陶瓷行業(yè)富氧及純氧燃燒技術(shù)應(yīng)用探討

潘其興

摘 要：本文簡要闡述了富氧燃燒技術(shù)原理，參考早期理論研究，以及現(xiàn)有各行業(yè)執(zhí)行經(jīng)驗表明，富氧條件下氧氣濃度在30%左右有比較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。在純氧條件下，節(jié)能效果更佳，能達(dá)到40%～60%。同時，還能大量減少尾氣和有害氣體排放，這在一些沒有還原氣氛要求的梭式窯或小型隧道窯上，具有很大的可行性。由于其需要加入大量的氧氣，在某些類型窯爐上經(jīng)濟(jì)效益不夠明顯。當(dāng)前由于陶瓷行業(yè)的產(chǎn)業(yè)競爭加大，以及環(huán)保要求日益增強(qiáng)，富氧燃燒可以在一定程度上解決大部分窯爐的節(jié)能減排要求。

關(guān)鍵詞：富氧燃燒；純氧燃燒；窯爐；節(jié)能減排；經(jīng)濟(jì)效益

1 背景

廣東陶瓷作為我國乃至世界建筑衛(wèi)生陶瓷重地，是建筑衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)、技術(shù)裝備及新產(chǎn)品研發(fā)的重要基地，也是我國陶瓷行業(yè)質(zhì)量整體水平最高，產(chǎn)業(yè)鏈最完善的地區(qū)。但是，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的高污染、高能耗、高排放的三高特征，也在隨著我國日益強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)的意識而逐漸受到限制。例如，在佛山的地區(qū)的很多陶瓷生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)遷移到了清遠(yuǎn)、肇慶等地。

目前，廣東陶瓷生產(chǎn)企業(yè)絕大部分窯爐都采用煤氣發(fā)生爐制水煤氣作為燃料，隨著環(huán)保壓力不斷增加，逐漸有部分廠家開始改用天然氣這種更為清潔的燃料代替，并且這也是今后陶瓷行業(yè)的發(fā)展趨勢。但是，從經(jīng)濟(jì)效益上看，省內(nèi)天然氣價格高企，致使天然氣的使用成本約為水煤氣的2～3倍，這無疑使得陶瓷生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)成本劇增，一定程度上削弱了企業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢。所以就燃料成本與環(huán)境保護(hù)問題，整個行業(yè)一直都在探索一個具有雙贏價值的道路。例如在窯爐的設(shè)計過程中，寬體窯設(shè)計、余熱回收等概念已經(jīng)逐步推廣開來；在燃燒系統(tǒng)控制、節(jié)能噴槍技術(shù)也能達(dá)到一定節(jié)能效果；與此同時，富氧燃燒在陶瓷行業(yè)的技術(shù)應(yīng)用也一直在探索當(dāng)中。

2 富氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)外各行業(yè)中的應(yīng)用和研究

2.1富氧燃燒技術(shù)概念

顧名思義，富氧燃燒即是指在燃燒過程中，把氧氣的體積分?jǐn)?shù)大于空氣中的21%氧氣含量的氣體作為助燃?xì)怏w的一種高效燃燒技術(shù)，當(dāng)助燃?xì)怏w直接采用99%以上的工業(yè)純氧時，又叫做純氧燃燒。富氧燃燒技術(shù)可以增加燃燒火焰溫度、減少一次風(fēng)抽送量，同時節(jié)約了燃料消耗、減少了尾氣排放。純氧氣和空氣助燃對比示意圖如圖1所示。

2.1純氧燃燒

本文以天然氣燃料為例：

（1） 空氣助燃：CH4+2O2+8N2→CO2+2H2O+8N2；

（2） 純氧助燃：CH4+2O2→CO2+2H2O。

以1體積天然氣做燃料燃燒，理論上需要10體積的空氣或者2體積的氧氣。同時，煙道排放尾氣分別為11體積和3體積。在這個過程中，若采用普通空氣助燃，8體積的氮?dú)膺M(jìn)入窯爐并被加熱至爐溫，然后這些高溫氮?dú)庥滞ㄟ^煙道排出，導(dǎo)致了大量的熱量浪費(fèi)，同時若爐溫超過800℃，燃燒產(chǎn)生的NOX也大幅增加。

