富氧燃烧技术在陶瓷窑炉中的应用分析

富氧燃烧技术在陶瓷窑炉中的应用分析
摘要：对在陶瓷窑炉中富氧燃烧技术的应用展开了分析与评价。

分析表明，随着氧浓度的增加，火焰温度呈非线性上升，CO2和H2O水蒸汽分子辐射力得到加强，热效率大幅提高，NO X生成则先快速上升而后决速下降；同时也对过剩空气系数、节能和窑炉结构进行了较为深入的分析。

关键词：富氧燃烧技术；陶瓷窑炉；节能
Application of Oxygen—enriched Combustion Technology in Ceramic Kiln
Abstract：In this paper, the application of oxygen—enriched combustion technology in ceramic kiln was analyzed and evaluated. Analysis Showed that the flame temperature rose nonlinearly with the concentration of oxygen increasing; the molecules of CO2 and H2O water vapor enhanced radiation，and heat efficiency was greatly heightened; N0x formation had a rapid increase first and then declined rapidly．In the meanwhile，the excess air coefficient，energy conservation and the structure of the kiln were also discussed．
Keywords：oxygen-enriched combustion technology; ceramic kiln; energy conservation
1 引言
众所周知，空气主要成分中氧气占20.94％，氮气占78.09％。

在陶瓷窑炉烧成过程中，
只有氧气与燃料参与反应，而氮气只是作为稀释剂存在空气中。

在烧成过程中，由于氮气的
存在，使得氧气与燃料接触面减少，造成燃烧不完全，受热不均匀，并且容易产生局部高温，
这将有利于氮气在高温下与氧气反应生成大量的NO X，从而导致氧气与燃料发生碰撞反应的几率又大大的减少。

所产生的烟气携带大量的热量排出窑炉体外，造成大量的热量损失，从而降低了陶瓷窑炉的热效率，如各种间歇窑炉排烟热损失超过了总供入热量的50％，各种马弗式隧道窑排烟热损失超过了总供入热量的40％。

要改善日前陶瓷生产中存在的高能耗、高排放等问题，富氧燃烧技术是一个很好的解决
方法。

富氧燃烧可以加快燃烧反应速度，提高燃烧效率，减少废气排放和废气带走的热损失
等，从而达到提高产品产量和质量，达到节能减排的目的。

据文献报道，采用25％～35％的
富氧空气助燃，节能率可达20％～50％；采用25％～29％的富氧空气助燃，燃烧产物量可降
低25％左右。

因此，实现富氧燃烧在陶瓷生产中的应用具有可观的经济效益，也是实现陶瓷
产品低碳生产的有效途径[1,2]。

对于富氧燃烧技术在不同的行业都有其内在的含义。

而针对陶瓷烧成的燃烧技术，一般
认为，助燃空气中的氧气含量大于2l％所采取的燃烧技术，简称为富氧燃烧技术。

富氧燃烧
技术分为整体增氧和局部增氧两大类，前者特点是整个助燃风均用富氧替代，不过，其投资
大，成本高，因而一般应用于高附加值的特种陶瓷中；而后者是局部增氧技术和助燃技术两
者的有机结合，其特点是用于各种窑炉的节能与环保翻。

在有色金属的冶炼、玻璃窑炉中玻
璃的熔化、化铁炉和铸造炉、内燃机的增氧燃烧、煤气发生炉以及生成物质利用、废弃物焚
烧、低热值可燃气的利用等行业多采用富氧燃烧技术[3,4]。

对于富氧燃烧技术在陶瓷窑炉中的应用，在美国、日本、德国等发达国家已经大量采用
此技术，效果显著。

在我国目前还处于初级阶段，其原因是所产生的大量NO X和富氧制备技
术的不成熟阻碍了这项技术在我国的推广。

随着近年我国富氧制备技术的发展以及富氧燃烧技术在部分工业炉窑中的成功应用，才得以逐渐向多领域推广。

如膜法富氧燃烧技术就是膜法富氧技术和富氧燃烧技术两者的有机结合，不仅设备简单、操作方便和安全、规模还可以根据情况而定，不污染环境，而且具有投资少，见效快，用途广阔等优点，被西方称为“资源的创造性技术”。

2 富氧燃烧的热工特性分析
2.1 加快燃烧速度和提高火焰温度
燃料在空气和在纯氧中的燃烧速度相差很大，随着氧浓度的增加，氧气分子与燃料分子之间碰撞几率也就越大，使得燃烧速度加快，促进了燃料的完全燃烧，燃烧路径变短，可获得较好的热传导效果,火焰变短，火焰温度变高。

