劉小云

（咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西咸陽(yáng) 712000）

蓄熱燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐上的應(yīng)用＊

劉小云

（咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西咸陽(yáng) 712000）

對(duì)蓄熱燃燒原理、高溫低氧燃燒、低NOx排放，陶瓷蓄熱體材質(zhì)、形狀、大小以及蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)、換向時(shí)間和換向閥等關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析，同時(shí)介紹了陶瓷球蓄熱式換熱器在陶瓷窯爐上的應(yīng)用情況。結(jié)果表明，此項(xiàng)技術(shù)可從根本上提高陶瓷窯爐的熱效率，熱效率可達(dá)70%～80%，節(jié)能可達(dá)54%，可實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗、清潔環(huán)保的目的。

蓄熱燃燒 陶瓷窯爐 陶瓷球蓄熱體 蓄熱式換熱器 低NOx排放

前言

對(duì)于陶瓷工業(yè)的發(fā)展，窯爐節(jié)能技術(shù)始終發(fā)揮著重要的推動(dòng)作用。近幾年，隨著石油價(jià)格不斷的攀升，陶瓷業(yè)界正是基于能源問(wèn)題，大刀闊斧地在節(jié)能技術(shù)上進(jìn)行不斷革新，促進(jìn)了陶瓷窯爐節(jié)能技術(shù)大幅度提高，使陶瓷行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量獲得了不斷提升。

提高陶瓷工業(yè)窯爐的熱效率，實(shí)現(xiàn)低成本、環(huán)保型高溫燃燒是陶瓷行業(yè)共同的愿望。以往人們?cè)跓煹郎习惭b空氣預(yù)熱器，以回收煙氣顯熱；選用新型筑爐材料和高性能的保溫隔熱材料，以防止窯墻散熱；大力推廣節(jié)能燒嘴，以提高燃燒效率；優(yōu)化窯爐設(shè)計(jì)、改進(jìn)操作、自動(dòng)化、微機(jī)智能控制運(yùn)行等措施，以使工業(yè)窯爐的熱效率得以提高［1～4］。盡管如此，陶瓷工業(yè)窯爐的熱效率總體水平仍較低，平均只有30%左右。自從20世紀(jì)80年代英國(guó)的HOT WORK公司開(kāi)發(fā)蓄熱式陶瓷燃燒器（Regenerative Ceramic Burner，縮寫為RCB）以來(lái)，使提高工業(yè)窯爐熱效率成為可能。筆者在介紹蓄熱燃燒原理和全面分析其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重研究陶瓷球蓄熱體材質(zhì)、形狀、大小和探討蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)阻力、熱效率等性能的影響，以及陶瓷球蓄熱體在陶瓷窯爐上的應(yīng)用情況。

1 蓄熱燃燒技術(shù)原理

RCB的出現(xiàn)可使助燃空氣預(yù)熱的溫度接近爐膛溫度（1 200℃以上），生產(chǎn)實(shí)踐證明，助燃空氣每提高100℃，可節(jié)能3%～5%，于是該技術(shù)便迅速被英國(guó)等國(guó)家相關(guān)企業(yè)所應(yīng)用。經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)，煙氣中NOx、CO2含量提高，甚至高達(dá)500 mg／L，因而無(wú)法大范圍推廣應(yīng)用。盡管如此，人們對(duì)其顯著地節(jié)能效果和如何解決與環(huán)保相矛盾的問(wèn)題仍然相當(dāng)重視。到20世紀(jì)90年代，蓄熱燃燒技術(shù)也稱高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion，縮寫為HTAC）在攻克諸如NOx排放、長(zhǎng)壽命換向閥和蓄熱體材料等問(wèn)題后，終于被聯(lián)合國(guó)環(huán)保署所推崇和國(guó)際權(quán)威專家確認(rèn)并被譽(yù)為是一項(xiàng)跨世紀(jì)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，才得以大范圍推廣應(yīng)用［1～3］。

一個(gè)HTAC單元至少由2個(gè)燒嘴，2個(gè)蓄熱器，1個(gè)或數(shù)個(gè)氣體換向閥以及相關(guān)管路，風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，當(dāng)燒嘴A的助燃冷空氣經(jīng)過(guò)蓄熱器1的陶瓷球蓄熱體堆放層（此時(shí)，蓄熱器1的陶瓷球蓄熱體已蓄熱，冷空氣氣流通過(guò)時(shí)被加熱），由于助燃冷空氣通過(guò)陶瓷球蓄熱體，冷空氣被加熱，助燃風(fēng)溫度提高。所以，助燃風(fēng)變成高溫的助燃風(fēng)進(jìn)行助燃。對(duì)應(yīng)的燒嘴B起到排煙作用，燒嘴B燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣通過(guò)蓄熱器2換熱冷卻，熱煙氣加熱處于冷卻狀態(tài)的蓄熱器中的陶瓷球，經(jīng)充分熱交換后，熱的煙氣通過(guò)換熱變成冷煙氣，冷煙氣通過(guò)風(fēng)機(jī)排放，換向閥動(dòng)作換向，這樣周而復(fù)始，達(dá)到蓄熱燃燒的目的。此時(shí)換向閥和風(fēng)機(jī)都處在低溫工況條件下，故不僅可選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，同時(shí)煙道和煙囪也不必使用耐高溫內(nèi)襯材料，可大大降低建造或改造投資成本。

