蓄热燃烧技术在陶瓷窑炉上的应用＊

刘小云

（咸阳陶瓷研究设计院 陕西咸阳 712000）

蓄热燃烧技术在陶瓷窑炉上的应用＊

刘小云

（咸阳陶瓷研究设计院 陕西咸阳 712000）

对蓄热燃烧原理、高温低氧燃烧、低NOx排放，陶瓷蓄热体材质、形状、大小以及蓄热式换热器结构、换向时间和换向阀等关键技术和相关问题进行了系统研究和分析，同时介绍了陶瓷球蓄热式换热器在陶瓷窑炉上的应用情况。结果表明，此项技术可从根本上提高陶瓷窑炉的热效率，热效率可达70%～80%，节能可达54%，可实现高效率、低能耗、清洁环保的目的。

蓄热燃烧 陶瓷窑炉 陶瓷球蓄热体 蓄热式换热器 低NOx排放

前言

对于陶瓷工业的发展，窑炉节能技术始终发挥着重要的推动作用。近几年，随着石油价格不断的攀升，陶瓷业界正是基于能源问题，大刀阔斧地在节能技术上进行不断革新，促进了陶瓷窑炉节能技术大幅度提高，使陶瓷行业产品质量获得了不断提升。

提高陶瓷工业窑炉的热效率，实现低成本、环保型高温燃烧是陶瓷行业共同的愿望。以往人们在烟道上安装空气预热器，以回收烟气显热；选用新型筑炉材料和高性能的保温隔热材料，以防止窑墙散热；大力推广节能烧嘴，以提高燃烧效率；优化窑炉设计、改进操作、自动化、微机智能控制运行等措施，以使工业窑炉的热效率得以提高［1～4］。尽管如此，陶瓷工业窑炉的热效率总体水平仍较低，平均只有30%左右。自从20世纪80年代英国的HOT WORK公司开发蓄热式陶瓷燃烧器（Regenerative Ceramic Burner，缩写为RCB）以来，使提高工业窑炉热效率成为可能。笔者在介绍蓄热燃烧原理和全面分析其关键技术的基础上，着重研究陶瓷球蓄热体材质、形状、大小和探讨蓄热式换热器结构对阻力、热效率等性能的影响，以及陶瓷球蓄热体在陶瓷窑炉上的应用情况。

1 蓄热燃烧技术原理

RCB的出现可使助燃空气预热的温度接近炉膛温度（1 200℃以上），生产实践证明，助燃空气每提高100℃，可节能3%～5%，于是该技术便迅速被英国等国家相关企业所应用。经使用发现，烟气中NOx、CO2含量提高，甚至高达500 mg／L，因而无法大范围推广应用。尽管如此，人们对其显著地节能效果和如何解决与环保相矛盾的问题仍然相当重视。到20世纪90年代，蓄热燃烧技术也称高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion，缩写为HTAC）在攻克诸如NOx排放、长寿命换向阀和蓄热体材料等问题后，终于被联合国环保署所推崇和国际权威专家确认并被誉为是一项跨世纪的节能环保技术，才得以大范围推广应用［1～3］。

一个HTAC单元至少由2个烧嘴，2个蓄热器，1个或数个气体换向阀以及相关管路，风机和控制系统组成。如图1所示，当烧嘴A的助燃冷空气经过蓄热器1的陶瓷球蓄热体堆放层（此时，蓄热器1的陶瓷球蓄热体已蓄热，冷空气气流通过时被加热），由于助燃冷空气通过陶瓷球蓄热体，冷空气被加热，助燃风温度提高。所以，助燃风变成高温的助燃风进行助燃。对应的烧嘴B起到排烟作用，烧嘴B燃烧后产生的热烟气通过蓄热器2换热冷却，热烟气加热处于冷却状态的蓄热器中的陶瓷球，经充分热交换后，热的烟气通过换热变成冷烟气，冷烟气通过风机排放，换向阀动作换向，这样周而复始，达到蓄热燃烧的目的。此时换向阀和风机都处在低温工况条件下，故不仅可选用标准设计的风机，同时烟道和烟囱也不必使用耐高温内衬材料，可大大降低建造或改造投资成本。