如氢气和天然气分别在纯氧中的燃烧速度是空气中的4.2倍和10.7倍[5]。

在燃料量和空气过剩系数一定时，富氧燃烧可以提高燃烧的火焰温度。

如图l[6]所示，当氧浓度为30％时，其火焰温度为2500K；当氧浓度为50％时，其火焰温度为2800K。

因此，火焰温度随着燃料空气中氧浓度的增加而显著提高。

另外也可以看出曲线最终趋于平缓，这是因为富氧燃烧只是加快了燃烧速度，而并没有增加燃料的热值，因此，燃烧速度的加快有个极限值，火焰温度的提升也有极限。

这说明为了保证经济效益，氧浓度存在一个最优值。

2.2 降低燃料的燃点温度
燃料的燃点温度不是常数，氧浓度的增加将导致燃料的燃点温度下降，如天然气在空气中燃点为632℃，在纯氧中为556℃；CO在空气中为609℃，在纯氧中仅388℃。

富氧助燃就是利用这一现象，将少量的富氧空气集中地供给燃料刚刚喷出的点燃部位，使该区氧气量增加，降低燃料点燃温度，使燃料提前点燃，这样相对延长燃料在炉膛中的燃烧时间，延长燃料释放热量的流程，增加火焰单位体积的热释放量。

2.3 减少排气量，节约能源
一般认为氧浓度每增加l％，烟气量约下降3～5％，在高浓度氧空气的助燃下，可使鼓引风量下降10～50％。

由于氧浓度的增加，使得燃料得到充分的接触并且反应完全，从而减少了二次风的需用量，相应的减少了鼓引风机的数量和节约了大量的电能，也减少了大量烟气和由烟气所带走热量的损失，减少未燃物质对环境的污染，提高了热效率[7]。

2.4 提高热利用率
空气中氧浓度的增加，其热利用率显著提高。

当采用普通空气助燃时，加热温度在1300℃时可利用的热量为42％；而当采用26％富氧空气时，可利用的热量为56％，同比热利用率增长了33％。

因此，可以认为氧浓度的增加与热利用率成正比的关系。

图1 火焰温度与氧浓度的关系
3 富氧燃烧技术对陶瓷窑炉的影响
3.1 富氧燃烧技术对NO X生成的影响
NO X是NO和NO2的总称。

燃烧过程中生成的NO分为3种：热力型、燃料型和快速型。

热力型NO是由助燃空气中的N2在高温条件下氧化而成；燃料型NO是燃料中的有机氮在高温下与氧气反应生成；快速型NO则是由燃料中的CH离子团与火焰附近的N2反应生成。

文献表明，热力型NO是生成NO X的因素，因此，要控制NO X的生成就是要控制高温区热力型NO的生成[8]。

在氧浓度大于30％的富氧火焰中，总的NO X生成来源于高温区的热力型NO生成的贡献，而快速型NO生成对总的NO X生成的贡献为负，控制热力型NO的生成是抑制富氧火焰NO X生成总量的关键。

热力型NO X的降低有效途径之一就是降低火焰温度，但是，对于富氧燃烧来说，降低火焰温度与其高温燃烧的特点是很难协调的。

据文献报道，对于甲烷富氧燃烧而言，30％含氧量时产生的NO X浓度是普通空气下燃烧的3倍，80％含氧重时产生的NO X浓度则为普通空气燃烧的100倍。

即使氧浓度达到99％，其氮氧化物浓度也只是普通空气燃烧的7倍。

若不考虑过量空气，烟气量最多只能降低为普通空气燃烧的1／4左右。

在陶瓷烧成中，随着氧浓度的增加，火焰温度的升高，促进了燃料更加完全反应，而窑炉的“死角”和料垛之间的紧密排布降低了烟气流速，增加了高温烟气的滞留时问，也将有助于NO生成的可逆反应进一步向生成NO的方向进行，导致大量NO生成。

