天然氣催化燃燒爐窯特性研究及燒制唐三彩的應用

祝立強，張世紅，劉富良

（1 北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044；2 鞏義市文物考古研究所，河南 鞏義 451200）

唐三彩盛行于唐代，它以選型生動逼真、釉彩斑斕艷麗和富有生活氣息著稱，是一種有獨特風格的彩陶工藝品。早在唐初，唐三彩就被輸出國外，深受各國人民的喜愛[1]。直到今天，其魅力和價值依然有增無減。至今河南還有大批的爐窯用來燒制唐三彩。但是傳統的燒制工藝是使用電燒或者以煤炭、煤氣為原料的火焰燃燒，存在諸多缺點。如電加熱爐窯，電能是二次能源，在一次能源轉化為二次能源的過程中，只能利用原來原料中能量的30%～70%[2]，是對能源的極大浪費。而以煤炭、煤氣為原料，燃燒產生大量的有害氣體，對環境造成嚴重污染[3]。近年來開始出現天然氣爐窯，天然氣爐窯燒制雖然是以清潔能源為原料的爐窯，燒制的是一次能源，但燃燒方式為普通的火焰燃燒?；鹧嫒紵坏桩a生CO 和NOx，而且還容易造成天然氣中的甲烷反應的不完全，從而導致燃料的浪費[4]。利用催化燃燒的方式，燃燒發生在常規氣相易燃極限之外，因此燃燒更加穩定而且燃燒效率接近100%[5]，并且由于催化燃燒機理[6]及催化劑載體所能承受的能力限制，催化劑表面正常工作溫度為1100℃左右，而此時催化燃燒達到了CO 和NOx的近零污染排放[7]。本文天然氣催化燃燒爐窯是將催化燃燒和爐窯結合到一起，充分利用催化燃燒的優勢，并將其應用于燒制唐三彩。

1 實驗裝置與過程

圖1 為天然氣催化燃燒爐窯系統圖。實驗中，由變頻風機和燃氣流量計控制輸入催化燃燒器的天然氣和空氣的氣體比例，以保證催化燃燒器正常燃燒。燃燒器和爐窯相連接，為爐窯提供熱源。燒制完的煙氣經過管道被吸入煙氣分析儀，以便測量煙氣中各種氣體的成分。

本實驗采用的催化燃燒器為V 形催化燃燒器。V 燃燒器燃燒面是由兩塊正方形獨石并排放置組成的，所用獨石為堇青石蜂窩陶瓷，獨石內表面上鍍著鈀（Pd）和銠（Rh）催化劑（由昆明貴研催化劑有限責任公司提供）， 獨石截面尺寸為150mm×150mm，厚度為20mm。獨石孔道尺寸1mm×1mm，壁厚0.18mm。為了對混合氣體進行整流以及防止催化獨石在燃燒時產生的熱量過多的向后方傳遞，在催化獨石和混合氣體之間，并列加上兩塊空白的獨石[8]。

實 驗 中 使 用 燃 氣 體 積 流 量 計（CMS0050BSRN200000）、空氣體積流量計（CMG400A080100000）、NO-NO2-NOx熱電煙氣分析儀（賽默飛世爾科技公司，型號42i）和CO/CO2熱電煙氣分析儀（賽默飛世爾科技公司，型號分別為48i、410i）。煙氣通過安裝在天然氣催化燃燒爐窯的排煙口處的吸管將煙氣吸入煙氣分析儀進行濃度測量。爐膛壁使用的是耐高溫，高強度氧化鋁陶瓷纖維板。使用數字熱電偶測溫儀（307P）對爐膛中的溫度做測量。

實驗分為兩組：一組是利用天然氣催化燃燒爐窯進行空燒，另一組是利用天然氣催化燃燒爐窯燒制已經上完彩釉的唐三彩素胚。

第一組空燒實驗。實驗進行前，運行風機對爐膛進行吹風，以排除上次實驗殘留在爐膛中的天然氣的干擾[8]。然后在過量空氣系數為1.3 的情況下啟動燃燒器，此時的燃燒為火焰燃燒。觀察獨石表面到火焰消失的狀態，調大空氣量至過量空氣系數為2 時的對應值，此時的燃燒為催化燃燒。

