的流量参数传送到中央控制器，同时通过第一流量计、第一温度计以及氧量表将助燃气的流量参数、温度参数以及含氧量参数传送到中央控制器，中央控制器按照设定的预设空燃比单独控制每个控制分区的第一电动阀的开度，从而实现燃气与助燃气的最佳配比。

本发明的有益效果是：(1)、结构简单紧凑，便于进行快速地组合安装；(2)充分利用陶瓷窑炉排放的热烟气及通过热交换形成的热空气作为混合助燃气，不仅有效循环利用了陶瓷窑炉的热烟气，而且减少了烟气的排放量，实现节能环保；(3)、当炉窑内的控制分区温度接近预定温度时，便可自动调小第二电动阀的开度，使得燃气流量减少，根据第二流量计的读数、氧量表的读数、温度计的读数、以及空燃比，便可确定第一电动阀的开度，自动控制混合助燃气的流量，实现无级调速，自动控制，确保在任何负荷或工况下，均能达到最佳的空燃比；(4)、可以单独对每个控制分区的温度进行更精确的控制，不仅实现能源的有效利用，而且保证了陶瓷产品的质量。

附图说明

图1为本发明的高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉的构造示意图。

图2为本发明的控制箱的构造示意图。

图3为本发明的空燃比控制用示意映射图。

图4为本发明的校正系数选用示意映射图。

具体实施方式

请参照图1，根据本发明的一种非限制性实施方式，本发明的高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉包括窑体100、助燃气总管200、以及燃气总管300。

窑体100的内部设有炉膛(未标号)，窑体100沿纵向方向分为冷却段110、燃烧段120以及预热段130，燃烧段120包括沿窑体100的纵向方向依次布置的三个控制分区(未标号)。

本发明的高温空气加高温低氧烟气混合助燃式全自动控制陶瓷窑炉对应于每个控制分区包括：热电偶121、控制箱122、以及五个喷嘴123。其中，热电偶121设置于每个控制分区的窑体侧壁上，从而能够获得每个控制分区对应的燃烧段120内的分区温度数据。如图2所示，控制箱122设有箱体1221、容置于箱体1221内的第一混合器1222、穿过箱体1221一侧壁连接于第一混合器1222与助燃气总管200之间的助燃气控制支管1223、穿过箱体1221另一侧壁连接于第一混合器1222与燃气总管300之间的燃气控制支管1224、以及自第一混合器1222穿过箱体1221一端壁延伸至箱体1221外部的混合气支管1225。其中，位于箱体1221外部的助燃气控制支管1223上设有第一电动阀V1及第一温度计T1，位于箱体1221内部的助燃气控制支管1223上设有第一流量计F1。位于箱体1221外部的燃气控制支管1224上设有第二电动阀V2及第二流量计F2，位于箱体1221外部的混合气支管1225分别与间隔设置于每个控制分区的窑体侧壁上的五个喷嘴123相连，从而将燃气和助燃气体喷射至炉膛内燃烧放热。

由此，三个控制分区便可以分别根据对应的热电偶121获得对应的燃烧段120内的分区温度数据来控制每个控制分区内的第二电动阀V2的开度，第二流量计F2将获得的燃气流量数据传送给控制中心(中央控制器，未图示)，控制中心根据第二流量计F2获得的燃气流量数据、第一流量计F1获得的助燃气控制支管1223内的助燃气流量数据及第一温度计T1获得的助燃气控制支管1223内的助燃气温度数据来耦合控制每个控制分区内的第一电动阀V1的开度。通过五个喷嘴123将调整流量后的助燃气和燃气的混合气体喷射至炉膛内燃烧放热，使得每个控制分区内的第一流量计F1获得的助燃气流量数据与第二流量计F2获得的燃气流量数据之比达到系统预设的最佳空燃比。控制中心依照图3所示映射图进行空燃比调节，具体地，第一温度计T1的温度越高，将理论空燃比设定成越大，当第二电动阀V2的开度发生变化时，通过调节第一电动阀V1的开度，使得根据第一流量计F1和第二流量计F2获得的计算空燃比趋近于理论空燃比。例如，在第一温度计T1的温度为约250摄氏度时，理论空燃比设定成约为1.1，在第一温度计T1的温度为约450摄氏度时，理论空燃比设定成约为1.5，当第一温度计T1的温度为250-450摄氏度之间时，理论空燃比设定成在1.1-1.5之间呈线性变化。

