替代燃料二甲醚在陶瓷窯爐應(yīng)用的可行性研究初探

朱慶霞，汪和平，宮小龍

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

替代燃料二甲醚在陶瓷窯爐應(yīng)用的可行性研究初探

朱慶霞，汪和平，宮小龍

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

摘 要：對(duì)陶瓷窯爐常用燃料從燃?xì)獾男阅苤笜?biāo)、熱值、理論燃燒溫度和成本各方面進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了二甲醚作為替代燃料在陶瓷窯爐中的應(yīng)用前景及存在的瓶頸問題。二甲醚燃?xì)饪傮w性能指標(biāo)最優(yōu)，并且在熱值、理論燃燒溫度和成本對(duì)比中具有明顯優(yōu)勢(shì)，完全可以替代目前所使用的陶瓷燒制燃料。二甲醚的穩(wěn)定供應(yīng)和設(shè)備改造問題、二甲醚的燃燒過程和污染物排放的控制問題是替代燃料二甲醚在陶瓷工業(yè)應(yīng)用的亟需解決的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：替代燃料；二甲醚；陶瓷窯爐

E-mail:qingxia-zhu@163.com

0　引 言

陶瓷產(chǎn)業(yè)作為高污染、高能耗產(chǎn)業(yè)，對(duì)環(huán)境的破壞引起了人們廣泛關(guān)注，產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)移已經(jīng)成為行業(yè)的大勢(shì)。在能源危機(jī)日益凸顯、環(huán)保意識(shí)日益增加的今天，尋求新能源、清潔能源無論是從環(huán)保的層面還是從企業(yè)獲利的層面來講，都已成為當(dāng)務(wù)之急。考慮到中國(guó)是個(gè)能源資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，人均石油、天然氣、煤炭資源的可采儲(chǔ)量分別為世界平均水平的3%、4.3%、55.4%[1]，

相對(duì)而言，中國(guó)的煤炭資源最為豐富。因此，由煤轉(zhuǎn)化成的清潔燃料日益受到重視。

作為煤化工產(chǎn)品——二甲醚(DME)是一種含氧燃料，含氧量接近35%，且不含C-C鍵，在常溫常壓下為無色無味氣體，燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程無黑煙，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ娜剂蟍2]。DME與液化石油氣(LPG)的物理性質(zhì)很類似，可以壓縮成液體，存儲(chǔ)使用安全即可單獨(dú)作燃料，也可摻入煤氣或液化氣中混燒，燃燒過程無殘液。近幾年，國(guó)內(nèi)關(guān)于DME燃料燃燒的研究主要集中在對(duì)DME基本燃燒過程的控制和DME應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的均質(zhì)充量壓縮燃燒(HCCI)兩方面[3-6]，而關(guān)于DME在陶瓷窯爐方面的應(yīng)用則未過多涉及。本文對(duì)比了陶瓷窯爐常用燃料的熱工特性，探討了DME作為陶瓷窯爐替代燃料的應(yīng)用前景和可能存在的瓶頸問題。

1　陶瓷窯爐常用燃料概述

目前日用陶瓷行業(yè)和建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)常用窯爐燃料有發(fā)生爐煤氣、重油、天然氣、液化石油氣等。

1.1發(fā)生爐煤氣

發(fā)生爐煤氣是最常見的傳統(tǒng)氣體燃料，制備方法主要是使煤在發(fā)生爐中不能完全燃燒，從而產(chǎn)生大量的一氧化碳(發(fā)生爐煤氣的主要成分)。但是其氣化系統(tǒng)復(fù)雜，投資規(guī)模大；此外，如何治理發(fā)生爐煤氣在凈化過程中產(chǎn)生的含酚污水問題一直是困擾煤氣站的環(huán)保難題。

1.2重 油

重油的發(fā)熱量高，能夠保證陶瓷窯爐的爐溫要求。但是重油燃料燃燒過程中經(jīng)常出現(xiàn)大量黑煙，燃燒非常不充分，不僅造成燃料的過多消耗，而且其不完全燃燒所產(chǎn)生的煙氣會(huì)造成較為嚴(yán)重的污染。

1.3天然氣

天然氣(NG)的主要成分為甲烷，由于甲烷與空氣混合物的著火濃度范圍很窄，在5%-15%，因此燃燒過程對(duì)缺氧很敏感。甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣群苄。涑?、常壓下最大可見火焰?zhèn)鞑ニ俣炔坏?.0 m/s，因而燃燒較為緩慢。雖然天然氣的發(fā)熱溫度約2000-2040 ℃，滿足所有陶瓷產(chǎn)品的燒成要求，但是天然氣燃燒所需理論空氣量大(約為7.8-11.2 Nm3/Nm3)，因此對(duì)燒嘴混合性能要求高。

1.4液化石油氣

液化石油氣(LPG)的熱值很高，但其理論空氣量高達(dá)24-30 Nm3/Nm3，因此，助燃空氣與之混合完全比天然氣更為困難?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊?，燃燒緩慢。液化石油氣純凈，含硫少，是燒制高檔陶瓷產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)燃料。但由于液化石油氣密度較大，泄漏時(shí)往下沉，易與空氣混合達(dá)到著火濃度范圍，遇火發(fā)生爆炸。

