替代燃料二甲醚在陶瓷窯爐應用的可行性研究初探

朱慶霞，汪和平，宮小龍

（景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西 景德鎮 333403）

替代燃料二甲醚在陶瓷窯爐應用的可行性研究初探

朱慶霞，汪和平，宮小龍

（景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西省先進陶瓷材料重點實驗室，江西 景德鎮 333403）

摘 要：對陶瓷窯爐常用燃料從燃氣的性能指標、熱值、理論燃燒溫度和成本各方面進行了對比分析，探討了二甲醚作為替代燃料在陶瓷窯爐中的應用前景及存在的瓶頸問題。二甲醚燃氣總體性能指標最優，并且在熱值、理論燃燒溫度和成本對比中具有明顯優勢，完全可以替代目前所使用的陶瓷燒制燃料。二甲醚的穩定供應和設備改造問題、二甲醚的燃燒過程和污染物排放的控制問題是替代燃料二甲醚在陶瓷工業應用的亟需解決的關鍵問題。

關鍵詞：替代燃料；二甲醚；陶瓷窯爐

E-mail:qingxia-zhu@163.com

0　引 言

陶瓷產業作為高污染、高能耗產業，對環境的破壞引起了人們廣泛關注，產業升級轉移已經成為行業的大勢。在能源危機日益凸顯、環保意識日益增加的今天，尋求新能源、清潔能源無論是從環保的層面還是從企業獲利的層面來講，都已成為當務之急。考慮到中國是個能源資源相對貧乏的國家，人均石油、天然氣、煤炭資源的可采儲量分別為世界平均水平的3%、4.3%、55.4%[1]，

相對而言，中國的煤炭資源最為豐富。因此，由煤轉化成的清潔燃料日益受到重視。

作為煤化工產品——二甲醚(DME)是一種含氧燃料，含氧量接近35%，且不含C-C鍵，在常溫常壓下為無色無味氣體，燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程無黑煙，被認為是一種很有發展潛力的燃料[2]。DME與液化石油氣(LPG)的物理性質很類似，可以壓縮成液體，存儲使用安全即可單獨作燃料，也可摻入煤氣或液化氣中混燒，燃燒過程無殘液。近幾年，國內關于DME燃料燃燒的研究主要集中在對DME基本燃燒過程的控制和DME應用于發動機的均質充量壓縮燃燒(HCCI)兩方面[3-6]，而關于DME在陶瓷窯爐方面的應用則未過多涉及。本文對比了陶瓷窯爐常用燃料的熱工特性，探討了DME作為陶瓷窯爐替代燃料的應用前景和可能存在的瓶頸問題。

1　陶瓷窯爐常用燃料概述

目前日用陶瓷行業和建筑衛生陶瓷行業常用窯爐燃料有發生爐煤氣、重油、天然氣、液化石油氣等。

1.1發生爐煤氣

發生爐煤氣是最常見的傳統氣體燃料，制備方法主要是使煤在發生爐中不能完全燃燒，從而產生大量的一氧化碳(發生爐煤氣的主要成分)。但是其氣化系統復雜，投資規模大；此外，如何治理發生爐煤氣在凈化過程中產生的含酚污水問題一直是困擾煤氣站的環保難題。

1.2重 油

重油的發熱量高，能夠保證陶瓷窯爐的爐溫要求。但是重油燃料燃燒過程中經常出現大量黑煙，燃燒非常不充分，不僅造成燃料的過多消耗，而且其不完全燃燒所產生的煙氣會造成較為嚴重的污染。

1.3天然氣

天然氣(NG)的主要成分為甲烷，由于甲烷與空氣混合物的著火濃度范圍很窄，在5%-15%，因此燃燒過程對缺氧很敏感。甲烷的火焰傳播速度很小，其常溫、常壓下最大可見火焰傳播速度不到1.0 m/s，因而燃燒較為緩慢。雖然天然氣的發熱溫度約2000-2040 ℃，滿足所有陶瓷產品的燒成要求，但是天然氣燃燒所需理論空氣量大(約為7.8-11.2 Nm3/Nm3)，因此對燒嘴混合性能要求高。

1.4液化石油氣

液化石油氣(LPG)的熱值很高，但其理論空氣量高達24-30 Nm3/Nm3，因此，助燃空氣與之混合完全比天然氣更為困難。火焰傳播速度低，燃燒緩慢。液化石油氣純凈，含硫少，是燒制高檔陶瓷產品的優質燃料。但由于液化石油氣密度較大，泄漏時往下沉，易與空氣混合達到著火濃度范圍，遇火發生爆炸。

