天然气催化燃烧炉窑温度的研究及应用

张世红，白天宇，魏美仙

(北京建筑大学 环境与能源工程学院 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100044)

天然气催化燃烧炉窑温度的研究及应用

张世红，白天宇，魏美仙

(北京建筑大学 环境与能源工程学院 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100044)

催化燃烧反应较低的活化能允许在贫碳氢化合物浓度下发生反应，燃烧发生在常规气相易燃极限之外，因此燃烧更稳定. 在此基础上研究出了天然气催化燃烧炉窑，首先从理论上研究了催化燃烧炉窑，将催化燃烧炉窑应用到琉璃的烧制中，得到了其能烧制琉璃，并分析了温度对烧制琉璃的影响，烧制出来的琉璃以其纯净坚固的质地，富有旋律的造型以及光鲜亮丽的色彩，令人赏心悦目. 研究其在建筑装饰和古建修复等工程中的可行性，对我国建筑的装饰和保护具有深远的历史意义.

催化燃烧； 炉窑； 温度； 琉璃

中国琉璃，其内身的艺术性融悠久历史和辉煌成就于一体，将艺术与工艺高度相融，是我国古代文化与现代艺术的完美结合. 但在自20世纪90年代以来的经济体制根本性变化当中，传统的生产制作受到了市场经济大潮的猛烈冲击，市场日益缩小，发展渐受制约，生存面临严峻挑战[1]，而且由于传统琉璃烧成周期长、生产效率低[2]等多种因素造成琉璃发展较为迟缓. 因此探索和研究怎样在市场经济体制下引进新的技术，更好地继承和发扬传统的制作工艺成为当代琉璃技艺发展课题的重中之重. 本文将催化燃烧研究出的催化燃烧炉窑应用到琉璃工艺品的烧制中，从理论上研究了催化燃烧炉窑，并结合传统琉璃烧制的温度要求，得到满足催化燃烧炉窑烧制琉璃的温度条件，同时在经过多次烧制试验的基础上，研究出催化燃烧炉窑烧制琉璃较合适的温度梯度，深入分析了温度对烧制质量的内在影响，并对催化燃烧烧制出的琉璃进行了一系列的可行性研究.

1 催化燃烧技术

催化燃烧是典型的气—固相催化反应 , 它借助催化剂降低了反应的活化能, 使其在较低的起燃温度200 ℃～ 300 ℃下进行无焰燃烧. 与传统的火焰燃烧相比,催化燃烧有着很大的优势:1)起燃温度低，能耗少,燃烧易达稳定,甚至到起燃温度后无需外界传热就能完成氧化反应；2)净化效率高, 污染物如 NOx及不完全燃烧产物等的排放水平较低；3)燃烧为无焰燃烧，散热方式主要为辐射散热，散发出来的能量得到充分利用且能源利用率较高[3]. 因此，基于催化燃烧的优势，研发出了催化燃烧炉窑，并将其应用到琉璃的烧制中.

琉璃是我国五大名器和佛家七宝之一，是艺术花园中一朵争芳斗艳的奇葩. 伴随着全国各地非物质文化遗产保护工作的开展，琉璃作为文化资源逐步被重视，如何进一步弘扬和发展琉璃文化，使之更加适应现代生活，首先在理论上急需进行深层次的探讨. 对于琉璃工艺品而言，烧成工艺是所有陶瓷类生产的核心技术之一，也是在整个陶瓷生产中最难控制的部分. 影响烧成质量的因素很多，例如当时当地的温度、湿度、气压、窑炉气氛变化等，但是最关键的是烧成温度和烧成曲线的控制，这些因素综合起来，最终决定了这一窑产品的质量好坏[4]. 本实验所用到的催化燃烧炉窑采用了完全预混的燃烧方式，实现了天然气和空气在炉内的高度混合，喷射系统将混合气体以辐射状射入[5]，整个炉膛气流更加均匀稳定，对温度的把握性较好，将其应用到琉璃的烧制中去，为琉璃的加工工艺提供了一条新的思路.

