天然氣催化燃燒爐窯溫度的研究及應(yīng)用

張世紅，白天宇，魏美仙

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100044)

天然氣催化燃燒爐窯溫度的研究及應(yīng)用

張世紅，白天宇，魏美仙

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100044)

催化燃燒反應(yīng)較低的活化能允許在貧碳?xì)浠衔餄舛认掳l(fā)生反應(yīng)，燃燒發(fā)生在常規(guī)氣相易燃極限之外，因此燃燒更穩(wěn)定. 在此基礎(chǔ)上研究出了天然氣催化燃燒爐窯，首先從理論上研究了催化燃燒爐窯，將催化燃燒爐窯應(yīng)用到琉璃的燒制中，得到了其能燒制琉璃，并分析了溫度對燒制琉璃的影響，燒制出來的琉璃以其純凈堅固的質(zhì)地，富有旋律的造型以及光鮮亮麗的色彩，令人賞心悅目. 研究其在建筑裝飾和古建修復(fù)等工程中的可行性，對我國建筑的裝飾和保護(hù)具有深遠(yuǎn)的歷史意義.

催化燃燒； 爐窯； 溫度； 琉璃

中國琉璃，其內(nèi)身的藝術(shù)性融悠久歷史和輝煌成就于一體，將藝術(shù)與工藝高度相融，是我國古代文化與現(xiàn)代藝術(shù)的完美結(jié)合. 但在自20世紀(jì)90年代以來的經(jīng)濟(jì)體制根本性變化當(dāng)中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制作受到了市場經(jīng)濟(jì)大潮的猛烈沖擊，市場日益縮小，發(fā)展?jié)u受制約，生存面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]，而且由于傳統(tǒng)琉璃燒成周期長、生產(chǎn)效率低[2]等多種因素造成琉璃發(fā)展較為遲緩. 因此探索和研究怎樣在市場經(jīng)濟(jì)體制下引進(jìn)新的技術(shù)，更好地繼承和發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)的制作工藝成為當(dāng)代琉璃技藝發(fā)展課題的重中之重. 本文將催化燃燒研究出的催化燃燒爐窯應(yīng)用到琉璃工藝品的燒制中，從理論上研究了催化燃燒爐窯，并結(jié)合傳統(tǒng)琉璃燒制的溫度要求，得到滿足催化燃燒爐窯燒制琉璃的溫度條件，同時在經(jīng)過多次燒制試驗的基礎(chǔ)上，研究出催化燃燒爐窯燒制琉璃較合適的溫度梯度，深入分析了溫度對燒制質(zhì)量的內(nèi)在影響，并對催化燃燒燒制出的琉璃進(jìn)行了一系列的可行性研究.

1 催化燃燒技術(shù)

催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng) , 它借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能, 使其在較低的起燃溫度200 ℃～ 300 ℃下進(jìn)行無焰燃燒. 與傳統(tǒng)的火焰燃燒相比,催化燃燒有著很大的優(yōu)勢:1)起燃溫度低，能耗少,燃燒易達(dá)穩(wěn)定,甚至到起燃溫度后無需外界傳熱就能完成氧化反應(yīng)；2)凈化效率高, 污染物如 NOx及不完全燃燒產(chǎn)物等的排放水平較低；3)燃燒為無焰燃燒，散熱方式主要為輻射散熱，散發(fā)出來的能量得到充分利用且能源利用率較高[3]. 因此，基于催化燃燒的優(yōu)勢，研發(fā)出了催化燃燒爐窯，并將其應(yīng)用到琉璃的燒制中.

琉璃是我國五大名器和佛家七寶之一，是藝術(shù)花園中一朵爭芳斗艷的奇葩. 伴隨著全國各地非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)工作的開展，琉璃作為文化資源逐步被重視，如何進(jìn)一步弘揚(yáng)和發(fā)展琉璃文化，使之更加適應(yīng)現(xiàn)代生活，首先在理論上急需進(jìn)行深層次的探討. 對于琉璃工藝品而言，燒成工藝是所有陶瓷類生產(chǎn)的核心技術(shù)之一，也是在整個陶瓷生產(chǎn)中最難控制的部分. 影響燒成質(zhì)量的因素很多，例如當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度、氣壓、窯爐氣氛變化等，但是最關(guān)鍵的是燒成溫度和燒成曲線的控制，這些因素綜合起來，最終決定了這一窯產(chǎn)品的質(zhì)量好壞[4]. 本實(shí)驗所用到的催化燃燒爐窯采用了完全預(yù)混的燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了天然氣和空氣在爐內(nèi)的高度混合，噴射系統(tǒng)將混合氣體以輻射狀射入[5]，整個爐膛氣流更加均勻穩(wěn)定，對溫度的把握性較好，將其應(yīng)用到琉璃的燒制中去，為琉璃的加工工藝提供了一條新的思路.

