陶瓷窑炉燃烧现状分析

本文根据陶瓷窑炉的特定燃烧环境；简单地分析NOx的生成三种方式：热力NOx、快速NOx和燃料NOx，以及对环境的危害，并从陶瓷工艺角度、窑炉使用燃料的优化及新的燃烧技术与方法等方面分析抑制或减少NOx生成方法。

关键词：陶瓷窑炉NOx生成降低烧成温度优化燃料烧成技术

前言

早在90年代初期，国外陶瓷窑炉界就开始重视陶瓷窑炉中排出的NOx的污染这个问题，并企图从燃烧方式着手解决这个问题。我国近年来也开始逐步重视，科技界已有人跟踪国外，试图用脉冲燃烧来解决它；但陶瓷窑炉NOx的严重排放，不仅仅是改进燃烧系统就可以得到解决的问题，我们也进行过测试，同一种窑型，烧成不同的产品，其烟气中的NOx的含量就不同，窑内烧成气氛（氧化或还原）其所排放的烟气中NOx含量亦不同，故陶瓷窑炉中NOx的产生是一个系统工程。由此看来，研究陶瓷窑炉中NOx的生成与破坏机理，并在其基础上提出经济上、技术上可行的综合治理方案已迫在眉睫。

1 NOx在陶瓷窑炉中生成的机理

燃烧矿物燃料如煤、原油、天然气等；生成氮氧化物污染有三种；即热力NOx，快速NOx，和燃料Nox[1～6]。

1.1 热力N0x

关于热力NOx的生成机理是高温下空气的N2氧化形成NO；，其主成速度与燃烧温度有很大关系，当燃烧温度低于1400℃时热力NOx生成速度较慢，当温度高于1400℃反应明显加快，根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加。这说明，在实际炉内温度分别不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的NOx；并会对整个炉内的NOx生成量起决定性影响。热力NOx的生成量则与空气过剩系数有很大关系，氧浓度增加，NOx生成量也增加。当出现15％的过量空气时，NOx生成量达到最大：当过量空气超过15％时。由于NOx被稀释，燃烧温度下降，反而会导致NOx生成减少。热力NOx 的生成还与烟气在高温区的停留时间有关，停留时间越长，

NOx越多。这是因为窑炉燃烧温度下，NOx的生成反应还未达到平衡，因而NOx的生成量将随烟气在高温区的停留时间增长而增加。至今认为研究得比较充分的是Zeldovick等人的生成理论，其主要反应如下：

1.2 快速NOx

快速NOx是1971年Fenimore根据碳氢燃料预混火焰的轴向NOx分布实验结果提出的，是燃料在燃烧过程中碳氢化合物分解的中间产物N2反应生成的氮氧化合物，其生成速度极快，主要在火焰面上形成，且生成量较小，一般在5％以下，其主要反应如下：

在温度低于2000K（1727℃）时，NOx主成主要通过CH 一N2反应；在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时，需重点考虑快速NOX的生成。

1.3燃料NOx

“燃料”NOx是由化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解，并与氧化合而生成的NOx，其生成量与燃料中氮的含量有很大关系，当燃烧中氮的含量超过0.1％时，结合在燃料的氮转化为NOx的量占主要地位，如煤的含氮量一般为0.5～

2.5％；燃料NOx的形成可占生成总量的60％以上，燃料氮转化为NOx量主要取决于空气过剩系数，空气过剩系数降低，NOx的生成量也降低，这是因为在缺氧状态下，燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧，由于氮缺乏竞争能力，而减少了NOx的形成。其主要反应途径如下。（1）氮化物大量转化为HCN和NH3，（2）HCN和NH3被氧化。反应方程如下：国际上开展NOx生成机理及其控制的研究已有一二十年了。不过，目前关于燃烧过程中NOx生成的研究主要是以实验为主，还没形成完善的理论，如在煤粉燃烧领域内，主要是通过对具体过程进行实验研究与分析：希望找到一些规律，为解决实际问题提供依据、此外，从文献中也可以看到所有的研究都是公式少、实验曲线多、定量分析少而定性解释多的情况，这反映出NOX生成机理和控制是一个比较复杂、困难的领

域，也是一个需要进行大量工作和大有可为的领域。特别对于陶瓷窑炉的NOX生成机理研究的报道不多，由其引起的环境污染也还没有引起足够的重视。

2高温陶瓷窑炉中NOx的生成及危害

陶瓷窑炉跟一般的工业炉如炼钢炉，锅炉等不同，陶瓷坯体的组成主要为矿物性原料、粘土质氧化物及化工原料等组成，在高温烧成过程中要进行一系列的物理化学反应，释放出大量有害化学成份，这些化学物质与NOX的生成有何关系仍是一个迷、由于陶瓷坯体在陶瓷窑炉内要进行复杂的物理化学反应，故陶瓷坯体在烧制成陶瓷的过程中，由于烧成的产品类型、窑炉类型，原料、升温制度、气氛以及烧成过程中的温度段等的不同，坯体或釉料中都有不同的挥发份挥发出来；如水蒸气、硫化物、氟化物、硼化物、碱性蒸气，铅化物、三氯化铁等等。这些挥发物以及坯体表面形成的活性氧化物在不同的气氛和不同的烧成制度下，都将影响上述的NOX的生成与破坏反应过程。如国外对传统陶瓷窑炉排放有害气体统计分析显示，对墙面砖每吨产品NOX为0.61b，SO2为0.51b，对一般砖类NOX为0.291b，S02为0.08lb。

