肖 力，馮 青，宮小龍，陸 琳

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

黨的十八大以來(lái)，“生態(tài)文明建設(shè)”理念深入到各行各業(yè)，陶瓷行業(yè)也進(jìn)入了能源轉(zhuǎn)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(guó)是“富煤貧氣”的國(guó)家，而陶瓷行業(yè)屬于高能耗行業(yè)，全面實(shí)施“煤改氣”從目前階段來(lái)看實(shí)施難度很大，大部分陶瓷企業(yè)還是使用水煤氣。如何更規(guī)范、更清潔的使用能源成為行業(yè)一大難題[1-2]。近年來(lái)，“集中供氣”理念進(jìn)入行業(yè)視野，這種供氣方式在生物質(zhì)氣化方面已有了較多的研究，尤其是關(guān)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(yè)使用的燃料一般為高熱值燃料，使用熱值在1500 kcal 以上。

燃?xì)獬煞值牟煌?，熱值與燒成情況也不同?；旧厦總€(gè)陶瓷企業(yè)都會(huì)設(shè)有專門的煤氣站，產(chǎn)出煤氣以供日常生產(chǎn)使用。所以，各企業(yè)的燃?xì)獬煞峙浔纫膊幌嗤?。集中供氣系統(tǒng)輸送的燃?xì)馀c窯爐原先燃燒的燃?xì)獬煞值牟町悾艽蟪潭壬现庇^地體現(xiàn)在燒嘴燃燒燃?xì)鈺r(shí)。由于燃?xì)庑再|(zhì)的改變對(duì)燒嘴的工況產(chǎn)生一定的影響，所以大部分燃?xì)鉄彀慈細(xì)獬煞謱ｉT設(shè)計(jì)，必須考慮燒嘴的熱負(fù)荷、火焰結(jié)構(gòu)、空燃比等參數(shù)的設(shè)置[6-7]。本文在高安建陶基地清潔煤氣集中供應(yīng)背景下，結(jié)合前期走訪的34 家企業(yè)中36 條生產(chǎn)線反饋的情況，從窯爐前后使用兩種不同燃?xì)獬煞峙浔葋?lái)分析與研究燃?xì)獬煞肿兓瘜?duì)窯爐燒成狀況的影響。

1 燃?xì)庑再|(zhì)分析

從高安集中供氣三個(gè)建陶企業(yè)采集到燃?xì)鈽颖?。樣本包含陶瓷企業(yè)自身煤氣站生產(chǎn)的燃?xì)庖约凹泄馓沾善髽I(yè)的清潔燃?xì)?。根?jù)陶瓷企業(yè)供氣前后燃?xì)獬煞謱?duì)比，能比較直觀地分析出燃?xì)獾男再|(zhì)，進(jìn)而分析窯爐燒成狀況。各企業(yè)使用兩種燃?xì)鈺r(shí)檢測(cè)的具體成分如表1 所示。

從表1 中可以看出：陶瓷企業(yè)與供氣企業(yè)燃?xì)獾牡臀话l(fā)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(yè)提供的燃?xì)鈽颖局锌扇汲煞忠訡O 為主，其次為H2，并含有少量CH4；供氣企業(yè)的可燃成分以H2為主，其次為CO，同時(shí)也含有少量CH4；不可燃成分為N2和CO2。相對(duì)于陶瓷企業(yè)自制煤氣，供氣站清潔煤氣燃?xì)獬煞衷贖2、CO2和CH4部分比例有一定的增加，而在N2與CO 含量上則相應(yīng)地降低。這些燃?xì)獬煞直壤{(diào)整所產(chǎn)生的影響，反映在燒嘴的燒成狀況上。

表1 部分企業(yè)燃?xì)鈽颖境煞謾z測(cè)表Tab.1 Composition test of gas samples from some enterprises