綜上所述，目前常用燃料在使用過程中均存在一些問題，再綜合考慮到國家的能源政策和燃料成本，尋找合適的替代燃料已是當務之急。

表1　天然氣的組成Tab.1 The composition of NG

表2　發生爐煤氣的組成Tab.2 The composition of producer gas

表3　液化石油氣的組成Tab.3 The composition of LPG

2　陶瓷窯爐常用燃料的分析對比

采用氣體燃料焙燒陶瓷制品，易實現自動控制，并能獲得最佳經濟效益，因而我國已將采用氣體燃料納入陶瓷工業技術改造政策軌道，并積極付諸實踐。現在陶瓷窯爐采用的氣體燃料種類有天然氣、液化石油氣、發生爐煤氣等。

2.1幾種燃料的組成

2.2幾種燃料的比較

從表5中可以得出如下結論：

(1)燃氣的性能指標：燃氣性能指標的優劣依據主要是單位熱值所需空氣量和單位熱值產生煙氣量，二者越少，燃氣性能指標越好[7]。從表5中可以看出，4種燃料中，發生爐煤氣單位熱值所需空氣量是最少的(0.204<0.244(DME)<0.254(LP G)<0.266(NG))，但單位熱值產生煙氣量是最多的(0.324>0.294(NG)>0.278(DME)>0.275(LPG))；而DME單位熱值產生煙氣量稍高于LPG，單位熱值所需空氣量稍高于煤氣，總體的性能指標最優。

(2)熱值：在DME、NG及煤氣三種燃料中，DME的熱值最高，這就意味著燒制同等質量陶瓷時用氣最少，因此從熱值考慮完全可以作為替代燃料；

(3)理論燃燒溫度：DME理論燃燒溫度最高，這是因為DME自身含氧，燃燒所需的空氣量和生成的煙氣量相對較少，從而煙氣帶走的熱量減少，其理論燃燒溫度必然提高。因此，從燃料的燃燒溫度考慮，DME完全可以替代目前所使用的陶瓷燒制燃料；

(4)成本分析：目前二甲醚：7.30元/NM3；天然氣：4.25元/ NM3；煤氣：0.53元/ NM3；液化石油氣：14.37元/NM3(參考最新報價進行核算)；根據單位二甲醚產生的熱值與其它燃料的對應值：1 NM3二甲醚→1.63NM3天然氣；1 NM3二甲醚→9.16 NM3煤氣；1 NM3二甲醚→0.54 NM3液化石油氣；依據上述數據，產生100MJ的熱值消耗各種燃料所需的費用為二甲醚(12.47元)，天然氣(11.81元)，煤氣(8.3元)，液化石油氣(13.32元)。因此，產生同樣的熱值，從經濟性上考慮，費用從高到低依次為液化石油氣＞二甲醚＞天然氣＞煤氣。由于沒有考慮煤制氣的設備成本、加工成本和廢水廢氣的處理成本，所以煤氣費用計算偏低。

表4　二甲醚的組成Tab.4 The composition of DME

表5　幾種常見氣體燃料的比較Tab.5 The comparison of several kinds of common gas fuels

3　二甲醚在陶瓷窯爐中的應用前景和存在的瓶頸問題

3.1二甲醚用于陶瓷燃料的優勢[8]

(1)二甲醚完全燃燒的燃燒產物是CO2和H2O，對環境友好，符合我國的環境保護政策；

(2)由于二甲醚不含細微顆粒、硫等雜質，因此燒制的陶瓷潔白純凈，提高了產品的質量和價格，能帶來較好的經濟效益；

(3)從我國資源情況看，我國屬于“貧油、少氣、富煤”，二甲醚屬于煤化工下游產品，因此，從可持續發展來看，二甲醚具有明顯優勢；

(4)從成本上看，二甲醚作為燃料具有價格優勢，設備投資遠遠低于建設一套煤氣發生裝置，運行成本也很低；

(5)從使用安全性上看，二甲醚的爆炸極限范圍小，且沒有毒性，因此具有很好的使用安全性；

(6)雖然同樣是作為由煤轉化而來的能源，二甲醚不存在煤炭堆放問題，也沒有水煤氣產生的SO2污染問題；

(7)燃燒效率高，原因有二，一是因為DME自身含氧，屬“富氧燃燒”工況，燃燒狀況得到改善；而另外一方面，氧氣與氣體燃料DME易于混合均勻。因此，可以選取較小的空氣系數，減少不參與燃燒的O2、N2量，使DME燃燒效率提高。

