燃燒理論與數(shù)值模擬課程論文-(陶瓷生產(chǎn)中的節(jié)能減排優(yōu)化)

陶瓷生產(chǎn)中的節(jié)能減排優(yōu)化摘要：本文闡述在陶瓷生產(chǎn)過程中，對于能量的利用如何進行優(yōu)化處理，以達到有效利用資源，減少碳排放以及減少成本的目的。通過對陶瓷生產(chǎn)的各個主要程序的能效利用提出優(yōu)化的改善建議，綜合實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。關(guān)鍵詞：節(jié)能減排、優(yōu)化、燃燒控制、變頻節(jié)能、余熱利用面對競爭越來越激烈的銷售市場形勢與原料來源的價格雙重壓力，陶瓷行業(yè)的開始步入薄利時代，如何減輕企業(yè)自身的產(chǎn)品資源損耗、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本已成為企業(yè)十分重視的一個經(jīng)濟增長點，同時政府節(jié)能減排政策要求的逐步提高對高能耗企業(yè)的發(fā)展模式提出了新的要求。如何在自身生產(chǎn)環(huán)節(jié)中采用先進可靠技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排，提高產(chǎn)品市場競爭力與企業(yè)的社會承認度已成為企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的一個長遠戰(zhàn)略課題。近年來，各陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在國際市場的競爭中也領(lǐng)略到了先進生產(chǎn)工藝與設(shè)備的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，均在多方引進各種降低資源消耗的相關(guān)技術(shù)，不斷改善自身的工藝運行水平。國內(nèi)外在窯爐生產(chǎn)運行的節(jié)能減排方面進行了長期嘗試，亦取得了一定的效果。在陶瓷窯爐節(jié)能上，現(xiàn)有的技術(shù)措施可以大致分為：原料制備過程中的節(jié)能措施、陶瓷產(chǎn)品成型與干燥過程中的節(jié)能措施、陶瓷制品焙燒過程中的節(jié)能措施、其他節(jié)能措施。原料制備過程中的節(jié)能措施。有資料顯示，原料制備部分的能耗在整個陶瓷生產(chǎn)過程中占很大的比例，因此也是節(jié)能潛力較大的部分之一。對于原料的制備，首先要取消噪音大、能耗高、難以除塵的粗中碎系統(tǒng)，采用連續(xù)式、大噸位球磨機進行細磨，不僅可以大幅度提高產(chǎn)量而且節(jié)電效果明顯。噴霧干燥制粉時，降低泥漿的含水量，提高熱風(fēng)的溫度，加大進塔泥漿量，降低廢氣溫度，也可以在提高產(chǎn)量的同時獲得較好的節(jié)能效果。陶瓷制品成型與干燥過程中的節(jié)能措施。對于建筑陶瓷，在選擇壓磚機上，可選用大噸位、寬間距的壓機，實現(xiàn)一機一窯，可以增大產(chǎn)量，提高磚坯質(zhì)量和產(chǎn)品合格率，同時獲得良好的節(jié)能效果。值得一提的是，最近廣東有關(guān)企業(yè)開發(fā)的大噸位液壓全自動陶瓷壓磚機系列，最高噸位達到了7800t的國際先進水平。大大提高我國陶瓷墻地磚產(chǎn)品裝備的國際競爭力，不僅在國內(nèi)大量取代進口產(chǎn)品，而且已出口國外，這無疑為我國陶瓷工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。采用空氣快速干燥器可明顯縮短干燥周期實現(xiàn)節(jié)能。另外，微波干燥技術(shù)也日益受到關(guān)注。陶瓷產(chǎn)品燒成過程中的節(jié)能措施。眾所周知，陶瓷工業(yè)生產(chǎn)過程中要消耗大量的能源，燒成工序的能耗約占總能耗的61%左右，而燒成工序又以陶瓷窯爐為主要能耗設(shè)備。