輥道窯由水煤氣改為天然氣燒成控制的分析

曾令可 李 萍 王 慧 劉平安 程小蘇 方海鑫

(1 華南理工大學(xué) 廣州 510640)(2 中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640) (3 廣州鑫萍華智能科技有限公司 廣州 510640)

1 現(xiàn)狀

我國陶瓷行業(yè)(主要是建筑陶瓷)大部分是采用發(fā)生爐煤氣燒成，成本低，但是對(duì)環(huán)境污染大。隨著世界溫室效應(yīng)的上升，我國對(duì)環(huán)保的要求越來越高，國家和各地政府對(duì)污染排放的要求不斷趨嚴(yán)，政府要求陶瓷企業(yè)使用清潔能源天然氣進(jìn)行生產(chǎn)，節(jié)能減排，清潔生產(chǎn)。陶瓷行業(yè)燃料由發(fā)生爐水煤氣轉(zhuǎn)成天然氣是大勢所趨，甚至是強(qiáng)制性實(shí)施。

陶瓷墻地磚行業(yè)燒水煤氣已經(jīng)有10多年的歷史了(有些地方都有20年以上的歷史)，很多熟練的生產(chǎn)技術(shù)人員所積累的燒成控制經(jīng)驗(yàn)也是在燒水煤氣工況下的經(jīng)驗(yàn)。突然面對(duì)窯爐由水煤氣改成燒天然氣，操作控制起來，比較棘手，很多情況下能耗大，出現(xiàn)干燥裂磚、窯爐裂磚、燒成氧化不良、燒成變形、空疏窯燒成波動(dòng)較大、噴槍積碳等。廣東某工業(yè)園區(qū)16家陶瓷企業(yè)集體狀告某天然氣公司，訴說燃?xì)鉄芍薪Y(jié)焦，懷疑天然氣質(zhì)量問題！其實(shí)，陶瓷窯爐燒水煤氣轉(zhuǎn)天然氣，并不是簡單的將原來的水煤氣管路系統(tǒng)改成天然氣管路系統(tǒng)，將水煤氣燃燒器(噴槍)換成天然氣燃燒器(噴槍)，甚至管路不改只換槍，同一窯爐燒兩種燃?xì)?，同一窯爐不同段燒不同燃?xì)?，這樣的改造肯定是達(dá)不到理想效果的。

根據(jù)不少產(chǎn)區(qū)陶瓷廠由水煤氣改成天然氣之后的燒成狀況來看，質(zhì)量情況波動(dòng)太大，不但給生產(chǎn)帶來了很大損失，同時(shí)能耗也高。所以，對(duì)于原生產(chǎn)線窯爐燃?xì)庥砂l(fā)生爐水煤氣改成天然氣的轉(zhuǎn)換改造問題，為了減少甚至是避免上述生產(chǎn)問題的出現(xiàn)，需要從兩種燃?xì)獾幕境煞?、燃燒原理、燃燒特性以及燃燒操作控制角度進(jìn)行分析。

2 燃?xì)饨M成

根據(jù)某瓷區(qū)使用的《廣東某液化天然氣有限公司氣質(zhì)報(bào)告》，天然氣的組成見表1。

表1 天然氣的組成(%)

根據(jù)往年在陶瓷企業(yè)實(shí)測水煤氣的組成，見表2。

表2 水煤氣的組成(%)

3 燃?xì)庥?jì)算對(duì)比分析

根據(jù)燃?xì)饨M成計(jì)算各參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比，見表3。

