隧道窑工作原理及系统操作

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隧道窑工作原理及系统操作

隧道窑的系统设置是否合理、窑体结构能否满足要求、操作是否得当，对产品质量、产量、燃料消耗以及窑炉使用寿命都有影响。

    （一）隧道窑工作原理

     隧道窑属于泥流操作的热工设备，沿窑长度方向分为预热带、烧成带、冷却带。制品与气流以相反方向运动，在三带中依次完成制品的预热、烧成、冷却的过程。隧道窑两端设有窑门，每隔一定的时间，将装好砖坯的窑车推入一辆，同时，已经烧成砖瓦成品的窑车被推出一辆。坯体进入预热带后，首先与来自烧成带的燃烧产物（烟气）接触而且被加热，而后进入烧成带，燃料燃烧放出的热量及生成的燃烧产物加热坯体，使之达到一定的温度而烧成，并经过一定时间的保温，生成稳定的制品。燃烧产物自预热带的排烟口、烟道，经风机或烟囱排出窑外。烧成的制品进入冷却带，将热量传递给入窑的冷空气制品本身冷却后出窑。被加热的空气一部分抽进去进行余热利用。

简单来说，隧道窑的烧成过程就是燃料在窑内燃烧、坯体与气体进行热交换、湿交换的过程。通过燃料燃烧产生的热量，将窑内温度升高到坯体烧成所需温度，在烧成温度时，坯体内各组分发生一系列物理、化学变化，经过这一系列变化，坯体由生坯焙烧为具有一定强度和耐久性，符合建筑要求的砖成品。

（二）隧道窑烧成制度

隧道窑工作系统的设置就是在热工基础知识的指导下，针对特定的原料和制品，制定出适宜的烧成制度并保证烧成制度的实现。

    窑炉的烧成制度包括温度制度和压力制度，温度制度需要根据原料性能和产品要求而定，而压力制度是保证窑炉按照既定的温度制度进行烧成。因此影响产品性能的关键是烧成的温度制度。

（1）温度制度

温度制度依据物料在烧成过程中的化学、物理变化制定的温度及其与时间的关系，包括升温速度、烧成温度、保温时间、降温速度等参数，并最终形成适宜的烧成曲线。

隧道窑的烧成曲线

隧道窑的烧成曲线也是沿窑长装在窑顶或窑侧的热电偶测得的窑内温度曲线（见图5-3），在低温阶段接近气体温度，在高温阶段接近制品温度。窑炉在设计时都给出了温度曲线，这条曲线是针对待定原料和特定制品的理想状态下的曲线，这条曲线是针对特定原料和特定制品的理想状态下的曲线，是假设隧道窑各种参数都处于最佳情况下绘制的曲线，实际生产时，由于窑上各种装置的差别及原料的波动，烧成曲线不能达到理论曲线的状态，应以理论曲线为指导，按照烧成规律，根据实际所用的原料、装置，产品的规格，调整至最佳烧成曲线。

    烧成过程的温度参数：

    各阶段的升温速度

    低温阶段（室温~300℃）：此阶段实际上是干燥的延续，升温速度主要取决于入窑坯体的含水率、规格、形状、厚度等，当坯体入窑水分高或孔洞率小而尺寸较厚时，需要缓慢升温，升温过快会引起坯体内部水蒸汽压力的增高而发生开裂。

    氧化分解阶段（300℃~950℃）：此阶段主要是排除结晶水和发生分解氧化反应，可以快速升温，但是573℃时，α-石英与β-石英发生晶型转变，此阶段需要平缓升温。

    高温阶段（950℃~烧成温度）：此阶段的升温速率取决于窑体的大小、窑内的温差、坯体的码放密度，以及坯体的烧成温度范围和烧成收缩，当窑内温差大、码窑密度高时，升温速度慢。

