无机非金属陶瓷窑炉煤改天然气节能技术改造及应用

郑雪娟

泉州市燃气有限公司 福建泉州 362000

根据《陶瓷工业污染物排放标准》（GB 25464—2010）要求，陶瓷窑的颗粒物限值调整为30mg/ m3、二氧化硫限值为50mg/ m3、氮氧化物限值为180mg/ m3。自《排污许可证申请与核发技术规范陶瓷砖瓦工业》于2018 年7 月31 日正式实施后，泉州市环保部门要求所有建筑陶瓷企业该标准要求执行，并投资安装排放口自动监测设备，含年运行成本约50 万元/ 套。多数建陶企业采用高硫煤，面临增加投资、排污不合格需停产整治等问题，与此同时，环保部门鼓励企业改用天然气，则不需投资安装自动监测设备。所以燃气公司积极响应国家能源环保政策，全面实现泉州市陶瓷企业天然气能源替代，推进节能减排，提升社会效益，研究、实践并应用天然气窑炉节能技术改造，提高能源利用率，对满足客户降本增效需求具有极大重要性。

1 陶瓷窑炉节能改造

1.1 窑体结构及设备

1.1.1 窑炉挡火墙位置及尺寸工程技术改造

很多建陶企业窑炉有超过10 道挡火墙，不仅增加了燃烧产物排出难度，也造成烧成带压力过大，辊棒存在较大温差，容易引起产品上翘现象。挡火墙尺寸和位置不科学，窑头排烟风机排烟量较多，导致热耗增加。燃烧产物要和排烟量保持一致，燃气量助燃风量要足，这是烧成制度和压力制度的关键。当排烟量增加后，窑炉烧成带与预热带压力制度面临干扰，也不利于有效烧成带长度和烧成制度，并出现过多能耗。为了消除以上不足，在通过工程技术改造验证后，增加窑头排烟风机排出量，并合理设置挡火墙尺寸与位置，预热带设置多个烧嘴，窑头排风机降低50%。这样能在不影响产品生产基础上，也降低至少8%的能耗。

1.1.2 合理选用燃烧机工程技术改造

很多建陶企业辊道窑设置有涡流烧嘴，主要用于控制生产期间火焰的长度与烧嘴调节比，预热带烧嘴容易出现熄火问题，水平方向会产生产品釉面色差、砖坯尺寸误差等现象。在通过工程技术改造验证后，用亚高速烧嘴替代烧嘴，且增加烧嘴的组数，可以有效解决出现的问题。这样能够保证烧嘴在窑内空间燃烧，并产生透明火焰，提升了燃烧产物流动速度，并保证了混合的均匀性和最终加热效果。通过设置亚高速烧嘴，辊道窑烧成带、预热带等能够更好进行分段控制窑压，避免热气外溢与进入坑空气，为热工操作与控制创造条件，且燃气管网压力改变与窑外温度等不会对燃烧产生较大干扰。预热带设置有低热负荷烧嘴，因为亚高速烧嘴具有很大调节范围，能够降低燃气量与助燃风量，让燃气和空气保持最佳配比，燃气燃烧也更加充分。同时火焰刚性更高，避免出现漂浮现象，大大提升了辊道窑热效率，也有效控制了能耗成本。

1.2 烧窑工艺

1.2.1 不影响品质基础上减少烧成时间

产品必须在规定时间内烧成，并满足强制升温环境，烧成期间不产生爆裂问题。窑炉需要达到快速烧成要求，窑炉燃烧机数量、热量等可以满足快速升温要求，让烧成更加迅速。只有达到上述规定，才能减少烧成耗时，避免窑壁出现更大热散失，以及大量热量随烟气排出。

1.2.2 加强装窑密度控制

只有对装窑密度进行控制，才能确保火焰、热气流与产品对流换热，维持辐射通道，避免产品出现较大内外温差，也减少升温与保温耗时。为了将最佳装窑密度确定下来，要根据试验一窑密装与稀装所耗气量得出。