表3 燃起參數(shù)對(duì)比

3.1 空氣量

燃?xì)獾男阅苤笜?biāo)主要是單位熱值燃料燃燒時(shí)所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣量，單位熱值燃料燃燒時(shí)所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生煙氣量都是越少越好。從表3可以看出，兩種燃料中，低位熱值天然氣是37 065.608 kJ/Nm3，是水煤氣的6 388.834 kJ/Nm3的5.8倍；天然氣燃料燃燒時(shí)需要的理論空氣量9.843 Nm3/Nm3是水煤氣的理論空氣量1.302 Nm3/Nm3的7.56倍；天然氣燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的理論煙氣量10.866 Nm3/Nm3是水煤氣的理論煙氣量2.067 Nm3/Nm3的5.26倍；單位熱值所需空氣量天然氣是0.265 57 Nm3/MJ，而水煤氣是0.203 85 Nm3/MJ。由此可見，在窯爐改氣過程中只換槍不改助燃風(fēng)、不換槍不改助燃風(fēng)、或者不換槍只改助燃風(fēng)都不能達(dá)到很好的風(fēng)/燃?xì)獗?，無法使天然氣達(dá)到完全燃燒，使噴槍或擴(kuò)散管嚴(yán)重積碳(見圖1)，甚至無法燒成。

對(duì)于窯爐生產(chǎn)控制來說，因?yàn)橹盁簹鈺r(shí)所采用的燒成溫度曲線，只適合某一產(chǎn)品的高質(zhì)高產(chǎn)需求，因?yàn)檗D(zhuǎn)天然氣，每處燃燒室(噴槍)的熱值大大增加，所需要的助燃風(fēng)匹配量自然也就不同。一般情況下，在恒定的燃燒室(燒嘴磚、碳化硅套)按設(shè)定溫度燒成時(shí)，那不同熱值的燃料在同樣的時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的火焰剛性、火焰長度也是有很大差異的。所以，燒天然氣，燃燒室及助燃風(fēng)的控制，也是十分重要的。這也是前面所提16家陶瓷企業(yè)懷疑天然氣質(zhì)量問題的根本原因。

3.2 煙氣量

對(duì)于陶瓷廠來說，一條窯爐不管是燒水煤氣還是天然氣，其產(chǎn)量一般是不會(huì)變化太大的，所以陶瓷燒成消耗的熱量基本是一致的。雖然天然氣的熱值大大高于水煤氣，但單位熱值產(chǎn)生煙氣量，天然氣是0.293 16 Nm3/MJ比水煤氣的0.323 51 Nm3/MJ小。所以燃料燃燒時(shí)釋放出同樣的熱量，天然氣產(chǎn)生的煙氣量就大大小于水煤氣。在各風(fēng)機(jī)開度恒定的情況下，窯內(nèi)產(chǎn)生煙氣量的多少，直接影響到窯爐的壓力制度，影響到窯爐的氣氛制度。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)線上，窯爐煙氣送到干燥窯繼續(xù)熱利用，一方面達(dá)到余熱充分利用節(jié)能降耗的效果，另一方面是維持窯爐、干燥窯兩邊的壓力制度平衡；窯爐干燥窯的內(nèi)空容積(內(nèi)寬、內(nèi)高)不變，煙氣量減少了，則壓力制度就會(huì)發(fā)生變化，從而也導(dǎo)致干燥窯內(nèi)和燒成窯內(nèi)的煙氣流速都發(fā)生變化。這種變化，如果干燥窯的抽濕風(fēng)機(jī)開度、各抽濕閥門開度、供熱分風(fēng)器開度還是保持原先水煤氣燒成時(shí)的狀態(tài)，很可能導(dǎo)致產(chǎn)品干燥缺陷(比如裂磚、落臟、滴水等)。當(dāng)然，有些企業(yè)的工藝配方適應(yīng)范圍比較寬，這類缺陷不會(huì)太明顯，只需稍做調(diào)整就能穩(wěn)定控制干燥窯。

3.3 空氣過剩系數(shù)

單位熱值燃料燃燒時(shí)所需空氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的速率表示單位熱值燃料燃燒時(shí)所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)的增大而增大的速度，該值越大，則增加相同的空氣過剩系數(shù)，燃料燃燒時(shí)需消耗更多的能源。