    烧成温度与保温时间的确定：

烧结是减少坯体中的气孔、增加颗粒之间的结合，提高机械强度的工业过程。烧成温度是指坯体烧成时获得最优性能时的温度。在烧结过程中，随着温度升高和热处理时间的延长，坯体内部的气孔不断减少，颗粒之间的结合力不断增加，达到一定温度和一定时间，颗粒之间的结合力呈现极大值，这时的温度称为最佳烧成温度。坯体烧结后在宏观上的变化是体积收缩、致密度提高、强度增加。因此烧结程度可以用坯体的收缩率、气孔率等指标来衡量。

烧成温度通常是一个范围，称为烧结温度范围，在此范围内，烧成制品的体积密度和收缩无显著变化。

    烧成到达烧成温度后需进行保温，使坯体充分的进行物理、化学反应，生成稳定的制品烧成温度与保温时间之间既相互制约又相互补偿、调节，如烧成温度取高限，则保温时间不能过长，否则会出现焦砖，对于较厚或烧成收缩大的坯体，或者内燃料掺料掺料高的坯体，可以采取低温长烧的方法，即取烧结范围的下限温度焙烧，适当加长保温时间来保证制品质量。

    冷却速度：

    冷却是把坯体从高温时的可塑状态降温至常温稳定态的凝结过程。冷却过程也需要适宜的速度，冷却过快过急，会造成烧成的制品由于内外散热不均匀产生应力而引起开裂。

    温度制度的确定依据：

    由以上叙述可以看出，确定温度制度主要依据坯体的性能。通常原料的化学成分决定了原料的烧成温度。

    烧成过程的升温、保温、降温时间组成了烧成周期，这个过程的快慢受很多因素影响，最主要的还是原料因素。通常以煤矸石为主要原料时，烧成周期较长，多为40h~52h，页岩、黏土、粉煤灰等原料的烧成周期一般在30h~36h，因此，生产煤矸石砖的隧道窑往往长一些。

综上所述，企业在建设窑炉时应根据原料的成分和工艺性能制定适宜的烧成制度，继而据此确定窑炉的系统、窑体的规格、结构等参数，这样才能保证制品的质量和产量。

（2）压力制度

通常是指窑内静压的大小沿窑长度方向的分布，压力制度的控制是和温度制度密切相关的，控制压力制度的目的是为了保证温度制度。

窑内冷却带为正压，预热带在烟囱或排烟风机抽力的作用下为负压，在正压和负压之间，必然有一个压力等于零的车位，这一车位成为零压位。

窑内压力曲线

    在生产中，通常使零压位控制在预热带和烧成带之间，使烧成带保持“微正压”，这种状况有利于生产。因为，如果零压位在冷却带，则烧成带处于负压，会从窑底漏入较多的冷空气，增大上、下温差。反之，若使零压位处于预热带，则烧成带为较大的正压，容易使窑内的高温气体漏到窑下面烧坏窑车。在实际生产中，各种因素是不断变化的，零压位的位置也容易发生漂移，当零压位离开控制位置以后，需要把它移回到原来的位置上。

    生产中通过控制排烟和余热口的闸门来调节零压位，余热口抽出量增加，零压位的位置向冷却带移动。相反，排烟闸门抽出量增加，零压位向预热带方向移动。除了控制零压位的位置外，尚需考虑到窑内冷却带正压和预热带负压绝对值的大小，即压力曲线的斜率。在实际生产中，常常希望斜率比较小，压力曲线比较平坦为好，即所谓“低压操作”。这样窑内漏气较少，有利于生产。但是，通常为了提高窑炉的烧成产量，需要采用大抽力高温作业，在这种情况下，就应该考虑采用窑底静压力平衡措施，以减少窑外气体漏入窑内，或窑内气体露出窑外。

    （三）隧道窑工作系统

    砖瓦产品在隧道窑中烧成时，要经过加热升温、保温、降温这几个过程，隧道窑必须满足烧成的各种技术参数要求，其系统设置应能保证坯体在窑内加热升温、保温、降温的正常进行。

