替代燃料二甲醚在陶瓷窑炉应用的可行性研究初探

朱庆霞，汪和平，宫小龙

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333403）

替代燃料二甲醚在陶瓷窑炉应用的可行性研究初探

朱庆霞，汪和平，宫小龙

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西 景德镇 333403）

摘 要：对陶瓷窑炉常用燃料从燃气的性能指标、热值、理论燃烧温度和成本各方面进行了对比分析，探讨了二甲醚作为替代燃料在陶瓷窑炉中的应用前景及存在的瓶颈问题。二甲醚燃气总体性能指标最优，并且在热值、理论燃烧温度和成本对比中具有明显优势，完全可以替代目前所使用的陶瓷烧制燃料。二甲醚的稳定供应和设备改造问题、二甲醚的燃烧过程和污染物排放的控制问题是替代燃料二甲醚在陶瓷工业应用的亟需解决的关键问题。

关键词：替代燃料；二甲醚；陶瓷窑炉

E-mail:qingxia-zhu@163.com

0　引 言

陶瓷产业作为高污染、高能耗产业，对环境的破坏引起了人们广泛关注，产业升级转移已经成为行业的大势。在能源危机日益凸显、环保意识日益增加的今天，寻求新能源、清洁能源无论是从环保的层面还是从企业获利的层面来讲，都已成为当务之急。考虑到中国是个能源资源相对贫乏的国家，人均石油、天然气、煤炭资源的可采储量分别为世界平均水平的3%、4.3%、55.4%[1]，

相对而言，中国的煤炭资源最为丰富。因此，由煤转化成的清洁燃料日益受到重视。

作为煤化工产品——二甲醚(DME)是一种含氧燃料，含氧量接近35%，且不含C-C键，在常温常压下为无色无味气体，燃烧性能好，热效率高，燃烧过程无黑烟，被认为是一种很有发展潜力的燃料[2]。DME与液化石油气(LPG)的物理性质很类似，可以压缩成液体，存储使用安全即可单独作燃料，也可掺入煤气或液化气中混烧，燃烧过程无残液。近几年，国内关于DME燃料燃烧的研究主要集中在对DME基本燃烧过程的控制和DME应用于发动机的均质充量压缩燃烧(HCCI)两方面[3-6]，而关于DME在陶瓷窑炉方面的应用则未过多涉及。本文对比了陶瓷窑炉常用燃料的热工特性，探讨了DME作为陶瓷窑炉替代燃料的应用前景和可能存在的瓶颈问题。

1　陶瓷窑炉常用燃料概述

目前日用陶瓷行业和建筑卫生陶瓷行业常用窑炉燃料有发生炉煤气、重油、天然气、液化石油气等。

1.1发生炉煤气

发生炉煤气是最常见的传统气体燃料，制备方法主要是使煤在发生炉中不能完全燃烧，从而产生大量的一氧化碳(发生炉煤气的主要成分)。但是其气化系统复杂，投资规模大；此外，如何治理发生炉煤气在净化过程中产生的含酚污水问题一直是困扰煤气站的环保难题。

1.2重 油

重油的发热量高，能够保证陶瓷窑炉的炉温要求。但是重油燃料燃烧过程中经常出现大量黑烟，燃烧非常不充分，不仅造成燃料的过多消耗，而且其不完全燃烧所产生的烟气会造成较为严重的污染。

1.3天然气

天然气(NG)的主要成分为甲烷，由于甲烷与空气混合物的着火浓度范围很窄，在5%-15%，因此燃烧过程对缺氧很敏感。甲烷的火焰传播速度很小，其常温、常压下最大可见火焰传播速度不到1.0 m/s，因而燃烧较为缓慢。虽然天然气的发热温度约2000-2040 ℃，满足所有陶瓷产品的烧成要求，但是天然气燃烧所需理论空气量大(约为7.8-11.2 Nm3/Nm3)，因此对烧嘴混合性能要求高。

1.4液化石油气

液化石油气(LPG)的热值很高，但其理论空气量高达24-30 Nm3/Nm3，因此，助燃空气与之混合完全比天然气更为困难。火焰传播速度低，燃烧缓慢。液化石油气纯净，含硫少，是烧制高档陶瓷产品的优质燃料。但由于液化石油气密度较大，泄漏时往下沉，易与空气混合达到着火浓度范围，遇火发生爆炸。

综上所述，目前常用燃料在使用过程中均存在一些问题，再综合考虑到国家的能源政策和燃料成本，寻找合适的替代燃料已是当务之急。

表1　天然气的组成Tab.1 The composition of NG

表2　发生炉煤气的组成Tab.2 The composition of producer gas

表3　液化石油气的组成Tab.3 The composition of LPG

2　陶瓷窑炉常用燃料的分析对比

采用气体燃料焙烧陶瓷制品，易实现自动控制，并能获得最佳经济效益，因而我国已将采用气体燃料纳入陶瓷工业技术改造政策轨道，并积极付诸实践。现在陶瓷窑炉采用的气体燃料种类有天然气、液化石油气、发生炉煤气等。

2.1几种燃料的组成

2.2几种燃料的比较

从表5中可以得出如下结论：

(1)燃气的性能指标：燃气性能指标的优劣依据主要是单位热值所需空气量和单位热值产生烟气量，二者越少，燃气性能指标越好[7]。从表5中可以看出，4种燃料中，发生炉煤气单位热值所需空气量是最少的(0.204<0.244(DME)<0.254(LP G)<0.266(NG))，但单位热值产生烟气量是最多的(0.324>0.294(NG)>0.278(DME)>0.275(LPG))；而DME单位热值产生烟气量稍高于LPG，单位热值所需空气量稍高于煤气，总体的性能指标最优。

