基于熱平衡的建筑陶瓷工業(yè)窯爐集中供氣研究

束小鑫　馮青　宮小龍　陸琳　肖祥生　周傳芳

摘 要： 分別對江西省建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)基地采用集中供氣和自制煤氣進行生產(chǎn)的窯爐進行熱平衡測算，在熱平衡計算所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃氣成分的改變，對窯爐燃氣置換進行技術(shù)分析，詳細掌握窯爐的耗能狀況之后，采取對應(yīng)的措施改善窯爐生產(chǎn)狀況，以達到節(jié)能降耗的目的，并對集中供應(yīng)清潔燃氣的優(yōu)勢進行分析。

關(guān)鍵詞：集中供氣;熱平衡測試;燃氣置換;節(jié)能降耗

1 前 言

建筑陶瓷行業(yè)一直是我國高污染和高能耗的行業(yè)之一。其生產(chǎn)過程中發(fā)生爐煤氣的生產(chǎn)又是造成污染的主要來源，由企業(yè)自行建造的發(fā)生爐煤氣站隨著使用年限越來越長，其設(shè)備老舊，煤碳轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)生的酚水，焦油和脫硫廢液等污染物后期凈化處理工藝流程長，且大部分企業(yè)并不具備將污染物完全處理的能力。因此，在政策以及當前全國各大產(chǎn)業(yè)基地紛紛加速轉(zhuǎn)型清潔能源的背景下，高安市委市政府引進集中供氣項目，解決產(chǎn)區(qū)各陶瓷企業(yè)的燃料供應(yīng)問題，將企業(yè)分散用煤轉(zhuǎn)化為集中高效清潔制氣，將難于監(jiān)管的分散污染源治理轉(zhuǎn)化為可在線監(jiān)測的前端環(huán)保處理，該舉措將帶來巨大的環(huán)保，經(jīng)濟和社會效益。

清潔煤氣與發(fā)生爐煤氣在可燃成分上略有不同，導致燃氣的燃燒性能也會隨之改變，如果只是簡單的按照原有發(fā)生爐煤氣的燃燒工況進行調(diào)試，很容易造成能耗增大，產(chǎn)品過燒、生燒等一系列缺陷。此時，對窯爐進行熱平衡測試，詳細掌握窯爐的耗能狀況之后，采取對應(yīng)的措施改善窯爐生產(chǎn)狀況。通過熱平衡檢測，可以更清楚地了解生產(chǎn)設(shè)備的耗能狀況，并根據(jù)所測出的熱收入、熱支出情況，采取適當?shù)拇胧┱{(diào)整設(shè)備，降低能耗。

2 燃氣置換技術(shù)分析

對3家企業(yè)所使用的清潔燃氣與自制煤氣進行成分檢測，如表1所示。集中供應(yīng)的清潔燃氣在熱值上高于企業(yè)自制的煤氣，但相差不大，故置換后燒嘴的熱流量變化也不大，仍然處于正常的燃燒工況范圍內(nèi)。但集中供應(yīng)的清潔燃氣與企業(yè)自制煤氣在可燃成分上有較大變化，H的占比由17%提高到了25%，CO的占比由29%降到了21%，兩種可燃成分變化較大，而H2的燃燒速度是CO的4倍左右，所以兩種燃氣置換后火焰?zhèn)鞑ニ俣葧斜容^明顯的變化[1]。燃氣燃燒加快會使火焰長度變短，進而影響到窯內(nèi)橫截面上的溫度均勻性，使坯體出現(xiàn)變形，開裂等一系列問題。因此對窯爐內(nèi)的部分燒嘴需要進行調(diào)整后再置換燃氣，例如加上燒嘴套筒來引導煙氣流動，改善由于燃氣成分的變化而導致的窯爐橫截面溫差。

3 熱平衡計算及數(shù)據(jù)分析

3.1窯爐熱效率計算

坯體水分蒸發(fā)并加熱所需熱量Q 、燒成過程物化反應(yīng)耗熱Q和坯體燒成溫度時吸熱Q為計算窯爐熱效率時的有效熱。

Q=Q+Q+Q? （2-1）

已知坯體在燒成中吸附水的蒸發(fā)終溫為125℃，結(jié)晶水的蒸發(fā)終溫為500℃。坯體水分蒸發(fā)并加熱所需熱量Q ，可通過下列公式計算：

Q= Q+Q（2-2）

Q= m×[（100-t）×c+2260+（125-100）×1.93] （2-3）

Q= m×[（100-t）×c+2260+（500-100）×1.93] （2-4）

式中Q——坯體中吸附水蒸發(fā)所需熱量，kJ;