圖1 陶瓷球蓄熱式換熱器示意圖

2 蓄熱燃燒技術(shù)及所用材料

2．1 蓄熱燃燒的關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，低含氧量高溫燃燒，低NOx排放是蓄熱燃燒技術(shù)的關(guān)鍵。為了使窯爐達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的雙重目的，陶瓷窯爐往往采用兩段式燃燒方法，即低含氧量（2%～20%）燃燒。具體操作是空氣進(jìn)入蓄熱器，在極短時(shí)間內(nèi)將其預(yù)熱到比爐膛溫度低50～200℃（一般為1 200℃以上）的高溫，然后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行部分燃燒，并抽引周圍空氣形成低含氧量的稀薄氣流，同時(shí)向稀薄高溫空氣中注入燃料，使其在高溫實(shí)現(xiàn)低含氧量狀態(tài)燃燒，這樣燃燒產(chǎn)生的煙氣中的NOx、CO2含量可降低30%～60%，既節(jié)約了能源又起到了環(huán)保作用。

2．2 蓄熱體基本要求及材質(zhì)要求

如圖1所示，蓄熱式換熱器的關(guān)鍵設(shè)備蓄熱器由蓄熱體來(lái)填充，根據(jù)蓄熱式換熱器的工況要求，蓄熱體必須符合以下條件：

1）使用溫度應(yīng)不低于1 250℃，并且有良好的抗熱震性能。

2）在高溫下具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

3）對(duì)高溫?zé)煔庵械腟O2、NOx、CO2等具有良好的抗腐蝕性，并不與高溫粉塵固溶反應(yīng)。

4）使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格適中。

根據(jù)以上條件，并結(jié)合蓄熱燃燒換熱器的使用，從熱熔、抗熱震性、耐化學(xué)腐蝕性及導(dǎo)熱率等方面綜合考慮，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用，莫來(lái)石質(zhì)陶瓷是陶瓷蓄熱體最適合的材料，其使用壽命長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上，有的甚至可達(dá)6～12個(gè)月，且價(jià)格適中，很容易被企業(yè)接受。

莫來(lái)石質(zhì)陶瓷蓄熱體的物理特性：密度為3．2 g／cm3，熱熔為4．55 J／g·℃，耐火度為1 850℃，使用溫度為1 400～1 500℃，抗折強(qiáng)度為25 MPa，熱膨脹系數(shù)為4．3×10－6／℃，抗熱震性良好，導(dǎo)熱率為5．2 W／m·K，其性能完全符合蓄熱體材質(zhì)的要求。

2．3 陶瓷蓄熱體的形狀及大小

陶瓷蓄熱體的形狀通常有3種，即球狀、蜂窩狀和八字形，如圖2所示。

圖2 陶瓷蓄熱體形狀

對(duì)陶瓷蓄熱體的選擇，必須具備下列條件：

1）比表面積大；

2）阻力損失?。ㄒ话阋笤? k Pa以下）；

3）價(jià)格低廉；

4）清洗方便。

相同材質(zhì)的陶瓷球蓄熱體，在換熱器使用過(guò)程中具有強(qiáng)度高，抗熱震性優(yōu)良，更換清洗方便，價(jià)格低廉等明顯的優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛使用。

陶瓷球的堆積孔隙率、抗熱震性、阻力損失與陶瓷球大小的關(guān)系都對(duì)蓄熱體的蓄熱效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。等直徑球在蓄熱器中堆積形成的孔隙率不隨球的大小而改變，并且整個(gè)堆積層的透氣性均勻。陶瓷球大小不同對(duì)球的抗熱震性具有決定性的影響，同材質(zhì)陶瓷球抗熱震性能隨陶瓷球直徑的增大而降低，阻力損失隨陶瓷球直徑的增大而減小，一般采用莫來(lái)石球作為換熱器的蓄熱體，直徑以20 mm或25 mm為宜。

3 蓄熱燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐上的應(yīng)用

蓄熱燃燒的換熱器存在3種傳熱過(guò)程，即煙氣放熱與空氣吸熱，蓄熱體表面與煙氣（或空氣、燃料）的熱交換以及蓄熱體內(nèi)的傳熱、蓄熱和放熱。根據(jù)蓄熱燃燒技術(shù)的工作原理和陶瓷燒成工藝要求，間接地將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于陶瓷窯爐，取得了良好的效果。

