天然氣催化燃燒爐窯特性研究及燒制唐三彩的應(yīng)用

祝立強(qiáng)，張世紅，劉富良

（1 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2 鞏義市文物考古研究所，河南 鞏義 451200）

唐三彩盛行于唐代，它以選型生動(dòng)逼真、釉彩斑斕艷麗和富有生活氣息著稱，是一種有獨(dú)特風(fēng)格的彩陶工藝品。早在唐初，唐三彩就被輸出國(guó)外，深受各國(guó)人民的喜愛(ài)[1]。直到今天，其魅力和價(jià)值依然有增無(wú)減。至今河南還有大批的爐窯用來(lái)燒制唐三彩。但是傳統(tǒng)的燒制工藝是使用電燒或者以煤炭、煤氣為原料的火焰燃燒，存在諸多缺點(diǎn)。如電加熱爐窯，電能是二次能源，在一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的過(guò)程中，只能利用原來(lái)原料中能量的30%～70%[2]，是對(duì)能源的極大浪費(fèi)。而以煤炭、煤氣為原料，燃燒產(chǎn)生大量的有害氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[3]。近年來(lái)開(kāi)始出現(xiàn)天然氣爐窯，天然氣爐窯燒制雖然是以清潔能源為原料的爐窯，燒制的是一次能源，但燃燒方式為普通的火焰燃燒?；鹧嫒紵坏桩a(chǎn)生CO 和NOx，而且還容易造成天然氣中的甲烷反應(yīng)的不完全，從而導(dǎo)致燃料的浪費(fèi)[4]。利用催化燃燒的方式，燃燒發(fā)生在常規(guī)氣相易燃極限之外，因此燃燒更加穩(wěn)定而且燃燒效率接近100%[5]，并且由于催化燃燒機(jī)理[6]及催化劑載體所能承受的能力限制，催化劑表面正常工作溫度為1100℃左右，而此時(shí)催化燃燒達(dá)到了CO 和NOx的近零污染排放[7]。本文天然氣催化燃燒爐窯是將催化燃燒和爐窯結(jié)合到一起，充分利用催化燃燒的優(yōu)勢(shì)，并將其應(yīng)用于燒制唐三彩。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與過(guò)程

圖1 為天然氣催化燃燒爐窯系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)中，由變頻風(fēng)機(jī)和燃?xì)饬髁坑?jì)控制輸入催化燃燒器的天然氣和空氣的氣體比例，以保證催化燃燒器正常燃燒。燃燒器和爐窯相連接，為爐窯提供熱源。燒制完的煙氣經(jīng)過(guò)管道被吸入煙氣分析儀，以便測(cè)量煙氣中各種氣體的成分。

本實(shí)驗(yàn)采用的催化燃燒器為V 形催化燃燒器。V 燃燒器燃燒面是由兩塊正方形獨(dú)石并排放置組成的，所用獨(dú)石為堇青石蜂窩陶瓷，獨(dú)石內(nèi)表面上鍍著鈀（Pd）和銠（Rh）催化劑（由昆明貴研催化劑有限責(zé)任公司提供）， 獨(dú)石截面尺寸為150mm×150mm，厚度為20mm。獨(dú)石孔道尺寸1mm×1mm，壁厚0.18mm。為了對(duì)混合氣體進(jìn)行整流以及防止催化獨(dú)石在燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量過(guò)多的向后方傳遞，在催化獨(dú)石和混合氣體之間，并列加上兩塊空白的獨(dú)石[8]。

實(shí) 驗(yàn) 中 使 用 燃 氣 體 積 流 量 計(jì)（CMS0050BSRN200000）、空氣體積流量計(jì)（CMG400A080100000）、NO-NO2-NOx熱電煙氣分析儀（賽默飛世爾科技公司，型號(hào)42i）和CO/CO2熱電煙氣分析儀（賽默飛世爾科技公司，型號(hào)分別為48i、410i）。煙氣通過(guò)安裝在天然氣催化燃燒爐窯的排煙口處的吸管將煙氣吸入煙氣分析儀進(jìn)行濃度測(cè)量。爐膛壁使用的是耐高溫，高強(qiáng)度氧化鋁陶瓷纖維板。使用數(shù)字熱電偶測(cè)溫儀（307P）對(duì)爐膛中的溫度做測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)分為兩組：一組是利用天然氣催化燃燒爐窯進(jìn)行空燒，另一組是利用天然氣催化燃燒爐窯燒制已經(jīng)上完彩釉的唐三彩素胚。