Q——坯體中結(jié)晶水蒸發(fā)所需熱量，kJ;

m——每小時生坯入窯所含吸附水量，kg/h;

m——每小時生坯入窯所含吸附水量，kg/h;

c——水的比熱容，取4.18kJ/kg· ℃;

1.93——水蒸氣的比熱容，kJ/kg ·℃;

2260——水在100℃時的氣化潛熱，kJ/kg;

t——坯體入窯處溫度，℃。

根據(jù)式（2-2）可計算得Q=2869.81MJ/h。該條使用自制煤氣的輥道窯最高燒成溫度為1190℃，根據(jù)陶瓷比熱容的經(jīng)驗公式：

Q=0.84+0.26×10t

可得陶瓷在1190℃的比熱為1.1494kJ/kg ·℃，則根據(jù)公式可計算Q的值：

Q=m×c×t/1000-Q=20837.93MJ/h

根據(jù)熱平衡計算中燒成過程分解粘土熱耗Qh為6609.58MJ/h，可根據(jù)公式計算有效熱

Q=Q+Q+Q=30317.32MJ/h

η=?Q/Q=?30317.32/45093.42×100%=67.23%

因此，使用清潔燃氣的輥道窯熱效率為67.23%。

同上可計算得使用自制發(fā)生爐煤氣的輥道窯熱效率為64.66%。

3.2單位能耗計算

能耗是窯爐的基本能量特性，包括單位產(chǎn)品燃料消耗量（簡稱單位燃耗）和單位產(chǎn)品燃料化學能消耗量（簡稱單位熱耗）;而熱效率和能量利用水平則是窯爐的相對能量特性，是比較各種窯爐熱工性能優(yōu)劣的重要指標[2]。

單位產(chǎn)品燃耗是指在陶瓷窯爐里生產(chǎn)每公斤瓷的燃料消耗量：

U=B/G

式中：B——單位時間燃料消耗，kg/h或Nm/h;

G——單位時間產(chǎn)量，kg瓷/h。

單位燃耗是比較窯爐燃料消耗量的一個最直接、最常用的指標，在進行窯爐設(shè)計和窯爐熱工測定時一般都要求計算出來;在進行窯爐設(shè)計時G是由設(shè)計任務(wù)給定的，通過熱平衡計算可求出B;而在運轉(zhuǎn)中的窯爐進行熱工測定時，B和G都可通過實測得到[2]。

窯爐中另一個常用的能量指標是單位產(chǎn)品熱耗，它是指陶瓷在窯爐燒成過程中生產(chǎn)每公斤瓷所消耗的總熱量。如果不考慮燃料與助燃空氣的預(yù)熱，可以簡單地用下式計算：

q=UQ

式中：Q——燃料的低熱值，kJ/kg或kJ/Nm。

根據(jù)上式計算得兩條窯爐的單位能耗如表4所示。

3.3數(shù)據(jù)分析

（1）熱收入項節(jié)能分析

生坯完全依靠燃料燃燒產(chǎn)生的熱量使其經(jīng)一系列物理化學變化后成為熟坯。由上表可知燃料燃燒釋放的熱量在熱收入項中的所占比例最大，兩條窯爐都達到了95%以上。因此，要達到節(jié)能目的，就需在熱收入總量不變的情況下，降低其所占比例，但必須保證不消耗系統(tǒng)以外的能量，通過增加其它各項熱收入比例來達到[3]。

提高其它各項熱收入的占比，最簡單的方法就是提高坯體入窯的溫度以及提高助燃風的溫度。而該窯入窯坯體溫度在30℃左右，基本與室溫相同，有較大的提升空間，可在坯體入窯前適當?shù)睦酶G爐余熱，來提高入窯坯體的溫度，增加其帶入的顯熱。但必須在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，提高坯體入窯溫度。這部分窯爐余熱可以是煙氣帶出的顯熱，也可以是抽熱風帶出的顯熱，兩者都屬于窯爐的熱平衡體系內(nèi)，回收利用都能達到節(jié)能目的。

