多元耦合低氮燃烧技术在陶瓷工业的应用

韩复兴 杨立辉 段延山

摘 要：以安阳贝利泰为例分别介绍低氮燃烧技术在烧成窑炉、喷雾干燥塔方面的应用，同时介绍了安阳贝利泰特有的低温快烧工艺技术、烟气循环利用技术，对实现陶瓷工业清洁生产，尤其是实现低氮燃烧、超低排放具有重要意义。

关键词：低氮燃烧技术;多元耦合;低温快烧;烟气再循环;余热利用

1 前 言

低氮氧化物燃烧技术是改进燃烧设备或控制燃烧条件，以降低燃烧尾气中NOx浓度的各项技术。影响燃烧过程中NOx生成的主要因素是燃烧温度、烟气在高温区的停留 时间、烟气中各种组分的浓度以及混合程度，因此，改变空气-燃料比、燃烧空气的温度、燃烧区冷却的程度和燃烧器 的形状设计都可以减少燃烧过程中氮氧化物的生成。工业上多以减少过剩空气和采用分段燃烧、烟气循环和低温空气预热、特殊燃烧器等方法达到目的。

国外上世纪从50 年代起就开始了燃烧过程中氮氧化物生成机理和控制方法的研究。到70 年代末和80 年代，低NOx 燃烧技术的研究和开发达到高潮，开发出了低NOx 燃烧器等实用技术。进入90 年代，有关电站锅炉供货商又对其开发的低NO x 燃烧器做了大量的改进和优化工作， 使其日臻完善[1]。进入21世纪以来，低氮氧化物燃烧技术呈现多元耦合技术特征。

在陶瓷窑炉燃烧所产生的各种大气污染物中，氮氧化物的危害最大;同时也最难治理[2]。当前普遍存在重视末端治理，而忽视燃烧控制技术的现象。这也是导致治理成本大幅攀升，出口成本优势急剧下降的主要原因之一。因此重视燃烧控制技术，尤其是低氮燃烧技术显得比较重要和迫切。下面以安阳贝利泰为例分析低氮燃烧技术在陶瓷工业的应用。

2 耦合低氮燃烧技术的应用实践

2.1一分厂应用实践

一厂始建于2013年，采用初级耦合低氮氧化物综合燃烧技术，脱硝效率高达85%，技术特征和路线如下：

（1）采用绿色低氮天然气作为燃料，降低燃料源;

（2）采用无氮陶瓷原料，杜绝原料源;

（3）采用低温快烧燃烧技术，减少热力型氮氧化物产生;

（4）窑炉采用高效余热利用技术;

（5）窑炉采用分段式预混低氮燃烧技术（LND）系统;

（6）窑炉烧成工艺采用高温段还原气氛，低温段氧化气氛的分段燃烧技术;

（7）喷雾干燥塔热风炉采用分割火焰燃烧器+低温燃烧控制技术（≯720℃）;

（8）烟气脱硝采用SCR催化低温脱硝工艺。

2.2二分厂应用实践

二厂采用的意大利萨克米公司最先进的绿色智慧工艺技术装备和技术路线，2020年3月投产，代表着国际最高水平的工业4.0示范工厂，耦合最新绿色生产技术，属于高级耦合低氮氧化物综合燃烧技术，脱硝率高达99.5%，技术特征和路线如下：

（1）继续做好原燃料氮源入口关;

（2）继续采用低温快烧燃烧技术，减少热力型氮氧化物产生;

（3）窑炉烧成工艺继续采用高温段还原气氛，低温段氧化气氛的分段燃烧技术;

（4）窑炉采用双层节能辊道窑、干燥窑采用七层节能干燥窑、喷雾干燥塔塔采用AI人工智能节能计算系统;

（5）窑炉、干燥窑、喷雾干燥塔采用最先进的保温材料和技术，实现高效节能减排;

（6）窑炉采用高效余热利用技术、分段式预混低氮燃烧技术;

（7）窑炉烟气经预热、SCR催化低温脱硝后，300℃烟气送入喷雾干燥塔再循环;

（8）喷雾干燥塔热风炉采用“热烟气再循环+天然气分阶段”耦合低氮燃烧器;

（9）五层干燥窑采用催化燃烧无焰远红外低氮燃烧器。

3 分 析

3.1低温快烧生产工艺技术

众所周知，氮氧化物主要来源为热力型助燃空气源，降低烧成温度，缩短烧成周期，尤其是高温区时间，可以大幅度降低热力型空气源氮氧化物的产生。燃烧温度低于720℃，不会产生氮氧化物;燃烧温度在720℃～1000℃时，在催化剂作用下才，且空气过剩系数较高时，有微量氮氧化物产生;燃烧温度在1000℃～1200℃时，在催化剂存在条件下，且空气过剩系数较高时，才有极少量氮氧化物产生;燃烧温度高于1200℃以上，在空气过剩系数较高时，无需催化剂有少量氮氧化物产生;在燃烧温度高于1400℃以上，才有大量氮氧化物产生。贝利泰素烧温度1080℃和釉烧温度1060℃，均远低于1200℃，烧成周期均小于35min，已经大幅度降低了氮氧化物的产生。

贝利泰一厂生产陶质小规格釉面砖，利用周边地区：透辉石、石英、碱干、瓷土、煤矸石等原料，研制出低温快烧生产工艺，其中素烧温度≯1090C°，周期25min～35min之间;釉烧温度在1050C～1060C°之间，周期25min～35min之间。贝利泰二厂生产瓷质仿古地板砖，利用周边地区：磁石、碱干、瓷土、煤矸石等原料，研制出一次烧低温快烧生产工艺，其中最高温度≯1190C°，周期40min～55min之间。采用低温生产工艺是从温度和时间上保证极少量氮氧化物产生的根本。

