多元耦合低氮燃燒技術在陶瓷工業的應用

韓復興 楊立輝 段延山

摘 要：以安陽貝利泰為例分別介紹低氮燃燒技術在燒成窯爐、噴霧干燥塔方面的應用，同時介紹了安陽貝利泰特有的低溫快燒工藝技術、煙氣循環利用技術，對實現陶瓷工業清潔生產，尤其是實現低氮燃燒、超低排放具有重要意義。

關鍵詞：低氮燃燒技術;多元耦合;低溫快燒;煙氣再循環;余熱利用

1 前 言

低氮氧化物燃燒技術是改進燃燒設備或控制燃燒條件，以降低燃燒尾氣中NOx濃度的各項技術。影響燃燒過程中NOx生成的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區的停留 時間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度，因此，改變空氣-燃料比、燃燒空氣的溫度、燃燒區冷卻的程度和燃燒器 的形狀設計都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成。工業上多以減少過剩空氣和采用分段燃燒、煙氣循環和低溫空氣預熱、特殊燃燒器等方法達到目的。

國外上世紀從50 年代起就開始了燃燒過程中氮氧化物生成機理和控制方法的研究。到70 年代末和80 年代，低NOx 燃燒技術的研究和開發達到高潮，開發出了低NOx 燃燒器等實用技術。進入90 年代，有關電站鍋爐供貨商又對其開發的低NO x 燃燒器做了大量的改進和優化工作， 使其日臻完善[1]。進入21世紀以來，低氮氧化物燃燒技術呈現多元耦合技術特征。

在陶瓷窯爐燃燒所產生的各種大氣污染物中，氮氧化物的危害最大;同時也最難治理[2]。當前普遍存在重視末端治理，而忽視燃燒控制技術的現象。這也是導致治理成本大幅攀升，出口成本優勢急劇下降的主要原因之一。因此重視燃燒控制技術，尤其是低氮燃燒技術顯得比較重要和迫切。下面以安陽貝利泰為例分析低氮燃燒技術在陶瓷工業的應用。

2 耦合低氮燃燒技術的應用實踐

2.1一分廠應用實踐

一廠始建于2013年，采用初級耦合低氮氧化物綜合燃燒技術，脫硝效率高達85%，技術特征和路線如下：

（1）采用綠色低氮天然氣作為燃料，降低燃料源;

（2）采用無氮陶瓷原料，杜絕原料源;

（3）采用低溫快燒燃燒技術，減少熱力型氮氧化物產生;

（4）窯爐采用高效余熱利用技術;

（5）窯爐采用分段式預混低氮燃燒技術（LND）系統;

（6）窯爐燒成工藝采用高溫段還原氣氛，低溫段氧化氣氛的分段燃燒技術;

（7）噴霧干燥塔熱風爐采用分割火焰燃燒器+低溫燃燒控制技術（≯720℃）;

（8）煙氣脫硝采用SCR催化低溫脫硝工藝。

2.2二分廠應用實踐

二廠采用的意大利薩克米公司最先進的綠色智慧工藝技術裝備和技術路線，2020年3月投產，代表著國際最高水平的工業4.0示范工廠，耦合最新綠色生產技術，屬于高級耦合低氮氧化物綜合燃燒技術，脫硝率高達99.5%，技術特征和路線如下：

（1）繼續做好原燃料氮源入口關;

（2）繼續采用低溫快燒燃燒技術，減少熱力型氮氧化物產生;

（3）窯爐燒成工藝繼續采用高溫段還原氣氛，低溫段氧化氣氛的分段燃燒技術;

（4）窯爐采用雙層節能輥道窯、干燥窯采用七層節能干燥窯、噴霧干燥塔塔采用AI人工智能節能計算系統;

（5）窯爐、干燥窯、噴霧干燥塔采用最先進的保溫材料和技術，實現高效節能減排;