据报道，我国共有建筑卫生陶瓷厂3000多家，1997年建筑陶瓷产量已达18.42亿平米，卫生陶瓷产量达6000万件[7]，除了建筑卫生陶瓷产量居世界第一外，我国日用陶瓷的年产量为300亿件也居世界第一[8]。全国烧成陶瓷的窑炉大小有上万座，一般窑炉废气中NOX含量可达100～

150ppm．严重的可达几百甚至几千ppm。再加上我国窑炉的能源利用率很低。仅28～30％，为美国的一半。由此而造成了我国陶瓷窑炉排放的NOX量非常巨大，是我国工业污染的一个重要来源；要治理NOx污染问题就必须解决陶瓷窑炉所排放的NOx污染问题。而且燃料燃烧所引起的大气环境污染、危害最大且又最难处理的是氮的氧化物NOx；NOx是形成酸雨及生成光化学雾的重要因素之一，由于它对人体健康和动植物生长发育有着直接的危害，已在工业发达国家引起普遍关

注，而防治大气环境污染研究的重点也已由对SO2的防治转向对NOx的防治，因为前者已得到较好的治理。

羊城晚报以醒目的大标题作以下三个报道：①“陶瓷厂烟尘令黄皮树秃顶”，广东三水华盛果园年收成7万斤的无核黄皮水果场因陶瓷厂烟囱废气污染而“颗粒无收”这到底是天灾还是人祸（参看该报用2000年7月18日B2版）？②“千亩农田欲哭无泪”一一一三水白坭镇由于陶瓷厂烟囱废气污染而造成秧苗一天天枯萎蔬菜无法生长。③花城上空（花城即为羊城的美称）为何飘起蓝色烟雾——因为美丽的花城已成为氮氧化物污染最严重的城市之一。另据该报2000年6月5日A2版有一条更惊人的报道“广州是酸雨之城”文中举例广州地区降水的酸度PH值升高，出现酸雨频率从前年的61.4％上升到62.6%，即不到两场雨，便有一场是酸雨的比例，使广州成为全国第二大酸雨高发区。在广东省每年因酸雨而损失的40亿元中，广州就占20多亿元。专家们都认为酸雨与珠三角特别是佛山、顺德（距离广州10～30多公里）、东莞、增城等地的近千座陶瓷窑炉不无关系。近年来，酸雨在我国呈急剧蔓延之势，80年代危害面积为1万平方公里，到90年代扩大了100多万平方公里，占国土面积的28％。

3优化配方，降低陶瓷的烧成温度

NOx的生成主要在燃料燃烧过程中产生．其中氮少量来自燃料，大部分是空气中的氮在高温时同氧化合生成：

N2＋O2 = 2NO—Q

NOx的生成速度与燃烧过程中的最高温度及氧氮的浓度有关，NOx生成的浓度与气体在高温区停留的时间密切相关，停留的时间越长，烟气中NOx的浓度越大，故在工艺中调整坯釉料配方，充分利用优质原料或工业废渣[9]以及提高坯料细度等措施，以降低陶瓷的烧成温度。如在高岭石一蒙脱石质粘土中引入Li2O时，液相出现的温度由1170℃降至800℃，引入Na2O时降至815℃，引入K2O时降至925℃；又如添加1%的菱镁矿和0.5％氧化锌可使硬质瓷烧成温度从1390℃降

至1300℃等，这方面的例子很多。据报道，当其他条件相同时，烧成温度每降低100℃，单位燃耗下降13％左右，而烧成时间每缩短10％，产量可增加10％．单位制品热耗可降低4%[10]。故优化配方，缩短烧成时间，不但可以节约燃料，减少废气的排放量，提高窑炉热效率，提高产量、质量，而且烧成温度的降低，可大大减弱氮氧化物的生成条件，缩短烧成时间可抑制其生成过程。

4采用优质燃料

我国是世界上第三个煤炭储量大国，也是世界上最大的煤炭消费国，耗煤量占世界总耗煤量l／4。据统计，目前我国仅日用瓷、建筑卫生陶瓷企业中就有3000多座燃煤窑炉，达到窑炉总数的70％，而我国大气中90％的SO2、85％的CO2、80％的ROX和50％的NOX均来自于煤燃烧，其中煤炭燃烧后排放的温室气体CO2占我国全部矿物燃料燃烧排放的85％。而我国每年的CO2排放量已排名世界第二位。这主要是煤为颗粒性燃料，与空气接触面积小，不易燃烧，在燃烧过程中需要很大的空气过剩系数，故空气用量大，除了带走大量的热（约占能耗35％～40％以上），而且由于燃煤含硫等杂质多，废气中有害成份多，特别是NOx含量多，资料表明，窑炉烟气NOx的平均浓度为404PPm。燃重油比燃煤好得多，由于重油经加温处理，降低了粘度及雾化风的作用，使油滴粒度可达20～50μm，增大了与空气接触面积，改善与强化燃烧，按油滴的平均粒径40～50μm 计。表面积可达130～150m2，是1Kg煤的100倍（煤平均5mm，1.5m2/Kg）[111]。故燃烧比较完全，热效率高，可达7～10％，但由于重油是用原油经常压或减压蒸馏提取分馏后的残渣油杂质多，燃烧时除生成CO2外，同样产生SO2、NOx、CO等有害气体及黑色烟尘，烟尘中NOx的平均浓度有429PPm。气体燃料是以小分子状态分布，极易与空气均匀混合，空气过剩系数小，燃烧温度高，烟气量小，烟气带走热量少，更不会产生黑烟、煤灰，是一种洁净燃料；但在燃烧过程同样会产生CO2温室气体，由

