集中供氣燃氣成分對窯爐燒成狀況影響分析

肖 力，馮 青，宮小龍，陸 琳

(景德鎮陶瓷大學 材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403)

0 引言

黨的十八大以來，“生態文明建設”理念深入到各行各業，陶瓷行業也進入了能源轉型期，尤其是“煤改氣”一刀切政策的推出，更是引起巨大的反響。我國是“富煤貧氣”的國家，而陶瓷行業屬于高能耗行業，全面實施“煤改氣”從目前階段來看實施難度很大，大部分陶瓷企業還是使用水煤氣。如何更規范、更清潔的使用能源成為行業一大難題[1-2]。近年來，“集中供氣”理念進入行業視野，這種供氣方式在生物質氣化方面已有了較多的研究，尤其是關于秸稈氣化的研究[3-4]。秸稈氣化后生成的燃料類型為沼氣，屬于一種低熱值氣體燃料。陶瓷行業使用的燃料一般為高熱值燃料，使用熱值在1500 kcal 以上。

燃氣成分的不同，熱值與燒成情況也不同?；旧厦總€陶瓷企業都會設有專門的煤氣站，產出煤氣以供日常生產使用。所以，各企業的燃氣成分配比也不相同。集中供氣系統輸送的燃氣與窯爐原先燃燒的燃氣成分的差異，很大程度上直觀地體現在燒嘴燃燒燃氣時。由于燃氣性質的改變對燒嘴的工況產生一定的影響，所以大部分燃氣燒嘴按燃氣成分專門設計，必須考慮燒嘴的熱負荷、火焰結構、空燃比等參數的設置[6-7]。本文在高安建陶基地清潔煤氣集中供應背景下，結合前期走訪的34 家企業中36 條生產線反饋的情況，從窯爐前后使用兩種不同燃氣成分配比來分析與研究燃氣成分變化對窯爐燒成狀況的影響。

1 燃氣性質分析

從高安集中供氣三個建陶企業采集到燃氣樣本。樣本包含陶瓷企業自身煤氣站生產的燃氣以及集中供氣陶瓷企業的清潔燃氣。根據陶瓷企業供氣前后燃氣成分對比，能比較直觀地分析出燃氣的性質，進而分析窯爐燒成狀況。各企業使用兩種燃氣時檢測的具體成分如表1 所示。

從表1 中可以看出：陶瓷企業與供氣企業燃氣的低位發熱量相近，其主要成分一致。但是，各組成成分的百分比不同，可燃成分與不可燃成分比例均接近1 :1。陶瓷企業提供的燃氣樣本中可燃成分以CO 為主，其次為H2，并含有少量CH4；供氣企業的可燃成分以H2為主，其次為CO，同時也含有少量CH4；不可燃成分為N2和CO2。相對于陶瓷企業自制煤氣，供氣站清潔煤氣燃氣成分在H2、CO2和CH4部分比例有一定的增加，而在N2與CO 含量上則相應地降低。這些燃氣成分比例調整所產生的影響，反映在燒嘴的燒成狀況上。

表1 部分企業燃氣樣本成分檢測表Tab.1 Composition test of gas samples from some enterprises

2 燃氣組成成分變化對窯爐燒成狀況的影響

2.1 對燒嘴的影響

一般情況來說，陶瓷企業安裝燒嘴之前會考慮燃氣的成分，而且陶瓷企業之間自身的煤氣站生產的煤氣成分也有一定的區別。當燃氣成分發生變化導致火焰特性、燃燒穩定性等參數改變時，如果燒嘴無法適應新燃料，就有可能改變燒成工況，最終影響窯內的溫度制度、壓力制度以及氣氛制度的穩定。這對于陶瓷產品的燒成是不利的，甚至可能造成窯爐的安全事故以及企業的經濟損失[8]。對于燒嘴的具體燒成狀況，本文將從燒嘴燃燒燃氣的火焰長度方面考慮。

