無機非金屬陶瓷窯爐煤改天然氣節能技術改造及應用

鄭雪娟

泉州市燃氣有限公司 福建泉州 362000

根據《陶瓷工業污染物排放標準》（GB 25464—2010）要求，陶瓷窯的顆粒物限值調整為30mg/ m3、二氧化硫限值為50mg/ m3、氮氧化物限值為180mg/ m3。自《排污許可證申請與核發技術規范陶瓷磚瓦工業》于2018 年7 月31 日正式實施后，泉州市環保部門要求所有建筑陶瓷企業該標準要求執行，并投資安裝排放口自動監測設備，含年運行成本約50 萬元/ 套。多數建陶企業采用高硫煤，面臨增加投資、排污不合格需停產整治等問題，與此同時，環保部門鼓勵企業改用天然氣，則不需投資安裝自動監測設備。所以燃氣公司積極響應國家能源環保政策，全面實現泉州市陶瓷企業天然氣能源替代，推進節能減排，提升社會效益，研究、實踐并應用天然氣窯爐節能技術改造，提高能源利用率，對滿足客戶降本增效需求具有極大重要性。

1 陶瓷窯爐節能改造

1.1 窯體結構及設備

1.1.1 窯爐擋火墻位置及尺寸工程技術改造

很多建陶企業窯爐有超過10 道擋火墻，不僅增加了燃燒產物排出難度，也造成燒成帶壓力過大，輥棒存在較大溫差，容易引起產品上翹現象。擋火墻尺寸和位置不科學，窯頭排煙風機排煙量較多，導致熱耗增加。燃燒產物要和排煙量保持一致，燃氣量助燃風量要足，這是燒成制度和壓力制度的關鍵。當排煙量增加后，窯爐燒成帶與預熱帶壓力制度面臨干擾，也不利于有效燒成帶長度和燒成制度，并出現過多能耗。為了消除以上不足，在通過工程技術改造驗證后，增加窯頭排煙風機排出量，并合理設置擋火墻尺寸與位置，預熱帶設置多個燒嘴，窯頭排風機降低50%。這樣能在不影響產品生產基礎上，也降低至少8%的能耗。

1.1.2 合理選用燃燒機工程技術改造

很多建陶企業輥道窯設置有渦流燒嘴，主要用于控制生產期間火焰的長度與燒嘴調節比，預熱帶燒嘴容易出現熄火問題，水平方向會產生產品釉面色差、磚坯尺寸誤差等現象。在通過工程技術改造驗證后，用亞高速燒嘴替代燒嘴，且增加燒嘴的組數，可以有效解決出現的問題。這樣能夠保證燒嘴在窯內空間燃燒，并產生透明火焰，提升了燃燒產物流動速度，并保證了混合的均勻性和最終加熱效果。通過設置亞高速燒嘴，輥道窯燒成帶、預熱帶等能夠更好進行分段控制窯壓，避免熱氣外溢與進入坑空氣，為熱工操作與控制創造條件，且燃氣管網壓力改變與窯外溫度等不會對燃燒產生較大干擾。預熱帶設置有低熱負荷燒嘴，因為亞高速燒嘴具有很大調節范圍，能夠降低燃氣量與助燃風量，讓燃氣和空氣保持最佳配比，燃氣燃燒也更加充分。同時火焰剛性更高，避免出現漂浮現象，大大提升了輥道窯熱效率，也有效控制了能耗成本。

1.2 燒窯工藝

1.2.1 不影響品質基礎上減少燒成時間

產品必須在規定時間內燒成，并滿足強制升溫環境，燒成期間不產生爆裂問題。窯爐需要達到快速燒成要求，窯爐燃燒機數量、熱量等可以滿足快速升溫要求，讓燒成更加迅速。只有達到上述規定，才能減少燒成耗時，避免窯壁出現更大熱散失，以及大量熱量隨煙氣排出。

1.2.2 加強裝窯密度控制

只有對裝窯密度進行控制，才能確?；鹧妗釟饬髋c產品對流換熱，維持輻射通道，避免產品出現較大內外溫差，也減少升溫與保溫耗時。為了將最佳裝窯密度確定下來，要根據試驗一窯密裝與稀裝所耗氣量得出。