于燃烧温度高更易产生NOx，主要是燃料在燃烧过程中和空气中的氧或来自燃料的氧在高温中生成NOx，烟气中的NOx平均浓度亦有287PPm。据统计燃气窑炉产品的热效率比燃煤、燃重油提高2～3倍（以煤为燃料时窑炉平均热效率为

18.2％，油为30.8％，气为50.4％），千克瓷能耗减少50～60％，而燃气的窑炉NOx排放量比燃煤少30％左右。燃油比燃煤少15％左右，充分说明了采用优质燃料不但可以大大的提高产、质量，降低能耗，提高窑炉的热效率，而且可以大大减少窑炉因使用燃料的不同而造成的严重污染。

5采用新的燃烧技术及方法

窑炉燃烧过程中形成的NOx受很多因素影响，如空气预热温度、燃料种类、烧嘴及燃烧能力、炉温、空气过剩系数、炉子的密封性以及炉子的操作等。因此，降低NOx的主要措施也很多，除了上面所提到的降低烧成温度，选择优质燃料外，还可以从物理和化学两种途径来降低NOx的形成。

5.1 物理法防治

对于燃烧炉来说，影响NOX形成的最主要因素是燃烧温度和炉气中N2和02含量。燃烧温度越高，NOx生产就越多，且在高温下炉气中的N2和02反应生产的NOx随温度增加呈指数关系增加，因此高温度火焰产生的NOx就多。由于空气预热温度越高，节能效果就越大，燃烧温度就越高。但带来的却是NOx增加。因此要降低NOx生成，应降低火焰峰值温度，在保证燃烧完全的情况下减少空燃比，缩短燃烧气体在高温区域中滞留的时间。

（1）低NOx燃烧器

低N0x燃烧器的基本原理是利用再循环或分段燃烧技术等，使燃烧处于低氛浓度状态。降低火焰温度，与传统的燃烧器相比，NOx的产生可减少30％～60％不等。如英国Hotwork公司研制开发的RCB型低NOx畜热式陶瓷烧嘴，每个烧嘴系统由一对畜热器组成，畜热器内填充陶瓷颗粒，两个畜热器每隔60～90秒换向一次，分别起预热空气和排烟预热

陶瓷颗粒作用。日本研制的一种RSNT型低NOx烧嘴其基本特点是，使助燃空气形成强旋流，通过一个狭窄通道使之与燃料混合，进入燃烧室后，根据涡流原理，空气旋转力会使火焰中心形成一个负压回流区，造成循环气流，促使火焰温度均匀化，避免火焰局部高温的产生，且这个负压回流区可以促进燃烧，使燃料以较低的过剩空气系数实现完全燃烧[12]。

（2）废气再循环法（ECR）

废气再循环法是一种投资不大但很有效的降低NOx的方法，其原理是从换热器后的废气中抽出一部分废气送入高温燃烧区中，从而冲淡燃烧区的氧含量，降低局部高温；使NOx的生成量大大减低，同时还可以使火焰温度更加均匀，在其较小的空气过剩系数条件下，实现完全燃烧，相应减少了燃料消耗量及燃烧区域的氧含量，从而抑制NOx生成，提高窑炉热效率，对于烧气窑炉NOx可减少20～70％，对烧煤及油窑炉，NOx可降低10～15％。

（3）分段燃烧法（staged combustion）

分段燃烧法又称两段燃烧法；其原理是将助燃空气分两部分分别送入一次燃烧区域和二次燃烧区域，一次燃烧发生在烧嘴的燃烧室内，此区域内供给充足的燃料，使空气中的氧气迅速消耗，同时使火焰温度较低，从而限制了NOx的形成，另外地使烧嘴耐火材料寿命提高；二次燃烧发生在烧嘴出口处的炉膛内，此区域内供给使燃料充分燃烧而无多余的助燃空气；进一步限制NOx形成。

（4）增氧烧成技术[13]

英国MG.Gas Products有限公司研制出一种注氧切缝设备，将氧注入陶瓷窑炉中，以降低窑中氮气含量，增加氧浓度，提高燃烧效率，由于氧气的浓度和反应温度决定着窑炉内的物理化学反应，当氧浓度增大时，氧化速率增大，非常有利于坯体中碳的氧化，加速碳的弃除，加速燃料燃烧并保证CO 完全燃烧为CO2，大大提高燃烧效率，增加氧化效率。直接加入纯氧（外加3％～4％），降低燃烧气氛中氮气含量，在相

同的能耗下，火焰温度升高，窑内热辐射将在直接向制品传热，不需要湍流来导热，燃烧产物体积的减少，可减少废气带走热损失，故除了可提高氧化反应速度，提高产量和成品率外，还可使燃烧器的效率提高；燃料的能力利用率增大，减少窑车顶部与底部的温差，烧成产品更均匀，本技术可应用于砖瓦、熔块、色料、釉面砖、日用瓷和卫生瓷等众多产品烧成。以六个砖瓦厂和六个陶瓷厂用普通烧成法和增氧烧成法的产量能耗比较可见，在产品质量和强度保持不变的情况下，产量提高5％，由于烧成中有机物质在预热带能完全除去，故釉面更完美、废品率降低50％。