2 燃?xì)饨M成成分變化對(duì)窯爐燒成狀況的影響

2.1 對(duì)燒嘴的影響

一般情況來(lái)說(shuō)，陶瓷企業(yè)安裝燒嘴之前會(huì)考慮燃?xì)獾某煞?，而且陶瓷企業(yè)之間自身的煤氣站生產(chǎn)的煤氣成分也有一定的區(qū)別。當(dāng)燃?xì)獬煞职l(fā)生變化導(dǎo)致火焰特性、燃燒穩(wěn)定性等參數(shù)改變時(shí)，如果燒嘴無(wú)法適應(yīng)新燃料，就有可能改變燒成工況，最終影響窯內(nèi)的溫度制度、壓力制度以及氣氛制度的穩(wěn)定。這對(duì)于陶瓷產(chǎn)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(yè)的經(jīng)濟(jì)損失[8]。對(duì)于燒嘴的具體燒成狀況，本文將從燒嘴燃燒燃?xì)獾幕鹧骈L(zhǎng)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(yè)的自制煤氣與供氣企業(yè)的清潔煤氣成分對(duì)比可以看出：可燃成分中H2與CO 的變動(dòng)很大，CH4的成分占比改變不大。所以，對(duì)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(duì)象。表2 是直徑為25.4 mm 管路中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]。

表2 H2與CO 燃燒火焰最高傳播速度對(duì)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(shù)據(jù)的差異在不同直徑的管道中有所不同。一般情況下會(huì)隨著管徑的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)就不再增加。

上文提到陶瓷企業(yè)的窯爐安裝燒嘴不相同，會(huì)從燃?xì)獬煞帧a(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面考慮。所以，型號(hào)不相同，燒嘴噴頭的口徑和功率也會(huì)不相同。同時(shí)，還需要考慮調(diào)整燒嘴開(kāi)度大小控制空燃比與空氣過(guò)剩系數(shù)。而在不同的空氣過(guò)剩系數(shù)下，H2與CO 的最高傳播速度也會(huì)發(fā)生改變。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]的數(shù)據(jù)繪制H2與CO 在不同空氣過(guò)剩系數(shù)下燃燒的傳播速度（見(jiàn)圖1）。由圖1 可見(jiàn)，H2與CO 燃燒的傳播速度值相差較大。當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2 時(shí)，H2的傳播速度大致為CO 的7 倍。在陶瓷行業(yè)中，空氣過(guò)剩系數(shù)的取值不一，大致范圍在1.0—1.5 之間，故燃?xì)獬煞值母淖儠?huì)直接體現(xiàn)在火焰?zhèn)鞑ニ俣壬稀?/p>

圖1 最高傳播速度與空氣過(guò)剩系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between normal propagation velocity and excess air coefficient

陶瓷企業(yè)自制煤氣的可燃成分以CO 為主，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，故火焰長(zhǎng)；供氣企業(yè)提供的清潔煤氣中可燃成分以H2為主，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，故火焰較短。當(dāng)更改燃?xì)獬煞侄恢脫Q燒嘴時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)由于燒嘴火焰長(zhǎng)度的改變導(dǎo)致窯內(nèi)溫度場(chǎng)發(fā)生的相應(yīng)變化，火焰示意圖如圖2 所示。

圖2 火焰長(zhǎng)度對(duì)比示意圖Fig.2 Schematic diagram of flame length comparison

通過(guò)燃?xì)馑俣葘?duì)比，上述兩種不同燃?xì)馐褂猛恢烊紵龝r(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖2 所示的情況。對(duì)于窄體窯來(lái)說(shuō)影響不會(huì)很大，因?yàn)楸旧聿恍枰L(zhǎng)的火焰；對(duì)于寬體窯來(lái)說(shuō)，原本的窯內(nèi)溫度制度是按照較長(zhǎng)火焰設(shè)置，故更改燃?xì)獬煞謩t影響火焰長(zhǎng)度，會(huì)出現(xiàn)一塊較短火焰弱影響區(qū)域。比較有效的措施是更換合適的燒嘴、更換長(zhǎng)碳化硅套筒導(dǎo)焰或?qū)靽婎^做出合理調(diào)整，使火焰聚攏變得細(xì)長(zhǎng)。碳化硅套筒引導(dǎo)火焰到達(dá)或靠近原先燃燒區(qū)域，使得燃?xì)庵脫Q后的特定區(qū)域溫度場(chǎng)較為一致，實(shí)際對(duì)比如圖3 所示。

圖3 燒嘴加裝噴頭前后對(duì)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?xì)馔鶡燧S向噴射，加強(qiáng)了火焰的縮聚作用，增強(qiáng)火焰剛度以及長(zhǎng)度，達(dá)到更換燃?xì)馇暗娜紵Ч?。以上?shí)際燃燒效果已經(jīng)得到了企業(yè)實(shí)地驗(yàn)證，證明了其可行性。