在陶瓷產(chǎn)品燒成過程中的節(jié)能措施主要有：⑴采用低溫快燒工藝；⑵采用裸裝明焰燒成技術(shù)；⑶采用新型節(jié)能燃燒技術(shù)；⑷窯型向輥道窯發(fā)展；⑸采用高效、輕質(zhì)保溫耐火材料和新型節(jié)能涂料優(yōu)化襯里；⑹改善窯體結(jié)構(gòu)；⑺采用自動控制技術(shù)；⑻窯車窯具輕型化；⑼采用清潔液體和氣體燃料；⑽充分利用窯爐余熱；⑾采用高速燒嘴；⑿采用一次燒成新工藝；⒀加強窯體密封性和窯內(nèi)壓制度；⒁采用微波輔助燒結(jié)技術(shù)等。以上節(jié)能措施，形式各異，但都是從減少要提散熱、提高燃燒效率、增強產(chǎn)品有效吸熱量、縮短生產(chǎn)周期出發(fā)最終提高窯爐熱量利用率，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。其他節(jié)能措施。如配置節(jié)電系統(tǒng)，降低廠用電、使用單螺桿空壓機代替活塞式壓縮機和羅茨風(fēng)機、減少爐內(nèi)落臟，提高成品率等。煙氣治理的除塵、脫硫技術(shù)，在國外、國內(nèi)已經(jīng)進行實驗、研究、應(yīng)用的方法有幾百種之多。有的已達到技術(shù)成熟程度較高的商業(yè)化應(yīng)用水平，有的尚處于試驗、研究階段。其中代表性技術(shù)有，麻石水膜除塵器，文丘里及雙文丘里水膜除塵器，石灰石法，荷電法等。通過對所掌握的資料進行分析和對比，可以發(fā)現(xiàn)，無一例外全部是根據(jù)酸堿中和原理進行研究和設(shè)計的。究其相關(guān)性，無不在于煙氣與脫除二氧化硫物質(zhì)的有效混合方法不同、產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)不同以及使煙氣治理在大大降低成本的同時，得到更充分的社會整體效益。其共性在于盡最大可能提高煙氣與脫硫劑的混合質(zhì)量?；旌腺|(zhì)量越好，除塵、脫硫效率就越高。結(jié)構(gòu)相對越簡單，運行的安全可靠性就越好，投運率就越高。石灰、石灰石濕式脫硫工藝是目前界上技術(shù)最為成熟、應(yīng)用范圍最為廣泛的脫硫方法，特別在美國、德國和日本，應(yīng)用該脫硫法機組容量約占電站脫硫裝機總?cè)萘康?0%以上。隨著陶瓷行業(yè)的高速發(fā)展及對技術(shù)革新的需求不斷增強，在陶瓷窯爐的節(jié)能減排方面的專利也不斷涌現(xiàn)，其中比較有代表性的有：“

節(jié)能型窯爐及其實施方法”、“

窯爐用組合式陶瓷纖維爐襯及其制法”、“一種南方瓷業(yè)窯爐的消煙除塵技術(shù)”、“陶瓷工業(yè)窯爐煙氣的直接利用方法”等。1、建立陶瓷窯爐的燃燒預(yù)測控制技術(shù)“原料是基礎(chǔ)，成型是條件，燒成是關(guān)鍵”，在陶瓷的發(fā)展中，燒成一直是至關(guān)重要的。其實，燒成，狹義地說就是窯爐溫度的控制。陶瓷窯爐的燃燒預(yù)測控制技術(shù)，根據(jù)原料和產(chǎn)品特性需要，結(jié)合窯爐沿線在線溫度檢測數(shù)據(jù)，通過分析窯爐內(nèi)產(chǎn)品焙燒過程中的爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)機制建立仿真模型進行在線模擬計算，再現(xiàn)爐內(nèi)的溫度場分布情況，并實時預(yù)測當(dāng)前燃燒條件下的窯爐內(nèi)關(guān)鍵溫度點的溫度變化曲線。通過比對預(yù)測的未來溫度變化曲線與理想工藝生產(chǎn)曲線的偏差，調(diào)整窯爐各燃燒器入口的物料參數(shù)，使其達到爐內(nèi)溫度場分布合理、燃燒參數(shù)按合理生產(chǎn)工藝穩(wěn)定變化的效果。該技術(shù)的主要革新在于以窯爐在線溫度檢測參數(shù)為依據(jù)，未來運行參數(shù)的預(yù)測為基礎(chǔ)，進行燃燒優(yōu)化控制調(diào)解，使得燃燒穩(wěn)定性提高、溫度分布合理，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和燃料利用率，并減少產(chǎn)品的焙燒工藝周期。同時以內(nèi)部溫度場的合理分布為依據(jù)，優(yōu)化調(diào)節(jié)各燃燒噴口的燃料量，以有效降低排放煙氣的余熱損失。窯爐溫度模糊控制原理：在測得某區(qū)域溫度的基礎(chǔ)上建立實測溫度與預(yù)測溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。