当前位置:首页 > 经典文献 > 《砖 家》 2017年12月 总第33期 > 正文
天然气隧道窑应用与前景
文献:《砖 家》 2017年12月 总第33期 返回索引
添加日期:2018/1/18 14:44:35   浏览次数:1713   文章来源:长沙经济技术开发区经沣高新建材有限公司   作者:周礼国

 1.长沙经沣高新建材公司简介

长沙经济技术开发区经沣高新建材有限公司成立于2009年,公司位于长沙经开区星沙产业基地,总投资1.2亿元,主要生产设备为美国斯蒂尔50G真空硬塑挤出机和美国SD公司设计的天然气隧道窑。该公司研发和技术实力雄厚,设备和工艺技术代表了当前硬塑挤出工艺的顶级水平。公司主要产品有高强度页岩烧结路面砖、烧结多孔(清水墙)装饰砖、烧结装饰砖三大系列、,40余种规格型号。
经过7年的创新与发展,长沙经沣高新建材目前已经通过了ISO9000/14000/18000三体系认证,并被认定为国家高新技术企业、湖南省新材料企业、长沙市科技创新小巨人企业,企业信用评价AAA级信用企业。现拥有11项专利,产品被认定为国家二星级绿色建材,湖南省新型墙体材料,并被纳入政府采购产品目录,获得了2016全国砖瓦行业创新发展优秀企业,“十二五”全国墙材革新创新标杆企业,2015、2017中国最具成长性建材企业100强等荣誉称号。
2.经沣高新建材天然气隧道窑的特点
(1)经沣高新建材天然气隧道窑简介 
图1 长沙经沣高新建材天然气隧道窑实景照片
长沙经沣高新建材天然气隧道窑采用美国SD国际窑炉技术公司(Swindell Dressler Inc.)的设计方案,包含隧道式干燥室一条,多烧嘴隧道式天然气焙烧窑一条,HMI自动化控制系统一套。生产采用一次码烧工艺,将干燥与焙烧分开,使两段内的热工制度互不受影响,保证干燥与焙烧质量。这条隧道窑的设备自动化程度高,操控灵活方便,充分保证设备生产产品的高品质,代表着世界先进窑炉技术水平,也是目前国内最先进的隧道窑之一。
(2)经沣高新建材天然气隧道窑结构 
图2 长沙经沣高新建材天然气隧道窑断面示意图
从天然气隧道窑断面结构可以看到,隧道窑窑内空间被分隔成三个部分:窑道上顶与窑体顶部之间形成的顶部夹层空间、窑道内部窑车上部的主窑道空间、和窑车底部空间。 
主窑道通过窑顶墙层与顶部夹层空间分隔开来,通过窑车裙边埋入窑道两侧的沙封槽与窑车底部空间分隔开来,形成了三个独立而又相互影响的空间,而各空间内的压力情况则通过安装在窑道各处的多个压力变送器来实时监测和控制,再通过HMI系统调整相关风机变频器功率、风门开合,以维持各区域的压力平衡确保隧道窑的烧成工艺稳定。
(3)经沣高新建材天然气隧道窑烧嘴 
经沣天然气隧道窑烧嘴有两类:一类安装于窑体两侧,位于隧道窑前段,数量少,燃烧功率高;一类安装于窑顶,位于隧道窑中段,数量多,分布密集,燃烧功率稍低。通过烧嘴这种立体式分布,从不同部位给坯垛加热升温,使坯垛上下左右温度更均匀一致。两类烧嘴一共有172组烧嘴,均使用天然气为燃料,烟气主要为二氧化碳和水,绿色环保。每个烧嘴上的空气管路与燃气管路都安装电磁阀,灵敏可靠,适合高频率循环作业控制;同时每一个烧嘴都可以单独控制,通过适当过量的空气配比,使窑炉气体在窑道内产生再循环,从而增加了窑道内热介质的传热比,使窑道断面温度更均匀。 