燒嘴燃燒的成分稱為可燃成分。從上述提到的三家陶瓷企業的自制煤氣與供氣企業的清潔煤氣成分對比可以看出：可燃成分中H2與CO 的變動很大，CH4的成分占比改變不大。所以，對于燒嘴火焰的燃燒分析主要是以H2與CO 兩種組成成分為研究對象。表2 是直徑為25.4 mm 管路中的實驗數據[10]。

表2 H2與CO 燃燒火焰最高傳播速度對比Tab.2 Comparison of maximum propagation velocity of H2 and CO combustion flame

從表2 可以看出：兩種氣體在同等燃燒條件下的火焰最高傳播速度不相同。H2的火焰最高傳播速度約為CO 的4 倍。而這種數據的差異在不同直徑的管道中有所不同。一般情況下會隨著管徑的增大而增大，當達到某個臨界點時就不再增加。

上文提到陶瓷企業的窯爐安裝燒嘴不相同，會從燃氣成分、產量、經濟價值等方面考慮。所以，型號不相同，燒嘴噴頭的口徑和功率也會不相同。同時，還需要考慮調整燒嘴開度大小控制空燃比與空氣過剩系數。而在不同的空氣過剩系數下，H2與CO 的最高傳播速度也會發生改變。

根據參考文獻[10]的數據繪制H2與CO 在不同空氣過剩系數下燃燒的傳播速度（見圖1）。由圖1 可見，H2與CO 燃燒的傳播速度值相差較大。當空氣過剩系數為1.2 時，H2的傳播速度大致為CO 的7 倍。在陶瓷行業中，空氣過剩系數的取值不一，大致范圍在1.0—1.5 之間，故燃氣成分的改變會直接體現在火焰傳播速度上。

圖1 最高傳播速度與空氣過剩系數的關系Fig.1 Relationship between normal propagation velocity and excess air coefficient

陶瓷企業自制煤氣的可燃成分以CO 為主，火焰傳播速度較慢，故火焰長；供氣企業提供的清潔煤氣中可燃成分以H2為主，火焰傳播速度快，故火焰較短。當更改燃氣成分而不置換燒嘴時，就會出現由于燒嘴火焰長度的改變導致窯內溫度場發生的相應變化，火焰示意圖如圖2 所示。

圖2 火焰長度對比示意圖Fig.2 Schematic diagram of flame length comparison

通過燃氣速度對比，上述兩種不同燃氣使用同一支燒嘴燃燒時，會出現如圖2 所示的情況。對于窄體窯來說影響不會很大，因為本身不需要太長的火焰；對于寬體窯來說，原本的窯內溫度制度是按照較長火焰設置，故更改燃氣成分則影響火焰長度，會出現一塊較短火焰弱影響區域。比較有效的措施是更換合適的燒嘴、更換長碳化硅套筒導焰或對燒嘴噴頭做出合理調整，使火焰聚攏變得細長。碳化硅套筒引導火焰到達或靠近原先燃燒區域，使得燃氣置換后的特定區域溫度場較為一致，實際對比如圖3 所示。

圖3 燒嘴加裝噴頭前后對比Fig.3 Comparison of the burner nozzle before and after installing the nozzle

由圖3 可以明顯地看出，加裝喇叭狀的噴頭后，燃氣往燒嘴軸向噴射，加強了火焰的縮聚作用，增強火焰剛度以及長度，達到更換燃氣前的燃燒效果。以上實際燃燒效果已經得到了企業實地驗證，證明了其可行性。

2.2 對煙氣的影響

更改燃氣成分后，經過數據計算可以得出：燃料燃燒產生的煙氣量以及各煙氣成分量也相應地發生改變。在不修改排煙風機功率的前提下，單位時間生成的煙氣量增大或減小，相應地影響窯內的壓力，即改變壓力制度。將空氣過剩系數設置為1.1，兩種燃氣的煙氣生成量見表3。

通過表3 可以看出：同一企業使用兩種燃氣在相同的空氣過剩系數下，單位體積完全燃燒的理論耗氧量和理論空氣需要量不相同。相比于燃燒自制煤氣，燃燒清潔煤氣耗氧量增加，即連通燒嘴的助燃風管的助燃風流量加大，才能滿足燃氣的完全燃燒。否則，會有部分燃氣無法點燃進入窯內，增加安全隱患。