（5）高温空气燃烧技术

这是一种高效节能低污染的燃烧技术．其特点是利用畜热式烧嘴将空气预热到1000℃以上，并靠高速气流使炉内气体再循环，形成温度均匀、无局部高温，且02浓度低的气流场，从而控制NOx的形成。这是一种高温低氧燃烧技术，火焰体积大，温度高且均匀，燃烧稳定加热快，噪音低。该技术可节能30％以上；且N0x的生成量较传统方法减少50％。

（6）全氧燃烧技术及氧燃料烧嘴

这种烧嘴的原理是利用纯氧气取代空气作为助燃剂，由于没有空气中的N2，从而可显著降低NOx的形成，与普通的烧嘴相比，NOx的产生可减少70％～90%。同时由于烟气量大大减少，烟气热损失也大大减少，从而显著减少燃料用量，也降低了CO2的排放量，因此它为节能与环保并举提供了一个很好的途径。

（7）脉冲燃烧技术

脉冲燃烧技术是近年来开发的一项行之有效的降低NOx的技术，烧嘴采用间断燃烧的方式，一旦工作，就处于满负荷状态。当需要升温时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减少；需要降温时，烧嘴燃烧时间减少，间断时间加长。通过调价燃烧时间的占空比实现窑炉的温度控制，燃料流量可通过压力调整预先设定，无需在线调整，即可实现空气过剩系数的精确控制。

故脉冲燃烧技术传热效率高、能耗低、炉内温度场均匀性好，这些均有利于减少NOx的生成。

5.2化学法防治

催化法脱除NOx是化学法防治NOx的主要方法，它包括催化还原、催化分解及催化氧化，催化还原及催化分解其原理是，通过一定的催化剂的作用将NOx还原或分解为N2和02，而催化氧化是将NOx氧化成NO32-硝酸根离子。这些方法用在窑炉方面一般是将催化剂喷入窑炉炉腔内，阻断NOx的形成，从而降低NOx的浓度，这种方法约可降低NOx90％左右。但这种方法的设备造价较高，因此它的使用也受到了限制，还可以使用涂层的办法，在窑内壁或烟囱内壁除上一层具有吸收NOx功能的涂层材料，以吸收废气中的NOx。

5.3 完全取消燃料的新型加热技术及设备

从以上分析情况来看，无论是哪种窑炉，只要是燃料型的包括燃煤、重油、轻柴油或燃气，所有燃料在燃烧过程中都会产生对环境有影响的废气，而且由于燃料型加热过程中传热的不均匀性，易使制品加热不均匀而引起变形、开裂等缺陷，大大制约了陶瓷烧成中的产、质量，微波烧成技术是一种完全不用燃料的新型烧成技术，其在高性能陶瓷、电瓷等的烧成中已有所尝试。该技术除了与常规的烧成技术相反，从坯体内部加热，加热均匀，这种整体加热可避免材料导热性能差的缺点，升温速度快而且不会因温度不均而引起开裂、变形，更重要的是可以完全避免产生CO、CO2、SO2、NOx等有害气体，而且由于热效率高能源转换率高，可达70％以上，故是一种先进、环保型洁净加热技术。采用微波加热的连续性的隧道窑、间歇式的梭式窑已经面世，很多种类的陶瓷，包括结构陶瓷，功能陶瓷，日用陶瓷，多孔环境陶瓷等均有成功的应用。可以预见在不久的将来，随着环保要求的日益苛刻及社会文明的发展，这项技术必将象辊道窑一样发展及普及[14]。

6 展望

新世纪陶瓷窑炉将是综合引入和利用专业技术和相关科

学，如传热学、气体流动学、燃烧、热力学、电子学、物理学、化学机械工程、材料科学、测试科学。流动和控制技术、经济学、管理学、能源技术、环境技术、环保技术等的最新科技成果，综合考虑能源、经济、技术和环境四个因素在内的节能一高效一低成本一环保型窑炉系统。

随着计算机技术飞速发展和对于NOx生成规律以及氮氧化物反应动力学研究的不断深入，目前关于氮氧化物反应的综合机理模型可包括上百个乃至200多个化学反应，能够将热力NOx、快速NOx、燃料NOx的生成过程包括在内，并可以与燃烧过程耦合计算。综合机理虽然考虑全面，但仍有局限性，而且化学反应方程式的选取也不可能完全正确。另外，反应众多，使其十分复杂，无法用于较复杂的流动和燃烧过程，在实际计算时必须大大简化。这系统工程的解决将是新世纪摆在陶瓷窑炉工作者们面前的重任，只有彻底解决废气的污染，才能给人们于蓝天，给新世纪的人以舒适的生活环境。

节能论落譬西霹每每譬譬莓莓年器暂每筇辱每每譬器并;;薄薄耳西再蓐巧孽棼茹整的赫蓐每每嚣辱西筇萄昂譬茚譬譬鸟昂筝再每年再莓再缛再殍鼯蔷每每每筇嚣一_～…～……:………一…一……-一…-'.长春建筑材料工业学校一1大庆林甸县宏字建筑安装工程有限公司许文至晗尔黼限电视台兴伟仰7摘要:畸介国内外瓷工业窑炉的燃料,燃烧现状度其节能技术,井对窑妒的节佳最秉进行评价【【美键词:'鸯瓷工业窑妒节能1概述,肆众所周知.陶瓷工业在生产过程中要消耗大量的能源,而烧成工序的耗能约占总能耗的61%烧成窑炉是主要耗能设备,燃料的品种与窑炉的工作性能有着密切的关系.例如采用净化的气体燃烧可以保证烧成制度稳定,方便管理,有利于自动控制若配合高的优越性就比不上气体燃料.但比直接的煤炭还是好得多.因此.