1.2.3 形成科學燒成制度

陶瓷窯爐燒成制度涉及溫度、氣氛以及壓力等方面，不同制度有著一定聯系與影響。要從產品具體要求出發，將溫度與氣氛明確下來，而制定壓力制度，能夠讓溫度、氣氛等制度順利實現。以上制度的實現，需要控制燃燒輸入和排煙量，同時充分考慮燒成時間與裝窯方法。對溫度制度來說，也涉及升溫速度、燒成溫度、保溫時間和冷卻速度等因素。以梭式窯氧化、還原等燒成為例，從低溫烘干水到800℃主要為中性，溫度超過這個值后轉為氧化，此前要保持一定正壓，過800℃后需要帶負壓。在最初階段通過中性燒成，能夠有效減少燃氣的使用。溫度未達到800℃時很難有較好氧化效果，應該進行升溫，再轉為強氧化，可以取得較好效果。

1.2.4 嚴格控制燒成氣氛

在陶瓷成品質量影響因素中，燒成氣氛最為關鍵，若是忽視對燒成氣氛的控制，陶瓷燒制成品將產生黑心現象，主要原因為有機物、碳化物和硫化物氧化不到位。陶瓷產品燒成中低溫環節會分解有機物，并包括以下氧化反應：FeS2+O2→FeS+SO2↑（350- 450℃）；4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2↑（500- 800℃）；C+O2→CO2↑（600℃以上）。

這個環節若是缺乏足夠氧化氣氛，不僅影響了有機物分解，且氧化反應也不能有效完成。C、FeS2、FeO 等在坯體中大量存在，會導致坯體出現黑色、灰色和黃色等情況?？梢姳仨殞蓺夥者M行控制，解決產品黑心問題，溫度保持為600 到650℃范圍燃燒有機物，而300 到850℃時確保有機物、鐵化合物以及碳等完全氧化，確保預熱帶氧化氣氛充足。燒成低溫環節，會分解煙氣內存在的CO，具體反應式為：2CO→2C↓+O2↑。

當溫度超過800℃后分解效果非常顯著，若是低于這個溫度值，且存在催化劑條件下也能保證完全反應，此時催化劑一般為游離態FeO。針對低溫時窯內缺乏所需氧化氣氛情況，同時有還原氣氛，受到FeO 的影響，將分解CO 并讓C 被析出。低溫時因為坯體有很高氣孔率，C 主要吸附于坯體氣孔表面，最終產生黑斑缺陷。陶瓷成品也可以出現色差現象，當原料坯料中鈦含量過程中，處于還原氣氛時很多TiO2將成為Ti2O3，顏色從藍色變為紫色，從而產生色差?；蛘呤浅霈F黑色FeO·Ti2O3尖晶石與鐵鈦混合晶體，讓鐵呈色進一步變深，磚面顏色無法保持統一，具 體 反 應 式 為 ：TiO2+CO →Ti2O3+CO2↑ ；FeO+2TiO2+CO→FeO·Ti2O3+CO2↑。

針對這種情況，不能通過還原氣氛燒成，防止產生色差。燒成氣氛控制面臨影響因素很多，如窯爐結構、所用設備等，具體反映在風機實際風量、風管的直徑，以及排煙口、抽熱口和抽濕口等位置情況，對燒成氣氛控制有較大干擾。此外，也需要制定穩定壓力制度，對燃燒器的使用也要科學。

（1）穩定壓力制度：壓力改變會對氣體流動狀態帶來較大限制，當窯內壓力制度發生變化后，將導致氣氛出現波動，可見穩定壓力制度是控制氣氛的關鍵，這需要對零壓面進行有效控制。窯爐預熱帶會將水分與燃燒煙氣排出，相比于窯外環境在壓力上更低，這樣會讓窯內氣壓為負壓狀態。冷卻帶鼓入空氣會達到冷卻制品的目的，對比窯外環境會有更高壓力，且窯內氣壓為正壓狀態。正負壓中存在零壓面，預熱帶與冷卻帶中為燒成帶，當零壓面移動后將導致燒成帶氣氛改變。若燒成帶前端為零壓面，在燒成帶與預熱帶中，前者氣壓處于微正壓狀態，并產生還原氣氛。當燒成帶后端為零壓面，燒成帶則為微負壓狀態，產生了氧化氣氛。

