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            【技術】陶瓷行業富氧及純氧燃燒技術應用探討
            2019-04-04

            摘  要:本文簡要闡述了富氧燃燒技術原理,參考早期理論研究,以及現有各行業執行經驗表明,富氧條件下氧氣濃度在30%左右有比較好的節能效果和經濟效益。在純氧條件下,節能效果更佳,能達到40%~60%。同時,還能大量減少尾氣和有害氣體排放,這在一些沒有還原氣氛要求的梭式窯或小型隧道窯上,具有很大的可行性。由于其需要加入大量的氧氣,在某些類型窯爐上經濟效益不夠明顯。當前由于陶瓷行業的產業競爭加大,以及環保要求日益增強,富氧燃燒可以在一定程度上解決大部分窯爐的節能減排要求。


            廣東陶瓷作為我國乃至世界建筑衛生陶瓷重地,是建筑衛生陶瓷生產、技術裝備及新產品研發的重要基地,也是我國陶瓷行業質量整體水平最高,產業鏈最完善的地區。但是,陶瓷生產企業的高污染、高能耗、高排放的三高特征,也在隨著我國日益強化環境保護的意識而逐漸受到限制。例如,在佛山的地區的很多陶瓷生產企業陸續遷移到了清遠、肇慶等地。

             

            目前,廣東陶瓷生產企業絕大部分窯爐都采用煤氣發生爐制水煤氣作為燃料,隨著環保壓力不斷增加,逐漸有部分廠家開始改用天然氣這種更為清潔的燃料代替,并且這也是今后陶瓷行業的發展趨勢。但是,從經濟效益上看,省內天然氣價格高企,致使天然氣的使用成本約為水煤氣的2~3倍,這無疑使得陶瓷生產企業生產成本劇增,一定程度上削弱了企業的發展優勢。所以就燃料成本與環境保護問題,整個行業一直都在探索一個具有雙贏價值的道路。例如在窯爐的設計過程中,寬體窯設計、余熱回收等概念已經逐步推廣開來;在燃燒系統控制、節能噴槍技術也能達到一定節能效果;與此同時,富氧燃燒在陶瓷行業的技術應用也一直在探索當中。 

            2   富氧燃燒技術在國內外各行業中的應用和研究
            2.1富氧燃燒技術概念

            顧名思義,富氧燃燒即是指在燃燒過程中,把氧氣的體積分數大于空氣中的21%氧氣含量的氣體作為助燃氣體的一種高效燃燒技術,當助燃氣體直接采用99%以上的工業純氧時,又叫做純氧燃燒。富氧燃燒技術可以增加燃燒火焰溫度、減少一次風抽送量,同時節約了燃料消耗、減少了尾氣排放。純氧氣和空氣助燃對比示意圖如圖1所示。

            2.2 純氧燃燒

            本文以天然氣燃料為例:

            (1) 空氣助燃:CH4+2O2+8N2→CO2+2H2O+8N2;

            (2) 純氧助燃:CH4+2O2→CO2+2H2O。

            以1體積天然氣做燃料燃燒,理論上需要10體積的空氣或者2體積的氧氣。同時,煙道排放尾氣分別為11體積和3體積。在這個過程中,若采用普通空氣助燃,8體積的氮氣進入窯爐并被加熱至爐溫,然后這些高溫氮氣又通過煙道排出,導致了大量的熱量浪費,同時若爐溫超過800℃,燃燒產生的NOX也大幅增加。

            目前,林德的富氧燃燒技術在鋼鐵和有色金屬冶煉、熱處理、玻璃熔化、垃圾發電等工業領域應用十分廣泛。尤其在有色金屬冶煉、鋼鐵熱處理及玻璃窯爐中,已經逐步開始使用純氧代替富氧或空氣,使得窯爐節能效果能達到40-60%,尾氣排放減少70%,并大量減少NOX等有害氣體排放。部分金屬冶煉窯爐純氧燃燒節能情況如表1所示。

            2.3 富氧燃燒研究

            日本較早地采用膜法富氧助燃技術應用于陶瓷燒成爐(爐溫1600℃)。所采用富氧燃燒系統包括空氣過濾凈化,然后由引風機將空氣抽入富氧膜裝置,經富氧的空氣由鼓風機隨同城市煤氣吹入加熱爐中。表2為陶瓷燒成爐的試驗結果,從結果可以看出當氧氣體積分數為26%與28%時節能率達25%左右。