（6）窯爐采用高效余熱利用技術、分段式預混低氮燃燒技術;

（7）窯爐煙氣經預熱、SCR催化低溫脫硝后，300℃煙氣送入噴霧干燥塔再循環;

（8）噴霧干燥塔熱風爐采用“熱煙氣再循環+天然氣分階段”耦合低氮燃燒器;

（9）五層干燥窯采用催化燃燒無焰遠紅外低氮燃燒器。

3 分 析

3.1低溫快燒生產工藝技術

眾所周知，氮氧化物主要來源為熱力型助燃空氣源，降低燒成溫度，縮短燒成周期，尤其是高溫區時間，可以大幅度降低熱力型空氣源氮氧化物的產生。燃燒溫度低于720℃，不會產生氮氧化物;燃燒溫度在720℃～1000℃時，在催化劑作用下才，且空氣過剩系數較高時，有微量氮氧化物產生;燃燒溫度在1000℃～1200℃時，在催化劑存在條件下，且空氣過剩系數較高時，才有極少量氮氧化物產生;燃燒溫度高于1200℃以上，在空氣過剩系數較高時，無需催化劑有少量氮氧化物產生;在燃燒溫度高于1400℃以上，才有大量氮氧化物產生。貝利泰素燒溫度1080℃和釉燒溫度1060℃，均遠低于1200℃，燒成周期均小于35min，已經大幅度降低了氮氧化物的產生。

貝利泰一廠生產陶質小規格釉面磚，利用周邊地區：透輝石、石英、堿干、瓷土、煤矸石等原料，研制出低溫快燒生產工藝，其中素燒溫度≯1090C°，周期25min～35min之間;釉燒溫度在1050C～1060C°之間，周期25min～35min之間。貝利泰二廠生產瓷質仿古地板磚，利用周邊地區：磁石、堿干、瓷土、煤矸石等原料，研制出一次燒低溫快燒生產工藝，其中最高溫度≯1190C°，周期40min～55min之間。采用低溫生產工藝是從溫度和時間上保證極少量氮氧化物產生的根本。

3.2高溫還原低溫氧化生產工藝

陶瓷磚在輥道窯內的燒成包括以下步驟：抽濕排潮（110C°～250C°）——預熱干燥（250C°～650C°）——氧化分解（650C°～1050C°）——燒結燒成（1050C°～1230C°）——急速冷卻（1080C°～650C°）——緩慢冷卻（650C°～250C°）——緩慢冷卻（250C°～50C°）。其中加熱步驟有：預熱干燥、氧化分解、燒結燒成三個階段，而預熱干燥又是利用煙氣余熱干燥，不需要燃燒器和燃料燃燒。所以真正需要加熱的階段只有：氧化分解段（650C°～1050C°）和燒結燒成段（1050C°～1230C°）。氧化分解段由于碳酸鹽、有機物質需要燃燒分解，所以需要過量的空氣剩余系數，而在高溫的燒結燒成段（1050C°～1230C°）完全可以采用還原氣氛燒成，這樣可以從理論上解決氮氧化物在產生。實際上貝利泰由于采用了高溫階段還原燒成技術，而大幅降低了氮氧化物的產生。

3.3分段式預混低氮燃燒技術

一廠窯爐冷卻帶的余熱風送給助燃風機，并由助燃風機送入冷卻段前段進行換熱，在急冷及緩冷段之間單獨設置助燃風換熱段，這樣減少急冷風干擾，使得助燃風溫度波動減小，使助燃風的溫度可達300℃，與加熱至200℃相比可節能3%左右，可以實現能源綜合利用，大幅降低空氣燃料比，降低燃燒系數，降低空氣與燃料混合時間，大幅減少氮氧化物的產生。