目前，林德的富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵和有色金屬冶煉、熱處理、玻璃熔化、垃圾發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。尤其在有色金屬冶煉、鋼鐵熱處理及玻璃窯爐中，已經(jīng)逐步開始使用純氧代替富氧或空氣，使得窯爐節(jié)能效果能達(dá)到40-60%，尾氣排放減少70%，并大量減少NOX等有害氣體排放。部分金屬冶煉窯爐純氧燃燒節(jié)能情況如表1所示。

2.2富氧燃燒研究

日本較早地采用膜法富氧助燃技術(shù)應(yīng)用于陶瓷燒成爐（爐溫1600℃）。所采用富氧燃燒系統(tǒng)包括空氣過濾凈化，然后由引風(fēng)機(jī)將空氣抽入富氧膜裝置，經(jīng)富氧的空氣由鼓風(fēng)機(jī)隨同城市煤氣吹入加熱爐中。表2為陶瓷燒成爐的試驗結(jié)果，從結(jié)果可以看出當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為26%與28%時節(jié)能率達(dá)25%左右。

景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院國家日用建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心熱工研究室通過技術(shù)分析及課題組成員對該技術(shù)的經(jīng)驗積累，制氧設(shè)備采用國內(nèi)某重點(diǎn)大學(xué)的最新開發(fā)的變壓吸附制氧設(shè)備，把富氧助燃技術(shù)初試應(yīng)用到小型試驗梭式窯上；把富氧助燃燒成實驗與普通燒成實驗做了對比，窯爐均燒制100件相同的陶瓷制品，最高燒成溫度1350℃，應(yīng)用變壓吸附富氧助燃技術(shù)后，窯爐節(jié)能率與理論研究非常吻合，尤其是富氧含量在某一最佳范圍值時，節(jié)能效果非常顯著，當(dāng)富氧量為23%時，節(jié)能率為21.7%；當(dāng)富氧量為27%時，節(jié)能率為26.6%，環(huán)保效應(yīng)也是與之相輔相成的。應(yīng)用該富氧助燃技術(shù)后，產(chǎn)品的質(zhì)量有效的得到了提高[1]。

另外，一些專家學(xué)者近些年來也對陶瓷行業(yè)富氧助燃技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)的理論與數(shù)值模擬研究，例如：華南理工大學(xué)曾令可教授等對富氧燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐中的應(yīng)用分析進(jìn)行了論述，指導(dǎo)學(xué)生對梭式窯富氧燃燒進(jìn)行了基礎(chǔ)的數(shù)值模擬研究。論證了，隨著氧氣濃度增加，煙氣總量大幅下降，提高了熱效率；火焰溫度隨著上升，熱輻射強(qiáng)度大幅提高。即提高了生產(chǎn)率，降低燃料成本。

2.3陶瓷富氧燃燒窯爐氛圍及NOX控制

陶瓷由于其特殊的生產(chǎn)工藝，材料在窯爐中燒結(jié)會伴隨著一個氣氛的控制，如：氧化氣氛，或還原氣氛，或是中性氣氛，以此來控制油料生產(chǎn)顏色等。而富氧燃燒過程中，往往會加入富余的氧氣給窯爐帶來一個氧化性的氣體環(huán)境，這對需要還原氣氛的產(chǎn)品或是氧化性的氛圍強(qiáng)度控制提出了疑問。目前，筆者公司也開始在這些方面做一些模擬試驗，嘗試以通過燃料和氧氣的富余比例來調(diào)節(jié)窯爐中的氣氛性質(zhì)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]，天然氣在富氧和普通空氣中燃燒，生成的NOX也各不相同，比如：在30%富氧條件下，燃燒產(chǎn)生的NOX是普通空氣的3倍左右。其中，窯內(nèi)氣體流動不暢和局部高溫是大量NOX生成的主要原因。對此，最新的富氧燒嘴在這上面也做了相關(guān)改進(jìn)，能夠更好地平衡窯爐內(nèi)的溫度和氣流，同時也逐漸開發(fā)出了部分無焰燒嘴和低溫?zé)臁?/p>