2 实验仪器及实验步骤

2.1 天然气催化燃烧炉窑系统结构

天然气催化燃烧炉窑系统主要由催化燃烧炉、烟气分析仪和测量装置组成. 其中炉窑是400 mm×100 mm×80 mm的薄壁不锈钢催化燃烧炉窑；催化燃烧器载体是蜂窝孔独石，横截面积为0.022 5 m2，独石内表面上镀着钯(Pd)和铑(Rh)催化剂，独石孔道尺寸1 mm×1 mm，壁厚0.18 mm，软化温度为1 380 ℃，为了对混合气体进行整流以及防止催化独石在燃烧时产生的热量过多地向后方传递，在催化独石和混合气体之间，并列加上两块空白的独石[6]；风机卷吸空气进入空气管道与来自市政天然气管网的天然气完全预混后进入燃烧器，在燃烧器头部的独石上进行燃烧. 系统中利用变频控制器(SIEMENS，MICROMASTER420)控制风机的转速，采用流量计测量空气和燃气体积流量，所对应的装置型号分别为CMG400A080100000及CMS0050BS RN200000，量程均为0～80 m3/h，并采用型号为DH1715A- 5的双路稳压稳流电源(24～200 V)为流量计供电. 实验中，利用热电偶(直径为0.5 mm)数字测温仪(测温范围为0 ℃-1 000 ℃)测量炉膛内的气体温度.

2.2 实验步骤

一件琉璃制品从原料到烧制成成品总共需要经历20多道工序. 普通琉璃件通过制坯、修整成型，琉璃工艺品还要再精雕，然后晾干或烘烤后入窑“素烧”，素烧温度在1 000 ℃～1 150 ℃之间，素烧后的坯体表面是白色的. 进行上釉工序后，进行二次烧制称为“彩烧”，彩烧的温度低于素烧，温度控制在“600 ℃～910 ℃”[7]. 由于高温下催化剂易烧结和热失活且独石软化温度不高，所以本实验主要研究坯体进行上釉工序后的二次烧制过程，其釉料以石英和氧化铅为主，是一种含铅的烧制玻璃的基釉料，具有明亮透底的特点. 为了使琉璃釉面受热均匀、流淌，将琉璃用耐高温的陶瓷支座支撑竖直放置在转盘上.

在实验开始之前，首先提前打开烟气分析仪调零，检查各个仪器是否出现问题. 依次打开水泵、稳压稳流电源、变频控制器和热电偶温度计，接通风机电源，将空气流量调到3.7 m3/h，对催化燃烧器混合腔和炉窑炉膛内进行吹扫，保证整个系统中没有上一次实验残留的天然气.

准备工作完成后，将所需要烧制的琉璃放置于转盘上，并打开燃气. 开始阶段，燃气流量较小，对琉璃预热，温度缓慢增高；之后调节空燃比，保持温度平稳上升. 由于催化燃烧炉窑加热方式是辐射加热为主，加热均匀，相对于传统的烧制方式热效率较高，辐射换热量较大，且燃烧效率较高，节省能源. 保持温度继续以较小的温度梯度增长，直到达到需要的温度条件，然后保温一段时间. 实验过程中，要保证足够的加热时间，使琉璃釉和坯体很好融合.

3 实验结果分析

本实验将上釉的琉璃制品放入窑膛进行二次烧制，经过多次烧制并对比成品质量，绘制出了不同梯度的温度变化曲线，并分析了温度对质量的内在影响.

图2是催化燃烧炉窑烧制琉璃实验初期以及经过多次试验并改善后烧制琉璃过程中温度变化曲线，从图2(a)、图2(b)可以看出炉窑温度均成梯度上升，但是两者的温度梯度不同，显然，图2(a)温度梯度比图2(b)的陡峭，说明在相同的时间内温度上升较快，尤其在后半阶段温度梯度差距较明显：这种缓慢的温度增长梯度为琉璃釉提供了充足的时间融化并慢慢深入坯体，完成坯- 釉的充分结合. 此后保持温度基本不再上升，在这个阶段中，琉璃釉开始显现光泽，逐渐成熟. 图2(a)的烧制成品如图3所示，烧制出来的琉璃釉成点状，相互之间没有融合，色泽暗淡，而图2(b)的烧制成品如图4所示，烧制出来的成品琉璃釉很好地融合在一起，釉色均匀，晶莹透亮.