3.2高温还原低温氧化生产工艺

陶瓷砖在辊道窑内的烧成包括以下步骤：抽湿排潮（110C°～250C°）——预热干燥（250C°～650C°）——氧化分解（650C°～1050C°）——烧结烧成（1050C°～1230C°）——急速冷却（1080C°～650C°）——缓慢冷却（650C°～250C°）——缓慢冷却（250C°～50C°）。其中加热步骤有：预热干燥、氧化分解、烧结烧成三个阶段，而预热干燥又是利用烟气余热干燥，不需要燃燒器和燃料燃烧。所以真正需要加热的阶段只有：氧化分解段（650C°～1050C°）和烧结烧成段（1050C°～1230C°）。氧化分解段由于碳酸盐、有机物质需要燃烧分解，所以需要过量的空气剩余系数，而在高温的烧结烧成段（1050C°～1230C°）完全可以采用还原气氛烧成，这样可以从理论上解决氮氧化物在产生。实际上贝利泰由于采用了高温阶段还原烧成技术，而大幅降低了氮氧化物的产生。

3.3分段式预混低氮燃烧技术

一厂窑炉冷却带的余热风送给助燃风机，并由助燃风机送入冷却段前段进行换热，在急冷及缓冷段之间单独设置助燃风换热段，这样减少急冷风干扰，使得助燃风温度波动减小，使助燃风的温度可达300℃，与加热至200℃相比可节能3%左右，可以实现能源综合利用，大幅降低空气燃料比，降低燃烧系数，降低空气与燃料混合时间，大幅减少氮氧化物的产生。

分级燃烧的原理是将燃烧过程分阶段进行， 首先将从主燃烧器供入炉膛的空气减少到总燃烧空气量的70%～75%， 相当于理论空气量的80%， 此时的α<1， 使燃料先在缺氧条件下燃烧， 在还原性气氛中降低NOx 生成速率。完全燃烧所需要的其余空气量则通过布置在主燃烧器上方的空气喷入口“火上风”送入炉膛， 与一级燃烧区所产生的烟气混合， 最终在α>1 的条件下完成全部燃烧过程。

贝利泰的分段式预混低氮燃烧技术，还有一个特点就是助燃风经过热交换加热至300℃，进一步减少空气过剩系数，降低氮氧化物产生。

3.4低温低氮燃烧器工艺

贝利泰一期喷雾干燥塔采用低温低氮燃烧器，炉膛最高温度700℃，塔顶入口最高温度650℃，彻底杜绝热力型空气源氮氧化物的产生。同时该方法依照《陶瓷制品制造业污染防治可行技术指南》（HJ2304-2018）之5.2 污染治理技术之5.2.1.6 喷雾干燥塔烟气治理组合技术之c）喷雾干燥塔烟气袋式除尘治理技术 适用于只采用除尘技术即可实现稳定达标排放的喷雾干燥塔烟气污染治理。通常针对以天然气或低硫煤为燃料的喷雾干燥塔，且其热风炉排烟温度一般不大于720 ℃。喷雾干燥塔烟气经袋式除尘后排放，其中，袋式除尘前可选配旋风除尘，袋式除尘后可选配喷淋除尘[3]。除尘效率通常不小于99%。

贝利泰二期干燥窑摒弃了传统的窑炉烟气余热干燥技术，而是采用了催化燃烧无焰远红外低氮燃烧技术和五层干燥窑，人工智能辅助技术设计干燥制度、燃烧温度200℃～300℃，温度稳定，可靠程度高、干效率高、生产成品率高、占地面积小，达到了超低排放。

贝利泰二期喷雾干燥塔热风炉，采用窑炉SCR催化低温脱硝后的烟气，烟气温度高达300℃具有高的热利用价值，同时采用“热烟气再循环+天然气分阶段”耦合低氮燃烧器，实现了超低排放。

4 结 论

生态环境保护和高质量发展既是我国的基本国策，也是企业实现产业升级、转型发展的必经之路。多元耦合低氮燃烧技术可以从源头上有效解决陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、石墨碳素、钢铁等行业窑炉节能减排、环境保护、脱硝等难题，也是实现大气污染防治攻坚战、落实蓝天保卫战的核心武器。多元耦合低氮燃烧技术在贝利泰的五年实践表明：

（1）多元耦合低氮燃烧技术是系统解决产业共性问题、瓶颈问题、重大发展问题的综合方案，具有信息、管理、技术、系统等特征，不能孤立为一种技术或一套方案，而是一种不断完善的技术管理体系。

（2）多元耦合低氮燃烧技术在贝利泰的应用实践是成功的，达到了超低排放的效果，也起到了标杆示范作用。

（3）在陶瓷行业应用实践表明，多元耦合低氮燃烧技术的根本是生产工艺的设计，包括低温快烧工艺、高温还原低温氧化工艺和烟气在循环工艺，其次关键设备的绿色智慧程度和先进技术的应用程度，譬如分段式预混低氮燃烧技术、热交换余热利用技术、催化燃烧无焰远红外低氮燃烧技术和低温低氮燃烧技术及燃烧器、烧嘴及控制系统的应用。

参考文献

[1] 毕玉森，低氮氧化物燃烧技术的发展状况[J].技术经济综述，2000（2）：2-10;

[2] 曾令可等，陶瓷窯炉的污染与新型燃烧技术及设备的发展[J].工业炉，2002（2）：14-17;

[3] 陶瓷制品制造业污染防治可行技术指南[S].生态环境部，2018-12-29;