经沣天然气隧道窑烧嘴采用脉动式燃烧方式。脉动燃烧就是让燃烧现象像脉搏跳动一样强弱结合周期变化地燃烧,即一会儿采用大流量燃烧(高燃烧强度),一会儿又采用低流量燃烧(低燃烧强度)。它能根据需要将空气和燃料进行配合来调节高温和低温。喷嘴的火焰长度可调,燃烧器可以设置成三种运行模式:过量空气模式;部分过量空气模式;按一定比率模式。使用脉动燃烧可使窑炉的能源消耗减到最低,这是由于在烧结周期的加热段所需要的过量空气减少了。这样的燃烧系统能更好地控制窑内温度,使窑内温度更均衡,提高了加热的质量,增加了烧结产品上的传热比率。
(4)经沣高新建材天然气隧道窑的自动控制系统 
图3 长沙经沣高新建材天然气隧道窑HMI控制主机
经沣天然气隧道窑采用基于微软windows的工业自动化解决方案HMI自动化控制系统来控制整个隧道窑烧结生产过程。HMI系统包含数据服务器、操作与控制软件系统、PLC模块等,其中应用程序用于控制窑炉及干燥室的工作进程,设置有数十组PID回路,全方位监视和控制窑炉及干燥室,并可以通过调整设置参数随时调整工作状态,使之依照预设工艺参数工作。由于HMI/SCADA应用运行在WINDOWS工作站,该系统可以通过网络远程连接至工厂计算机系统,完全可以实现无人值守的全自动化作业。HMI自动控制系统的特点:
1).自动控制,实时全方位监控和显示窑炉运行状态;
2).可靠的安全保障,遇有故障,程序自动停止并立即报警;
3).PLC提供了窑炉控制参数的全面可调整性,操作简单、可视;
4).人机互动控制界面(HMI)软件保证了窑炉的正常运行监控和最大的生产效率。
(5)经沣高新建材天然气隧道窑的温度控制
图4 长沙经沣高新建材天然气隧道窑烧成温度曲线
经沣天然气隧道窑被分成24个独立区域,每个区域均安装有热电偶来测量温度,通过自动化控制系统,能随时调整各区域的温度,使之与设定温度一致。上图黄色曲线为设定温度曲线,红色曲线为实际温度曲线,可以看到两条曲线基本重合,代表窑道各区域实际温度与设定温度基本一致。隧道窑温度的高度可控性和调整的灵活性,使得产品的烧成效果更好,质量更稳定。
(6)经沣天然气隧道窑的烟热分离
图5 长沙经沣高新建材天然气隧道窑烟热分离示意图
经沣天然气隧道窑通过安装于窑体前端的排烟风机将烧嘴燃烧产生的烟气抽离出窑道,利用分布在窑体后段冷却区域的余热收集系统通过余热风机将冷却段的热空气抽离至干燥室。利用安装在窑体上的多个压力变送装置,自动化控制系统通过变频器随时调整风机的运行功率,确保窑道各个区域的压力稳定,使烟气与热气平衡位置始终位于窑道最后一组烧嘴附近。从而确保烟气几乎全部为天然燃烧产物,基本没有空气掺入,通过合理的调整天然气与助燃空气配比,能有效的控制烟气中的含氧浓度,使之达标排放。同时,冷却段收集的热风为干净的纯干热空气,不会有烟气污染干燥过程的坯体,也不会造成排放的潮气中含有污染物。
(7)经沣天然气隧道窑烧成安全保护 
图6 长沙经沣高新建材天然气隧道窑HMI系统烧成安全控制界面
图7 隧道窑控制系统烧成安全控制程序设计原理图
经沣天然气隧道窑自动化控制系统专门设计了一个安全控制程序,在安全控制程序中设置了十多个条件来确保天然气的安全使用。当任何一个条件不满足时,系统将会自动关闭天然气总阀,切断天然气的供应,从而确保隧道窑的使用安全。
安全控制程序的十多个条件包括:天然气和助燃空气的压力与流量是否符合要求、窑道燃烧烟气抽离速率是否满足要求、各区域温度是否在安全范围等。隧道窑内任何对天然气燃烧效果有影响的因素都会监控到,一旦有异常,立即停止送入天然气,杜绝任何的安全隐患产生。
3.天然气隧道窑燃气成本分析