在熱收入項中，除了能提高入窯坯體帶入的顯熱以外，還能通過增加助燃空氣帶入的顯熱，來達到節(jié)能目的。通過檢測，該窯的助燃空氣都來自生產(chǎn)車間內(nèi)，助燃空氣溫度為車間室溫，有很大的提升空間?？赏ㄟ^使用抽熱風與空氣配比作為助燃風，來提高助燃空氣溫度，助燃空氣每提高100度，大約可節(jié)能8%。但提高其溫度的同時也必須考慮溫度升高導致含氧量降低的問題。配比的助燃風只能用于燒成帶后段，前段氧化帶噴槍不能使用加熱助燃風，以防因含氧量不足而引起產(chǎn)品黑心、發(fā)藍、針孔及變形等一系列缺陷的產(chǎn)生。

（2）熱支出項的節(jié)能分析

對所有熱支出項目來說，主要是通過降低它們各自的比例，降低總的熱支出數(shù)量來降低總的能耗，達到節(jié)能的目的。

由表2，3可知，煙氣帶走熱在熱支出項中占比最大，分別為33.43%和31.51%。煙氣具有溫度高排量大等特點，根據(jù)測試報告數(shù)據(jù)分析，由于窯爐處于超產(chǎn)狀態(tài)下，迫使操作上開大了排煙風機，且排煙溫度也過高，使用自制煤氣和清潔煤氣的窯爐排煙溫度分別為303℃和316.45℃，遠高于合格指標上限的200℃，造成排煙熱損失過大。排煙的熱損失大小與煙氣的排量和溫度相關(guān)，由于這部分煙氣含雜質(zhì)較多，其使用效率受到企業(yè)自身條件的限制，可對窯爐進行適當?shù)恼{(diào)試，降低排煙溫度和排煙量，以達到節(jié)能目的。

在熱支出項中，產(chǎn)品帶出熱占比7%左右，同樣造成了大量熱損失。測試中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品出窯溫度均在245℃左右，高于國家標準（120℃）。如果窯爐能夠加大冷卻風量，將冷卻后的抽熱風用于助燃，是回收產(chǎn)品冷卻余熱達到節(jié)能目的的有效途徑。

（3）從兩條窯爐的熱效率和產(chǎn)品單位能耗來看，使用自制煤氣的窯爐在數(shù)據(jù)上均劣于使用集中供氣的窯爐，在排除因窯爐自身產(chǎn)生的問題差異后可知。清潔燃氣不僅能夠降低企業(yè)在生產(chǎn)時產(chǎn)生的污染，且在燃料性能上也優(yōu)于自制煤氣。

4集中供氣效益分析

4.1經(jīng)濟效益

為響應(yīng)國家“碳達峰、碳中和”政策，促進高安環(huán)境質(zhì)量提升，企業(yè)所使用的煤氣站是注定要被淘汰的，相比如今價格高昂的天然氣，使用集中供應(yīng)清潔燃氣必然能為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。該廠窯爐一小時用氣量為7181.6Nm，以此計算一天的耗氣量在172358.4Nm3左右。目前高安市集中供氣氣價定在0.761元/Nm，當前基地內(nèi)企業(yè)使用天然氣的價格為4.2元/Nm3到5元/Nm，取平均4.6元/Nm計算，按一條線一年運行330天來計算。其能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益如表5所示。

4.2環(huán)境效益

集中供氣的推進最大的優(yōu)勢就是取代了各陶瓷企業(yè)的發(fā)生爐煤氣站作為建筑陶瓷行業(yè)主要的能源提供裝置，其產(chǎn)生的酚水，焦油和脫硫廢液等污染物對環(huán)境造成了巨大的影響。在我國環(huán)保形勢日趨嚴峻的大環(huán)境下，小型發(fā)生爐煤氣站的取消成為各陶瓷產(chǎn)區(qū)政府污染治理的首要任務(wù)。

4.2.1含酚廢水

發(fā)生爐煤氣在凈化冷卻和輸送過程中，煤氣中的一部分水分冷凝析出，煤炭在發(fā)生爐內(nèi)中低溫干餾過程中產(chǎn)生的酚類物質(zhì)等溶解至這部分冷凝水中便形成了酚水[8]。由于企業(yè)技術(shù)水平存在差異，故對酚水的處理能力也參差不齊。酚水中主要的酚類化合物為苯酚和甲酚，其中毒性最大的為苯酚，直接排放或滲入土壤都會對當?shù)氐纳鷳B(tài)產(chǎn)生巨大影響，濃度高時甚至造成大量農(nóng)作物和水生生物死亡。酚類化合物同樣會對人體產(chǎn)生危害，通過皮膚或粘膜進入體內(nèi)，引起頭暈、頭痛、精神不安等一系列中毒癥狀。