綜上所述，目前常用燃料在使用過程中均存在一些問題，再綜合考慮到國(guó)家的能源政策和燃料成本，尋找合適的替代燃料已是當(dāng)務(wù)之急。

表1　天然氣的組成Tab.1 The composition of NG

表2　發(fā)生爐煤氣的組成Tab.2 The composition of producer gas

表3　液化石油氣的組成Tab.3 The composition of LPG

2　陶瓷窯爐常用燃料的分析對(duì)比

采用氣體燃料焙燒陶瓷制品，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并能獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，因而我國(guó)已將采用氣體燃料納入陶瓷工業(yè)技術(shù)改造政策軌道，并積極付諸實(shí)踐。現(xiàn)在陶瓷窯爐采用的氣體燃料種類有天然氣、液化石油氣、發(fā)生爐煤氣等。

2.1幾種燃料的組成

2.2幾種燃料的比較

從表5中可以得出如下結(jié)論：

(1)燃?xì)獾男阅苤笜?biāo)：燃?xì)庑阅苤笜?biāo)的優(yōu)劣依據(jù)主要是單位熱值所需空氣量和單位熱值產(chǎn)生煙氣量，二者越少，燃?xì)庑阅苤笜?biāo)越好[7]。從表5中可以看出，4種燃料中，發(fā)生爐煤氣單位熱值所需空氣量是最少的(0.204<0.244(DME)<0.254(LP G)<0.266(NG))，但單位熱值產(chǎn)生煙氣量是最多的(0.324>0.294(NG)>0.278(DME)>0.275(LPG))；而DME單位熱值產(chǎn)生煙氣量稍高于LPG，單位熱值所需空氣量稍高于煤氣，總體的性能指標(biāo)最優(yōu)。

(2)熱值：在DME、NG及煤氣三種燃料中，DME的熱值最高，這就意味著燒制同等質(zhì)量陶瓷時(shí)用氣最少，因此從熱值考慮完全可以作為替代燃料；

(3)理論燃燒溫度：DME理論燃燒溫度最高，這是因?yàn)镈ME自身含氧，燃燒所需的空氣量和生成的煙氣量相對(duì)較少，從而煙氣帶走的熱量減少，其理論燃燒溫度必然提高。因此，從燃料的燃燒溫度考慮，DME完全可以替代目前所使用的陶瓷燒制燃料；

(4)成本分析：目前二甲醚：7.30元/NM3；天然氣：4.25元/ NM3；煤氣：0.53元/ NM3；液化石油氣：14.37元/NM3(參考最新報(bào)價(jià)進(jìn)行核算)；根據(jù)單位二甲醚產(chǎn)生的熱值與其它燃料的對(duì)應(yīng)值：1 NM3二甲醚→1.63NM3天然氣；1 NM3二甲醚→9.16 NM3煤氣；1 NM3二甲醚→0.54 NM3液化石油氣；依據(jù)上述數(shù)據(jù)，產(chǎn)生100MJ的熱值消耗各種燃料所需的費(fèi)用為二甲醚(12.47元)，天然氣(11.81元)，煤氣(8.3元)，液化石油氣(13.32元)。因此，產(chǎn)生同樣的熱值，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，費(fèi)用從高到低依次為液化石油氣＞二甲醚＞天然氣＞煤氣。由于沒有考慮煤制氣的設(shè)備成本、加工成本和廢水廢氣的處理成本，所以煤氣費(fèi)用計(jì)算偏低。

表4　二甲醚的組成Tab.4 The composition of DME

表5　幾種常見氣體燃料的比較Tab.5 The comparison of several kinds of common gas fuels

3　二甲醚在陶瓷窯爐中的應(yīng)用前景和存在的瓶頸問題

3.1二甲醚用于陶瓷燃料的優(yōu)勢(shì)[8]

(1)二甲醚完全燃燒的燃燒產(chǎn)物是CO2和H2O，對(duì)環(huán)境友好，符合我國(guó)的環(huán)境保護(hù)政策；

(2)由于二甲醚不含細(xì)微顆粒、硫等雜質(zhì)，因此燒制的陶瓷潔白純凈，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)格，能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益；

(3)從我國(guó)資源情況看，我國(guó)屬于“貧油、少氣、富煤”，二甲醚屬于煤化工下游產(chǎn)品，因此，從可持續(xù)發(fā)展來看，二甲醚具有明顯優(yōu)勢(shì)；

(4)從成本上看，二甲醚作為燃料具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，設(shè)備投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建設(shè)一套煤氣發(fā)生裝置，運(yùn)行成本也很低；

(5)從使用安全性上看，二甲醚的爆炸極限范圍小，且沒有毒性，因此具有很好的使用安全性；

(6)雖然同樣是作為由煤轉(zhuǎn)化而來的能源，二甲醚不存在煤炭堆放問題，也沒有水煤氣產(chǎn)生的SO2污染問題；

(7)燃燒效率高，原因有二，一是因?yàn)镈ME自身含氧，屬“富氧燃燒”工況，燃燒狀況得到改善；而另外一方面，氧氣與氣體燃料DME易于混合均勻。因此，可以選取較小的空氣系數(shù)，減少不參與燃燒的O2、N2量，使DME燃燒效率提高。