第一組空燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，運(yùn)行風(fēng)機(jī)對(duì)爐膛進(jìn)行吹風(fēng)，以排除上次實(shí)驗(yàn)殘留在爐膛中的天然氣的干擾[8]。然后在過(guò)量空氣系數(shù)為1.3 的情況下啟動(dòng)燃燒器，此時(shí)的燃燒為火焰燃燒。觀察獨(dú)石表面到火焰消失的狀態(tài)，調(diào)大空氣量至過(guò)量空氣系數(shù)為2 時(shí)的對(duì)應(yīng)值，此時(shí)的燃燒為催化燃燒。

實(shí)驗(yàn)中利用數(shù)字熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量爐膛中心位置的溫度，記下燒制時(shí)間和溫度，根據(jù)溫度的變化選擇燒制唐三彩的適合的爐門(mén)關(guān)閉時(shí)間。規(guī)定天然氣催化燃燒爐窯開(kāi)始催化的時(shí)間定義為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)間。熱電偶測(cè)頭測(cè)量的位置為距轉(zhuǎn)盤(pán)垂直距離6cm 處。

圖1 天然氣催化燃燒爐窯系統(tǒng)圖

通過(guò)第一組空燒天然氣催化燃燒爐窯了解了爐窯的特性，為第二組能更好地?zé)铺迫首麂亯|。

第二組燒制為用天然氣催化燃燒爐窯燒制出成品唐三彩。本組實(shí)驗(yàn)是使用已經(jīng)上完釉的素胚，燒制之前和空燒所做的準(zhǔn)備工作一致。

燒制唐三彩素胚火候很重要，掌握好了，素?zé)奶ンw就不會(huì)變形、開(kāi)裂。在彩釉熔燒時(shí)，才能有效地控制胎和釉的膨脹系數(shù)，使得釉層均勻，胎釉結(jié)合得堅(jiān)密。

經(jīng)過(guò)多次的燒制實(shí)驗(yàn)嘗試，將天然氣催化燃燒爐窯制爐膛溫度控制在850℃，燒制的效果最好。此次實(shí)驗(yàn)是爐膛最高溫度為850℃時(shí)燒制的唐三彩。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄下時(shí)間、溫度以及排出的煙氣中污染物的濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 為燃?xì)饬髁?L/min、空氣流量為5.7m3/h情況下，記錄了天然氣催化燃燒爐窯在燃燒30min后關(guān)閉爐門(mén)和在燃燒35min 后關(guān)閉爐門(mén)爐膛中垂直方向中軸線位置的溫度變化。圖中距離為熱電偶測(cè)溫儀測(cè)頭到托盤(pán)的豎直高度。從圖2 中可以看出，當(dāng)時(shí)間為30min 時(shí)，爐膛內(nèi)的溫度梯度很大，gradt=8.13℃/cm；而在時(shí)間為35min 時(shí)，溫度梯度很小，較平穩(wěn)，gradt=1.5℃/cm，而且整體平均溫度較高。在燒制唐三彩過(guò)程中，溫度隨著高度緩慢的升高能夠保證在燒制過(guò)程中不會(huì)因受熱不均勻而導(dǎo)致素胚本身受熱應(yīng)力過(guò)大而崩裂，保證了燒制的唐三彩的完整性。由圖2 可以得出，為了保證唐三彩的燒制效果，在用天然氣催化燃燒爐窯燒制唐三彩過(guò)程中選擇關(guān)門(mén)的時(shí)間為35min 左右比較合適。