下面計(jì)算不同空氣過剩系數(shù)時(shí)，實(shí)際空氣和煙氣的量和組成，見表4。

圖1 擴(kuò)散管積碳實(shí)物圖

空氣過剩系數(shù)天然氣水煤氣實(shí)際空氣量(Nm3/MJ)實(shí)際煙氣量(Nm3/MJ)產(chǎn)生H2O(Nm3/MJ)干煙氣氧百分量(%)實(shí)際空氣量(Nm3/MJ)實(shí)際煙氣量(Nm3/MJ)產(chǎn)生H2O(Nm3/MJ)干煙氣氧百分量(%)1.000.2660.2930.0550.0000.2040.3240.0300.0001.050.2790.3060.0551.1100.2140.3340.0300.7051.100.2920.3200.0552.1080.2240.3440.0301.3631.150.3050.3330.0553.0110.2340.3540.0301.9811.200.3190.3460.0553.8310.2450.3640.0302.5601.250.3320.3600.0554.5800.2550.3740.0303.1061.300.3450.3730.0555.2670.2650.3850.0303.6201.350.3590.3860.0555.8980.2750.3950.0304.1051.400.3720.3990.0556.4800.2850.4050.0304.5641.450.3850.4130.0557.0200.2960.4150.0304.9991.500.3980.4260.0557.5200.3060.4250.0305.4111.550.4120.4390.0557.9860.3160.4360.0305.8031.600.4250.4520.0558.4210.3260.4460.0306.1751.650.4380.4660.0558.8280.3360.4560.0306.5301.700.4510.4790.0559.2090.3470.4660.0306.8681.750.4650.4920.0559.5670.3570.4760.0307.1911.800.4780.5060.0559.9040.3670.4870.0307.499

續(xù)表4

假設(shè)窯爐的燒成能耗不變，則窯爐所需熱量不變。因此表4中均以單位熱值實(shí)際的空氣和煙氣進(jìn)行對(duì)比的。

圖2為實(shí)際空氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線。由圖2可以看出，在相同的空氣過剩系數(shù)下，單位熱值所需空氣量，天然氣比水煤氣需要得更多，從燃?xì)獾慕M成看，水煤氣中含有較多的CO，O元素在其中占有一定比例，而天然氣中不含O元素，這就導(dǎo)致了天然氣比水煤氣需要更多空氣。此外，隨著單位熱值所需空氣量隨空氣過剩系數(shù)增加的速率(見表3)，天然氣比水煤氣需空氣量增加得更快。

圖3為實(shí)際煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線。由圖3可以看出，單位熱值所產(chǎn)生煙氣量，在空氣過剩系數(shù)約小于1.5時(shí)，天然氣比水煤氣產(chǎn)生得更少，而在空氣過剩系數(shù)約大于1.5時(shí)，天然氣比水煤氣產(chǎn)生得更多。隨著單位熱值產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)增加的速率(見表3)，天然氣比水煤氣(1.11>0.852)增加得更快。

圖4為干煙氣的氧含量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線。由圖4可以看出，在相同的空氣過剩系數(shù)下，干煙氣的氧含量，天然氣比水煤氣高。

此外，單位熱值產(chǎn)生的H2O(水蒸汽)，天然氣為0.055 Nm3/MJ，水煤氣為0.030 Nm3/MJ，只是天然氣的54.2%，這就是當(dāng)采用天然氣時(shí)，直接利用煙氣余熱到干燥窯后，所需處理的水量較多的原因。

圖2 實(shí)際空氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線

圖3 實(shí)際產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線

4 成本分析

假設(shè)原煤價(jià)格為650元/t，1 kg原煤能生產(chǎn)水煤氣3.2 Nm3，則由此可計(jì)算水煤氣的價(jià)格為0.203 13元/Nm3。再假設(shè)瓷磚的燒成能耗為650 kcal/kg，單位面積重量為20 kg/m2，則可計(jì)算：當(dāng)采用天然氣時(shí)，單位面積所需的燃料成本為3.817 93元/m2，當(dāng)采用水煤氣時(shí)，單位面積所需的燃料成本為1.730 48元/m2，二者相差2.087 45元/m2。采用天然氣后的燃料成本雖然提高了，但可以減少采用水煤氣時(shí)所需要的煤氣發(fā)生爐的人工費(fèi)、煤氣發(fā)生爐的營運(yùn)維護(hù)費(fèi)、環(huán)保投資費(fèi)等，因此需要綜合考慮這些因素所帶來的成本和效益。 至于生產(chǎn)線由原來的燒水煤氣改燒天然氣能耗成本增大的問題，在不考慮天然氣價(jià)格與塊煤之間的差異情況下，從生產(chǎn)線特性來說，干燥窯窯爐的內(nèi)高都是按燒水煤氣設(shè)計(jì)的，同等情況下，散熱面積越大，所浪費(fèi)消耗的熱能也就越多。再加上如果控制經(jīng)驗(yàn)不足，則浪費(fèi)的熱能也必然會(huì)更多。