1.2.3 形成科学烧成制度

陶瓷窑炉烧成制度涉及温度、气氛以及压力等方面，不同制度有着一定联系与影响。要从产品具体要求出发，将温度与气氛明确下来，而制定压力制度，能够让温度、气氛等制度顺利实现。以上制度的实现，需要控制燃烧输入和排烟量，同时充分考虑烧成时间与装窑方法。对温度制度来说，也涉及升温速度、烧成温度、保温时间和冷却速度等因素。以梭式窑氧化、还原等烧成为例，从低温烘干水到800℃主要为中性，温度超过这个值后转为氧化，此前要保持一定正压，过800℃后需要带负压。在最初阶段通过中性烧成，能够有效减少燃气的使用。温度未达到800℃时很难有较好氧化效果，应该进行升温，再转为强氧化，可以取得较好效果。

1.2.4 严格控制烧成气氛

在陶瓷成品质量影响因素中，烧成气氛最为关键，若是忽视对烧成气氛的控制，陶瓷烧制成品将产生黑心现象，主要原因为有机物、碳化物和硫化物氧化不到位。陶瓷产品烧成中低温环节会分解有机物，并包括以下氧化反应：FeS2+O2→FeS+SO2↑（350- 450℃）；4FeS+7O2→2Fe2O3+4SO2↑（500- 800℃）；C+O2→CO2↑（600℃以上）。

这个环节若是缺乏足够氧化气氛，不仅影响了有机物分解，且氧化反应也不能有效完成。C、FeS2、FeO 等在坯体中大量存在，会导致坯体出现黑色、灰色和黄色等情况。可见必须对烧成气氛进行控制，解决产品黑心问题，温度保持为600 到650℃范围燃烧有机物，而300 到850℃时确保有机物、铁化合物以及碳等完全氧化，确保预热带氧化气氛充足。烧成低温环节，会分解烟气内存在的CO，具体反应式为：2CO→2C↓+O2↑。

当温度超过800℃后分解效果非常显著，若是低于这个温度值，且存在催化剂条件下也能保证完全反应，此时催化剂一般为游离态FeO。针对低温时窑内缺乏所需氧化气氛情况，同时有还原气氛，受到FeO 的影响，将分解CO 并让C 被析出。低温时因为坯体有很高气孔率，C 主要吸附于坯体气孔表面，最终产生黑斑缺陷。陶瓷成品也可以出现色差现象，当原料坯料中钛含量过程中，处于还原气氛时很多TiO2将成为Ti2O3，颜色从蓝色变为紫色，从而产生色差。或者是出现黑色FeO·Ti2O3尖晶石与铁钛混合晶体，让铁呈色进一步变深，砖面颜色无法保持统一，具 体 反 应 式 为 ：TiO2+CO →Ti2O3+CO2↑ ；FeO+2TiO2+CO→FeO·Ti2O3+CO2↑。

针对这种情况，不能通过还原气氛烧成，防止产生色差。烧成气氛控制面临影响因素很多，如窑炉结构、所用设备等，具体反映在风机实际风量、风管的直径，以及排烟口、抽热口和抽湿口等位置情况，对烧成气氛控制有较大干扰。此外，也需要制定稳定压力制度，对燃烧器的使用也要科学。

（1）稳定压力制度：压力改变会对气体流动状态带来较大限制，当窑内压力制度发生变化后，将导致气氛出现波动，可见稳定压力制度是控制气氛的关键，这需要对零压面进行有效控制。窑炉预热带会将水分与燃烧烟气排出，相比于窑外环境在压力上更低，这样会让窑内气压为负压状态。冷却带鼓入空气会达到冷却制品的目的，对比窑外环境会有更高压力，且窑内气压为正压状态。正负压中存在零压面，预热带与冷却带中为烧成带，当零压面移动后将导致烧成带气氛改变。若烧成带前端为零压面，在烧成带与预热带中，前者气压处于微正压状态，并产生还原气氛。当烧成带后端为零压面，烧成带则为微负压状态，产生了氧化气氛。