3.2二甲醚用于陶瓷燃料的瓶頸問題

(1)二甲醚的供應問題

燃料制造工藝和生產規模決定了二甲醚作為二次能源的生產成本。目前，二甲醚生產規模很小，成本優勢不明顯；并且采用罐裝方式很難適應大工業化生產的需要。

(2)二甲醚的污染物排放問題

由于著火滯燃期較短以及燃燒中生成的NO會被反應中間產物大量消耗[9]，因此，在DME燃燒中，氮氧化物的排放較低。但是使用二甲醚等含氧燃料容易產生甲醛等新的有害排放物質，會帶來新的環境污染問題[10-12]。甲醛可由二甲醚氧化后的中間產物分解產生，對人體危害極大。二甲醚燃燒過程中甲醛的生成受燃料當量比和火焰溫度影響明顯，欠氧預混合燃燒的甲醛生成顯著高于富氧燃燒[13]。在氧氣充足的情況下，甲醛能夠迅速被氧化消耗；而在氧氣不足的環境下，二甲醚的直接脫氫裂解使得甲醛的濃度非常高。因此，在實際燃燒過程中，促進DME的完全氧化和燃燒是減少污染物排放的關鍵途徑。

(3)二甲醚作為替代燃料的設備改造問題

從理論上講，不同種類燃氣替代時，要更換或重新調整燒嘴。在燃氣的互換性問題中，需要綜合考慮華白數、燃燒勢、黃焰指數、積炭指數、擴散火焰、穩焰指數等。同時考慮到由于二甲醚對橡膠密封圈及輸送軟管有一定的腐蝕作用，需要對輸送管路的密封件進行適當改造。

(4) 二甲醚燃燒過程的控制問題

二甲醚跟其他燃氣相比，它的著火溫度很低，很容易燃燒。同時，完全燃燒所需的空氣量和產生的煙氣量偏高，因此，需要在燃燒過程中強化傳熱和增加擾動來使燃燒充分(如同心射流，分級燃燒等)。并且在燃燒過程中要控制好二甲醚的爐前壓力，避免燃氣在爐膛內待的時間過短就被排出爐外造成了燃料的浪費。

4　結 論

對陶瓷窯爐幾種常見氣體燃料進行對比分析，二甲醚燃氣總體性能指標最優，并且在熱值、理論燃燒溫度和成本對比中具有明顯優勢。在解決二甲醚的穩定供應、設備改造、污染物排放、燃燒過程控制等瓶頸問題的基礎上，二甲醚具有完全替代目前所使用的陶瓷燒制燃料的應用前景。

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通信聯系人：朱慶霞 (1975- )，女，博士，副教授。

Received date: 2014-04-10. Revised date: 2014-04-21.

Correspondent author:ZHU Qingxia(1975-), female, Doc., Associate professor

Preliminary Feasibility Study on the Application of Dimethyl Ether as Alternative Fuel in the Ceramic Kiln

ZHU Qingxia, WANG Heping, GONG Xiaolong
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province, School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Abstract:The performance index, calorific value, theoretical combustion temperature and cost of commonly-used fuels in the ceramic kiln were compared in this paper. The application prospects and the existing bottleneck problems of dimethyl ether (DME) as alternative fuel in the ceramic kiln were discussed. DME has the optimal performance index and the obvious advantages in the comparison of calorific value, theoretical combustion temperature and cost, indicating that DME can completely replace the currently used ceramic fuels. Solving the problems of steady provision and equipment modification, controlling the burning process and pollutant emissions may promote the application of DME as alternative fuel in the ceramic industry.

Key words:dimethyl ether; alternative fuel; ceramic kiln

中圖分類號：TQ174.6

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2015)01-0070-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.015

收稿日期：2014-04-10。

修訂日期：2014-04-21。

基金項目：江西省自然科學基金(編號:20133BAB21009)，江西省教育廳科研項目（編號:GJJ13635)，景德鎮市科技局科研項目(編號:景科字2013-42)。