實驗中利用數字熱電偶測溫儀測量爐膛中心位置的溫度，記下燒制時間和溫度，根據溫度的變化選擇燒制唐三彩的適合的爐門關閉時間。規定天然氣催化燃燒爐窯開始催化的時間定義為實驗開始計時的時間。熱電偶測頭測量的位置為距轉盤垂直距離6cm 處。

圖1 天然氣催化燃燒爐窯系統圖

通過第一組空燒天然氣催化燃燒爐窯了解了爐窯的特性，為第二組能更好地燒制唐三彩作鋪墊。

第二組燒制為用天然氣催化燃燒爐窯燒制出成品唐三彩。本組實驗是使用已經上完釉的素胚，燒制之前和空燒所做的準備工作一致。

燒制唐三彩素胚火候很重要，掌握好了，素燒的胎體就不會變形、開裂。在彩釉熔燒時，才能有效地控制胎和釉的膨脹系數，使得釉層均勻，胎釉結合得堅密。

經過多次的燒制實驗嘗試，將天然氣催化燃燒爐窯制爐膛溫度控制在850℃，燒制的效果最好。此次實驗是爐膛最高溫度為850℃時燒制的唐三彩。在實驗過程中，記錄下時間、溫度以及排出的煙氣中污染物的濃度。

2 實驗結果及分析

圖2 為燃氣流量5L/min、空氣流量為5.7m3/h情況下，記錄了天然氣催化燃燒爐窯在燃燒30min后關閉爐門和在燃燒35min 后關閉爐門爐膛中垂直方向中軸線位置的溫度變化。圖中距離為熱電偶測溫儀測頭到托盤的豎直高度。從圖2 中可以看出，當時間為30min 時，爐膛內的溫度梯度很大，gradt=8.13℃/cm；而在時間為35min 時，溫度梯度很小，較平穩，gradt=1.5℃/cm，而且整體平均溫度較高。在燒制唐三彩過程中，溫度隨著高度緩慢的升高能夠保證在燒制過程中不會因受熱不均勻而導致素胚本身受熱應力過大而崩裂，保證了燒制的唐三彩的完整性。由圖2 可以得出，為了保證唐三彩的燒制效果，在用天然氣催化燃燒爐窯燒制唐三彩過程中選擇關門的時間為35min 左右比較合適。

圖2 爐膛中垂直方向中軸線位置不同高度的溫度分布

唐三彩的燒制為二次燒制，即素燒的胎體經過上釉工序后入窯再次燒制，經查閱資料，這個階段 的溫度控制在850～900℃為適合。所以，為了燒制出更好的唐三彩，對天然氣催化燃燒爐窯進行了試燒。通過調節爐窯門打開的程度和調節天然氣的流量來提高爐膛的溫度，為燒制唐三彩溫度控制積累經驗。從圖3 中可以看出，在空燒過程中，溫度隨燒制時間比較均勻地上升，當溫度達到第90min 時，爐膛中的溫度已經可以達到了880℃，說明天然氣催化燃燒爐窯能滿足燒制唐三彩的溫度要求。在燒制過程中，溫度隨時間均勻地升高，保證了在燒制過程中素胚本身不會因為溫度的驟然升高而崩裂，從而提高了唐三彩的燒制質量。

從圖4 可以看出，爐窯門打開的時間段內，無論是空燒工況還是燒制唐三彩的工況，NOx的含量都是非常低，這是因為爐窯門是敞開的，有一部分空氣混入到爐窯產生的煙氣中，稀釋了NOx，使得其含量很低。當爐窯門關閉后，可以看出空燒工況和燒制唐三彩工況中NOx含量都是隨著溫度時間增加而升高。當溫度達到燒制需要的850℃時，兩種工況下的產生NOx的含量很接近，基本穩定不變，均在9.45mg/m3左右，說明燒制唐三彩的過程中，唐三彩本身不再產生NOx。整個燒制過程中，NOx的排放含量都非常低，遠遠小于國家規定的200mg/m3。同時與已經是使用清潔燃料天然氣的工業爐窯相比較，因為工業爐窯的燃燒方式是火焰燃燒，溫度大部分都在1200℃以上，此時NOx的生成量隨溫度為指數遞增的關系，產生大量的NOx；而天然氣催化燃燒爐窯工作溫度一般都小于1100℃，產生的NOx小于10mg/m3，達到了近零污染排放。