项目

内燃隧道窑

外燃隧道窑

产品质量

普通,大部分做填充物,不利于延长建筑物寿命

高质量装饰砖、地砖等,有利于延长建筑物寿命

排放达标

内掺煤或煤矸石,不易达标。如达标,需大投资。

清洁燃料,可调节窑内含氧量,易达标。

自动化

不能全部自动化

可全部自动化,达无人值守

操控性

燃烧不稳定,温度难调整、难控制。

窑内温度可控制,容易调整。

 

 

表1 内燃隧道窑与外燃隧道窑对比表

(1)经沣天然气隧道窑工艺特性

经沣天然气隧道窑使用的是新奥燃气提供的管道天然气。长沙新奥管道天然气为LNG气化气,热值大约8500kcal/m³,无杂质。烧成工艺属于纯外燃式烧成工艺,坯体是通过外部火焰升温从外向内烧成,而传统内燃工艺则通过坯体本身所掺燃料自发热烧结,与之相比,具有烧成时间长、能耗高的特点,但能有效的避免黑心、压花、砖坯粘连,同时天然气中不含或极少含硫,成品砖很少有泛霜等缺陷。

图8 长沙经沣高新建材天然气隧道窑产品实景图片

(2)能耗情况

天然气燃烧产生的烟气量较煤炭内燃燃烧产生的烟气量更多,且排烟控制更精准,所以天然气隧道窑排烟温度较内燃隧道窑高约40~70℃;天然气隧道窑烧成温度为1000~1050℃,也比一般内燃隧道窑高50~100℃;外燃工艺由外向内烧结,内燃工艺由内向外烧结,产品烧结时间更长。经统计,经沣天然气隧道窑能耗情况:

1)经沣天然气隧道窑能耗:600 kcal/kg产品;

2)GB30526-2014标准对实心烧结制品单位能耗限制为: 357kcal/kg产品;

3)传统内燃式隧道窑能耗:300~400 kcal/kg产品。

(3)成本分析

天然气隧道窑单位能耗为传统内燃式隧道窑的1.5~2倍;

外燃烧结产品合格率95%以上,传统内燃产品合格率仅80%~90%,而且如以外燃烧结产品质量标准衡量,内燃烧结产品合格率几乎为0;

外燃烧结制品抗压强度,饱和吸水率指标是内燃烧结制品的2倍以上,产品售价为其4~6倍;

综上,天然气隧道窑虽能耗高,导致产品售价略高于大众市场预期,但是产品更符合产业政策的发展方向,我们有理由相信,天然气隧道窑必然是要取代内燃式隧道窑的,前景必将是光明的。

4.长沙经沣高新建材的技术创新发展 

(1)经沣高新建材的技术创新思考

面对严酷的市场竞争形势,和生产工艺限定的与传统企业相比相对偏高的生产成本,长沙经沣高新建材一直在苦思具有经沣特色的生存与发展之道。作为技术型的公司,长沙经沣高新建材一直将技术创新作为公司发展战略的核心。通过制定产品技术战略和开发方向,同时配套相对先进的产品技术开发流程、内部管理制度、技术人员管理、晋升和激励机制、知识产权管理、产学研合作等一系列手段,形成高效的技术创新体系,使产品技术始终处于同行业领先地位。

(2)经沣高新建材的创新发展之路

1)工艺创新   

为整体提升产品的质量和市场竞争能力,长沙经沣从原材料配方、产品外观改进、设备改造、节能优化等方面着手,进行系统的改造和创新,取得了理想的效果。

①原料筛选 好的原料是生产优质产品的基础。针对公司自有矿山原料单一的现状,通过广泛收集、严格筛选、合理调配,长沙经沣正式确定了红色、棕色、灰色、黄色等各种原料配方,一直稳定使用至今;

