無機(jī)非金屬陶瓷窯爐煤改天然氣節(jié)能技術(shù)改造及應(yīng)用

鄭雪娟

泉州市燃?xì)庥邢薰?福建泉州 362000

根據(jù)《陶瓷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25464—2010）要求，陶瓷窯的顆粒物限值調(diào)整為30mg/ m3、二氧化硫限值為50mg/ m3、氮氧化物限值為180mg/ m3。自《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范陶瓷磚瓦工業(yè)》于2018 年7 月31 日正式實(shí)施后，泉州市環(huán)保部門要求所有建筑陶瓷企業(yè)該標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，并投資安裝排放口自動監(jiān)測設(shè)備，含年運(yùn)行成本約50 萬元/ 套。多數(shù)建陶企業(yè)采用高硫煤，面臨增加投資、排污不合格需停產(chǎn)整治等問題，與此同時，環(huán)保部門鼓勵企業(yè)改用天然氣，則不需投資安裝自動監(jiān)測設(shè)備。所以燃?xì)夤痉e極響應(yīng)國家能源環(huán)保政策，全面實(shí)現(xiàn)泉州市陶瓷企業(yè)天然氣能源替代，推進(jìn)節(jié)能減排，提升社會效益，研究、實(shí)踐并應(yīng)用天然氣窯爐節(jié)能技術(shù)改造，提高能源利用率，對滿足客戶降本增效需求具有極大重要性。

1 陶瓷窯爐節(jié)能改造

1.1 窯體結(jié)構(gòu)及設(shè)備

1.1.1 窯爐擋火墻位置及尺寸工程技術(shù)改造

很多建陶企業(yè)窯爐有超過10 道擋火墻，不僅增加了燃燒產(chǎn)物排出難度，也造成燒成帶壓力過大，輥棒存在較大溫差，容易引起產(chǎn)品上翹現(xiàn)象。擋火墻尺寸和位置不科學(xué)，窯頭排煙風(fēng)機(jī)排煙量較多，導(dǎo)致熱耗增加。燃燒產(chǎn)物要和排煙量保持一致，燃?xì)饬恐硷L(fēng)量要足，這是燒成制度和壓力制度的關(guān)鍵。當(dāng)排煙量增加后，窯爐燒成帶與預(yù)熱帶壓力制度面臨干擾，也不利于有效燒成帶長度和燒成制度，并出現(xiàn)過多能耗。為了消除以上不足，在通過工程技術(shù)改造驗(yàn)證后，增加窯頭排煙風(fēng)機(jī)排出量，并合理設(shè)置擋火墻尺寸與位置，預(yù)熱帶設(shè)置多個燒嘴，窯頭排風(fēng)機(jī)降低50%。這樣能在不影響產(chǎn)品生產(chǎn)基礎(chǔ)上，也降低至少8%的能耗。

1.1.2 合理選用燃燒機(jī)工程技術(shù)改造

很多建陶企業(yè)輥道窯設(shè)置有渦流燒嘴，主要用于控制生產(chǎn)期間火焰的長度與燒嘴調(diào)節(jié)比，預(yù)熱帶燒嘴容易出現(xiàn)熄火問題，水平方向會產(chǎn)生產(chǎn)品釉面色差、磚坯尺寸誤差等現(xiàn)象。在通過工程技術(shù)改造驗(yàn)證后，用亞高速燒嘴替代燒嘴，且增加燒嘴的組數(shù)，可以有效解決出現(xiàn)的問題。這樣能夠保證燒嘴在窯內(nèi)空間燃燒，并產(chǎn)生透明火焰，提升了燃燒產(chǎn)物流動速度，并保證了混合的均勻性和最終加熱效果。通過設(shè)置亞高速燒嘴，輥道窯燒成帶、預(yù)熱帶等能夠更好進(jìn)行分段控制窯壓，避免熱氣外溢與進(jìn)入坑空氣，為熱工操作與控制創(chuàng)造條件，且燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力改變與窯外溫度等不會對燃燒產(chǎn)生較大干擾。預(yù)熱帶設(shè)置有低熱負(fù)荷燒嘴，因?yàn)閬喐咚贌炀哂泻艽笳{(diào)節(jié)范圍，能夠降低燃?xì)饬颗c助燃風(fēng)量，讓燃?xì)夂涂諝獗３肿罴雅浔?，燃?xì)馊紵哺映浞?。同時火焰剛性更高，避免出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象，大大提升了輥道窯熱效率，也有效控制了能耗成本。