经过大量反复实验，对比在不同温度梯度下烧制出来的琉璃成品，深入探讨和分析了温度对琉璃质量的影响. 首先是加热阶段，保持窑内琉璃坯体平稳升温，对坯体预热，在这个阶段，坯体内的游离水被烘干，可燃物开始燃烧；随后，保持温度缓慢上升，生釉中的物质开始熔融，一段时间后，琉璃釉面开始进入全面熔融状态，并部分渗入坯体，形成坯-釉结合，此阶段要控制温度慢慢地达到最高值，充分排出窑中活件中残留的水分，使之不裂，同时也为釉和坯体提供了足够的时间融合；之后保持温度基本不再上升，在这期间，琉璃的釉面开始显现出光泽，并牢固吸附在坯体表面，经过这阶段，釉面完成了从熔融玻化到坚硬光亮的过程，否则釉面就会不平整. 此时琉璃构件基本成型，接下来是一个均匀降温散热的过程，如果降温不均匀，琉璃表面就会“受惊”开裂，导致前功尽弃，因此这个阶段均匀降温是关键.

4 催化燃烧烧制出的琉璃成品及可行性研究

4.1 催化燃烧烧制琉璃成品

古代琉璃采用的是固定的“倒焰式”的燃烧方法，这种方法使窑底和窑顶有温度差，容易造成琉璃制品质量的缺陷[8]，而催化燃烧的特点之一是富氧贫燃料无焰燃烧，通常无法直接气相燃烧的低浓度燃气都可以通过催化燃烧来获得热能[9]. 催化燃烧炉窑形制较小，琉璃的烧制比普通砖瓦更需要温度的平衡，窑体小更有利于集中火力和控制受热面[10]. 同时催化燃烧具有能够按照工艺要求设定温度曲线进行升温降温，对温度的把握性较好，并且具有节能环保的特点.

图5是用催化燃烧炉窑经多次总结经验烧制出来的狮子琉璃成品. 狮子自古以来是我国最受欢迎的吉祥物，是气势磅礴，威猛勇敢的象征，本来是冷冰冰的狮子泥胎，但是经上釉用催化燃烧炉窑烧制而成后被赋予了生命，外观光滑整洁，釉色鲜亮纯正，造型纹样规整清晰，彼此咬合一致，这样，通过催化燃烧的方式方法，将其自身特有的创造性和装饰性完美展现出来，带给人审美享受和视觉美感.

4.2 催化燃烧烧制琉璃的可行性研究

4.2.1 建筑装饰中的琉璃——北京故宫等建筑群

北京故宫、天坛等建筑群因采用了琉璃装饰而显得富丽堂皇，不仅具有浓厚的东方文明特色，还具有丰富的思想内涵表现力，在世界建筑史上更是独树一帜. 皇极门前的五彩琉璃照壁(九龙壁)(图6)堪称琉璃艺术之珍，整座照壁形式有坐龙、升龙、降龙之分，纹理复杂，壁面塑造出凹凸不平的立体感，是我国的艺术瑰宝. 近几年来使用琉璃制品装饰建筑等日益受到大众欢迎，使琉璃制品的需求量迅速增长.

然而现代琉璃的烧制大多采用古法烧制，由于节能减排的推行，将对传统琉璃燃烧方式提出挑战，因此如何改变传统的燃烧模式同时发挥出琉璃强大的装饰性是应该探索的一条新路，而天然气催化燃烧在供热、食品加工、炉窑等行业中因其燃烧稳定、完全燃烧、节约能源和近零污染等特性发挥出普通燃烧不可替代的作用. 实验证明它不仅能满足烧制琉璃的温度条件，而且烧制的成品也有一定的装饰性，因此将催化燃烧炉窑和建筑琉璃结合具有一定的可行性，值得后续探究.

4.2.2 古建修复中的琉璃——福泉古寺

在现代建筑中选用琉璃制品作为装饰，在传达、渗透给人们古代建筑的历史文化和底蕴的同时，在古建修复中也发挥着巨大作用.