    隧道窑工作系统又叫工作流程，是指窑内气体输送系统，即气体流向及有关热工设备的使用。隧道窑工作系统的确定基于烧成制度，并要保证烧成制度的实现。

    由于生产砖瓦的原料是多种多样的，每一种原料的烧成性能不尽相同，所以烧成时隧道窑的系统设置是有差别的，不能所有原料、所有制品都采用相同的系统，但是，总结各种隧道窑的配置，隧道窑的系统配置是一样的，都配备有窑内通风系统（含排烟系统、抽余热系统、送冷风系统、窑底压力平衡系统）、燃料燃烧系统、窑车运转系统和测控系统。隧道窑工作系统如图5所示。

    （1）隧道窑的通风系统

    隧道窑通风系统主要包括排烟系统、送冷风系统、抽余热系统、窑底压力平衡系统，有的窑上还没有循环风系统、窑底压力平衡系统，有的窑上还设有循环风系统。通风系统的作用是使气体按一定的方向流动，使风量在窑内坯垛上分配均匀，供给燃料燃烧所需的空气，排出窑内烧成废气，维持窑内一定的温度制度和压力制度，使窑内烧成操作能正常进行。

    ①排烟系统

    隧道窑排烟系统位于窑余热带，它由排烟口、支烟道、总烟道、闸门和排烟风机组成。

    其功能是将预热带前段的低温、高温烟气排出隧道窑，排烟时，窑内的低温烟气首先经过设置于窑墙或窑顶的排烟口，在该烟口附近设烟闸，以控制排烟口的排烟量，然后烟气进入各个支烟道，经过支烟道的烟气最后汇入总烟道中，连接在总烟道中的风机，通过自身产生的抽力将烟气排出隧道窑。

窑上排烟口的大小，支烟道、总烟道的断面直径，必须按照窑内燃料燃烧产生废气量的大小计算确定，风机也要安排出烟气量多少计算选型。

    排烟风机选择是否合理，不但影响烧成产量和质量，而且也关系到隧道窑生产成本的高低。在选择排烟风机时，首先必须求出克服系统阻力所需要的压力和烧成过程所需的风量，然后再根据需要与可能选择特性曲线平缓、使用范围比较宽、性能好的型号。同时，必须考虑风机的安装位置、安装角度、成本等因素。

    ②送风系统

    隧道窑送风系统位于冷却带，它由冷却风机、送风口、控制闸板等组成，其作用是向窑内输送供高温砖体降温的冷却风，送风量大小要根据窑烧成带燃料燃烧所需风量、冷却带热平衡计算后能抽出多少余热所需风量大小、及在该段风量外泄损失风量的多少等确定。这几方面之和，就是风机实际的通风量，选择风机时，根据这个风量再换算成风机的标准风量。

    送风系统所选用的风机，可以是离心风机，也可以是轴流风机，按照窑炉的布置方式，结构形式，烧成要求确定。

    ③抽余热系统

    隧道窑抽热系统分别位于窑冷却带和预热带。冷却带抽取砖体冷却过程的换热，抽取的介质为干净空气；预热带抽取窑内废弃热，抽取的介质为高温烟气。抽余热系统由风机、管道、窑内出风口、风闸等组成。要根据窑的实际烧成需要，在不同位置抽取热量。

根据风阐开启程度大小，可以控制抽取热量多少、风量大小。根据热工计算选择风机的型号。

    ④窑底压力平衡系统

    隧道窑窑底压力平衡系统的作用是让窑车底部与窑内的压力能够平衡，窑内是负压的地方，窑底也是负压，窑内是正压的地方，窑底也为正压，这样窑内的热气体就不会窜入窑车下部。同样窑外的冷风也不会从砂封槽处漏人窑内，使窑内和窑外彻底隔绝。

需要指出的是，底部压力平衡系统的调试工作很重要：一定要将车底的压力调整到与窑内相当的水平，如果压力相差太大，就不会起到压力平衡的作用，而且可能会起到相反的作用。

    (2)窑车运转系统

    隧道窑烧成时，窑车在窑内要向前运动，窑车运转系统就是完成窑车在窑内和回车线上运动的设施。窑车运转系统包括电动摆渡车、液压顶车机、回车牵引机、步进机、出口拉引机、窑门等。