2 實(shí)驗儀器及實(shí)驗步驟

2.1 天然氣催化燃燒爐窯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天然氣催化燃燒爐窯系統(tǒng)主要由催化燃燒爐、煙氣分析儀和測量裝置組成. 其中爐窯是400 mm×100 mm×80 mm的薄壁不銹鋼催化燃燒爐窯；催化燃燒器載體是蜂窩孔獨(dú)石，橫截面積為0.022 5 m2，獨(dú)石內(nèi)表面上鍍著鈀(Pd)和銠(Rh)催化劑，獨(dú)石孔道尺寸1 mm×1 mm，壁厚0.18 mm，軟化溫度為1 380 ℃，為了對混合氣體進(jìn)行整流以及防止催化獨(dú)石在燃燒時產(chǎn)生的熱量過多地向后方傳遞，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[6]；風(fēng)機(jī)卷吸空氣進(jìn)入空氣管道與來自市政天然氣管網(wǎng)的天然氣完全預(yù)混后進(jìn)入燃燒器，在燃燒器頭部的獨(dú)石上進(jìn)行燃燒. 系統(tǒng)中利用變頻控制器(SIEMENS，MICROMASTER420)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用流量計測量空氣和燃?xì)怏w積流量，所對應(yīng)的裝置型號分別為CMG400A080100000及CMS0050BS RN200000，量程均為0～80 m3/h，并采用型號為DH1715A- 5的雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(24～200 V)為流量計供電. 實(shí)驗中，利用熱電偶(直徑為0.5 mm)數(shù)字測溫儀(測溫范圍為0 ℃-1 000 ℃)測量爐膛內(nèi)的氣體溫度.

2.2 實(shí)驗步驟

一件琉璃制品從原料到燒制成成品總共需要經(jīng)歷20多道工序. 普通琉璃件通過制坯、修整成型，琉璃工藝品還要再精雕，然后晾干或烘烤后入窯“素?zé)?，素?zé)郎囟仍? 000 ℃～1 150 ℃之間，素?zé)蟮呐黧w表面是白色的. 進(jìn)行上釉工序后，進(jìn)行二次燒制稱為“彩燒”，彩燒的溫度低于素?zé)?，溫度控制在?00 ℃～910 ℃”[7]. 由于高溫下催化劑易燒結(jié)和熱失活且獨(dú)石軟化溫度不高，所以本實(shí)驗主要研究坯體進(jìn)行上釉工序后的二次燒制過程，其釉料以石英和氧化鉛為主，是一種含鉛的燒制玻璃的基釉料，具有明亮透底的特點(diǎn). 為了使琉璃釉面受熱均勻、流淌，將琉璃用耐高溫的陶瓷支座支撐豎直放置在轉(zhuǎn)盤上.

在實(shí)驗開始之前，首先提前打開煙氣分析儀調(diào)零，檢查各個儀器是否出現(xiàn)問題. 依次打開水泵、穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、變頻控制器和熱電偶溫度計，接通風(fēng)機(jī)電源，將空氣流量調(diào)到3.7 m3/h，對催化燃燒器混合腔和爐窯爐膛內(nèi)進(jìn)行吹掃，保證整個系統(tǒng)中沒有上一次實(shí)驗殘留的天然氣.

準(zhǔn)備工作完成后，將所需要燒制的琉璃放置于轉(zhuǎn)盤上，并打開燃?xì)? 開始階段，燃?xì)饬髁枯^小，對琉璃預(yù)熱，溫度緩慢增高；之后調(diào)節(jié)空燃比，保持溫度平穩(wěn)上升. 由于催化燃燒爐窯加熱方式是輻射加熱為主，加熱均勻，相對于傳統(tǒng)的燒制方式熱效率較高，輻射換熱量較大，且燃燒效率較高，節(jié)省能源. 保持溫度繼續(xù)以較小的溫度梯度增長，直到達(dá)到需要的溫度條件，然后保溫一段時間. 實(shí)驗過程中，要保證足夠的加熱時間，使琉璃釉和坯體很好融合.

3 實(shí)驗結(jié)果分析

本實(shí)驗將上釉的琉璃制品放入窯膛進(jìn)行二次燒制，經(jīng)過多次燒制并對比成品質(zhì)量，繪制出了不同梯度的溫度變化曲線，并分析了溫度對質(zhì)量的內(nèi)在影響.

