基于輥道窯富氧燃燒計(jì)算與分析

潘小勇 宮小龍 馮青 汪和平

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

基于輥道窯富氧燃燒計(jì)算與分析

潘小勇 宮小龍 馮青 汪和平

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

以180m玻化磚輥道窯為富氧燃燒計(jì)算分析對象，在正常助燃空氣燃燒計(jì)算基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行富氧體積分?jǐn)?shù)為25%，29%，33%，37%的富氧燃燒計(jì)算，得出該窯爐節(jié)能效果顯著的是在氧體積分?jǐn)?shù)為29%左右，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析有益于在當(dāng)前社會(huì)節(jié)能減排的背景下在陶瓷行業(yè)推廣富氧助燃技術(shù)，該技術(shù)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益。

輥道窯，富氧燃燒，設(shè)計(jì)計(jì)算，分析

1 前言

通常把空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)大于21%的空氣叫做富氧氣體。富氧燃燒技術(shù)是以氧氣體積分?jǐn)?shù)高于21%的富氧氣體作為助燃?xì)怏w的一種高效強(qiáng)化燃燒技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)具有可以減少一次風(fēng)的需求量，減少煙氣的排放量，增加火焰溫度，提高燃燒效率，以及有效地節(jié)約能源消耗等優(yōu)勢[1]。

目前，富氧燃燒主要應(yīng)用在有色金屬的冶煉、玻璃窯爐中玻璃的熔化、化鐵爐和鑄造爐等工業(yè)領(lǐng)域，還有內(nèi)燃機(jī)的增氧燃燒、煤氣發(fā)生爐等。此外，富氧燃燒還可以應(yīng)用于生物質(zhì)利用、廢氣物焚燒、低熱值可燃?xì)獾睦谩＠紵l(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電采用富氧燃燒以及富氧氣化來提高效率，建材行業(yè)也試圖利用富氧和純氧燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能[2]。

富氧燃燒技術(shù)首先是由Horne和Steinburg于1981年提出的[3]，最初主要是運(yùn)用在冶金、玻璃制備等工業(yè)鍋爐上，近20多年，由于氧氣制備技術(shù)越來越成熟，富氧燃燒技術(shù)也隨之發(fā)展很快。在空氣分離領(lǐng)域中，工業(yè)用氧的制取主要有三種方法：低溫精餾法（簡稱深冷法）、變壓吸附法（也稱PSA法）和膜分離法，前者稱低溫法，后兩者稱非低溫法[1]。

陶瓷行業(yè)是耗能大戶，無論是熱效率還是熱能利用率，一般都較低，而且產(chǎn)品單耗大，成本高。另一方面，陶瓷窯爐生產(chǎn)過程在消耗大量能源的同時(shí)，燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣含有危害極大的CO2、SO2和NOx等有害氣體，國家已出臺陶瓷行業(yè)節(jié)能減排相關(guān)政策，而且在節(jié)能減排的大背景下對該行業(yè)限定性條件較高，因此節(jié)能與環(huán)保成為新建陶瓷窯爐以及舊的陶瓷窯爐改造的中心任務(wù)，而富氧助燃技術(shù)能在陶瓷行業(yè)推廣應(yīng)用并具有重大的節(jié)能環(huán)保效益[4]。

由于陶瓷窯爐對富氧的濃度要求不高，而且實(shí)際需要富氧的量并不大，已有實(shí)驗(yàn)表明，在陶瓷窯爐鼓入混合27%左右富氧空氣時(shí)，其助燃節(jié)能效果較佳[5]，節(jié)能率達(dá)25%左右。

2 富氧助燃技術(shù)在國內(nèi)外陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用與研究

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

日本較早地采用膜法富氧助燃技術(shù)應(yīng)用于陶瓷燒成爐（爐溫1600℃）。所采用富氧燃燒系統(tǒng)包括空氣過濾凈化，然后由引風(fēng)機(jī)將空氣抽入富氧膜裝置，經(jīng)富氧的空氣由鼓風(fēng)機(jī)隨同城市煤氣吹入加熱爐中。表1為陶瓷燒成爐的試驗(yàn)結(jié)果，從結(jié)果可以看出當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為26%與28%時(shí)節(jié)能率達(dá)25%左右。

景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院國家日用建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心熱工研究室通過技術(shù)分析及課題組成員對該技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)積累，制氧設(shè)備采用國內(nèi)某重點(diǎn)大學(xué)的最新開發(fā)的變壓吸附制氧設(shè)備，把富氧助燃技術(shù)初試應(yīng)用到小型試驗(yàn)梭式窯上[6]，把富氧助燃燒成實(shí)驗(yàn)與普通燒成實(shí)驗(yàn)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(yīng)用變壓吸附富氧助燃技術(shù)后，窯爐節(jié)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(shí)，節(jié)能效果非常顯著，當(dāng)富氧量為23%時(shí)節(jié)能率為21.7%，當(dāng)富氧量為27%時(shí)節(jié)能率為26.7%,環(huán)保效應(yīng)也是與之相輔相成的[5]。應(yīng)用該富氧助燃技術(shù)后，產(chǎn)品的質(zhì)量有效的得到提高，從而能提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。