（2）科學使用燃燒器：燒成燃料只有充分燃燒，窯爐氣氛才能處于良好狀態，尤其是關系著燒成帶氣氛。這要求燒燃器使用的科學性，加強對燃料燃燒程度的控制，能夠有效改善窯內氣氛。當燃料能夠充分燃燒時，且通入足夠的空氣，燃料內所有可燃成分將被有效氧化，最終產物也不會出現游離C 和CO、H2、CH4等可燃成分，提高了氧化氣氛控制效果。

1.3 技術改進

1.3.1 加熱助燃風

通過測算后發現助燃風為100℃，節能效果為4%。同時會加快燃燒，讓燃燒過程保持穩定，燃燒也更加高效，最終達到充分燃燒目的。在窯爐改造過程中，可以采取以下技術手段：窯爐四個角可以埋入助燃風管，借助窯墻散發的熱量增加助燃風溫度，一般為60℃。將冷卻帶余熱風利用起來，可以達到助燃風效果，溫度為200℃。將熱交換器安裝在急冷帶，讓助燃風管能夠換取部分熱并達到提升溫度的效果，通常為120℃。

1.3.2 燃燒系統工程改造

很多建陶企業會剩余很多氧化燒成空氣，不僅難以產生熱量，也會影響到火焰溫度，讓窯內熱量被大量排出。對此要重視空燃比控制，即燃燒實際所需空氣與燃氣充分燃燒所需空氣的比值，只有空燃比合理，才能保證燃燒的完全性，獲得最高的熱效率。一般空燃比一般為1∶1～1∶1.03 的范圍最佳。陶瓷窯爐燃燒系統通過技術改造，選擇預混式二次燃燒系統。要從實際燃氣成分、熱負荷以及壓力等出發，對噴氣板孔徑、鼓風進氣量等進行改善，讓燃料與空氣混合比例得到有效控制。這樣燒成段溫度場與速度場的分布才更加均勻，燃料燃燒也更加完全，也減少鼓入多余空氣引起大量熱量散失。

1.3.3 窯爐自動化控制

窯爐不僅要有合理窯體結構，也需要重視控制的自動化。在自動控制過程中，需要提前在智能儀表與電腦中輸入預想的操作流程，保證燒成操作自動完成，具體包括溫度、氣氛以及窯壓等曲線的控制。在梭式窯中進行窯壓控制，重點是對氣氛的控制，而快速梭式窯、輥道窯和隧道窯主要設置有動力式燃燒機，在溫度、氣氛和窯壓上采取聯動控制措施，在智能儀器中輸入最佳燒成流程，并編程專門的操作軟件，通過電腦完成操作。若是在方法上存在偏差，將發出警報進行提醒。

2 窯爐余熱回收利用工程技術改造

建陶企業原成品在窯尾冷卻時會釋放較多熱量，若是不重視回收利用，將增加能耗，針對這種情況，要在成品窯尾冷卻中合理回收熱量[1]。這個階段形成的熱風除了能夠達到干燥磚坯需求以外，也能分配部分對助燃風進行加熱，確保熱效率實現提升。窯尾熱風內煙氣含量很少，大部分是熱空氣，要對窯尾熱風進行分流，向助燃風機進口位置進行輸送，并混入一定冷風后成為助燃風送入窯內。此外，要設置風量測量設備與溫度監測點，用于設備調試與運行監測，確保窯內燃燒保持最好狀態，已有風機不需要改變。阻燃風量與溫度也要科學設置，滿足干燥工藝用風需求，此時助燃風溫度至少為300℃，燒嘴處鋁質波紋管用不銹鋼波紋管取代，助燃風管道必須維持溫度不變。

3 結語

實踐證明，上述幾種節能方式已經在一些陶瓷企業采用，取得了顯著的節能效益，其節能率10%～20%，同時較大減少CO2、SO2、NOX及粉塵等污染物的排量。陶瓷企業更換天然氣作為燃料，通過陶瓷窯爐節能改造、窯爐余熱回收利用工程技術改造、建筑陶瓷噴霧干燥工藝改造等節能技術運用，將有力推動陶瓷行業轉型升級，從而為陶瓷企業建立節能、減排、增效的新型生產方式提供強有力的科技支撐，實現經濟效益和社會效益雙贏。