改造案例：衡陽明福環(huán)保節(jié)能科技有限公司利用節(jié)能噴槍，空燃比9.5∶1，煙氣成分中一氧化碳3 ppm、氮氧化合物12 ppm；2018年在山東某陶瓷廠更換燃燒系統(tǒng)(噴槍)，生產(chǎn)產(chǎn)品為內(nèi)墻磚(干法制粉)以300 mm×600 mm為例，產(chǎn)量7 500～8000 m2，能耗：6月份為1.046 m3/m2，改造后耗氣量為0.908 m3/m2，節(jié)能率為13.2%，當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格為2.68元/m3，此生產(chǎn)線共投入15萬元進(jìn)行燃燒系統(tǒng)改造(更換了144支噴槍)，6月份總耗氣量為236 394 m3天然氣，按照13.2%的節(jié)氣率計(jì)算：236 394×13.2%×2.68=83 626.7元，二個(gè)月可以收回成本，還沒有考慮節(jié)約電和天然氣上漲的波動(dòng)。

圖4 干煙氣中的氧含量隨空氣過剩系數(shù)變化的曲線

5 需要注意的問題

清潔能源及設(shè)備的使用可以降低有害氣體如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等的排放量，也可以降低石化產(chǎn)品的總需求量，以解決我國目前的能源危機(jī)和供需矛盾。同時(shí)也可以使企業(yè)的產(chǎn)品更加具有競爭力，也給企業(yè)帶來豐厚的利潤。企業(yè)由發(fā)生爐煤氣改成天然氣，對(duì)于噴槍需要注意的問題如下：

5.1 流量

流量的大小與管截面積大小有關(guān)系，在相同流量情況下截面積越大輸入動(dòng)能越低，面積越小輸入動(dòng)能就越大。

流量Q=流速V×管的截面積S(單位時(shí)間)。

也可以參考其他企業(yè)管徑選型大小。

5.2 燃?xì)鈮毫Φ倪x擇

一般選擇在2 000～4 000 Pa即可，過高脫火、過低窯爐溫度升不上。

5.3 噴槍的選型

1)采用小流量多點(diǎn)布局，流量選用在3～4 m3/h。

2)采用較小的空燃比，空燃比的大小直接影響窯爐燒成的能耗。

3)采用初始動(dòng)能大的噴槍，此指標(biāo)決定火焰的長短，同時(shí)影響窯內(nèi)左中右溫差而影響燒成產(chǎn)品品質(zhì)，同時(shí)會(huì)減小空氣過剩，也可以降低能耗。

4)采用最優(yōu)的煙氣成分。例如：一氧化碳含量高低，氧含量高低，它們直接影響窯爐燒成的能耗。氮氧化物的高低決定環(huán)保是否通過，也增加環(huán)保處理的成本(脫硝)。

綜上所述，一支好的噴槍不能光看幾個(gè)指標(biāo)，需要綜合判斷，才能達(dá)到理想的狀態(tài)，所以，水煤氣改燒天然氣，陶瓷企業(yè)要實(shí)現(xiàn)少走彎路、少交學(xué)費(fèi)，建議先充分了解掌握產(chǎn)品燒成及干燥特性、天然氣的燃燒原理、窯爐及干燥窯的結(jié)構(gòu)特性，而后謹(jǐn)慎而行。當(dāng)然，選擇專業(yè)的技術(shù)型窯爐設(shè)備供應(yīng)商、服務(wù)商，從改造之前的產(chǎn)品分析、針對(duì)性優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)調(diào)節(jié)控制3方面來保障，應(yīng)該是十分有必要的。

本文分析的是燒建筑陶瓷的輥道窯，但對(duì)其他陶瓷燒成的隧道窯、梭式窯等均有一定的借鑒作用。