工业发达国家在50年代几乎把所有的窑炉全部改烧油类,到6年代又改烧气体燃料.白70年代出现能源危机以来+除用轻质耐火材料加强保温,减少蓄提高.但这种节能是有限度的,如层燃方式下喷水热效率提高为2%—_6%,其喷水量为8%--10%;水煤浆热效率提高为5%一10%.其掺水量为30%--40%;"洪成水基燃料提高热效率约2%,其掺水量为40%一44%;重油掺水用超声波乳化,热效率提高约3%,掺水量为0%.可见,并不是所掺进或喷人的水都变成了燃料.3.掺水或喷水量有一定限制因为,掺水和喷水毕竟有一定4作用,如降低燃烧温度,增大排烟热损失等,盈作用须控制在允许的范围内考虑到减少吸热,喷水蒸汽比喷水为优.4.上述燃烧方式的节能意义还在于:充分利用劣质燃料,变不好烧为好烧如燃用古水量较多的重油;以一种较低品位的燃料替代另一种较高品位的燃料,如水煤浆以煤代油.?32一憎童产量与节麓)2呻年簟3期5.具有较好的环保特性掺水或喷水因水吸热.降低燃烧温度,能抑制热力.生戚,同时,因牯结和避免析碳,可减少烟尘量.6.综合上述燃烧机理.水在燃烧过程中并没有变成燃料,它只是参与了水煤气反应,最终仍然生成了水蒸汽随烟气排棹至于水的离解,需要催化剂和高温条件,无催化剂时,2000℃下,2的离解度为1.25%;2500℃下,为8.84%.因此,在实际工程的炉内环境中,水难以离解为氢燃料.热以及采用低热容窑车以外,并在燃烧系统发展高速等温喷嘴.目前,这种高速等温热气流速度可达300/,这对缩小传统窑炉的断面温差和加快传热速度具有显着的效果,特别适用于烧成大件制品的窑炉.另外,还有一种所谓换热式烧嘴,可将一次空气预热到650℃,喷出速度为80/,它比一般烧嘴可以节约燃料32%～45%.2陶瓷窑炉燃料的现状随着各国燃料工业的发展,使用石油和天然气的比例在逐渐增加,煤的比重逐渐下降,这是因为石油和天然气在技术经济方面比煤炭有很大优越性的缘故.首先,石油和天然气工业所需的劳动生产率比煤炭工业少好几倍,开采一吨标准燃料的煤所花费的劳动力比开采一吨标准燃料的天然气多11倍,开采一吨标准燃料煤的劳动力也比开采一吨标准石油多好几倍.其次,在工业和国民经

济其它部门,利用高热值的天然气和石油燃料也有很多好处.另外,即使在拄有或缺少石油或天然气资源的国家,也都走煤气化的道路,回收煤的各种宝贵的化工原料.实行煤的综合利用,也便于窑炉操作的机械化和自动化.美国的陶瓷工业采用天然气,液体燃料和电;法国采用重油,煤气,丙丁烷,天然气和电作燃料;意大利以重油,天然气和电为主;英国所采用的燃料有煤,天然气,液化石油气,丙烷,乙烷.日本在第二次世界大战以前,陶瓷工业的燃料以媒和木柴为主,近些年来,广泛采用重油作燃料.日本是一个缺乏燃料的国家,煤和液体燃料都要靠进口,但是,采用重油还是比煤有利.重油与煤比较有以下优点:①重油的单位发热量大,容易产生高温.②重油的品质划一,易于进行均匀的烧成.③重油是流体,可以采用机械吸收,节约搬运和烧窑的人工费用.节能论坛④可以根据需要进行自动调节.⑤重油的入库和保管简单,储藏用地较小⑥可采用输油管运输,用燃烧器燃烧,有利于环保.⑦燃烧重油,操作简单,不需复杂和熟练的操作技巧.天然气含热量很高,比用重油更好,只要用变压设备就可以将天然气用到陶瓷窑炉上.由于天然气能以始终不变的质量输送出来,而且不存在因含量所引起的质量损失.用天然气无需燃料储存设备和采取油罐安全措施.因此比采用重油的设备更省.电是陶瓷工业最理想的能源,不仅许多水力发电的国家(如法国,意大利,瑞士,瑞典,美国),就是象火力发电的国家(如英国,德国,捷克)都逐渐采用电来焙烧制品.电热窑炉的优点较多;很容易达到所需的温度,能够准确地控制温度曲线,热耗量低.存在问题是:如何使还原气氛中的氢和燃烧所生成的水汽不致使发热元件缩短寿命.近年来,国外陶瓷工业采用液化气燃料逐渐增多,液化气有以下优点:发热量为46.09/,无论储存和使用都很干净,它可以全部燃烧,燃烧后无烟,无灰,无臭,无毒,无残渣.这一点对培烧制品很重要.可避免在煅烧过程中因废气污染而使制品产生缺陷.液化气是液态储运,气态使用,其液体体积仅相当于气态体积的/250.因此,大量的能源可以装在较小的容器里,运输到任何地方.液化气是石油开采和加工的副产品,它是丙烷,工业丁烷一丁烷的混合物,液化的主