图9 长沙经沣高新建材实验室原料测试存样货架

②固废再利用为了破解城市化建设过程中建筑垃圾污染难题和解决公司固体废弃物处理问题,长沙经沣技术人员依托现有设备、技术条件,通过反复试验攻关,成功将建筑废砖和建筑渣土作为骨架料用于原料配方中,不仅降低了原料采购成本,同时因原料的颗粒级配更合理、塑性指数也更契合工艺要求,产品尺寸和外观均有了相当大提升;

③产品外观改进  通过对产品挤出和切割成型工艺进行改进与优化,将传统单泥条立向挤出后切割大面的工艺改进成双泥条水平挤出切割侧面。通过减小切割面,有效的解决了断钢丝、切割波浪纹等传统生产工艺的难题,极大的提升了产品的外观质量;

④设备改造通过对挤出机泥缸头、机口进行结构改良,对原料加工工艺、设备进行改进等,使生产效率得到了大幅提高;并通过总结技改经验,长沙经沣共计申报了专利十余项,大部分已经获得了授权;

⑤工艺优化,长沙经沣通过对电机进行变频改造,同时优化烧成控制系统和温度曲线,改进砖坯码垛方式,实现年节省电和燃气费用百余万元。

2)产品创新

考虑到路面材料的市场局限性,长沙经沣至2014年开始就决心往新型墙体材料发展研究,并积极与科研院所进行产学研合作,开发节能、环保绿色建筑墙体材料及砌筑技术,当年就成功研制页岩烧结多孔砖、页岩烧结装饰砖两大类新产品10余种型号。同时为了更好的推广和使用新型烧结墙体材料,长沙经沣与长沙理工大学进行产学研合作,重点研究烧结装饰砖夹芯保温墙体。该种墙体结构先进,防火防潮,隔音隔热,完全能实现节能65%的建筑节能要求,而且综合造价低,极具市场前景。并形成了湖南省工程建设地方标准《烧结装饰砖夹芯保温外墙应用技术规程》、《烧结装饰砖夹心复合保温外墙构造》等标准。

高强度页岩烧结砖具有良好的保温、隔热、隔音、防水、抗冻、不变色、耐久、环保无放射性等优良品质,是集承重、保温、装饰于一体的高档新型建材产品。用这种产品砌筑的夹心保温外墙集承重、保温、装饰于一体,建成的墙体隔热效果好,且不需要另外进行表面装饰处理,外观古朴、高档。通过改变配料烧结出不同的颜色,通过表面喷砂、滚花、拉毛等工艺达到不同的装饰效果,满足建筑表面不同的审美的要求,具有古朴、典雅、自然的风格,实现承重装饰一体化。与其他彩色装饰制品不同,经沣烧结装饰砖颜色为原材料本身所呈现,因此随着岁月的流失,颜色不但不会减退,反而愈显凝重古朴,弥久砺新。而且砖体抗冻融性强,应用环境不受地域限制,无惧风霜雨雪,是建筑工艺发展的方向,前景广阔。

图10 烧结装饰砖夹芯保温外墙模型(图片来自网络)

5天然气隧道窑产品介绍

天然气隧道窑烧制的清水墙装饰砖、路面砖等产品,烧结温度高,不泛霜、不黑心,外观颜色正,烧结程度高,尺寸差异小。经权威机构检测,产品抗压强度40MPa以上,作为路面材料甚至可以承受大货车通行;吸水率为8至10%,烧结制品在这个吸水率下,具有最大的“呼吸”特性,所以它有很强的抗潮性及高抗冻融能力,因此它是完全不同于普通内燃砖的建筑材料,长沙经沣高新建材的高强度页岩烧结砖系列产品被认定国家二星级绿色建材和湖南省新材料,并被纳入了政府采购目录。

图11 经沣高新建材路面砖系列产品

图12经沣高新建材多孔(清水墙)砖系列产品

图13  经沣高新建材多孔(清水墙)砖系列产品

图14  经沣高新建材装饰砖系列产品

6产品应用案例

图15  市政道路、广场应用实景

图16  高档别墅应用实景

图17 长沙市青少年宫应用实景(图片来源:长沙晚报)

图18  长沙市可可酒吧应用实景