2.2 對(duì)煙氣的影響

更改燃?xì)獬煞趾螅?jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算可以得出：燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣量以及各煙氣成分量也相應(yīng)地發(fā)生改變。在不修改排煙風(fēng)機(jī)功率的前提下，單位時(shí)間生成的煙氣量增大或減小，相應(yīng)地影響窯內(nèi)的壓力，即改變壓力制度。將空氣過(guò)剩系數(shù)設(shè)置為1.1，兩種燃?xì)獾臒煔馍闪恳?jiàn)表3。

通過(guò)表3 可以看出：同一企業(yè)使用兩種燃?xì)庠谙嗤目諝膺^(guò)剩系數(shù)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(fēng)管的助燃風(fēng)流量加大，才能滿足燃?xì)獾耐耆紵?。否則，會(huì)有部分燃?xì)鉄o(wú)法點(diǎn)燃進(jìn)入窯內(nèi)，增加安全隱患。

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

燃燒產(chǎn)物各成分生成量也相應(yīng)地發(fā)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(dòng)幅度如表4 所示。

從表4 可以看出：企業(yè)1 使用清潔煤氣后，煙氣中CO2有一定幅度的上漲。但是，企業(yè)2 與企業(yè)3 的窯爐煙氣中CO2含量卻有所下降，尤其是企業(yè)2 達(dá)到了5.45 %的降幅。這對(duì)于碳排放的降低有積極作用。同時(shí)，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(qiáng)窯內(nèi)的熱輻射；另一方面，當(dāng)煙氣流通到高溫段時(shí)，在高溫催化下，一部分H2O會(huì)與O2發(fā)生反應(yīng)分解：H2O+O2→OH+HO2，分解生成強(qiáng)氧化性的超氧化氫，然后迅速與燃?xì)庵械目扇汲煞职l(fā)生氧化反應(yīng)，可以提高燃燒效率，從而升高窯內(nèi)溫度[9]。同時(shí)，更換燃?xì)夂?，煙氣總量也有所提升。在其他條件不變的情況下，窯內(nèi)壓力增大，不利于壓力制度的穩(wěn)定，需要重新調(diào)整壓力制度或者排煙風(fēng)機(jī)的功率。

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

2.3 對(duì)理論燃燒溫度的影響

燃?xì)馊紵a(chǎn)生的理論燃燒溫度是一個(gè)重要的參考值。由此值乘一個(gè)高溫系數(shù)可以得到實(shí)際燃燒溫度，進(jìn)而與窯內(nèi)設(shè)置的最高燒成溫度對(duì)比，理論燃燒溫度的表達(dá)式為：

其中：Q低為燃料低位發(fā)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(chǎn)物生成量；c產(chǎn)燃燒產(chǎn)物平均比熱。但在一般工業(yè)爐的壓力水平下，可分解的成分只有在較高溫度下（1800 ℃）才會(huì)熱分解。所以，可忽略不計(jì)[10]。

根據(jù)實(shí)際情況，陶瓷企業(yè)自制的煤氣從煤氣站輸出后高低不均，設(shè)定為150 ℃。供氣企業(yè)提供的清潔燃?xì)鉁囟却笾聻?0 ℃，設(shè)置高溫系數(shù)為0.8，最高燒成溫度為1210 ℃，得到三家企業(yè)使用二種燃?xì)獾母鳒囟葦?shù)據(jù)，如表5 所示。

表5 部分企業(yè)使用兩種燃?xì)馊紵臏囟萒ab.5 Combustion temperature of some enterprises using two kinds of gas

通過(guò)表5 可以直觀地看出：更換燃?xì)馇昂笕移髽I(yè)窯爐內(nèi)燃燒燃?xì)獾睦碚撊紵郎囟龋ɑ鹧鏈囟龋┡c實(shí)際燃燒溫度都有所變化。企業(yè)1 與企業(yè)2的變動(dòng)較大，尤其是企業(yè)1，更換燃?xì)夂髮?shí)際燃燒溫度下降13.71 ℃；而企業(yè)3 的窯爐內(nèi)實(shí)際燃燒溫度變動(dòng)不大，基本持平。但對(duì)于制品燒成，實(shí)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(duì)高溫段輻射換熱的影響