要目的是解决运输问题.因此,凡是开采和加工石油的国家一般都生产液化气,美,法,德和日本等国家在陶瓷工业中都采用液化气,日本的液化气一部分来自炼油厂,另一部分从科威特和其它中东国家进口西方国家自50年代以后,陶瓷工业的燃斟已逐步淘汰了用煤,而代之以石油,天然气'蕾童产品与节年董333.以及液化石油气等.但是天然气的利用是以自然条件为依据的,且气碌能够持续供应多久,对于耗能较大的陶瓷工业,究竟采用什么燃料符舍当前和今后的长远利益,目前已引起西方科学界的注意并正在试探多种途径.现在我国和西方某些国家已提出重新烧煤的口号.近年美国已研制成一种以磨细的煤粉,混合预热空气,以高压喷人窑内为燃料,其优点有:①任何原来烧液态或气态燃料的窑都可以立刻更换喷煤粉的设备,无需更动窑的辅助设备和结构;②

在陶瓷窑炉上应用增氧助燃技术的介绍

增氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度。其极限是纯氧。增氧助燃具有使火焰温度提高、烟气热损失小和燃烧效率提高等作用。增氧助燃对所有燃料（包括气体、液体和固体）在绝大多数窑炉均适用。它既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能。实验表明用26.7%的浓氧空气燃烧褐煤或用21.8%的浓氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度，等同于普通空气燃烧重油所得到的理论燃烧温度。

一、在陶瓷窑炉上应用的必要性

1、现有的各种陶瓷烧成窑炉，或是排烟温度很高、或是因漏风严重，表观排烟温度虽不很高，但排烟量很大，造成排烟损失过大。各种间歇窑炉排烟热损超过了总供入热50%，各种马弗式隧道窑超过了供入热的40％。

另外，陶瓷炉窑属高温炉窑，窑内气体与制品的热交换主要

是以辐射形式进行。按气体辐射的特点，只有三原子和多原予气体具有辐射能力。双原子气体几乎无辐射能力。而以常规空气助燃的炉窑中，无辐射能力的氮气所占比例很高，因而炉气的黑度很小，影响了炉气对制品的辐射力。从而影响了炉气对制品的换热速率，延长了烧成周期，导致能耗增加。

采用增氧助燃使上述两个方面均可得到改善, 能较大幅度的降低排烟热损和提高加热速率。可以收到明显的节能效益。而且随着燃料结构越来越向高质高价方向变革，其节能效益将越来越显著。

我们在重点分析了煤气及重油烧成的各种窑炉采用浓氧空气助燃的热工特性及节能效益后认为，采用增氧助燃将是陶瓷烧成煤气化后的又一项重点节能措施。

2、天然气的主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。伴生天然气因含有石油蒸汽，故除甲烷外，还含有较多的重碳氢化合物。上述各种碳氢化合物在天然气中的含量约在90%以上，因此，天然气的发热量很高，一般为8000-10000千卡/米3，或更高。

除了碳氢化合物以外，天然气中还有少量的CO2，N2，O2，

H2S，CO等，大致成分如下表所示：

天

天然气是一种高热值燃料。但由于天然气中CH4含量大，燃烧速度较慢，以及煤气重度小等原因，为了提高天然气火焰的黑度和燃烧效率，因此在燃烧时组织火焰和燃烧技术上必须采用相应的措施，以保证充分发挥天然气的作用。可以向天然气喷射重油或焦油等液体燃料；也可以设法使天然气中的碳氢化合物发生分解，靠分解出来的游离碳来提高火焰的黑度，叫做火焰的自动增碳；还可以采用增氧助燃的方法，由于在主燃区燃烧化学反应速度快，所以氧气供应远远落后于反应的需要，通过采用增氧助燃而增加喷射气流中氧气的含量，则可以提高燃烧效率，可达到充分燃烧、节能的目的。

3、燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。热的传递一般通过辐射、传导和对流三种方式进行。这三种传递方式哪一种作用为主，主要取决于下列因素：一是火焰类型和形状；二是加入的空气中氧的含量；三是熔窑的周围情况等。燃气窑炉的

热交换主要应是以辐射形式进行。由于辐射热传递速率与绝对温度的四次方乘正比，所以在高温下提高燃烧温度将会大大增加热辐射的作用。根据实验和实践材料证明，采用增氧助燃的方法可以有效的提高火焰温度，从而改善窑炉的热交换方式。

一般说来，火焰的两种类型，既发光火焰和不发光火焰。不发光火焰（无色的或浅蓝色的）的燃烧主要是靠对流传递到物料和窑壁上去，然后，热量辐射到物料上去，只有少量的热是通过火焰辐射传递给物料的。因此，在一个用不发光火焰加热的熔窑中，传递给物料的大部分热量都是窑壁的辐射热。

二、增氧助燃的机理

1、加快燃烧速度，促使燃烧完全

燃烧速度实际上是一种定性的说法，如乙炔是一种燃烧速度快的燃料，其火焰短而密实；天然气相对于乙炔来说，是一种燃烧速度慢的燃料，其火焰较长，但只要燃烧完全，都可以最大地放出应有的热量。