表3 部分企業的兩種燃料燃燒煙氣量生成對比Tab.3 Comparison of flue gas production of two fuels combustion in some enterprises

燃燒產物各成分生成量也相應地發生了改變，CO2含量略微下降，即降低了碳排放。但H2O、O2以及總煙氣量都有所增加，各成分的變動幅度如表4 所示。

從表4 可以看出：企業1 使用清潔煤氣后，煙氣中CO2有一定幅度的上漲。但是，企業2 與企業3 的窯爐煙氣中CO2含量卻有所下降，尤其是企業2 達到了5.45 %的降幅。這對于碳排放的降低有積極作用。同時，煙氣中H2O 含量有大幅度的增加，增幅在40 %左右。一方面，H2O 是三原子分子，能增強窯內的熱輻射；另一方面，當煙氣流通到高溫段時，在高溫催化下，一部分H2O會與O2發生反應分解：H2O+O2→OH+HO2，分解生成強氧化性的超氧化氫，然后迅速與燃氣中的可燃成分發生氧化反應，可以提高燃燒效率，從而升高窯內溫度[9]。同時，更換燃氣后，煙氣總量也有所提升。在其他條件不變的情況下，窯內壓力增大，不利于壓力制度的穩定，需要重新調整壓力制度或者排煙風機的功率。

表4 煙氣成分變動幅度Tab.4 Variation range of flue gas composition

2.3 對理論燃燒溫度的影響

燃氣燃燒產生的理論燃燒溫度是一個重要的參考值。由此值乘一個高溫系數可以得到實際燃燒溫度，進而與窯內設置的最高燒成溫度對比，理論燃燒溫度的表達式為：

其中：Q低為燃料低位發熱量；Q空為空氣帶入物理熱；Q燃為燃料帶入顯熱；Q分為氣體分解耗熱；Vn為燃燒產物生成量；c產燃燒產物平均比熱。但在一般工業爐的壓力水平下，可分解的成分只有在較高溫度下（1800 ℃）才會熱分解。所以，可忽略不計[10]。

根據實際情況，陶瓷企業自制的煤氣從煤氣站輸出后高低不均，設定為150 ℃。供氣企業提供的清潔燃氣溫度大致為50 ℃，設置高溫系數為0.8，最高燒成溫度為1210 ℃，得到三家企業使用二種燃氣的各溫度數據，如表5 所示。

表5 部分企業使用兩種燃氣燃燒的溫度Tab.5 Combustion temperature of some enterprises using two kinds of gas

通過表5 可以直觀地看出：更換燃氣前后三家企業窯爐內燃燒燃氣的理論燃燒溫度（火焰溫度）與實際燃燒溫度都有所變化。企業1 與企業2的變動較大，尤其是企業1，更換燃氣后實際燃燒溫度下降13.71 ℃；而企業3 的窯爐內實際燃燒溫度變動不大，基本持平。但對于制品燒成，實際燃燒溫度均高于最高燃燒溫度200 ℃以上，完全滿足要求。

2.4 對高溫段輻射換熱的影響

研究表明，氣體輻射對波長有強烈的選擇性，它只在某些波長區段內具有輻射能力[11]。陶瓷坯體在窯爐高溫段的升溫主要來源于煙氣、窯內襯等輻射換熱。而煙氣中具有輻射能力與吸收能力的成分為多原子氣體（如CO2和H2O）。對稱型雙原子（如N2和O2）對熱輻射是透明的；非對稱型雙原子（如CO）熱輻射能力較弱[12]。多原子氣體濃度的增加或減少會影響到煙氣的輻射率，這對于研究高溫段輻射換熱量有重要的參考價值。煙氣對陶瓷坯體的輻射換熱量可以由以下式計算[13]：