表1陶瓷燒成爐的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results of the ceramic kiln

2.2 理論與數(shù)值模擬研究

國內(nèi)一些專家學(xué)者近些年來也對富氧助燃技術(shù)在很多行業(yè)進(jìn)行了基礎(chǔ)的理論與數(shù)值模擬研究，比如在陶瓷行業(yè)：華南理工大學(xué)曾令可教授等對富氧燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐中的應(yīng)用分析進(jìn)行了論述[7]，指導(dǎo)學(xué)生對梭式窯富氧燃燒進(jìn)行了基礎(chǔ)的數(shù)值模擬研究[8]。華南理工大學(xué)馬曉茜教授等對輥道窯燒成帶富氧燃燒及火焰空間進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[9]。

富氧燃燒前期的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與理論研究以及數(shù)值模擬研究，均得出了一些有益于富氧燃燒技術(shù)在陶瓷行業(yè)推廣的結(jié)論。但富氧燃燒技術(shù)在整個(gè)陶瓷行業(yè)推廣應(yīng)用還有一定距離，一些關(guān)鍵技術(shù)有待解決，例如：以往富氧助燃技術(shù)未得到實(shí)際應(yīng)用，其中重要的原因之一就是富氧的解決辦法。因?yàn)橹蒲跫夹g(shù)本身要消耗大量的電能，在沒有完全解決氧源問題前，用“電能－制氧－富氧助燃”的間接節(jié)能途徑，不易為廣大陶瓷爐窯客戶所接受。但是到了21世紀(jì)，隨著國內(nèi)外制氧技術(shù)的提高，很多專家、學(xué)者在富氧助燃方面做了大量的研究工作，為該技術(shù)在陶瓷行業(yè)的推廣應(yīng)用打下了有利的基礎(chǔ)[5]。另外在陶瓷行業(yè)推廣富氧助燃技術(shù)涉及到針對陶瓷窯爐的富氧燃燒器，甚至陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)亦要發(fā)生重大變化，所以在世界能源與環(huán)境非常緊迫的當(dāng)今社會(huì)，在中國節(jié)能減排的大背景下，為把對陶瓷行業(yè)有重大節(jié)能環(huán)保效益的富氧助燃技術(shù)在本行業(yè)推廣應(yīng)用還需廣大行業(yè)專家學(xué)者繼續(xù)努力。

3 本文工作

本文以180米玻化磚輥道窯為富氧助燃設(shè)計(jì)計(jì)算與分析對象，基本設(shè)計(jì)要求：①產(chǎn)品規(guī)格：600× 600×9mm，產(chǎn)品單重5.2kg；②燒成周期：50分鐘，最高燒成溫度：1270℃；③燒成氣氛：全氧化；④燃料：焦?fàn)t煤氣；⑤年產(chǎn)量自定。富氧設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)在正常助燃空氣燃燒計(jì)算基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行富氧為25%，29%，33%，37%的富氧燃燒計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果針對以往理論研究進(jìn)行分析論證，得出有益于富氧燃燒技術(shù)在陶瓷行業(yè)推廣的指導(dǎo)性結(jié)論。

表2氧氣體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)的理論空氣量和煙氣量Tab.2 The amounts of theoretical combustion air and flue gas for different oxygen volume fractions

表3氧氣體積分?jǐn)?shù)不同的理論燃燒溫度Tab.3 Theoretical firing temperatures for different oxygen volume fractions

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 理論空氣量和煙氣量的計(jì)算

氧氣體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)理論空氣量和煙氣量（表2，圖1）。

（1）由圖可知：在需求熱量一定的情況下，有足夠的氧氣與燃料相接觸反應(yīng)，有效地增加相互間的反應(yīng)幾率，促進(jìn)了燃料完全反應(yīng)，使生成的煙氣量逐漸減少。一般認(rèn)為，氧濃度越大，越有利于燃料充分燃燒，節(jié)能效果越明顯，事實(shí)上，節(jié)能效果顯著的是在氧體積分?jǐn)?shù)為29%左右，之后氧濃度的增加對節(jié)能效果影響幅度不大。

（2）富氧含量越大，其生成的煙氣量就越少，這也是因?yàn)橛凶銐虻难鯕馀c燃料相接觸反應(yīng)，有效地增加相互間的反應(yīng)幾率，促進(jìn)了燃料完全反應(yīng)，使生成的煙氣量逐漸減少。

