基于DOE的CO2燃烧炉节能研究

胡 晨

（安徽中烟工业有限责任公司芜湖卷烟厂，安徽芜湖 241002）

0 引言

CO2燃烧炉是卷烟工业企业膨胀烟丝生产线的重要用能设备，试验设计（Design of Experiments，DOE）是一种安排试验和分析试验数据的数理统计方法。将该方法与企业的生产实践相结合，记录制丝车间膨胀烟丝生产线CO2燃烧炉的生产过程数据，借助MINITAB软件，统计分析新风开度、含氧量、炉温与天然气流量之间的关系，从而得出具有实际指导意义的结论。

1 试验材料与方法

1.1 材料/设备

膨胀烟丝ET－X；CO2燃烧炉（焚烧前/后含氧量表，天然气流量计，新风风门，联动风门）。

1.2 方法

在CO2线带料生产过程中，不同的设定炉温下，手动调节新风风门开度，观测并记录天然气流量计和焚烧前/后含氧量表的显示值以及联动风门开度值。

2 试验设计和数据收集

DOE设计目的：天然气流量是重点需要降低的CO2燃烧炉消耗指标，影响天然气流量的主要因子有新风风门开度A和炉温B。为了找出2个因子的最佳取值，确定天然气流量，通过2因素一个4水平和一个3水平的办法来进行DOE全因子试验。具体水平和因子见表1。由MINITAB软件生成全因子实验表，并按照设计进行实验。相关的试验数据记录见表2。炉温550℃、新风风门开度25%的情况未进行试验。原因是在炉温550℃、新风风门开度50%的情况下，联动风门开度已经达到90%左右，数据显示此时的工艺气体温度始终略低于设定值260℃，如果在此温度下再降低新风风门开度，就会导致工艺气体温度无法达标，造成产品质量不合格。

表1 DOE因子与水平设置

3 结果与讨论

3.1 关键节能生产参数研究

3.1.1 试验的直观分析

（1）天然气流量主效应图（图1）解析。①新风风门开度越大，天然气流量越大；反之，新风风门开度越小，天然气流量越小。且新风风门开度对天然气流量的影响很大。②炉温越高，天然气流量越大；反之，炉温越低，天然气流量越小。且炉温对天然气流量的影响相对较小。③为了得到更低的天然气流量，炉温设在550℃，新风风门开度设在25%。

表2 试验数据汇总

（2）天然气流量交互作用图（图2）解析。各曲线接近平行无相交，说明新风风门开度与炉温对天然气流量大小无交互作用。

图1 天然气流量主效应

图2 天然气流量交互作用

3.1.2 试验的统计分析

（1）判断模型有效性。天然气流量残差图（图3）解析：试验模型的残差呈正态分布，残差和为0，残差没有明显的模式和趋势，说明模型是有效的。

（2）利用统计工具进行分析（表3）。方差分析表明：新风风门开度和炉温的P值≤0.05，说明二者都是重要的，主效应是显著的。

3.2 过程生产参数的节能影响研究

除了新风风门开度和炉温这两个燃烧炉关键参数以外，焚烧前后含氧量、联动风门开度等这些过程生产参数对于节能研究也具有十分重要的意义。

3.2.1 焚烧前含氧量的影响因素

在550℃，560℃，570℃炉温下，分别研究新风开度与焚烧前含氧量的关系（图4）。由图4可见，在炉温一定的情况下，随着新风风门开度的增大，焚烧前含氧量不断提高。同时，在新风风门开度一定的情况下，随着炉温的增加，焚烧前含氧量无明显变化。结果表明：焚烧前含氧量与新风风门开度具有正相关关系，不受炉温的影响。

图3 天然气流量残差

表3 天然气流量方差分析

图4 新风风门开度与焚烧前含氧量的关系

3.2.2 焚烧后含氧量的影响因素

在550℃，560℃，570℃炉温下，分别研究新风开度与焚烧后含氧量的关系（图5）。由图5可以看出，当新风风门开度在50%以上时，炉温一定的情况下，焚烧后含氧量跟随新风风门开度的变化不显著。在新风风门开度一定的情况下，焚烧后含氧量随炉温的变化也不显著。但是，当新风风门开度在25%时，焚烧后的含氧量呈现快速增大的现象。结果表明：焚烧后含氧量具有相对稳定性，受炉温的影响不显著。新风开度过小会导致焚烧后的含氧量值较大，说明燃烧过程中氧气消耗少，燃烧不充分。

3.2.3 联动风门开度的影响因素

图5 新风风门开度与焚烧后含氧量的关系

在新风风门开度值25%，50%，75%和100%的情况下，分别研究新风风门开度与联动风门开度的关系（图6）。由图6可见，在炉温一定的情况下，联动风门开度随着新风风门开度的增大，呈现减小的趋势。在新风风门开度一定的情况下，联动风门开度随着炉温的升高，同样呈现减小的趋势。结果表明：联动风门的作用是自动控制工艺气体的温度。新风风门加大，系统的含氧量提高，燃烧更充分，炉温有上升的趋势，热量积累的更快，因此需要进入工艺加热器的工艺气体量就更少，使得联动风门开度有减小的趋势。新风量不变，炉温升高时，烟气温度升高，维持工艺气体温度，而需要进行换热的工艺气比例减少，因此相应的联动风门开度有减小趋势。

图6 新风风门开度与联动风门开度的关系

3.2.4 联动风门开度对天然气流量的影响

在550℃，560℃和570℃炉温下，分别研究联动风门开度与天然气流量的关系（图7）。由图7可知，在炉温一定的情况下，天然气流量随着联动风门开度值的增大而降低。结果表明：联动风门开度值越大，天然气流量越小，就越节能。但是，并不是越大越好，开度值如果过大，会造成联动风门对工艺气体温度的调节空间过小，不利于工艺气体温度的稳定性。开度值如果过小，又会造成换热量小，燃烧不经济，不利于节约天然气。因此，联动风门开度应处于一个合理的范围内。

图7 联动风门开度与天然气流量的关系

4 结论

（1）炉温越低，新风风门开度越小，联动风门开度越大，越节约天然气。

（2）新风风门开度不宜过小，联动风门不宜过大。第一，新风风门开度过小会导致联动风门开度过大，试验中新风风门开度为25%、炉温为560℃和570℃时，联动风门开度分别达到了84.2%和90%，如果生产流量出现较大波动，就会要求供应更多的热量，而此时联动风门已经接近全开状态，系统就会因为饱和而失去调节空间。第二，新风风门开度过小，会导致焚烧前含氧量偏低，焚烧后含氧量偏高，影响燃烧充分性和系统稳定性。因此，新风风门开度宜控制在25%～75%，联动风门开度宜控制在70%～80%，焚烧前氧气含量在17%～18%，焚烧后氧气含量在15%～16%,能较好兼顾系统的稳定性和生产的经济性。

（3）鉴于以上结论，为了最大限度地节能，同时又能确保生产稳定，选定膨胀丝ET－X的最优生产参数，即设定新风风门开度50%、炉温560℃。过程参数：焚烧前含氧量17.9%，焚烧后含氧量15.9%，联动风门开度78.8%，此时天然气流量约为64.4 m3/h。