4.2.2揮發(fā)性有機物

揮發(fā)性有機物（VOCs）是形成細顆粒物（PM2.5）、臭氧（O）等二次污染物的重要前體物，是引發(fā)灰霾、光化學煙霧等大氣環(huán)境問題的主要污染物。陶瓷企業(yè)煤氣站VOCs主要排放點為焦油系統(tǒng)（焦油池、焦油溝、焦油庫、清油池、焦油泵送）、煤氣凈化設(shè)備（豎管、風冷器、電捕焦油器、電捕輕油器及間冷器沖洗循環(huán)系統(tǒng)等煤氣凈化設(shè)備）的調(diào)節(jié)池、沉淀池、冷、熱循環(huán)水水溝、水泵房、廠區(qū)沖洗和煤氣管道的排水器水封等[6]，由于 VOCs具有強揮發(fā)性，對人體健康的影響主要是刺激眼睛和呼吸道，使皮膚過敏，使人產(chǎn)生頭痛、咽痛與乏力，其中還包含了很多致癌物質(zhì)。對于含高濃度VOCs的廢氣，企業(yè)需優(yōu)先采用冷凝回收、吸附回收技術(shù)進行回收利用，并輔助以其他治理技術(shù)實現(xiàn)達標排放。

4.2.3粉塵

由于企業(yè)使用自制煤氣，故配套的球磨機、篩分機和加煤機均會產(chǎn)生大量的粉塵。為了保障企業(yè)用氣的正常供給，陶瓷企業(yè)必定預(yù)留大片空地用作儲煤，并且煤炭的裝卸和各輸煤倒運操作也會產(chǎn)生大量的揚塵，再其次是煤灰渣由爐柵驅(qū)動從灰盆自動排出后，由于清理不及時或采用下落式清渣操作時同樣會產(chǎn)生揚塵，對空氣產(chǎn)生極大的污染，對廠區(qū)內(nèi)工人的健康也產(chǎn)生了極大的危害。

4.3社會效益

集中供氣的推進，將企業(yè)分散用煤轉(zhuǎn)化為集中高效清潔制氣，取代了企業(yè)自身的煤氣站，統(tǒng)一集中處理，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有利的保障。同時大大降低了粉塵和噪音對廠區(qū)員工的危害，杜絕了自制煤氣過程中的安全隱患。提供了大批的就業(yè)崗位，為城市的發(fā)展帶來了巨大的社會效益。

5 結(jié)論

生態(tài)環(huán)境的不斷惡化迫使我們必須走上可持續(xù)發(fā)展的道路，集中供氣項目的推進為建筑陶瓷行業(yè)走上綠色發(fā)展的道路提供了可能。由全窯熱平衡數(shù)據(jù)出發(fā)，集中供應(yīng)的清潔燃氣達到了降低能耗的要求，并且為高安市帶來了巨大的經(jīng)濟、環(huán)境以及社會效益，將“碳達峰、碳中和”的要求落實到具體行動上，順應(yīng)了綠色低碳發(fā)展潮流，為其它建陶產(chǎn)業(yè)基地及其他相關(guān)行業(yè)提供了技術(shù)路徑參考。

參考文獻

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Study on Centralized Gas Supply of Building Ceramic Industrial Kilns Based on Heat Balance

SHU Xiao-xin，F(xiàn)ENG Qing， GONG Xiao-long，LU Lin，XIAO Xiang-sheng，ZHOU Chuan-famg

（ Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen 333000 ）

Abstract： The thermal balance of kilns produced by centralized gas supply and self-made gas in Gao'an building ceramics industrial base is calculated respectively. Based on the data obtained from the thermal balance calculation， combined with the change of gas composition， the technical analysis of gas replacement of kilns is carried out. After mastering the energy consumption of kilns in detail， corresponding measures are taken to improve the production of kilns， In order to save energy and reduce consumption， the advantages of centralized supply of clean gas are analyzed.

Keywords： Centralized gas supply; Heat balance test; Gas replacement; Energy saving and consumption reduction.