4.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)不同的理論燃燒溫度（表3，圖2）

由圖2可知：在燃料發(fā)熱值一定的情況下，氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，其煙氣平均比熱和煙氣生成量逐漸減少，導(dǎo)致煙氣溫度逐漸上升，致使理論燃燒溫度上升。

4.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)不同的燃料化學(xué)熱、助燃空氣顯

熱、煙氣帶走顯熱（表4及圖3）

表4氧氣體積分?jǐn)?shù)不同的燃料化學(xué)熱、助燃空氣顯熱、煙氣帶走顯熱Tab.4 The chemical heat of the fuel and the sensible heat of the combustion air and the flue gas for different oxygen volume fraction

由表4及圖3看出隨著空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的增大，其燃料化學(xué)熱呈下降趨勢，亦即燃料需求量減少，達(dá)到節(jié)能；煙氣帶走顯熱在氧氣體積分?jǐn)?shù)在29%以前下降的趨勢高于氧含量為29%以上的下降趨勢，助燃空氣帶入的顯熱隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的改變其變換幅度不大。綜合窯爐其它計(jì)算指標(biāo)，本次計(jì)算表明該富氧窯爐在氧體積分?jǐn)?shù)為29%左右，節(jié)能效果較佳。

5 結(jié)論

(1)燃料在富氧空氣中燃燒時(shí)，理論燃燒溫度比在空氣中燃燒時(shí)要高，燃燒產(chǎn)物生成量隨空氣的富氧程度的增加而減小，所以帶走的熱量相應(yīng)減少，達(dá)到節(jié)能的目的。

(2)以焦?fàn)t煤氣為燃料，而且采用富氧燃燒，需要的空氣量相對較小，生成的煙氣量也比較小，所選用的風(fēng)機(jī)的功率較小，因而可以減小能量的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

(3)富氧燃燒具有顯著提高燃燒效率和火焰強(qiáng)度的特點(diǎn)。采用富氧空氣來提高理論燃燒溫度時(shí)，并不是氧濃度越大，越有利于燃料充分燃燒，節(jié)能效果越明顯，通過本文設(shè)計(jì)計(jì)算表明：節(jié)能效果顯著的是在氧體積分?jǐn)?shù)為29%左右。

(4)在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的大背景下，在高能耗、高排放的陶瓷行業(yè)推廣應(yīng)用富氧助燃技術(shù)，具有重大節(jié)能環(huán)保效益。

1陳勇.氣體膜分離技術(shù)與應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004

2中國硅酸鹽學(xué)會(huì)陶瓷分會(huì)建筑衛(wèi)生陶瓷專業(yè)委員會(huì).現(xiàn)代建筑衛(wèi)生陶瓷工程師手冊.北京:中國建材工業(yè)出版社,1998

3周慧,周耀來,李云鵬等.富氧燃燒技術(shù)及其對環(huán)境的影響研究綜述.華東電力,2008,36(9):111～113

4姚志會(huì).富氧燃燒是陶瓷燒成的重大節(jié)能措施.河北陶瓷, 1993(4):1～3

5沈光林.膜法富氧助燃技術(shù)在陶瓷窯爐中的應(yīng)用研究.陶瓷, 2005(7):5～8

6宮小龍,馮青等.變壓吸附富氧助燃技術(shù)在陶瓷窯爐中的應(yīng)用.中國陶瓷,2008,44(1):52～55

7曾令可,等偉強(qiáng)等.富氧燃燒技術(shù)在陶瓷窯爐中的應(yīng)用分析.陶瓷學(xué)報(bào),2007,28(2):123～127

8李萍,曾令可.梭式窯富氧燃燒的數(shù)值模擬.工業(yè)爐,2008,30 (6):31～34

9徐婷,馬曉茜.輥道窯燒成帶富氧燃燒及火焰空間數(shù)值模擬.中國陶瓷,2009,45(3):40～43

Abstract

In this article,numerical calculation and experimental analysis of oxygen-enriched combustion were carried out for the 180-meter roller kiln for firing vitrified tiles in comparison with combustion with conventional air.Calculations results for combustions with 25%,29%,33%and 37%oxygen in air show that the combustion air with 29%oxygen has the best energy saving effect.A wide application of the oxygen-enriched combustion technology in the ceramic industry is very useful for energy-saving and emission reduction in the society,and it also has obvious energy-saving and environmental benefits. Keywords roller kiln,oxygen-enriched combustion,design calculation,analysis

NUMERICAL CALCULATION AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF OXYGEN-ENRICHED COMBUSTION FOR ROLLER KILN

Pan Xiaoyong Gong Xiaolong Feng Qing Wang Heping
(School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.6+53.4

A

1000-2278（2010）04-0627-05

2010-04-12

潘小勇