            景德鎮陶瓷學院國家日用建筑陶瓷工程技術研究中心熱工研究室通過技術分析及課題組成員對該技術的經驗積累,制氧設備采用國內某重點大學的最新開發的變壓吸附制氧設備,把富氧助燃技術初試應用到小型試驗梭式窯上;把富氧助燃燒成實驗與普通燒成實驗做了對比,窯爐均燒制100件相同的陶瓷制品,最高燒成溫度1350℃,應用變壓吸附富氧助燃技術后,窯爐節能率與理論研究非常吻合,尤其是富氧含量在某一最佳范圍值時,節能效果非常顯著,當富氧量為23%時,節能率為21.7%;當富氧量為27%時,節能率為26.6%,環保效應也是與之相輔相成的。應用該富氧助燃技術后,產品的質量有效的得到了提高。

             

            另外,一些專家學者近些年來也對陶瓷行業富氧助燃技術進行了基礎的理論與數值模擬研究,例如:華南理工大學曾令可教授等對富氧燃燒技術在陶瓷窯爐中的應用分析進行了論述,指導學生對梭式窯富氧燃燒進行了基礎的數值模擬研究。論證了,隨著氧氣濃度增加,煙氣總量大幅下降,提高了熱效率;火焰溫度隨著上升,熱輻射強度大幅提高。即提高了生產率,降低燃料成本。

             

            2.4 陶瓷富氧燃燒窯爐氛圍及NOX控制       

            陶瓷由于其特殊的生產工藝,材料在窯爐中燒結會伴隨著一個氣氛的控制,如:氧化氣氛,或還原氣氛,或是中性氣氛,以此來控制油料生產顏色等。而富氧燃燒過程中,往往會加入富余的氧氣給窯爐帶來一個氧化性的氣體環境,這對需要還原氣氛的產品或是氧化性的氛圍強度控制提出了疑問。目前,筆者公司也開始在這些方面做一些模擬試驗,嘗試以通過燃料和氧氣的富余比例來調節窯爐中的氣氛性質。

             

            根據相關文獻,天然氣在富氧和普通空氣中燃燒,生成的NOX也各不相同,比如:在30%富氧條件下,燃燒產生的NOX是普通空氣的3倍左右。其中,窯內氣體流動不暢和局部高溫是大量NOX生成的主要原因。對此,最新的富氧燒嘴在這上面也做了相關改進,能夠更好地平衡窯爐內的溫度和氣流,同時也逐漸開發出了部分無焰燒嘴和低溫燒嘴。

            3   陶瓷行業富氧燃燒經濟效益分析

            本文以一條日產10000㎡拋光磚輥道窯為例,其耗天然氣平均量約為17000m3/天,若助燃空氣改為30%的富氧空氣,取過剩空氣系數為1.1。根據筆者公司以往富氧案例及富氧應用試驗,節能率在10%~30%范圍,對此以20%節能率來計算。

            富氧后天然氣消耗為13600m3/天;每立方天然氣燃燒需增加氧氣0.198m3。每天所需添加氧氣為:13600×0.198=2692m3。

            隨著工業氣體行業的發展,氧氣的制作成本也在逐步降低,以廣東省內工業用液氧(純度99.5%)為例,價格約為1元/m3。天然氣單價約為4.5元/m3。根據以上數據,得出表3和表4分析數據。

             

             

             

            另外,如果考慮產品質量更好、生產周期縮短、風機節電、煙塵排放減少、窯爐壽命煙塵等因素,實際回收期會更短。

            4   陶瓷行業富氧燃燒技術展望

            目前,富氧燃燒技術較為成熟,液氧獲取成本較低,若考慮大規模消耗大量氧氣,還可以考慮成本更為低廉的現場制氧方式;氧氣及燃氣控制較為完善,結合窯爐控制系統,能夠很好的控制窯爐內氣體比例、溫度曲線;富氧燒嘴設計以增加窯爐內氣體流動、避免形成局部高溫、減少NOX生成。在當前市場競爭激烈及節能環保呼聲的日漸高漲的廣東地區,具有較大的產業市場前景。

             

            但是,整個行業目前也缺乏富氧燃燒窯爐樣板。對此,我們也開始注重理論結合實踐,分別針對不同類型窯爐做不同的研究實驗:

            (1) 一些梭式窯、小型隧道窯,在沒有氣氛要求的情況下,富氧燃燒原理基本與玻璃熔爐和金屬冶煉爐一致,從目前的理論與實踐經驗上看,富氧甚至純氧燃燒的可行性都是非常大的,

            (2) 在一些還原氣氛要求的窯爐中,還需要進一步試驗測試通過燃料和氧氣的富余比例來調節控制。

            (3) 在NOX的控制上,純氧燃燒已經解決了這個問題,但是從經濟性來考慮,特別是一些大型輥道窯,普遍采用煤氣為燃料,純氧燃燒成本也比較高,所以在此情況下富氧燃燒比較適用,在富氧燃燒過程中,燃料的節省會產生一定經濟效益,但需考慮氣氛變化對產品質量的影響以及NOX的排放問題。


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