图1 陶瓷球蓄热式换热器示意图

2 蓄热燃烧技术及所用材料

2．1 蓄热燃烧的关键技术

众所周知，低含氧量高温燃烧，低NOx排放是蓄热燃烧技术的关键。为了使窑炉达到节能和环保的双重目的，陶瓷窑炉往往采用两段式燃烧方法，即低含氧量（2%～20%）燃烧。具体操作是空气进入蓄热器，在极短时间内将其预热到比炉膛温度低50～200℃（一般为1 200℃以上）的高温，然后进入燃烧室进行部分燃烧，并抽引周围空气形成低含氧量的稀薄气流，同时向稀薄高温空气中注入燃料，使其在高温实现低含氧量状态燃烧，这样燃烧产生的烟气中的NOx、CO2含量可降低30%～60%，既节约了能源又起到了环保作用。

2．2 蓄热体基本要求及材质要求

如图1所示，蓄热式换热器的关键设备蓄热器由蓄热体来填充，根据蓄热式换热器的工况要求，蓄热体必须符合以下条件：

1）使用温度应不低于1 250℃，并且有良好的抗热震性能。

2）在高温下具有足够的机械强度。

3）对高温烟气中的SO2、NOx、CO2等具有良好的抗腐蚀性，并不与高温粉尘固溶反应。

4）使用寿命长，价格适中。

根据以上条件，并结合蓄热燃烧换热器的使用，从热熔、抗热震性、耐化学腐蚀性及导热率等方面综合考虑，并经过试验应用，莫来石质陶瓷是陶瓷蓄热体最适合的材料，其使用寿命长达3个月以上，有的甚至可达6～12个月，且价格适中，很容易被企业接受。

莫来石质陶瓷蓄热体的物理特性：密度为3．2 g／cm3，热熔为4．55 J／g·℃，耐火度为1 850℃，使用温度为1 400～1 500℃，抗折强度为25 MPa，热膨胀系数为4．3×10－6／℃，抗热震性良好，导热率为5．2 W／m·K，其性能完全符合蓄热体材质的要求。

2．3 陶瓷蓄热体的形状及大小

陶瓷蓄热体的形状通常有3种，即球状、蜂窝状和八字形，如图2所示。

图2 陶瓷蓄热体形状

对陶瓷蓄热体的选择，必须具备下列条件：

1）比表面积大；

2）阻力损失小（一般要求在1 k Pa以下）；

3）价格低廉；

4）清洗方便。

相同材质的陶瓷球蓄热体，在换热器使用过程中具有强度高，抗热震性优良，更换清洗方便，价格低廉等明显的优势，目前已被广泛使用。

陶瓷球的堆积孔隙率、抗热震性、阻力损失与陶瓷球大小的关系都对蓄热体的蓄热效率产生深远的影响。等直径球在蓄热器中堆积形成的孔隙率不随球的大小而改变，并且整个堆积层的透气性均匀。陶瓷球大小不同对球的抗热震性具有决定性的影响，同材质陶瓷球抗热震性能随陶瓷球直径的增大而降低，阻力损失随陶瓷球直径的增大而减小，一般采用莫来石球作为换热器的蓄热体，直径以20 mm或25 mm为宜。

3 蓄热燃烧技术在陶瓷窑炉上的应用

蓄热燃烧的换热器存在3种传热过程，即烟气放热与空气吸热，蓄热体表面与烟气（或空气、燃料）的热交换以及蓄热体内的传热、蓄热和放热。根据蓄热燃烧技术的工作原理和陶瓷烧成工艺要求，间接地将此项技术应用于陶瓷窑炉，取得了良好的效果。