    电动摆渡车是窑车在车间运行时必备的设备，它能使窑车产生横向移动和调整窑车运行方向，是将回车线上码好湿还的窑车送往干燥室或隧道窑，以及将窑出车端窑车运往回车线的主要设备。

    液压顶车机是窑内窑车运动的驱动设备，它靠油泵供油推动油缸中的活塞作直线运动，靠活塞推动窑车在窑内移动。

    回车牵引机位于回车线上，它是窑车在回车线上运动的驱动设备。牵引机由一台卷扬机、一台移动小车组成，牵引时靠卷扬机驱动小车在轨道中间运动，然后小车推着窑车移动。

    步进机位于回车线上码坏处，它能够精确地移动窑车。在人工或码坯机码好一个坯垛后，用它将窑车向前运送一个坯垛的位置，是按照码坯机的要求准确定位窑车的设备。

    出口拉引机是将隧道窑冷却带最后段、将要出窑的最后一辆烧成的窑车拉出隧道窑的设备。它每次只拉最后一辆窑车，目的是为隧道窑进车留出空车位，窑车被拉引机拉出隧道窑后，就完成了烧成过程。出口拉引机由电机驱动，驱动功率大小根据窑车及窑车上装砖的重量确定。出口拉引机安装于窑内窑车底部，每条隧道窑只安装一台。

    窑门安装在隧道窑的窑头和窑尾，它的作用是将窑内和窑外隔离开来，使窑外的冷空气不进人窑内，也不让窑内的热风从窑门处逸出。当隧道窑进车时将窑门升起，进车完毕后，将窑门落下。窑门落下后，要求窑门以及窑门与窑墙、窑顶有很好的密封性能。

    为了更好地保证窑体的密封性，近年来在隧道窑的进车端多设计为两道窑门，这是因为窑炉预热段是负压，靠压力差来引导焙烧段的热烟气向预热段行进，从而与坯体发生湿热交换继而排出窑外，进车时窑门打开，窑门与排烟系统形成了气流通道，阻碍了烟气的行进与排出，破坏了窑内气流的稳定。设置两道窑门，两道门之间形成一个预备室，第一道门打开，窑车进入预备室，第一道门关闭后，再打开第二道门，将窑车顶人窑内有效空间，这样分两步进车，窑内与外部始终隔绝，很有效地保证了窑内气流的稳定。

    (3)隧道窑测控系统

    隧道窑控制系统分为两部分，一部分是窑炉温度和压力的测控，另一部分是窑车运转系统的控制。

    控制窑炉温度和压力时，在窑炉的顶部和侧墙适当部位安装测温测压元件，以检测窑内的温度和压力。并将检测结果送人电脑，在窑通风系统上安装自动调节装置，或手动调节装置。当检测元件测得的温度和压力与原先设计的温度和压力有较大区别时，电脑就发出指令，指示通风系统上的装置进行调节窑内通风量，或者人工调整通风系统上的手动调节装置，以改变窑内通风量。

    通常在窑炉设计时，按照系统设置和温度曲线预留测控元件的安装位置，即测温点车测压点。对于窑内高较高的窑炉和超热焙烧的窑炉，在高温带适当的位置增设一至两处测温点，位于侧墙车面处，目的在于测控窑内的断面温差。

    测控元件安装时要注意保持元件插人窑内的深度一致，要用保温棉塞紧塞实，以保证良好的稳定性和密封性。

控制窑车运转系统时，在相关设备上都安装控制开关，利用各台设备实际工作时的先后顺序，用继电器控制各台设备动作的次序、工作时间的长短，使窑车运转系统能够自动地工作。另一种控制窑车运转系统的方法是将整个窑车运转系统分为几个区，每一区内用自动控制的方法，而区与区之间的协调丁。作用手动操作。

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