圖2 爐膛中垂直方向中軸線位置不同高度的溫度分布

唐三彩的燒制為二次燒制，即素?zé)奶ンw經(jīng)過(guò)上釉工序后入窯再次燒制，經(jīng)查閱資料，這個(gè)階段 的溫度控制在850～900℃為適合。所以，為了燒制出更好的唐三彩，對(duì)天然氣催化燃燒爐窯進(jìn)行了試燒。通過(guò)調(diào)節(jié)爐窯門(mén)打開(kāi)的程度和調(diào)節(jié)天然氣的流量來(lái)提高爐膛的溫度，為燒制唐三彩溫度控制積累經(jīng)驗(yàn)。從圖3 中可以看出，在空燒過(guò)程中，溫度隨燒制時(shí)間比較均勻地上升，當(dāng)溫度達(dá)到第90min 時(shí)，爐膛中的溫度已經(jīng)可以達(dá)到了880℃，說(shuō)明天然氣催化燃燒爐窯能滿足燒制唐三彩的溫度要求。在燒制過(guò)程中，溫度隨時(shí)間均勻地升高，保證了在燒制過(guò)程中素胚本身不會(huì)因?yàn)闇囟鹊捏E然升高而崩裂，從而提高了唐三彩的燒制質(zhì)量。

從圖4 可以看出，爐窯門(mén)打開(kāi)的時(shí)間段內(nèi)，無(wú)論是空燒工況還是燒制唐三彩的工況，NOx的含量都是非常低，這是因?yàn)闋t窯門(mén)是敞開(kāi)的，有一部分空氣混入到爐窯產(chǎn)生的煙氣中，稀釋了NOx，使得其含量很低。當(dāng)爐窯門(mén)關(guān)閉后，可以看出空燒工況和燒制唐三彩工況中NOx含量都是隨著溫度時(shí)間增加而升高。當(dāng)溫度達(dá)到燒制需要的850℃時(shí)，兩種工況下的產(chǎn)生NOx的含量很接近，基本穩(wěn)定不變，均在9.45mg/m3左右，說(shuō)明燒制唐三彩的過(guò)程中，唐三彩本身不再產(chǎn)生NOx。整個(gè)燒制過(guò)程中，NOx的排放含量都非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家規(guī)定的200mg/m3。同時(shí)與已經(jīng)是使用清潔燃料天然氣的工業(yè)爐窯相比較，因?yàn)楣I(yè)爐窯的燃燒方式是火焰燃燒，溫度大部分都在1200℃以上，此時(shí)NOx的生成量隨溫度為指數(shù)遞增的關(guān)系，產(chǎn)生大量的NOx；而天然氣催化燃燒爐窯工作溫度一般都小于1100℃，產(chǎn)生的NOx小于10mg/m3，達(dá)到了近零污染排放。

圖3 不同工況下測(cè)溫點(diǎn)的溫度分布

圖4 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產(chǎn)生的煙氣中 NOx 含量分布

由圖5 可以看出，爐窯門(mén)關(guān)之前，和NOx趨勢(shì)一樣，煙氣中的CO2含量都很低，這是因?yàn)橥饷娴目諝饣烊氲綗煔庵性斐傻?，稀釋了CO2的濃度。當(dāng)爐窯的門(mén)關(guān)閉后，不像NOx的濃度一樣緩慢地上升，CO2含量迅速上升，并且無(wú)論是空燒工況還是燒制唐三彩的工況，濃度最終穩(wěn)定到9.8×104mg/m3左右，這是因?yàn)镃O2是由V形催化燃燒器燃燒產(chǎn)生的，與是否空燒沒(méi)有關(guān)系。素胚以及彩釉在燒制的過(guò)程中本身不再產(chǎn)生CO2。