3．1 余热回收在陶瓷窑炉上的应用

陶瓷窑炉主要以连续式窑炉为主，如隧道窑、辊道窑、推板窑等。连续式窑炉的工作特点是：燃料燃烧产生的高温烟气在窑内与陶瓷制品间逆向运动，从窑炉的烧成带流经预热带，最后从排烟口排出。烟气在流动过程中热量以辐射、对流和导热的形式传递给坯体、窑具和窑墙，最终以700℃左右的温度排出窑外，浪费了大量的热能。虽然有少数企业将普通金属管道换热器应用于烟气的余热回收利用，但是由于换热面积有限，换热效率不高，能源浪费仍然较大。

在陶瓷窑炉上应用余热回收技术，可以对窑炉的主烟道进行改造，将主烟道截面分成2个相等的部分，分别安装蜂窝陶瓷蓄热体，通过2个四通换向阀及2个引风机构成烟道蓄热式烟气余热回收系统，基本工作原理如图3所示。

图3 蓄热式烟气余热回收工作原理

由图3可见，冷空气由换向阀2进入蓄热体A被加热后转变成热空气（用于助燃和坯体干燥），与此同时，高温烟气由换向阀1进入蓄热体B，放热后高温烟气转变成低温烟气，由烟道口排出；工作一段时间（20～100 s）后，2个换向阀同时换向（图3中虚线），此时冷空气由换向阀2进入蓄热体B被加热后转变成热空气。同时，高温烟气由换向阀1进入经蓄热体A，放热后高温烟气转变成低温烟气由烟道口排出。这种换向操作循环进行，即可完成窑炉烟气余热的回收，以获得高温热空气，用于助燃或坯体干燥等。

3．2 高温空气助燃和降低NOx排放技术在陶瓷窑炉上的应用

陶瓷窑炉的余热（含烟气）主要有两大部分：一部分是窑炉预热带的燃烧烟气，一部分是窑炉冷却带的余热。冷却带的余热由于是洁净热空气，目前大多数已得到回收利用，所以不再赘述。烟气余热在建筑陶瓷的生产中大多数也回收利用于坯体的干燥，所以在文章中不涉及其余热利用。卫生陶瓷生产由于各种因素的影响，大多数余热没有被回收利用，所以此项技术具有实际应用意义和推广价值，同样该技术也可在电瓷、耐火材料等行业应用。

在烟气余热回收的基础上，将回收到的500℃左右的热空气部分用于助燃，虽然与冶金行业的熔化炉相比热空气温度较低，但由于普通陶瓷的烧成温度也较低，所以也能达到明显节能的效果。

关于组织低氧燃烧降低NOx排放方面，只需对燃烧器的结构进行改造就可以实现。目前，由于普通陶瓷的烧成温度较低，燃料燃烧过程中产生的NOx较少，基本上能够达到国家的排放标准。

4 结语

蓄热燃烧技术由于其技术性及经济优势，已在冶金、机械等行业的窑炉上被广泛应用，其用于陶瓷窑炉的节能和环保效果十分显著。

蓄热燃烧技术是实现低成本燃烧，提高窑炉热效率的最佳手段之一，热效率可达70%～80%，节能效益可观。高温空气助燃和降低NOx排放也能达到国家排放标准要求，环保效果显著。

1 欧阳德刚，蒋扬虎，张道明，等．蜂窝蓄热体材料的研究现状与发展趋势．武钢技术，2007（45）：47～52

2 刘夏丹，于宏，周琦，等．陶瓷蜂窝体的结构特性及其蓄热燃烧系统的应用．冶金能源，1999，18（4）：28～31

3 孙全应．蓄热燃烧技术在工业炉上的合理应用．工业炉，2005，27（1）：23～26

4 李灿，文武，梁卫民，等．高温空气燃烧技术在我国的应用现状与发展前景．冶金能源，2003，22（2）：41～46

5 沈君权，沈宏涛．蓄热燃烧技术及其在工业窑炉上的应用．硅酸盐通报，2001（5）：28～32

TQ174．6

：A

：1002－2872（2012）09－0009－03

刘小云（1976－），硕士，工程师；主要从事建筑卫生陶瓷技术及信息传播。