1.2 燒窯工藝

1.2.1 不影響品質(zhì)基礎(chǔ)上減少燒成時間

產(chǎn)品必須在規(guī)定時間內(nèi)燒成，并滿足強(qiáng)制升溫環(huán)境，燒成期間不產(chǎn)生爆裂問題。窯爐需要達(dá)到快速燒成要求，窯爐燃燒機(jī)數(shù)量、熱量等可以滿足快速升溫要求，讓燒成更加迅速。只有達(dá)到上述規(guī)定，才能減少燒成耗時，避免窯壁出現(xiàn)更大熱散失，以及大量熱量隨煙氣排出。

1.2.2 加強(qiáng)裝窯密度控制

只有對裝窯密度進(jìn)行控制，才能確?；鹧?、熱氣流與產(chǎn)品對流換熱，維持輻射通道，避免產(chǎn)品出現(xiàn)較大內(nèi)外溫差，也減少升溫與保溫耗時。為了將最佳裝窯密度確定下來，要根據(jù)試驗(yàn)一窯密裝與稀裝所耗氣量得出。

1.2.3 形成科學(xué)燒成制度

陶瓷窯爐燒成制度涉及溫度、氣氛以及壓力等方面，不同制度有著一定聯(lián)系與影響。要從產(chǎn)品具體要求出發(fā)，將溫度與氣氛明確下來，而制定壓力制度，能夠讓溫度、氣氛等制度順利實(shí)現(xiàn)。以上制度的實(shí)現(xiàn)，需要控制燃燒輸入和排煙量，同時充分考慮燒成時間與裝窯方法。對溫度制度來說，也涉及升溫速度、燒成溫度、保溫時間和冷卻速度等因素。以梭式窯氧化、還原等燒成為例，從低溫烘干水到800℃主要為中性，溫度超過這個值后轉(zhuǎn)為氧化，此前要保持一定正壓，過800℃后需要帶負(fù)壓。在最初階段通過中性燒成，能夠有效減少燃?xì)獾氖褂?。溫度未達(dá)到800℃時很難有較好氧化效果，應(yīng)該進(jìn)行升溫，再轉(zhuǎn)為強(qiáng)氧化，可以取得較好效果。

1.2.4 嚴(yán)格控制燒成氣氛

在陶瓷成品質(zhì)量影響因素中，燒成氣氛最為關(guān)鍵，若是忽視對燒成氣氛的控制，陶瓷燒制成品將產(chǎn)生黑心現(xiàn)象，主要原因?yàn)橛袡C(jī)物、碳化物和硫化物氧化不到位。陶瓷產(chǎn)品燒成中低溫環(huán)節(jié)會分解有機(jī)物，并包括以下氧化反應(yīng)：FeS2+O2→FeS+SO2↑（350- 450℃）；4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2↑（500- 800℃）；C+O2→CO2↑（600℃以上）。

這個環(huán)節(jié)若是缺乏足夠氧化氣氛，不僅影響了有機(jī)物分解，且氧化反應(yīng)也不能有效完成。C、FeS2、FeO 等在坯體中大量存在，會導(dǎo)致坯體出現(xiàn)黑色、灰色和黃色等情況?？梢姳仨殞蓺夥者M(jìn)行控制，解決產(chǎn)品黑心問題，溫度保持為600 到650℃范圍燃燒有機(jī)物，而300 到850℃時確保有機(jī)物、鐵化合物以及碳等完全氧化，確保預(yù)熱帶氧化氣氛充足。燒成低溫環(huán)節(jié)，會分解煙氣內(nèi)存在的CO，具體反應(yīng)式為：2CO→2C↓+O2↑。