作为一种可替代实施方式，为了充分利用陶瓷窑炉的热烟气，如图1所示，还包括用于向助燃气总管200提供混合助燃气的第二混合器400，第二混合器400设有热烟气入口401、热空气入口402以及空烟混合气出口403，热烟气入口401通过烟气回流管线404与烟气管道133的管壁相连，烟气管道133连接于预热段130的烟气出口131与烟囱(图未示)之间。热空气入口402通过热空气连接管线405与冷却段110的冷却风出口115相连接。空烟混合气出口403通过管线与助燃气总管200相连接。由此，温度约为400摄氏度的含氧量15％的热烟气及温度约为300摄氏度的含氧量21％的热空气分别经由烟气回流管线404及热空气连接管线405进入第二混合器400中形成温度约为350摄氏度的含氧量约18％的助燃气。同时，在该非限制性实施方式中，位于箱体1221内部的助燃气控制支管1223在第一流量计F1与第一混合器1222之间设有能够获得助燃气中的氧气含量数据的氧量表O。

在该可替代实施方式中，控制中心还依照图4所示映射图进行空燃比调节，具体地，在图3的理论空燃比的基础上乘以校正系数作为校正理论空燃比，氧量表O测得的氧气含量越大，将校正系数设定成越小。例如，在氧量表O的氧气含量为约15％时，校正系数设定成约为1.5，在氧量表O的氧气含量为约21％时，校正系数设定成约为1，当氧量表O的氧气含量为15％-21％之间时，校正系数设定成在1.5-1之间呈线性变化。当第二电动阀V2的开度发生变化时，通过调节第一电动阀V1的开度，使得根据第一流量计F1和第二流量计F2获得的计算空燃比趋近于校正理论空燃比。

此外，在另一种可替代实施方式中，位于箱体1221内部的助燃气控制支管1223在第一温度计T1与第一流量计F1之间设有能够向第一混合器122中输入助燃气的第一引风机W1。在烟气回流管线404上设有能够向第二混合器400中输入热烟气的第二风机W2。在热空气连接管线405上设有能够向第二混合器400中输入热空气的第三风机W3。

作为一种具体应用示例，在陶瓷窑炉启动阶段，当分区温度升高到预定温度后，控制中心便调小对应的控制箱内的第二电动阀V2的开度，根据图3和/或图4的映射图，控制中心相应调小对应的第一电动阀V1的开度，使得助燃气与燃气之间形成最佳空燃比，并且可以分多次调节直至分区温度稳定在设定温度范围内。

作为另一种具体应用示例，当需要升高陶瓷窑炉的某一控制分区对应燃烧段内的温度时，控制中心便调大对应的控制箱内的第二电动阀V2的开度，根据图3和/或图4的映射图，控制中心相应调大对应的第一电动阀V1的开度，使得助燃气与燃气之间形成最佳空燃比，并且可以分多次调节直至分区温度稳定在设定温度范围内。

作为再一种可替代实施方式，至少三个控制分区对应的窑体100内的温度设定为从燃烧段120的一端向另一端逐渐升高，比如，图1所示三个控制分区的炉温从左至右依次升高10摄氏度。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。

Claims (1)

1.一种高温空气加高温低氧烟气混合助燃陶瓷窑炉自动控制方法，所述陶瓷窑炉包括内部设有炉膛的窑体、助燃气总管以及燃气总管，所述窑体沿纵向方向分为冷却段、燃烧段以及预热段，所述冷却段设有冷却风入口和冷却风出口，所述燃烧段包括沿所述窑体的纵向方向依次布置的至少三个控制分区，所述陶瓷窑炉对应于每个控制分区包括：热电偶，其设置于每个所述控制分区的窑体侧壁上以获得每个所述控制分区对应的燃烧段内的分区温度数据；以及至少五个喷嘴，所述至少五个喷嘴间隔设置于每个所述控制分区的窑体侧壁上；