當(dāng)實測溫度偏離預(yù)測溫度時，采集的溫度數(shù)據(jù)通過模糊控制器的修正，輸出信號調(diào)節(jié)燃料量以及空氣、燃料之比來達到調(diào)節(jié)的目的。模糊控制器的工作原理測量被控制量的輸入數(shù)據(jù)(這里為溫度)，通過模糊化方法將該輸入量轉(zhuǎn)化成輸入變量模糊子集的隸屬函數(shù)值。然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理，得出輸出變量模糊子集的隸屬度，最后將輸出的模糊變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒嶋H控制輸出的精確值?？刂七^程如圖1所示，其中模糊控制模型見圖2。實踐總結(jié)的邏輯規(guī)則所對應(yīng)模糊語言的關(guān)系式為：其中相應(yīng)的語句表述含義為:⑴若溫度過低且溫度還有持續(xù)下降的趨勢,則應(yīng)加大燃料閥的開度,以保證合理溫度。⑵若溫度波動不大,且溫度的緩慢增長的趨勢,則應(yīng)稍減小燃料閥的開度,以此類推。由測量輸入的數(shù)據(jù)確定溫度變化及其變化率,再根據(jù)每條控制規(guī)則得出控制量,經(jīng)過模糊判決得到一系列的控制量等級作為控制器的輸出。這里的隸屬函數(shù)采用最常用的正態(tài)型函數(shù)曲線。計算并訓(xùn)練后得到的控制規(guī)則見表1。表1中符號意義如下：P=Positive；N=Negative；Z=Zero；B=Big；M=Middle；S=Small；O=None；它們的組合PB、PM言變量值；為被測溫度與經(jīng)驗溫度的偏差；為被測溫度與經(jīng)驗溫度偏離的速度即:dE/dt；為輸出；前述的模糊語言關(guān)系式中模糊語言變量值下標(biāo)e、ec、u即表示對應(yīng)于、、的值。該技術(shù)機遇開發(fā)以下的內(nèi)容以達到精確控制和節(jié)能的目的：根據(jù)主要原料特性、燃料特性和產(chǎn)品性能要求建立燒成工藝制度；建立實測溫度與預(yù)測溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型；計算并訓(xùn)練得到合理的控制規(guī)則；改造現(xiàn)有控制系統(tǒng)，建立窯爐燃燒計算機智能控制系統(tǒng)。2、變頻節(jié)能技術(shù)陶瓷生產(chǎn)的電能消耗和原材料消耗、燃料消耗一樣是耗能大戶，建筑陶瓷的電耗有的高達5kWh/m2，以金意陶年產(chǎn)1400萬m2的產(chǎn)能計算，電耗成本為幾千萬元。同時電力消耗也是很有節(jié)能潛力的一塊資源消耗。項目針對陶瓷生產(chǎn)中的一些主要用電設(shè)備的使用特點，通過性價比核算，采用節(jié)電器以及變頻節(jié)能技術(shù)進行設(shè)備改造，以達到電力節(jié)能的效果。球磨制粉機是陶瓷生產(chǎn)企業(yè)最大的耗電設(shè)備，其現(xiàn)在的起動方式和控制手段浪費了大量的電能，而且球磨機在起動時受到較大的沖擊力，對球磨機的機軸和波箱齒輪損壞較大，無形中增加了維修費用；此外，由于球磨機起動時沖擊電流大（通常為額定電流的７～８倍），容易造成電網(wǎng)電壓的波動，嚴(yán)重時造成設(shè)備跳閘，影響正常的生產(chǎn)。球磨制粉機使用過程中隨原料品質(zhì)波動，實際負載變化大，同時為保證制粉質(zhì)量要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。如何動態(tài)地調(diào)整和控制向電機輸出的電流波形，使電機的輸入功率按實際需要合理分配，即電機實際用多少電就送多少，節(jié)省不必要的消耗達到節(jié)約電能的目的，是球磨機電力節(jié)能的核心問題。項目擬通過為制粉球磨機裝配節(jié)電控制器以實現(xiàn)節(jié)能目的。節(jié)電控制器是一種能夠自動監(jiān)測電動機的負荷狀況，根據(jù)電機實際負荷的大小，供給電機最適宜的電壓與電流，從而有效解決電機在空載、輕負載和變負載狀態(tài)下的節(jié)電問題，而且又不影響電動機的抗過載能力的電機節(jié)電新技術(shù)。