（2）科学使用燃烧器：烧成燃料只有充分燃烧，窑炉气氛才能处于良好状态，尤其是关系着烧成带气氛。这要求烧燃器使用的科学性，加强对燃料燃烧程度的控制，能够有效改善窑内气氛。当燃料能够充分燃烧时，且通入足够的空气，燃料内所有可燃成分将被有效氧化，最终产物也不会出现游离C 和CO、H2、CH4等可燃成分，提高了氧化气氛控制效果。

1.3 技术改进

1.3.1 加热助燃风

通过测算后发现助燃风为100℃，节能效果为4%。同时会加快燃烧，让燃烧过程保持稳定，燃烧也更加高效，最终达到充分燃烧目的。在窑炉改造过程中，可以采取以下技术手段：窑炉四个角可以埋入助燃风管，借助窑墙散发的热量增加助燃风温度，一般为60℃。将冷却带余热风利用起来，可以达到助燃风效果，温度为200℃。将热交换器安装在急冷带，让助燃风管能够换取部分热并达到提升温度的效果，通常为120℃。

1.3.2 燃烧系统工程改造

很多建陶企业会剩余很多氧化烧成空气，不仅难以产生热量，也会影响到火焰温度，让窑内热量被大量排出。对此要重视空燃比控制，即燃烧实际所需空气与燃气充分燃烧所需空气的比值，只有空燃比合理，才能保证燃烧的完全性，获得最高的热效率。一般空燃比一般为1∶1～1∶1.03 的范围最佳。陶瓷窑炉燃烧系统通过技术改造，选择预混式二次燃烧系统。要从实际燃气成分、热负荷以及压力等出发，对喷气板孔径、鼓风进气量等进行改善，让燃料与空气混合比例得到有效控制。这样烧成段温度场与速度场的分布才更加均匀，燃料燃烧也更加完全，也减少鼓入多余空气引起大量热量散失。

1.3.3 窑炉自动化控制

窑炉不仅要有合理窑体结构，也需要重视控制的自动化。在自动控制过程中，需要提前在智能仪表与电脑中输入预想的操作流程，保证烧成操作自动完成，具体包括温度、气氛以及窑压等曲线的控制。在梭式窑中进行窑压控制，重点是对气氛的控制，而快速梭式窑、辊道窑和隧道窑主要设置有动力式燃烧机，在温度、气氛和窑压上采取联动控制措施，在智能仪器中输入最佳烧成流程，并编程专门的操作软件，通过电脑完成操作。若是在方法上存在偏差，将发出警报进行提醒。

2 窑炉余热回收利用工程技术改造

建陶企业原成品在窑尾冷却时会释放较多热量，若是不重视回收利用，将增加能耗，针对这种情况，要在成品窑尾冷却中合理回收热量[1]。这个阶段形成的热风除了能够达到干燥砖坯需求以外，也能分配部分对助燃风进行加热，确保热效率实现提升。窑尾热风内烟气含量很少，大部分是热空气，要对窑尾热风进行分流，向助燃风机进口位置进行输送，并混入一定冷风后成为助燃风送入窑内。此外，要设置风量测量设备与温度监测点，用于设备调试与运行监测，确保窑内燃烧保持最好状态，已有风机不需要改变。阻燃风量与温度也要科学设置，满足干燥工艺用风需求，此时助燃风温度至少为300℃，烧嘴处铝质波纹管用不锈钢波纹管取代，助燃风管道必须维持温度不变。

3 结语

实践证明，上述几种节能方式已经在一些陶瓷企业采用，取得了显著的节能效益，其节能率10%～20%，同时较大减少CO2、SO2、NOX及粉尘等污染物的排量。陶瓷企业更换天然气作为燃料，通过陶瓷窑炉节能改造、窑炉余热回收利用工程技术改造、建筑陶瓷喷雾干燥工艺改造等节能技术运用，将有力推动陶瓷行业转型升级，从而为陶瓷企业建立节能、减排、增效的新型生产方式提供强有力的科技支撑，实现经济效益和社会效益双赢。