3 陶瓷行業(yè)富氧燃燒經(jīng)濟(jì)效益分析

本文以一條日產(chǎn)10000㎡拋光磚輥道窯為例，其耗天然氣平均量約為17000m3/天，若助燃空氣改為30%的富氧空氣，取過?？諝庀禂?shù)為1.1。根據(jù)筆者公司以往富氧案例及富氧應(yīng)用試驗，節(jié)能率在10%～30%范圍，對此以20%節(jié)能率來計算。

富氧后天然氣消耗為13600m3/天；每立方天然氣燃燒需增加氧氣0.198m3。每天所需添加氧氣為：13600×0.198=2692m3。

隨著工業(yè)氣體行業(yè)的發(fā)展，氧氣的制作成本也在逐步降低，以廣東省內(nèi)工業(yè)用液氧（純度99.5%）為例，價格約為1元/m3。天然氣單價約為4.5元/m3。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得出表3和表4分析數(shù)據(jù)。

另外，如果考慮產(chǎn)品質(zhì)量更好、生產(chǎn)周期縮短、風(fēng)機(jī)節(jié)電、煙塵排放減少、窯爐壽命煙塵等因素，實際回收期會更短。

4 陶瓷行業(yè)富氧燃燒技術(shù)展望

目前，富氧燃燒技術(shù)較為成熟，液氧獲取成本較低，若考慮大規(guī)模消耗大量氧氣，還可以考慮成本更為低廉的現(xiàn)場制氧方式；氧氣及燃?xì)饪刂戚^為完善，結(jié)合窯爐控制系統(tǒng)，能夠很好的控制窯爐內(nèi)氣體比例、溫度曲線；富氧燒嘴設(shè)計以增加窯爐內(nèi)氣體流動、避免形成局部高溫、減少NOX生成。在當(dāng)前市場競爭激烈及節(jié)能環(huán)保呼聲的日漸高漲的廣東地區(qū)，具有較大的產(chǎn)業(yè)市場前景。

但是，整個行業(yè)目前也缺乏富氧燃燒窯爐樣板。對此，我們也開始注重理論結(jié)合實踐，分別針對不同類型窯爐做不同的研究實驗：

（1） 一些梭式窯、小型隧道窯，在沒有氣氛要求的情況下，富氧燃燒原理基本與玻璃熔爐和金屬冶煉爐一致，從目前的理論與實踐經(jīng)驗上看，富氧甚至純氧燃燒的可行性都是非常大的，

（2） 在一些還原氣氛要求的窯爐中，還需要進(jìn)一步試驗測試通過燃料和氧氣的富余比例來調(diào)節(jié)控制。

（3） 在NOX的控制上，純氧燃燒已經(jīng)解決了這個問題，但是從經(jīng)濟(jì)性來考慮，特別是一些大型輥道窯，普遍采用煤氣為燃料，純氧燃燒成本也比較高，所以在此情況下富氧燃燒比較適用，在富氧燃燒過程中，燃料的節(jié)省會產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益，但需考慮氣氛變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響以及NOX的排放問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘小勇，宮小龍等.基于輥道窯富氧燃燒計算與分析[N].陶瓷學(xué)

報，2010，04-0627：05.

[2] 劉慶才，陳淑榮.富氧燃燒的主要環(huán)境影響因素概述[J].節(jié)能環(huán)

保技術(shù)，2004，（5）：26-28.