(2)热值：在DME、NG及煤气三种燃料中，DME的热值最高，这就意味着烧制同等质量陶瓷时用气最少，因此从热值考虑完全可以作为替代燃料；

(3)理论燃烧温度：DME理论燃烧温度最高，这是因为DME自身含氧，燃烧所需的空气量和生成的烟气量相对较少，从而烟气带走的热量减少，其理论燃烧温度必然提高。因此，从燃料的燃烧温度考虑，DME完全可以替代目前所使用的陶瓷烧制燃料；

(4)成本分析：目前二甲醚：7.30元/NM3；天然气：4.25元/ NM3；煤气：0.53元/ NM3；液化石油气：14.37元/NM3(参考最新报价进行核算)；根据单位二甲醚产生的热值与其它燃料的对应值：1 NM3二甲醚→1.63NM3天然气；1 NM3二甲醚→9.16 NM3煤气；1 NM3二甲醚→0.54 NM3液化石油气；依据上述数据，产生100MJ的热值消耗各种燃料所需的费用为二甲醚(12.47元)，天然气(11.81元)，煤气(8.3元)，液化石油气(13.32元)。因此，产生同样的热值，从经济性上考虑，费用从高到低依次为液化石油气＞二甲醚＞天然气＞煤气。由于没有考虑煤制气的设备成本、加工成本和废水废气的处理成本，所以煤气费用计算偏低。

表4　二甲醚的组成Tab.4 The composition of DME

表5　几种常见气体燃料的比较Tab.5 The comparison of several kinds of common gas fuels

3　二甲醚在陶瓷窑炉中的应用前景和存在的瓶颈问题

3.1二甲醚用于陶瓷燃料的优势[8]

(1)二甲醚完全燃烧的燃烧产物是CO2和H2O，对环境友好，符合我国的环境保护政策；

(2)由于二甲醚不含细微颗粒、硫等杂质，因此烧制的陶瓷洁白纯净，提高了产品的质量和价格，能带来较好的经济效益；

(3)从我国资源情况看，我国属于“贫油、少气、富煤”，二甲醚属于煤化工下游产品，因此，从可持续发展来看，二甲醚具有明显优势；

(4)从成本上看，二甲醚作为燃料具有价格优势，设备投资远远低于建设一套煤气发生装置，运行成本也很低；

(5)从使用安全性上看，二甲醚的爆炸极限范围小，且没有毒性，因此具有很好的使用安全性；

(6)虽然同样是作为由煤转化而来的能源，二甲醚不存在煤炭堆放问题，也没有水煤气产生的SO2污染问题；

(7)燃烧效率高，原因有二，一是因为DME自身含氧，属“富氧燃烧”工况，燃烧状况得到改善；而另外一方面，氧气与气体燃料DME易于混合均匀。因此，可以选取较小的空气系数，减少不参与燃烧的O2、N2量，使DME燃烧效率提高。

3.2二甲醚用于陶瓷燃料的瓶颈问题

(1)二甲醚的供应问题

燃料制造工艺和生产规模决定了二甲醚作为二次能源的生产成本。目前，二甲醚生产规模很小，成本优势不明显；并且采用罐装方式很难适应大工业化生产的需要。

(2)二甲醚的污染物排放问题

由于着火滞燃期较短以及燃烧中生成的NO会被反应中间产物大量消耗[9]，因此，在DME燃烧中，氮氧化物的排放较低。但是使用二甲醚等含氧燃料容易产生甲醛等新的有害排放物质，会带来新的环境污染问题[10-12]。甲醛可由二甲醚氧化后的中间产物分解产生，对人体危害极大。二甲醚燃烧过程中甲醛的生成受燃料当量比和火焰温度影响明显，欠氧预混合燃烧的甲醛生成显著高于富氧燃烧[13]。在氧气充足的情况下，甲醛能够迅速被氧化消耗；而在氧气不足的环境下，二甲醚的直接脱氢裂解使得甲醛的浓度非常高。因此，在实际燃烧过程中，促进DME的完全氧化和燃烧是减少污染物排放的关键途径。

(3)二甲醚作为替代燃料的设备改造问题

从理论上讲，不同种类燃气替代时，要更换或重新调整烧嘴。在燃气的互换性问题中，需要综合考虑华白数、燃烧势、黄焰指数、积炭指数、扩散火焰、稳焰指数等。同时考虑到由于二甲醚对橡胶密封圈及输送软管有一定的腐蚀作用，需要对输送管路的密封件进行适当改造。

(4) 二甲醚燃烧过程的控制问题

二甲醚跟其他燃气相比，它的着火温度很低，很容易燃烧。同时，完全燃烧所需的空气量和产生的烟气量偏高，因此，需要在燃烧过程中强化传热和增加扰动来使燃烧充分(如同心射流，分级燃烧等)。并且在燃烧过程中要控制好二甲醚的炉前压力，避免燃气在炉膛内待的时间过短就被排出炉外造成了燃料的浪费。

4　结 论

对陶瓷窑炉几种常见气体燃料进行对比分析，二甲醚燃气总体性能指标最优，并且在热值、理论燃烧温度和成本对比中具有明显优势。在解决二甲醚的稳定供应、设备改造、污染物排放、燃烧过程控制等瓶颈问题的基础上，二甲醚具有完全替代目前所使用的陶瓷烧制燃料的应用前景。

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通信联系人：朱庆霞 (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

中图分类号：TQ174.6

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2015)01-0070-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.015

收稿日期：2014-04-10。

修订日期：2014-04-21。

基金项目：江西省自然科学基金(编号:20133BAB21009)，江西省教育厅科研项目（编号:GJJ13635)，景德镇市科技局科研项目(编号:景科字2013-42)。