從圖6 可以看出，在空燒爐窯的工況下，CO的含量隨時(shí)間是增加的，最高值達(dá)到33.75mg/m3，此時(shí)的溫度為838℃，隨后隨著溫度的繼續(xù)增加，CO 的含量開(kāi)始下降。這是因?yàn)闋t窯中有保溫材料，在高溫的狀態(tài)下，向外釋放CO。在燒制唐三彩素胚的工況下，關(guān)門(mén)后含量開(kāi)始緩慢上升，到45min時(shí)，CO 含量迅速增加，并在72min 達(dá)到峰值119.13mg/m3，隨后CO 含量開(kāi)始下降，最后達(dá)到26.25mg/m3。這說(shuō)明唐三彩素胚及彩釉，在高溫的燒制條件下，產(chǎn)生了CO，隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)物慢慢減少，使得產(chǎn)生的CO 含量也逐漸下降，最終CO 濃度和空燒的工況相一致。經(jīng)查閱資料，根據(jù)北京市頒布的工業(yè)爐窯排放標(biāo)準(zhǔn)，大氣污染最高 允許排放CO 濃度為200mg/m3[9]。實(shí)際的工業(yè)爐窯中，CO 排放值一般都大于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所限定的數(shù)值。比較不難得出這樣的結(jié)果：天然氣催化燃燒爐窯產(chǎn)生的CO 含量較低，屬于低污染爐窯。

圖5 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產(chǎn)生的煙氣中 CO2 含量分布

圖6 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產(chǎn)生的煙氣中 CO 含量分布

圖7 為用天然氣催化燃燒爐窯燒制的雙系扁壺唐三彩。從外觀看，用天然氣催化燃燒爐窯燒完的唐三彩胎體完整，沒(méi)有變形、開(kāi)裂，胎釉結(jié)合緊密。從顏色上來(lái)看，胎體是主要有白、黃、綠、紫4 種顏色交錯(cuò)的使用，經(jīng)過(guò)高溫輻射的燒烤，4 種顏色都有不同程度的浸漫和流淌，形成了自上而下的彎曲彩帶，并隨著胎體表面凸凹變化，附著在的鳳凰造型表面，形成了變幻莫測(cè)、自然天成的垂流條紋，最終呈現(xiàn)出一副很具有魅力的抽象畫(huà)，藝術(shù)氣息強(qiáng)烈。整體看來(lái)，釉面較新，有一定的亮度，手感十分光滑。仔細(xì)觀察燒制的唐三彩，可以看出用天然氣催化燃燒爐窯燒制的唐三彩通體開(kāi)片均勻，紋路相對(duì)于工業(yè)爐窯燒制的三彩更加細(xì)碎且紋路較短，更加符合唐三彩因開(kāi)片形成獨(dú)特的美感。綜上分析表明，燒制過(guò)程及燒制時(shí)間掌握的比較好，成品已經(jīng)超過(guò)了工業(yè)爐窯燒制的唐三彩，結(jié)合唐三彩的千變?nèi)f化的造型，更能賦予唐三彩不同的寓意，使其不僅僅是工藝品，更具有很高的藝術(shù)價(jià)值。

圖7 天然氣催化燃燒爐窯燒制的雙系扁壺唐三彩成品

3 結(jié) 論

通過(guò)研究天然氣催化燃燒爐窯的特性，可以得出天然氣催化燃燒爐窯產(chǎn)生的污染物濃度很低，而且由于催化燃燒的是整個(gè)燃燒表面向外輻射熱 量[10]，不出現(xiàn)有焰燃燒的局部高溫現(xiàn)象，使得燒制的雙系扁壺唐三彩表面受熱更加均勻，色彩光亮且相互浸漫和流淌，藝術(shù)氣息強(qiáng)烈，可以和傳統(tǒng)工藝燒制的唐三彩相媲美。所以，在全球致力于環(huán)境污染治理的大背景下，天然氣催化燃燒爐窯在低污染物排放同時(shí)具有良好的燒制唐三彩的效果，在傳統(tǒng)工藝得到傳承的同時(shí)大大降低了對(duì)環(huán)境的污染，大量推廣可以改善傳統(tǒng)工業(yè)爐窯對(duì)環(huán)境的污染，是替代傳統(tǒng)高污染爐窯發(fā)展的一個(gè)重要方向。

致謝：感謝北京市供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)專業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的幫助。

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