當(dāng)溫度超過800℃后分解效果非常顯著，若是低于這個溫度值，且存在催化劑條件下也能保證完全反應(yīng)，此時催化劑一般為游離態(tài)FeO。針對低溫時窯內(nèi)缺乏所需氧化氣氛情況，同時有還原氣氛，受到FeO 的影響，將分解CO 并讓C 被析出。低溫時因?yàn)榕黧w有很高氣孔率，C 主要吸附于坯體氣孔表面，最終產(chǎn)生黑斑缺陷。陶瓷成品也可以出現(xiàn)色差現(xiàn)象，當(dāng)原料坯料中鈦含量過程中，處于還原氣氛時很多TiO2將成為Ti2O3，顏色從藍(lán)色變?yōu)樽仙瑥亩a(chǎn)生色差?；蛘呤浅霈F(xiàn)黑色FeO·Ti2O3尖晶石與鐵鈦混合晶體，讓鐵呈色進(jìn)一步變深，磚面顏色無法保持統(tǒng)一，具 體 反 應(yīng) 式 為 ：TiO2+CO →Ti2O3+CO2↑ ；FeO+2TiO2+CO→FeO·Ti2O3+CO2↑。

針對這種情況，不能通過還原氣氛燒成，防止產(chǎn)生色差。燒成氣氛控制面臨影響因素很多，如窯爐結(jié)構(gòu)、所用設(shè)備等，具體反映在風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量、風(fēng)管的直徑，以及排煙口、抽熱口和抽濕口等位置情況，對燒成氣氛控制有較大干擾。此外，也需要制定穩(wěn)定壓力制度，對燃燒器的使用也要科學(xué)。

（1）穩(wěn)定壓力制度：壓力改變會對氣體流動狀態(tài)帶來較大限制，當(dāng)窯內(nèi)壓力制度發(fā)生變化后，將導(dǎo)致氣氛出現(xiàn)波動，可見穩(wěn)定壓力制度是控制氣氛的關(guān)鍵，這需要對零壓面進(jìn)行有效控制。窯爐預(yù)熱帶會將水分與燃燒煙氣排出，相比于窯外環(huán)境在壓力上更低，這樣會讓窯內(nèi)氣壓為負(fù)壓狀態(tài)。冷卻帶鼓入空氣會達(dá)到冷卻制品的目的，對比窯外環(huán)境會有更高壓力，且窯內(nèi)氣壓為正壓狀態(tài)。正負(fù)壓中存在零壓面，預(yù)熱帶與冷卻帶中為燒成帶，當(dāng)零壓面移動后將導(dǎo)致燒成帶氣氛改變。若燒成帶前端為零壓面，在燒成帶與預(yù)熱帶中，前者氣壓處于微正壓狀態(tài)，并產(chǎn)生還原氣氛。當(dāng)燒成帶后端為零壓面，燒成帶則為微負(fù)壓狀態(tài)，產(chǎn)生了氧化氣氛。

（2）科學(xué)使用燃燒器：燒成燃料只有充分燃燒，窯爐氣氛才能處于良好狀態(tài)，尤其是關(guān)系著燒成帶氣氛。這要求燒燃器使用的科學(xué)性，加強(qiáng)對燃料燃燒程度的控制，能夠有效改善窯內(nèi)氣氛。當(dāng)燃料能夠充分燃燒時，且通入足夠的空氣，燃料內(nèi)所有可燃成分將被有效氧化，最終產(chǎn)物也不會出現(xiàn)游離C 和CO、H2、CH4等可燃成分，提高了氧化氣氛控制效果。

1.3 技術(shù)改進(jìn)

1.3.1 加熱助燃風(fēng)

通過測算后發(fā)現(xiàn)助燃風(fēng)為100℃，節(jié)能效果為4%。同時會加快燃燒，讓燃燒過程保持穩(wěn)定，燃燒也更加高效，最終達(dá)到充分燃燒目的。在窯爐改造過程中，可以采取以下技術(shù)手段：窯爐四個角可以埋入助燃風(fēng)管，借助窯墻散發(fā)的熱量增加助燃風(fēng)溫度，一般為60℃。將冷卻帶余熱風(fēng)利用起來，可以達(dá)到助燃風(fēng)效果，溫度為200℃。將熱交換器安裝在急冷帶，讓助燃風(fēng)管能夠換取部分熱并達(dá)到提升溫度的效果，通常為120℃。