將該節(jié)電控制技術(shù)應(yīng)用于球磨機，可有效提高正常工況下運行功率因數(shù)，降低輸入電機有功功率，節(jié)電效果明顯，可達15％以上。風(fēng)機是窯爐運行的另一個大型電耗單元，對于風(fēng)機的運行設(shè)計規(guī)范，是當(dāng)風(fēng)量本身是重要的調(diào)節(jié)控制參數(shù)時，往往以實際風(fēng)量為標(biāo)稱風(fēng)量的70％進行配置。盡管富裕量保證了設(shè)備的安全運行，同時也帶來了不必要的電力消耗。在陶瓷窯爐生產(chǎn)運行中，對于不同產(chǎn)品的燒制需求以及同一產(chǎn)品的不同燒制階段，窯爐產(chǎn)生的煙氣風(fēng)量都會產(chǎn)生變化，要實現(xiàn)節(jié)能運行就要求改變傳統(tǒng)地風(fēng)門調(diào)節(jié)模式，能夠?qū)崟r依據(jù)風(fēng)量要求調(diào)節(jié)風(fēng)機功率與轉(zhuǎn)速。本項目采用變頻節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)節(jié)電調(diào)節(jié)。變頻器是通過檢測負載的工作情況，調(diào)節(jié)其輸出頻率（范圍可以從0.5-150Hz）、電壓和電流，以適應(yīng)負載的需要。使輸出功率隨負荷的變化而變化，從而達到節(jié)能的目的。以一臺160kW引風(fēng)機為例，平均風(fēng)量為額定70％，原實際消耗功率約133KW，節(jié)電率保守估計為43％，可實現(xiàn)節(jié)電功率為57kW。以年280天全天運行計，年節(jié)能可達38萬度，一年即可收回投資成本。變頻器與節(jié)能器的使用不僅可以實現(xiàn)電力節(jié)能，同時對于電力啟動時的過載、缺相、過欠壓、過欠流、堵轉(zhuǎn)等故障保護及狀態(tài)顯示功能，對電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行以及相關(guān)轉(zhuǎn)動設(shè)備壽命起到極好的保護作用。余熱有效利用技術(shù)衡量一座窯爐是否先進的一個重要標(biāo)準(zhǔn)就是有沒有較好的余熱利用。據(jù)窯爐熱平衡測定數(shù)據(jù)顯示，僅煙氣帶走的熱量和抽熱風(fēng)帶出的熱量占總能耗的60%～75%。余熱利用一直在國內(nèi)外受到重視，視其為陶瓷工業(yè)節(jié)能的主要環(huán)節(jié)并投入很大力量抓這項工作。而國內(nèi)大部分陶瓷企業(yè)直接把燒成室的煙氣引到干燥窯，利用余熱進行干燥，從而改變使用熱風(fēng)機加熱干燥的生產(chǎn)過程。但由于落渣問題，會嚴(yán)重影響了陶瓷制品的表面質(zhì)量，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。項目針對陶瓷生產(chǎn)的工藝流程和窯爐結(jié)構(gòu)分析，采取成熟的高溫除塵措施，在不損失燒成室排煙熱量的同時，對煙氣進行凈化，消除落渣問題，從而實現(xiàn)陶瓷窯爐余熱利用技術(shù)的推廣，達到節(jié)能減排的目標(biāo)，為企業(yè)和社會創(chuàng)造良好的經(jīng)濟和社會效益，實現(xiàn)陶瓷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前使用較多的余熱利用技術(shù)是通過簡單的煙氣管道的重新布局，把輥道窯的燃燒煙氣引導(dǎo)到干燥窯，利用余熱進行干燥，從而改變使用熱風(fēng)機加熱干燥的生產(chǎn)過程。其工藝流程如下：以上工藝，沒有考慮除塵，直接把窯爐煙氣引入干燥窯，會對陶瓷表面造成污染，從而降低產(chǎn)品合格率。針對這種情況，本項目在引風(fēng)機前加入高效旋風(fēng)除塵器，對煙氣進行凈化，從而可消除干燥窯的落渣問題，同時也可減少煙氣對引風(fēng)機的磨損和腐蝕，延長引風(fēng)機的使用壽命。為降低投資、提高旋風(fēng)除塵器利用率，可以對全廠熱負荷進行統(tǒng)籌安排，根據(jù)旋風(fēng)除塵器的處理能力和廠房布