所述陶瓷窑炉进一步包括控制箱，所述控制箱设有箱体、容置于所述箱体内的第一混合器、穿过所述箱体一侧壁连接于所述第一混合器与所述助燃气总管之间的助燃气控制支管、穿过所述箱体另一侧壁连接于所述第一混合器与所述燃气总管之间的燃气控制支管、以及自所述第一混合器穿过所述箱体一端壁延伸至所述箱体外部的混合气支管，其中，位于所述箱体外部的所述助燃气控制支管上设有第一电动阀及第一温度计，位于所述箱体内部的所述助燃气控制支管上设有第一流量计，位于所述箱体外部的所述燃气控制支管上设有第二电动阀及第二流量计，位于所述箱体外部的所述混合气支管分别与所述至少五个喷嘴相连以将燃气和助燃气体喷射至所述炉膛内燃烧放热；位于所述箱体内部的所述助燃气控制支管在所述第一流量计与所述助燃气入口之间设有氧量表以获得助燃气中的氧气含量数据；位于所述箱体内部的所述助燃气控制支管在所述第一温度计与所述第一流量计之间设有第一引风机以向所述第一混合器中输入助燃气；

所述第一混合器设有助燃气入口、燃气入口以及混合气出口，所述助燃气入口与所述助燃气控制支管相连接，所述燃气入口与所述燃气控制支管相连接，所述混合气出口与所述混合气支管相连接；

所述陶瓷窑炉还包括用于向助燃气总管提供混合助燃气的第二混合器，所述第二混合器设有热烟气入口、热空气入口以及空烟混合气出口，所述热烟气入口通过烟气回流管线与所述预热段的烟气管道相连接，所述热空气入口通过热空气连接管线与所述冷却段的冷却风出口相连接，所述空烟混合气出口通过管线与所述助燃气总管相连接；所述预热段设有烟气出口，所述烟气管道连接于所述烟气出口与烟囱之间，所述烟气回流管线连接于所述烟气管道侧壁；所述烟气回流管线上设有第二风机以向所述第二混合器中输入热烟气，所述热空气连接管线上设有第三风机以向所述第二混合器中输入热空气；

其特征在于，所述自动控制方法包括：

将所述烟气管道中占烟气体积总量15～30％的烟气经由所述烟气回流管线回流至所述第二混合器；将来自风机的冷空气自所述冷却风入口进入所述冷却段冷却陶瓷后变成热空气，将热空气从所述冷却风出口经由热空气连接管线输送至所述第二混合器，将占冷却风体积总量约50％～100％的热空气输送至所述第二混合器；其中，单位时间内进入所述第二混合器的热空气与热烟气的体积比设为2:1～1:2，使得温度为350～450摄氏度的含氧量13％～18％的热烟气及温度为250～350摄氏度的含氧量21％的热空气分别经由所述烟气回流管线及所述热空气连接管线进入所述第二混合器中形成温度为300～400摄氏度的含氧量15％～20％的助燃气；

将预设空燃比设为理论空燃比与校正系数的乘积，所述理论空燃比设定成随着所述第一温度计获得的助燃气温度数据升高而变大，所述校正系数设定成随着所述氧量表获得的氧气含量数据变大而减小；当所述第一温度计的温度为250-450摄氏度之间时，所述理论空燃比设定成在1.1-1.5之间呈线性变化；当所述氧量表的氧气含量为15％-21％之间时，所述校正系数设定成在1.5-1之间呈线性变化；

将各控制分区的所述第一电动阀和所述第二电动阀均设定为独立控制，使得所述第一电动阀的开度按照预设空燃比随着所述第二电动阀的开度变化而变化；所述第二电动阀设定成当所述热电偶获得的分区温度数据与设定温度范围的下限之差大于200摄氏度时开度调至最大并且当分区温度数据与设定温度范围的下限之差小于100摄氏度时逐次调小开度，直至所述热电偶获得的分区温度数据处于所述设定温度范围；当所述第二电动阀的开度发生变化时，通过调节所述第一电动阀的开度，使得根据所述第一流量计和所述第二流量计获得的计算空燃比趋近于校正理论空燃比。

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