3.2二甲醚用于陶瓷燃料的瓶頸問題

(1)二甲醚的供應(yīng)問題

燃料制造工藝和生產(chǎn)規(guī)模決定了二甲醚作為二次能源的生產(chǎn)成本。目前，二甲醚生產(chǎn)規(guī)模很小，成本優(yōu)勢(shì)不明顯；并且采用罐裝方式很難適應(yīng)大工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

(2)二甲醚的污染物排放問題

由于著火滯燃期較短以及燃燒中生成的NO會(huì)被反應(yīng)中間產(chǎn)物大量消耗[9]，因此，在DME燃燒中，氮氧化物的排放較低。但是使用二甲醚等含氧燃料容易產(chǎn)生甲醛等新的有害排放物質(zhì)，會(huì)帶來新的環(huán)境污染問題[10-12]。甲醛可由二甲醚氧化后的中間產(chǎn)物分解產(chǎn)生，對(duì)人體危害極大。二甲醚燃燒過程中甲醛的生成受燃料當(dāng)量比和火焰溫度影響明顯，欠氧預(yù)混合燃燒的甲醛生成顯著高于富氧燃燒[13]。在氧氣充足的情況下，甲醛能夠迅速被氧化消耗；而在氧氣不足的環(huán)境下，二甲醚的直接脫氫裂解使得甲醛的濃度非常高。因此，在實(shí)際燃燒過程中，促進(jìn)DME的完全氧化和燃燒是減少污染物排放的關(guān)鍵途徑。

(3)二甲醚作為替代燃料的設(shè)備改造問題

從理論上講，不同種類燃?xì)馓娲鷷r(shí)，要更換或重新調(diào)整燒嘴。在燃?xì)獾幕Q性問題中，需要綜合考慮華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰指數(shù)、積炭指數(shù)、擴(kuò)散火焰、穩(wěn)焰指數(shù)等。同時(shí)考慮到由于二甲醚對(duì)橡膠密封圈及輸送軟管有一定的腐蝕作用，需要對(duì)輸送管路的密封件進(jìn)行適當(dāng)改造。

(4) 二甲醚燃燒過程的控制問題

二甲醚跟其他燃?xì)庀啾龋闹饻囟群艿?，很容易燃燒。同時(shí)，完全燃燒所需的空氣量和產(chǎn)生的煙氣量偏高，因此，需要在燃燒過程中強(qiáng)化傳熱和增加擾動(dòng)來使燃燒充分(如同心射流，分級(jí)燃燒等)。并且在燃燒過程中要控制好二甲醚的爐前壓力，避免燃?xì)庠跔t膛內(nèi)待的時(shí)間過短就被排出爐外造成了燃料的浪費(fèi)。

4　結(jié) 論

對(duì)陶瓷窯爐幾種常見氣體燃料進(jìn)行對(duì)比分析，二甲醚燃?xì)饪傮w性能指標(biāo)最優(yōu)，并且在熱值、理論燃燒溫度和成本對(duì)比中具有明顯優(yōu)勢(shì)。在解決二甲醚的穩(wěn)定供應(yīng)、設(shè)備改造、污染物排放、燃燒過程控制等瓶頸問題的基礎(chǔ)上，二甲醚具有完全替代目前所使用的陶瓷燒制燃料的應(yīng)用前景。

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通信聯(lián)系人：朱慶霞 (1975- )，女，博士，副教授。

Received date: 2014-04-10. Revised date: 2014-04-21.

Correspondent author:ZHU Qingxia(1975-), female, Doc., Associate professor

Preliminary Feasibility Study on the Application of Dimethyl Ether as Alternative Fuel in the Ceramic Kiln

ZHU Qingxia, WANG Heping, GONG Xiaolong
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province, School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:The performance index, calorific value, theoretical combustion temperature and cost of commonly-used fuels in the ceramic kiln were compared in this paper. The application prospects and the existing bottleneck problems of dimethyl ether (DME) as alternative fuel in the ceramic kiln were discussed. DME has the optimal performance index and the obvious advantages in the comparison of calorific value, theoretical combustion temperature and cost, indicating that DME can completely replace the currently used ceramic fuels. Solving the problems of steady provision and equipment modification, controlling the burning process and pollutant emissions may promote the application of DME as alternative fuel in the ceramic industry.

Key words:dimethyl ether; alternative fuel; ceramic kiln

中圖分類號(hào)：TQ174.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2278(2015)01-0070-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.015

收稿日期：2014-04-10。

修訂日期：2014-04-21。

基金項(xiàng)目：江西省自然科學(xué)基金(編號(hào):20133BAB21009)，江西省教育廳科研項(xiàng)目（編號(hào):GJJ13635)，景德鎮(zhèn)市科技局科研項(xiàng)目(編號(hào):景科字2013-42)。