圖2是催化燃燒爐窯燒制琉璃實(shí)驗初期以及經(jīng)過多次試驗并改善后燒制琉璃過程中溫度變化曲線，從圖2(a)、圖2(b)可以看出爐窯溫度均成梯度上升，但是兩者的溫度梯度不同，顯然，圖2(a)溫度梯度比圖2(b)的陡峭，說明在相同的時間內(nèi)溫度上升較快，尤其在后半階段溫度梯度差距較明顯：這種緩慢的溫度增長梯度為琉璃釉提供了充足的時間融化并慢慢深入坯體，完成坯- 釉的充分結(jié)合. 此后保持溫度基本不再上升，在這個階段中，琉璃釉開始顯現(xiàn)光澤，逐漸成熟. 圖2(a)的燒制成品如圖3所示，燒制出來的琉璃釉成點(diǎn)狀，相互之間沒有融合，色澤暗淡，而圖2(b)的燒制成品如圖4所示，燒制出來的成品琉璃釉很好地融合在一起，釉色均勻，晶瑩透亮.

經(jīng)過大量反復(fù)實(shí)驗，對比在不同溫度梯度下燒制出來的琉璃成品，深入探討和分析了溫度對琉璃質(zhì)量的影響. 首先是加熱階段，保持窯內(nèi)琉璃坯體平穩(wěn)升溫，對坯體預(yù)熱，在這個階段，坯體內(nèi)的游離水被烘干，可燃物開始燃燒；隨后，保持溫度緩慢上升，生釉中的物質(zhì)開始熔融，一段時間后，琉璃釉面開始進(jìn)入全面熔融狀態(tài)，并部分滲入坯體，形成坯-釉結(jié)合，此階段要控制溫度慢慢地達(dá)到最高值，充分排出窯中活件中殘留的水分，使之不裂，同時也為釉和坯體提供了足夠的時間融合；之后保持溫度基本不再上升，在這期間，琉璃的釉面開始顯現(xiàn)出光澤，并牢固吸附在坯體表面，經(jīng)過這階段，釉面完成了從熔融?；綀杂补饬恋倪^程，否則釉面就會不平整. 此時琉璃構(gòu)件基本成型，接下來是一個均勻降溫散熱的過程，如果降溫不均勻，琉璃表面就會“受驚”開裂，導(dǎo)致前功盡棄，因此這個階段均勻降溫是關(guān)鍵.

4 催化燃燒燒制出的琉璃成品及可行性研究

4.1 催化燃燒燒制琉璃成品

古代琉璃采用的是固定的“倒焰式”的燃燒方法，這種方法使窯底和窯頂有溫度差，容易造成琉璃制品質(zhì)量的缺陷[8]，而催化燃燒的特點(diǎn)之一是富氧貧燃料無焰燃燒，通常無法直接氣相燃燒的低濃度燃?xì)舛伎梢酝ㄟ^催化燃燒來獲得熱能[9]. 催化燃燒爐窯形制較小，琉璃的燒制比普通磚瓦更需要溫度的平衡，窯體小更有利于集中火力和控制受熱面[10]. 同時催化燃燒具有能夠按照工藝要求設(shè)定溫度曲線進(jìn)行升溫降溫，對溫度的把握性較好，并且具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn).

圖5是用催化燃燒爐窯經(jīng)多次總結(jié)經(jīng)驗燒制出來的獅子琉璃成品. 獅子自古以來是我國最受歡迎的吉祥物，是氣勢磅礴，威猛勇敢的象征，本來是冷冰冰的獅子泥胎，但是經(jīng)上釉用催化燃燒爐窯燒制而成后被賦予了生命，外觀光滑整潔，釉色鮮亮純正，造型紋樣規(guī)整清晰，彼此咬合一致，這樣，通過催化燃燒的方式方法，將其自身特有的創(chuàng)造性和裝飾性完美展現(xiàn)出來，帶給人審美享受和視覺美感.

4.2 催化燃燒燒制琉璃的可行性研究

4.2.1 建筑裝飾中的琉璃——北京故宮等建筑群

北京故宮、天壇等建筑群因采用了琉璃裝飾而顯得富麗堂皇，不僅具有濃厚的東方文明特色，還具有豐富的思想內(nèi)涵表現(xiàn)力，在世界建筑史上更是獨(dú)樹一幟. 皇極門前的五彩琉璃照壁(九龍壁)(圖6)堪稱琉璃藝術(shù)之珍，整座照壁形式有坐龍、升龍、降龍之分，紋理復(fù)雜，壁面塑造出凹凸不平的立體感，是我國的藝術(shù)瑰寶. 近幾年來使用琉璃制品裝飾建筑等日益受到大眾歡迎，使琉璃制品的需求量迅速增長.