其中：Qg-s為輻射換熱量；εg-s為煙氣對坯體導熱黑度；Tg為煙氣溫度（℃）；Tm為坯體溫度（℃）；Fg為輻射傳熱表面積（m2）。

對于同一家企業的同一條窯使用二種成分含量的燃料燒成同類型的制品，可以認定坯體黑度εs和輻射傳熱表面積Fg一致。為了有可比性，設定坯體的輻射換熱處于相同的煙氣溫度下。由于高溫段坯體溫度與煙氣溫度相差不大（幾十度），故設定坯體黑度εs為0.95，窯內輻射尺寸內長×內寬×內高為2 m×3 m×1.3 m，坯體溫度Tm為1050 ℃（1323K），煙氣溫度1100 ℃（1373K）。煙氣黑度是輻射換熱的主要影響因素，而煙氣中會產生輻射的成分為CO2和H2O，即考慮（CO2+H2O）的混合氣體黑度（發射率）。

表達式為：

其中：εg為煙氣黑度；εs為坯體黑度；與分別為H2O 和CO2分壓力修正系數；為H2O 和CO2的黑度；εΔ 為混合氣體修正系數。

由于窯內輻射換熱主要集中在高溫段，根據表4、表5 的數據計算可得三家企業置換燃氣前后煙氣對陶瓷坯體的輻射換熱量，具體如表6 所示。

表6 坯體輻射換熱參數表Tab.6 Radiative heat transfer parameters of the green body

通過表6 計算的數據，相較于自制煤氣，清潔煤氣的煙氣黑度提高了12%左右。主要是因為煙氣黑度中CO2氣體的百分含量（分壓）變化不大，而H2O 百分含量有較大提升，故總體提高了混合氣體的黑度。至于煙氣對坯體的輻射換熱，除了企業1 使用清潔煤氣窯內輻射換熱量變化不大外，另外二家企業的窯內輻射換熱量均有較大程度的增大，分別為7.54%與12.61%。故從整體來看，使用供氣企業提供的清潔煤氣能夠增強窯內的輻射換熱，尤其是高溫段的輻射換熱。從而降低能耗，實現節能減排。

3 結果與討論

（1）當燃氣中可燃成分占比發生改變后，主燃成分由CO 變為H2。由于H2的燃燒速度比CO快，燒嘴燃燒燃氣生成的火焰長度發生改變，影響窯內的燒成狀況，進而影響到窯內溫度場的平衡。解決措施為更換合適的燒嘴、更換長碳化硅套筒或在槍頭增加一個喇叭狀空氣噴頭。其中，加裝槍套后火焰會被喇叭狀縮口凝聚，往燒嘴中心軸向噴射，增大火焰射程。這二種方式都能有效解決更換燃氣后窯內溫度場變動問題。

（2）燃氣成分占比的變動會影響燃燒產物的生成量、成分和密度。通過對三家樣本企業的燃氣數據的采集以及計算，發現使用清潔煤氣后CO2生成量略微有所下降。即碳排放降低符合陶瓷行業節能減排的大方向，但H2O 含量與總煙氣量有所上升，尤其是煙氣中H2O 含量上漲40%左右?？偀煔饬康脑黾釉诓桓淖兣艧煼謾C的功率前提下，在一定程度增大窯內壓力，改變設定好的壓力制度。沒有及時調整壓力制度，這對陶瓷生產的燒成是不利的。

（3）三家樣本企業使用的兩種燃氣在低位發熱量變化不大的前提下，更改可燃成分的占比。經過理論計算得出結論：理論燃燒溫度和實際燃燒溫度都有所下降，但均高于最高燒成溫度200℃以上，對于制品的燒成不會產生影響。

（4）高溫段陶瓷坯體的升溫影響因素主要為煙氣的輻射換熱，而煙氣中能夠輻射換熱的成分僅為三原子分子的H2O 和CO2，其他成分對熱輻射是透明的。由于使用清潔煤氣后單位體積內的H2O 含量增加40%左右，CO2含量僅略微下降。故總體來看，三原子分子成分是增加的，這對于窯內高溫段的燒成狀況有積極作用。熱輻射的增強可以由輻射換熱量體現，經過理論計算可以得出三家企業的窯內輻射換熱量均有所增加，尤其是企業2 與企業3 增大更為明顯。