要使燃料达到完全燃烧，必须使燃料与空气混合均匀和充分接触，浓氧空气参与助燃后，不仅使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度（一些气体燃料在空气（O2的体积分率为21%）中和纯氧中的燃烧速度对比情况见下表2），获得较好的热传导，同时，提高温度将有利于燃烧反应完全，燃料的能量利用率大。

几种气体燃料的燃烧速

2、降低空气过剩系数

用普通的空气助燃，真正参与燃烧只有占空气总量约1/5的氧，而占空气总量约4/5的氮和其他惰性气体非但不助燃，反而将随着燃烧的进行带走大量的热能。采用浓氧空气参与助燃，可以降低实际空气量，从而降低实际排气量，能较大幅度的减少窑炉排气量及其带走的热损失，增加热量利用率，提高热效率。

3、增加热量利用率

增氧助燃技术对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，而用26%的浓氧空气助燃时，可利用量为56%，氧浓度在21%-30%之间其热量利用率随

氧浓度提高而升高的最快,因此在这个氧浓度范围内对提高热量利用率最佳，因此节能效果就越好。

4、提高了火焰温度，增强了辐射传热能力

通常空气中的氧体积含量为20.93%，氮为78.1%及少量的惰性气体等，真正参与燃烧的氧只占空气总量的1/5，而占4/5氮和其他惰性气体非但不助燃，反而将随着燃烧的进行带走大时的热能。使用浓氧气体参与助燃可使氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高(如图1所示为天然气燃烧温度随氧浓度的变化曲线)。但氧浓度不宜过高，国内外的研究均表明，氧气的体积分数在26%-30%左右时最佳。氧浓度在26%~30%之间每提升一个百分点火焰温度提高35℃。当增氧助燃装置产生的气体中氧气的体积分数在28%左右时，可以有效的将炉膛温度整体提高50℃左右。由于辐射热传递速率与绝对温度的四次方乘正比，所以在高温下提高燃烧温度将会大大增加热辐射的作用。这样，无论热是直接的或是间接的传递，浓氧空气参与助燃就会由于火焰温度升高而增加传导、对流和辐射三种形式的热传递，从而提高了物料的熔化速度，促使燃烧完全，减少排烟黑度。根据阿累尼乌斯定律证明，炉膛温度每升高10℃，化学反应速度将提高2~4倍。

图1 天然气燃烧温度随氧浓度的变化曲线

在陶瓷烧成高温窑中，燃料的燃烧热主要是靠辐射方式传给炉壁和制品。因而炉气的黑度是至关重要的。在用常规空气助燃所产生的炉气中，具有辐射能力的三原子气体的体积百分比之和一般不超过30%，而无辐射能力的氮气所占比例很大。采用浓氧空气助燃，其炉气中CO2和H2O等三原子气体的构成比例将会增大。增强了辐射传热能力。

5．降低燃料的燃点温度和燃烬温度

燃料的燃点温度不是常数，它的高低和燃烧条件、受热速度、空气用量、周围温度等因素密切相关。浓氧空气参与助燃，将有利于降低燃料的燃点温度，而且能减小火焰尺寸，并增加单位体

积的热释放量，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅为388℃，所以采用增氧助燃能提高火焰强度和增加释放热量等。

三、增氧助燃技术在陶瓷窑炉烧成中的优点

1、烧成的四个阶段

在间歇窑和隧道窑的烧成中，产品烧成要经过四个阶段,即：干燥、分解、氧化、烧成。

氧化是烧成过程最重要的阶段，在这个阶段，易燃物被燃烧掉，铁和其它着色化合物被氧化。加热时必须避免过烧和黑心，如果加热速度过快和燃烧制度选择不当，就会严重影响产品的表面质量。

粘土制品中的黑心是由于含碳物质未充分氧化而引起的。碳黑心对产品颜色的影响不如铁变价对产品颜色影响大。最佳的氧化温度范围是930℃ ～1040℃ ，这个温度范围对产品质量影响很大，并且随着单位时间的产量以及产品配方的改变而相应变化。采用增氧助燃技术后，可以使含碳物质得以充分氧化，避免黑心情况出现。

2、氧在粘土产品中的重要作用

窑内气体的基本组成是：O2、N2、CO2、CO、水蒸汽、S O2、SO3。在大多数情况下原料的性质决定着窑内气体的种类和数量。氧气和氮气来自空气；碳烃化合物燃料如：煤、油、丙烷、发生炉煤气、天然气等，它们完全燃烧后产生CO2和水蒸汽，如果燃烧不完全就会产生CO和H2；硫的化合物是由不纯原料带入的，燃烧产生SO2、SO3。粘土制品中化学反应的控制，是通过调节氧和一氧化碳的比例来完成的。陶瓷坯体中的碳需氧来氧化，碳完全氧化产生相对稳定的CO2气体。当烧结含碳粘土制品时，在多孔期碳就应该完全氧化。氧化气氛可除去陶瓷产品中的硫，陶瓷中的硫大多以硫化铁形式存在(黄铁矿和磁黄铁矿)。因为SO3分子易被吸附到硅酸盐坯体内表面，维持氧化气氛可消除窑内的含硫气体。当氧气不足时，碳烃化合物燃烧产生CO，CO 是Fe、Mn的还原剂，这是要极力避免的，因为FeO是黑色的，而且在铝硅酸盐中作为一种熔剂，在氧化气氛中的白瓷，在还原气氛中呈蓝白色。在瓷坯中还不能有Mn的低价氧化物存在，因为它具有很强的酸溶性。