1.3.2 燃燒系統(tǒng)工程改造

很多建陶企業(yè)會剩余很多氧化燒成空氣，不僅難以產(chǎn)生熱量，也會影響到火焰溫度，讓窯內(nèi)熱量被大量排出。對此要重視空燃比控制，即燃燒實(shí)際所需空氣與燃?xì)獬浞秩紵杩諝獾谋戎?，只有空燃比合理，才能保證燃燒的完全性，獲得最高的熱效率。一般空燃比一般為1∶1～1∶1.03 的范圍最佳。陶瓷窯爐燃燒系統(tǒng)通過技術(shù)改造，選擇預(yù)混式二次燃燒系統(tǒng)。要從實(shí)際燃?xì)獬煞?、熱?fù)荷以及壓力等出發(fā)，對噴氣板孔徑、鼓風(fēng)進(jìn)氣量等進(jìn)行改善，讓燃料與空氣混合比例得到有效控制。這樣燒成段溫度場與速度場的分布才更加均勻，燃料燃燒也更加完全，也減少鼓入多余空氣引起大量熱量散失。

1.3.3 窯爐自動化控制

窯爐不僅要有合理窯體結(jié)構(gòu)，也需要重視控制的自動化。在自動控制過程中，需要提前在智能儀表與電腦中輸入預(yù)想的操作流程，保證燒成操作自動完成，具體包括溫度、氣氛以及窯壓等曲線的控制。在梭式窯中進(jìn)行窯壓控制，重點(diǎn)是對氣氛的控制，而快速梭式窯、輥道窯和隧道窯主要設(shè)置有動力式燃燒機(jī)，在溫度、氣氛和窯壓上采取聯(lián)動控制措施，在智能儀器中輸入最佳燒成流程，并編程專門的操作軟件，通過電腦完成操作。若是在方法上存在偏差，將發(fā)出警報進(jìn)行提醒。

2 窯爐余熱回收利用工程技術(shù)改造

建陶企業(yè)原成品在窯尾冷卻時會釋放較多熱量，若是不重視回收利用，將增加能耗，針對這種情況，要在成品窯尾冷卻中合理回收熱量[1]。這個階段形成的熱風(fēng)除了能夠達(dá)到干燥磚坯需求以外，也能分配部分對助燃風(fēng)進(jìn)行加熱，確保熱效率實(shí)現(xiàn)提升。窯尾熱風(fēng)內(nèi)煙氣含量很少，大部分是熱空氣，要對窯尾熱風(fēng)進(jìn)行分流，向助燃風(fēng)機(jī)進(jìn)口位置進(jìn)行輸送，并混入一定冷風(fēng)后成為助燃風(fēng)送入窯內(nèi)。此外，要設(shè)置風(fēng)量測量設(shè)備與溫度監(jiān)測點(diǎn)，用于設(shè)備調(diào)試與運(yùn)行監(jiān)測，確保窯內(nèi)燃燒保持最好狀態(tài)，已有風(fēng)機(jī)不需要改變。阻燃風(fēng)量與溫度也要科學(xué)設(shè)置，滿足干燥工藝用風(fēng)需求，此時助燃風(fēng)溫度至少為300℃，燒嘴處鋁質(zhì)波紋管用不銹鋼波紋管取代，助燃風(fēng)管道必須維持溫度不變。

3 結(jié)語

實(shí)踐證明，上述幾種節(jié)能方式已經(jīng)在一些陶瓷企業(yè)采用，取得了顯著的節(jié)能效益，其節(jié)能率10%～20%，同時較大減少CO2、SO2、NOX及粉塵等污染物的排量。陶瓷企業(yè)更換天然氣作為燃料，通過陶瓷窯爐節(jié)能改造、窯爐余熱回收利用工程技術(shù)改造、建筑陶瓷噴霧干燥工藝改造等節(jié)能技術(shù)運(yùn)用，將有力推動陶瓷行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，從而為陶瓷企業(yè)建立節(jié)能、減排、增效的新型生產(chǎn)方式提供強(qiáng)有力的科技支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益雙贏。