圖3 不同工況下測溫點的溫度分布

圖4 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產生的煙氣中 NOx 含量分布

由圖5 可以看出，爐窯門關之前，和NOx趨勢一樣，煙氣中的CO2含量都很低，這是因為外面的空氣混入到煙氣中造成的，稀釋了CO2的濃度。當爐窯的門關閉后，不像NOx的濃度一樣緩慢地上升，CO2含量迅速上升，并且無論是空燒工況還是燒制唐三彩的工況，濃度最終穩定到9.8×104mg/m3左右，這是因為CO2是由V形催化燃燒器燃燒產生的，與是否空燒沒有關系。素胚以及彩釉在燒制的過程中本身不再產生CO2。

從圖6 可以看出，在空燒爐窯的工況下，CO的含量隨時間是增加的，最高值達到33.75mg/m3，此時的溫度為838℃，隨后隨著溫度的繼續增加，CO 的含量開始下降。這是因為爐窯中有保溫材料，在高溫的狀態下，向外釋放CO。在燒制唐三彩素胚的工況下，關門后含量開始緩慢上升，到45min時，CO 含量迅速增加，并在72min 達到峰值119.13mg/m3，隨后CO 含量開始下降，最后達到26.25mg/m3。這說明唐三彩素胚及彩釉，在高溫的燒制條件下，產生了CO，隨著時間的推移，反應物慢慢減少，使得產生的CO 含量也逐漸下降，最終CO 濃度和空燒的工況相一致。經查閱資料，根據北京市頒布的工業爐窯排放標準，大氣污染最高 允許排放CO 濃度為200mg/m3[9]。實際的工業爐窯中，CO 排放值一般都大于這個標準所限定的數值。比較不難得出這樣的結果：天然氣催化燃燒爐窯產生的CO 含量較低，屬于低污染爐窯。

圖5 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產生的煙氣中 CO2 含量分布

圖6 不同工況下天然氣催化燃燒爐窯產生的煙氣中 CO 含量分布

圖7 為用天然氣催化燃燒爐窯燒制的雙系扁壺唐三彩。從外觀看，用天然氣催化燃燒爐窯燒完的唐三彩胎體完整，沒有變形、開裂，胎釉結合緊密。從顏色上來看，胎體是主要有白、黃、綠、紫4 種顏色交錯的使用，經過高溫輻射的燒烤，4 種顏色都有不同程度的浸漫和流淌，形成了自上而下的彎曲彩帶，并隨著胎體表面凸凹變化，附著在的鳳凰造型表面，形成了變幻莫測、自然天成的垂流條紋，最終呈現出一副很具有魅力的抽象畫，藝術氣息強烈。整體看來，釉面較新，有一定的亮度，手感十分光滑。仔細觀察燒制的唐三彩，可以看出用天然氣催化燃燒爐窯燒制的唐三彩通體開片均勻，紋路相對于工業爐窯燒制的三彩更加細碎且紋路較短，更加符合唐三彩因開片形成獨特的美感。綜上分析表明，燒制過程及燒制時間掌握的比較好，成品已經超過了工業爐窯燒制的唐三彩，結合唐三彩的千變萬化的造型，更能賦予唐三彩不同的寓意，使其不僅僅是工藝品，更具有很高的藝術價值。

圖7 天然氣催化燃燒爐窯燒制的雙系扁壺唐三彩成品

3 結 論

通過研究天然氣催化燃燒爐窯的特性，可以得出天然氣催化燃燒爐窯產生的污染物濃度很低，而且由于催化燃燒的是整個燃燒表面向外輻射熱 量[10]，不出現有焰燃燒的局部高溫現象，使得燒制的雙系扁壺唐三彩表面受熱更加均勻，色彩光亮且相互浸漫和流淌，藝術氣息強烈，可以和傳統工藝燒制的唐三彩相媲美。所以，在全球致力于環境污染治理的大背景下，天然氣催化燃燒爐窯在低污染物排放同時具有良好的燒制唐三彩的效果，在傳統工藝得到傳承的同時大大降低了對環境的污染，大量推廣可以改善傳統工業爐窯對環境的污染，是替代傳統高污染爐窯發展的一個重要方向。

致謝：感謝北京市供熱、供燃氣、通風及空調專業重點實驗室提供的幫助。

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