3．1 余熱回收在陶瓷窯爐上的應(yīng)用

陶瓷窯爐主要以連續(xù)式窯爐為主，如隧道窯、輥道窯、推板窯等。連續(xù)式窯爐的工作特點(diǎn)是：燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诟G內(nèi)與陶瓷制品間逆向運(yùn)動(dòng)，從窯爐的燒成帶流經(jīng)預(yù)熱帶，最后從排煙口排出。煙氣在流動(dòng)過(guò)程中熱量以輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱的形式傳遞給坯體、窯具和窯墻，最終以700℃左右的溫度排出窯外，浪費(fèi)了大量的熱能。雖然有少數(shù)企業(yè)將普通金屬管道換熱器應(yīng)用于煙氣的余熱回收利用，但是由于換熱面積有限，換熱效率不高，能源浪費(fèi)仍然較大。

在陶瓷窯爐上應(yīng)用余熱回收技術(shù)，可以對(duì)窯爐的主煙道進(jìn)行改造，將主煙道截面分成2個(gè)相等的部分，分別安裝蜂窩陶瓷蓄熱體，通過(guò)2個(gè)四通換向閥及2個(gè)引風(fēng)機(jī)構(gòu)成煙道蓄熱式煙氣余熱回收系統(tǒng)，基本工作原理如圖3所示。

圖3 蓄熱式煙氣余熱回收工作原理

由圖3可見(jiàn)，冷空氣由換向閥2進(jìn)入蓄熱體A被加熱后轉(zhuǎn)變成熱空氣（用于助燃和坯體干燥），與此同時(shí)，高溫?zé)煔庥蓳Q向閥1進(jìn)入蓄熱體B，放熱后高溫?zé)煔廪D(zhuǎn)變成低溫?zé)煔?，由煙道口排出；工作一段時(shí)間（20～100 s）后，2個(gè)換向閥同時(shí)換向（圖3中虛線），此時(shí)冷空氣由換向閥2進(jìn)入蓄熱體B被加熱后轉(zhuǎn)變成熱空氣。同時(shí)，高溫?zé)煔庥蓳Q向閥1進(jìn)入經(jīng)蓄熱體A，放熱后高溫?zé)煔廪D(zhuǎn)變成低溫?zé)煔庥蔁煹揽谂懦?。這種換向操作循環(huán)進(jìn)行，即可完成窯爐煙氣余熱的回收，以獲得高溫?zé)峥諝?，用于助燃或坯體干燥等。

3．2 高溫空氣助燃和降低NOx排放技術(shù)在陶瓷窯爐上的應(yīng)用

陶瓷窯爐的余熱（含煙氣）主要有兩大部分：一部分是窯爐預(yù)熱帶的燃燒煙氣，一部分是窯爐冷卻帶的余熱。冷卻帶的余熱由于是潔凈熱空氣，目前大多數(shù)已得到回收利用，所以不再贅述。煙氣余熱在建筑陶瓷的生產(chǎn)中大多數(shù)也回收利用于坯體的干燥，所以在文章中不涉及其余熱利用。衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)由于各種因素的影響，大多數(shù)余熱沒(méi)有被回收利用，所以此項(xiàng)技術(shù)具有實(shí)際應(yīng)用意義和推廣價(jià)值，同樣該技術(shù)也可在電瓷、耐火材料等行業(yè)應(yīng)用。

在煙氣余熱回收的基礎(chǔ)上，將回收到的500℃左右的熱空氣部分用于助燃，雖然與冶金行業(yè)的熔化爐相比熱空氣溫度較低，但由于普通陶瓷的燒成溫度也較低，所以也能達(dá)到明顯節(jié)能的效果。

關(guān)于組織低氧燃燒降低NOx排放方面，只需對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造就可以實(shí)現(xiàn)。目前，由于普通陶瓷的燒成溫度較低，燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx較少，基本上能夠達(dá)到國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

蓄熱燃燒技術(shù)由于其技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已在冶金、機(jī)械等行業(yè)的窯爐上被廣泛應(yīng)用，其用于陶瓷窯爐的節(jié)能和環(huán)保效果十分顯著。

蓄熱燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低成本燃燒，提高窯爐熱效率的最佳手段之一，熱效率可達(dá)70%～80%，節(jié)能效益可觀。高溫空氣助燃和降低NOx排放也能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)保效果顯著。

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4 李燦，文武，梁衛(wèi)民，等．高溫空氣燃燒技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景．冶金能源，2003，22（2）：41～46

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TQ174．6

：A

：1002－2872（2012）09－0009－03

劉小云（1976－），碩士，工程師；主要從事建筑衛(wèi)生陶瓷技術(shù)及信息傳播。