研究表明，氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選擇性，它只在某些波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)具有輻射能力[11]。陶瓷坯體在窯爐高溫段的升溫主要來(lái)源于煙氣、窯內(nèi)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(duì)稱型雙原子（如N2和O2）對(duì)熱輻射是透明的；非對(duì)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(huì)影響到煙氣的輻射率，這對(duì)于研究高溫段輻射換熱量有重要的參考價(jià)值。煙氣對(duì)陶瓷坯體的輻射換熱量可以由以下式計(jì)算[13]：

其中：Qg-s為輻射換熱量；εg-s為煙氣對(duì)坯體導(dǎo)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(duì)于同一家企業(yè)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(rèn)定坯體黑度εs和輻射傳熱表面積Fg一致。為了有可比性，設(shè)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(shè)定坯體黑度εs為0.95，窯內(nèi)輻射尺寸內(nèi)長(zhǎng)×內(nèi)寬×內(nèi)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(huì)產(chǎn)生輻射的成分為CO2和H2O，即考慮（CO2+H2O）的混合氣體黑度（發(fā)射率）。

表達(dá)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(shù)；為H2O 和CO2的黑度；εΔ 為混合氣體修正系數(shù)。

由于窯內(nèi)輻射換熱主要集中在高溫段，根據(jù)表4、表5 的數(shù)據(jù)計(jì)算可得三家企業(yè)置換燃?xì)馇昂鬅煔鈱?duì)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(shù)表Tab.6 Radiative heat transfer parameters of the green body

通過(guò)表6 計(jì)算的數(shù)據(jù)，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?yàn)闊煔夂诙戎蠧O2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(duì)坯體的輻射換熱，除了企業(yè)1 使用清潔煤氣窯內(nèi)輻射換熱量變化不大外，另外二家企業(yè)的窯內(nèi)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(lái)看，使用供氣企業(yè)提供的清潔煤氣能夠增強(qiáng)窯內(nèi)的輻射換熱，尤其是高溫段的輻射換熱。從而降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3 結(jié)果與討論

（1）當(dāng)燃?xì)庵锌扇汲煞终急劝l(fā)生改變后，主燃成分由CO 變?yōu)镠2。由于H2的燃燒速度比CO快，燒嘴燃燒燃?xì)馍傻幕鹧骈L(zhǎng)度發(fā)生改變，影響窯內(nèi)的燒成狀況，進(jìn)而影響到窯內(nèi)溫度場(chǎng)的平衡。解決措施為更換合適的燒嘴、更換長(zhǎng)碳化硅套筒或在槍頭增加一個(gè)喇叭狀空氣噴頭。其中，加裝槍套后火焰會(huì)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?xì)夂蟾G內(nèi)溫度場(chǎng)變動(dòng)問(wèn)題。

（2）燃?xì)獬煞终急鹊淖儎?dòng)會(huì)影響燃燒產(chǎn)物的生成量、成分和密度。通過(guò)對(duì)三家樣本企業(yè)的燃?xì)鈹?shù)據(jù)的采集以及計(jì)算，發(fā)現(xiàn)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(yè)節(jié)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。總煙氣量的增加在不改變排煙分機(jī)的功率前提下，在一定程度增大窯內(nèi)壓力，改變?cè)O(shè)定好的壓力制度。沒(méi)有及時(shí)調(diào)整壓力制度，這對(duì)陶瓷生產(chǎn)的燒成是不利的。

（3）三家樣本企業(yè)使用的兩種燃?xì)庠诘臀话l(fā)熱量變化不大的前提下，更改可燃成分的占比。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得出結(jié)論：理論燃燒溫度和實(shí)際燃燒溫度都有所下降，但均高于最高燒成溫度200℃以上，對(duì)于制品的燒成不會(huì)產(chǎn)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(duì)熱輻射是透明的。由于使用清潔煤氣后單位體積內(nèi)的H2O 含量增加40%左右，CO2含量?jī)H略微下降。故總體來(lái)看，三原子分子成分是增加的，這對(duì)于窯內(nèi)高溫段的燒成狀況有積極作用。熱輻射的增強(qiáng)可以由輻射換熱量體現(xiàn)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可以得出三家企業(yè)的窯內(nèi)輻射換熱量均有所增加，尤其是企業(yè)2 與企業(yè)3 增大更為明顯。