分級燃燒的原理是將燃燒過程分階段進行， 首先將從主燃燒器供入爐膛的空氣減少到總燃燒空氣量的70%～75%， 相當于理論空氣量的80%， 此時的α<1， 使燃料先在缺氧條件下燃燒， 在還原性氣氛中降低NOx 生成速率。完全燃燒所需要的其余空氣量則通過布置在主燃燒器上方的空氣噴入口“火上風”送入爐膛， 與一級燃燒區所產生的煙氣混合， 最終在α>1 的條件下完成全部燃燒過程。

貝利泰的分段式預混低氮燃燒技術，還有一個特點就是助燃風經過熱交換加熱至300℃，進一步減少空氣過剩系數，降低氮氧化物產生。

3.4低溫低氮燃燒器工藝

貝利泰一期噴霧干燥塔采用低溫低氮燃燒器，爐膛最高溫度700℃，塔頂入口最高溫度650℃，徹底杜絕熱力型空氣源氮氧化物的產生。同時該方法依照《陶瓷制品制造業污染防治可行技術指南》（HJ2304-2018）之5.2 污染治理技術之5.2.1.6 噴霧干燥塔煙氣治理組合技術之c）噴霧干燥塔煙氣袋式除塵治理技術 適用于只采用除塵技術即可實現穩定達標排放的噴霧干燥塔煙氣污染治理。通常針對以天然氣或低硫煤為燃料的噴霧干燥塔，且其熱風爐排煙溫度一般不大于720 ℃。噴霧干燥塔煙氣經袋式除塵后排放，其中，袋式除塵前可選配旋風除塵，袋式除塵后可選配噴淋除塵[3]。除塵效率通常不小于99%。

貝利泰二期干燥窯摒棄了傳統的窯爐煙氣余熱干燥技術，而是采用了催化燃燒無焰遠紅外低氮燃燒技術和五層干燥窯，人工智能輔助技術設計干燥制度、燃燒溫度200℃～300℃，溫度穩定，可靠程度高、干效率高、生產成品率高、占地面積小，達到了超低排放。

貝利泰二期噴霧干燥塔熱風爐，采用窯爐SCR催化低溫脫硝后的煙氣，煙氣溫度高達300℃具有高的熱利用價值，同時采用“熱煙氣再循環+天然氣分階段”耦合低氮燃燒器，實現了超低排放。

4 結 論

生態環境保護和高質量發展既是我國的基本國策，也是企業實現產業升級、轉型發展的必經之路。多元耦合低氮燃燒技術可以從源頭上有效解決陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、石墨碳素、鋼鐵等行業窯爐節能減排、環境保護、脫硝等難題，也是實現大氣污染防治攻堅戰、落實藍天保衛戰的核心武器。多元耦合低氮燃燒技術在貝利泰的五年實踐表明：

（1）多元耦合低氮燃燒技術是系統解決產業共性問題、瓶頸問題、重大發展問題的綜合方案，具有信息、管理、技術、系統等特征，不能孤立為一種技術或一套方案，而是一種不斷完善的技術管理體系。

（2）多元耦合低氮燃燒技術在貝利泰的應用實踐是成功的，達到了超低排放的效果，也起到了標桿示范作用。

（3）在陶瓷行業應用實踐表明，多元耦合低氮燃燒技術的根本是生產工藝的設計，包括低溫快燒工藝、高溫還原低溫氧化工藝和煙氣在循環工藝，其次關鍵設備的綠色智慧程度和先進技術的應用程度，譬如分段式預混低氮燃燒技術、熱交換余熱利用技術、催化燃燒無焰遠紅外低氮燃燒技術和低溫低氮燃燒技術及燃燒器、燒嘴及控制系統的應用。

參考文獻

[1] 畢玉森，低氮氧化物燃燒技術的發展狀況[J].技術經濟綜述，2000（2）：2-10;

[2] 曾令可等，陶瓷窯爐的污染與新型燃燒技術及設備的發展[J].工業爐，2002（2）：14-17;

[3] 陶瓷制品制造業污染防治可行技術指南[S].生態環境部，2018-12-29;