现代琉璃烧制方法多采用推板窑高温一次烧成的方法. 推板窑为半开放式，全长十几米，采用直火燃烧的方式，窑温难于控制，波动较大，而且漏火严重，煤耗大，空气污染较严重. 随着社会对环保意识的加强，利用燃煤加热的推板窑受到了一定限制，而催化燃烧炉窑不仅结构简单、性能稳定、安全可靠、节能省源，而且对温度把握性较好，污染物浓度低，探究将其应用到琉璃烧制中的可行性，而且现代催化燃烧技术相对于传统的烧制工艺有更高的优势，烧制出的琉璃也可以和传统的相媲美，对传承和保护古建筑群，同时发挥催化燃烧特色和优势具有一定研究意义.

5 结论

1) 根据催化燃烧的优势，将天然气催化燃烧技术与炉窑相结合，研究出天然气催化燃烧炉窑，将其应用到琉璃烧制中.

2) 烧窑是烧制琉璃最有风险的环节，实验证明催化燃烧炉窑不仅满足琉璃烧制温度要求，而且在多次烧制基础上研究出烧制琉璃较为合适的温度曲线.

3) 琉璃在建筑装饰和古建筑修缮等工程中发挥重大作用，探究用催化燃烧技术烧制出的琉璃在工程中的应用性，为现代琉璃非物质文化遗产的保护提供了一条新思路，值得后续研究.

4) 实验证明无论是从催化燃烧炉窑优越性的角度，还是从琉璃实用性的角度上来讲，利用催化燃烧烧制出的琉璃不仅具有很高的艺术性，也可以研究其在建筑装饰和古建修缮中的应用，天然气催化燃烧技术在琉璃等烧制方面有广阔的应用前景.

[1] 宋暖. 博山琉璃及其产业化保护研究[D]. 济南：山东大学, 2011

[2] 包启富, 董伟霞. 琉璃瓦用低温烧成结晶釉的试制[J]. 陶瓷, 2009(7):35-37

[3] 杜娟, 田成文, 范庆伟. 催化燃烧技术研究进展及其应用[J]. 节能, 2006, 25(2):37-39

[4] 孙明, 黄磊. 浅析传统建筑琉璃构件生产工艺要点[J]. 中外建筑, 2016(5)：178-179

[5] 张世红,Valerie Dupont,Alan Williams. 天然气催化燃烧近零污染物排放机理和应用[M]. 北京：科学出版社, 2008：55-67

[6] 祝立强,张世红，刘富良. 天然气催化燃烧炉窑特性及烧制唐三彩研究[D]. 北京：北京建筑大学, 2015

[7] 杜昕. 北京琉璃烧制[M]. 北京：北京美术摄影出版社，2015：63-70

[8] 楚辉. 琉璃在建筑环境中的装饰应用性研究[D]. 西安：西安建筑科技大学, 2013

[9] 周慧, 周耀来, 李云鹏. 富氧燃烧技术及其对环境的影响研究综述[J]. 华东电力, 2008, 36(9):111-113

[10] 樊桂敏. 中国古代琉璃瓦初探[D]. 南京：南京大学, 2011

[责任编辑：王志兵]

Applications and Studies on Temperature of Low Carbon Catalytic Combustion Furnace by Natural Gas

Zhang Shihong，Bai Tianyu，Wei Meixian

(School of Environment and Energy Engineering，Beijing Key Lab of Heating, Gas Supply, Ventilating and Air Conditioning Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

Catalytic combustion with lower activation energies allows the reactions occurring at very small hydrocarbon concentration in air. Catalytic combustion can occur outside of normal gas phase flammability limits, so the combustion can be more stable. On this basis, catalytic combustion furnace was made. At first, the catalytic combustion furnace was studied theoretically and was applied to the glaze tiles heated which can be produced. Then, the influence of temperature on heating glaze tiles is also analyzed. Finally, heating glaze tiles with pure solid texture, rich melodic style and glamorous colors, were obtained. It was found pleasing to both the eye and the mind. Its application to the architectural decoration and repairing and preservation engineering of ancient buildings has profound historical significance in China.

catalytic combustion; furnace; temperature; glaze tiles

2016-07-01

北京市教委科技创新能力提升计划项目(PXM2016_014210_000016)

张世红(1964—)，女，教授，博士，研究方向： 贫天然气、空气混合物的催化燃烧理论和应用等.

1004-6011(2016)04-0028-05

TK01+9

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