3、提高氧化速率

氧气的浓度和反应温度决定着窑内的物理化学反应，因此，当窑内温度升高或氧化浓度增大时，氧化速率增大。碳烃化合物燃料的燃烧产生CO2 和水蒸汽，陶瓷原料也产生大量的CO2和水蒸汽，这样就冲淡了样品周围氧气的含量。因此要维持氧化气氛，就必须通入流动空气，带走CO2 和水蒸汽，或者输入纯氧气。要提高产品的成品率就需要提供足够多的氧气使产品更好地烧结。在燃料燃烧过程中输人大量空气来维持氧化气氛，空气中氧与氮气的体积比为1：4，因此要输入1体积的氧气需输入5体积空气。大量空气通过窑炉不同加热带时被加热，空气传热于粘土制品是通过对流和传导，

所以要求优化空气的用量，以大的湍流从窑中抽出大量热的气体，这些余热的利用使厂家获得了一定的利润。因此，对使用者来说，加入纯氧能实现两大目标，一是提高燃烧效率，二是增大氧化速率。

4、提高燃烧效率

直接加入纯氧与加入空气的不同之处在于：后者有氮气存在。降低燃烧气氛中氮气含量会产生以下两种结果：

在相同能耗下，火焰的温度将升高，窑内热辐射将直接向制品传热，不需要湍流来导热。燃烧产物体积的减小，不致冲淡窑内氧化气氛。高浓度氧气的存在，使氧化反应迅速完成，可提高产量和成品率。另外，氮气的减少还可使燃烧器的效率提高，燃料的能量利用率增大，并减轻对窑内气氛的稀释作用。

5、氧气注入技术

由于氧气注入氧化反应带，使助燃空气大大减少，并使氧化速率提高；注入氧，还可使氧化反应所维持的时间缩短，因而可适应产量增加的需要。由于明焰燧道窑不是一种密封的窑炉，为了减少氧气的损失，所以使用一种特殊的氧气注入方法。为了节省燃料，在助燃风中氧含量在原来的基础上(21％)增加3～4％ ，同时将空气和煤气调到合适的比例，使窑内温度不变。当目标是节省燃料，增加产量时，可以通过特殊的切缝注入氧，根据隧道窑的不同设计安装不同尺寸的注氧切缝，所有的切缝必须联接到一个总管，以控制氧气的总流量。注入氧的系统，操作既安全又简单，通过几小时的训练就可以进行操作。以上技术可适用于砖瓦、熔块、色料、釉面砖、日用瓷和卫生陶瓷等多种产品的烧成。当混合空气中氧的含量增加，窑内火力增强，从而提高了燃烧效率，降低了燃料消耗。氧气的注入在很大程度上减少了窑车顶部与底部的温差，也减少了废气的排放。隧道窑中氧含量增加使烧结的产品更均匀。高氧气氛也使红地砖和普通砖瓦能获得深红色。

增氧烧成技术的使用，使单位重量产品的能耗降低，成品率增加，在大多数情况下仅几个月就能收回增氧设备的投资。

四、增氧助燃的热工特性分析

1．能大幅度的减小出窑炉气量及其带走的热损失

众所周知，采用浓氧空气助燃，可以降低理论空气量，从而降低理论排气量，降低的幅度取决于氧含量。当前，膜式增氧助燃装置可以制成氧浓度很高的浓氧空气，但随着氧含量的增加，制作成本也相对增加，因而，国内外在普通燃料炉上应用大多采用

23％-35％的浓氧空气。本文是以氧含量为25％的空气为实例进行分析。表3计算了几种典型炉窑采用25%的浓氧空气与常规空气助燃时排烟热损的差别。以表3数字可以看出，离窑火焰温度越高，采用浓氧空气时降低排烟热损的幅度越大。而燃料价格越高节能效益越明显。

采用含氧量25%的空气与常规空气助燃排烟热损失的比较 表3

2． 炉气的辐射传热能力增大

1)增加了炉气中三原子气体的比例，增大了炉气黑度

在陶瓷烧成这类高温炉窑中， 燃料的燃烧热主要是靠辐射方式传给炉壁和制品。因而炉气的黑度是至关重要的。在用常规空气助燃所产生的炉气中，具有辐射能力的三原子气体的体积百分比之和一般不超3O％，而无辐射能力的氮气所占比例很大。采用增氧助燃，其炉气中CO2 和H2O等三原子气体的构成比例将会大增。表4、表5分别计算了以焦炉煤气为燃料，用25％的浓氧空气助燃对炉气成份及黑度的变化。从表5可见，按炉膛温度1300℃计， 表征炉气辐射能力的炉气黑度采用25％的浓氧空气比常规空气助燃提高了11.4%。 炉气成

炉气的辐射能力除与炉气黑度有关外还与炉气温度有关。因为氧浓度的提高，降低了理论空气量，从而降低了理论排气量。使得理论燃烧温度大幅度提高。在同等条件下，能大幅度提高火焰温度。表6计算了以焦炉煤气为燃料，以常规空气和25%的浓氧空气助燃时理论燃烧温度的变化。

火焰温

3)传热能力的增加可大幅度的缩短烧成周期．降低消耗

因为炉气黑度增加和火焰温度提高的共同作用，使得煤气向炉壁和制品的辐射传热能力大幅度提高。表7计算了在炉膛温度为1300℃时，不同助燃剂助燃，单位面积的炉气向制品的传热能力q的