然而現(xiàn)代琉璃的燒制大多采用古法燒制，由于節(jié)能減排的推行，將對傳統(tǒng)琉璃燃燒方式提出挑戰(zhàn)，因此如何改變傳統(tǒng)的燃燒模式同時發(fā)揮出琉璃強(qiáng)大的裝飾性是應(yīng)該探索的一條新路，而天然氣催化燃燒在供熱、食品加工、爐窯等行業(yè)中因其燃燒穩(wěn)定、完全燃燒、節(jié)約能源和近零污染等特性發(fā)揮出普通燃燒不可替代的作用. 實(shí)驗證明它不僅能滿足燒制琉璃的溫度條件，而且燒制的成品也有一定的裝飾性，因此將催化燃燒爐窯和建筑琉璃結(jié)合具有一定的可行性，值得后續(xù)探究.

4.2.2 古建修復(fù)中的琉璃——福泉古寺

在現(xiàn)代建筑中選用琉璃制品作為裝飾，在傳達(dá)、滲透給人們古代建筑的歷史文化和底蘊(yùn)的同時，在古建修復(fù)中也發(fā)揮著巨大作用.

現(xiàn)代琉璃燒制方法多采用推板窯高溫一次燒成的方法. 推板窯為半開放式，全長十幾米，采用直火燃燒的方式，窯溫難于控制，波動較大，而且漏火嚴(yán)重，煤耗大，空氣污染較嚴(yán)重. 隨著社會對環(huán)保意識的加強(qiáng)，利用燃煤加熱的推板窯受到了一定限制，而催化燃燒爐窯不僅結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、安全可靠、節(jié)能省源，而且對溫度把握性較好，污染物濃度低，探究將其應(yīng)用到琉璃燒制中的可行性，而且現(xiàn)代催化燃燒技術(shù)相對于傳統(tǒng)的燒制工藝有更高的優(yōu)勢，燒制出的琉璃也可以和傳統(tǒng)的相媲美，對傳承和保護(hù)古建筑群，同時發(fā)揮催化燃燒特色和優(yōu)勢具有一定研究意義.

5 結(jié)論

1) 根據(jù)催化燃燒的優(yōu)勢，將天然氣催化燃燒技術(shù)與爐窯相結(jié)合，研究出天然氣催化燃燒爐窯，將其應(yīng)用到琉璃燒制中.

2) 燒窯是燒制琉璃最有風(fēng)險的環(huán)節(jié)，實(shí)驗證明催化燃燒爐窯不僅滿足琉璃燒制溫度要求，而且在多次燒制基礎(chǔ)上研究出燒制琉璃較為合適的溫度曲線.

3) 琉璃在建筑裝飾和古建筑修繕等工程中發(fā)揮重大作用，探究用催化燃燒技術(shù)燒制出的琉璃在工程中的應(yīng)用性，為現(xiàn)代琉璃非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了一條新思路，值得后續(xù)研究.

4) 實(shí)驗證明無論是從催化燃燒爐窯優(yōu)越性的角度，還是從琉璃實(shí)用性的角度上來講，利用催化燃燒燒制出的琉璃不僅具有很高的藝術(shù)性，也可以研究其在建筑裝飾和古建修繕中的應(yīng)用，天然氣催化燃燒技術(shù)在琉璃等燒制方面有廣闊的應(yīng)用前景.

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[責(zé)任編輯：王志兵]

Applications and Studies on Temperature of Low Carbon Catalytic Combustion Furnace by Natural Gas

Zhang Shihong，Bai Tianyu，Wei Meixian

(School of Environment and Energy Engineering，Beijing Key Lab of Heating, Gas Supply, Ventilating and Air Conditioning Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

Catalytic combustion with lower activation energies allows the reactions occurring at very small hydrocarbon concentration in air. Catalytic combustion can occur outside of normal gas phase flammability limits, so the combustion can be more stable. On this basis, catalytic combustion furnace was made. At first, the catalytic combustion furnace was studied theoretically and was applied to the glaze tiles heated which can be produced. Then, the influence of temperature on heating glaze tiles is also analyzed. Finally, heating glaze tiles with pure solid texture, rich melodic style and glamorous colors, were obtained. It was found pleasing to both the eye and the mind. Its application to the architectural decoration and repairing and preservation engineering of ancient buildings has profound historical significance in China.

catalytic combustion; furnace; temperature; glaze tiles

2016-07-01

北京市教委科技創(chuàng)新能力提升計劃項目(PXM2016_014210_000016)

張世紅(1964—)，女，教授，博士，研究方向： 貧天然氣、空氣混合物的催化燃燒理論和應(yīng)用等.

1004-6011(2016)04-0028-05

TK01+9

A