因此，在工业窑炉上采用富氧燃烧技术，排放的氮氧化物总量是成倍增加的。

图2[7]表示的是NO X生成与氧浓度的关系。

从图中可以看出，随着氧浓度的增加，NO X 的生成量先快速上升，而后快速下降。

当氧浓度在65％左右时，存在NO X生成最大值，因此，并非氧浓度越大越好。

图2 NO X生成与氧浓度的关系
3.2 富氧燃烧技术对温度的影响
火焰温度随着助燃空气中氧浓度的增加而显著上升，之后趋于稳定。

图3[9]是火焰温度与燃烧空气中氧浓度的关系。

实验表明，火焰温度随着燃烧空气中氧浓度的增加而快速增加，不过，火焰温度上升到30％左右时较为显著，之后趋于稳定，增加氧浓度对其影响不大。

实验还表明，过剩空气系数越大，其火焰温度初始点就越低；同一过剩空气系数，氧浓度开始增加时，其效果最为明显，而后逐渐趋于稳定。

如a=1，当氧浓度在21％～23％时，火焰温度增加200℃；在23％～25％时，火焰温度增加100℃；在25％～27％时，火焰温度增加只有30℃。

因此，为了更好的利用富氧燃烧技术，应适当选取过剩空气系数和燃烧空气中的氧浓度，以至达到最佳使用效果。

一般认为，过剩空气系数a=1.0～1.2之间，燃烧空气中的氧浓度则应在23％～30％之间，因为这是膜法富氧的最佳浓度范围，超出此范围，虽然火焰温度增加缓慢，但是相应的制氧投资等费用则显著增加。

图3 火焰温度与燃烧空气中氧浓度的关系
在实际的加热应用中，只考虑燃烧效率而忽略了传热效果是不合理的。

氧浓度的增加，也增加了反应产物CO2和H2O的浓度。

CO2和H2O蒸汽三原子气体的辐射力随着温度升高，气
体的浓度(或分压)提高和气层厚度的增加得到加强，提高了热传导率和热容，从而提高了传热能力。

还有受热物质(如陶瓷)在高温区主要靠热辐射获得热能，辐射强度与温度的四次方成正比关系。

虽然炉膛温度上升不大，但是热辐射强度大幅提升，受热物质更容易获得热量，使得热效率大幅提高，所以提高燃烧温度将会大大增加热传递。

例如，某陶瓷厂以焦炉煤气为燃料和分别以25％的富氧空气和普通空气为助燃剂，对其产生的成分及其黑度进行了分析比较如表1。

表l[10]说明的是在燃烧火焰温度一定的情况下，富氧空气和普通空气对其所产生成分和黑度的影响关系。

从表l可以看出，在燃烧火焰温度一定的情况下，富氧空气中三原子气体CO2、H2O蒸汽在陶瓷窑炉中的成分明显比普通空气多，分别比普通空气增长了CO2为25.92％、H2O水蒸汽为25.84％和N2为16％；而其相应的黑度增长分别是CO2为92％、H2O 为5.3％和N2为O％，其总的黑度增长为9.6％。

从表中1还可以明显看出，CO2的黑度增长远远大于H2O蒸汽的黑度增长，并且是H2O蒸汽的17倍。

随着燃烧火焰温度的上升，导致CO2和H2O三原子分子辐射能力增强，以及受热物质陶瓷靠热辐射获得更多热能，使热辐射强度大幅提升，热效率大幅提高[10]。

表1 富氧空气和普通空气对黑度的影响
图4 降低燃料的百分比与烟道气温度和氧浓度关系
3.3 富氧燃烧技术对节能与减排的影响
无论燃料的形态如何，其热值只与化学组成有关，增加氧气含量或提高助燃风温度并不能增加燃料的发热量，即富氧燃烧可节能与提高燃料的热值无关。

从理论上说，富氧燃烧节能是由以下4个因素引起的：一是因为富氧燃烧使得惰性成分的氮气浓度有所降低，相应地
也就增加了氧分子与燃料分子之间的碰撞，从而加快了燃烧速度，提高了热效率，保持同一温度所需要的燃料量也就相应减少。

二是由于废气量的减少使得废气带走的显热减少。

三是减少了氮气带走的热量，避免了氮气被反复加热、冷却所造成的能源浪费。

四则是由于陶瓷窑炉属高温窑炉，炉气与制品的热交换主要以辐射形式进行，由气体辐射特点可知，只有三原子和多原子气体具有辐射能力，而双原子气体几乎无辐射能力，富氧燃烧减少了无辐射能力的氮气量，也就相应增加了炉气对制品的换热，从而达到了节能的效果。

图4[8]呈现的是降低燃料的百分比与烟道气温度和氧浓度关系。

实验表明在烟道气温度一定的情况下，降低燃料百分比与氧浓度的增加成正比关系，即氧浓度增加，降低燃料百分比增加。

不过，氧浓度在空气中大于30％时，对于降低燃料百分比并不显著，增长缓慢。

在富氧浓度一定时，降低燃料百分比与烟道气温度成正比关系，即烟道气温度越高，降低燃料百分比就越大。

富氧燃烧可以使燃料在窑炉内燃烧更加充分，避免使用过量的空气助燃，这样由助燃空气引入的氮气量就减少，而废气中的主要成分就是不参与燃烧反应的氮气，因此废气量也就相应减少，从而达到富氧燃烧能减少排放的效果。

另外，由于氧浓度的增加，使得燃料得到充分的接触并且反应完全，从而减少了二次风的需用量，相应的也就减少了排放废气量[11]。

采用富氧燃烧后，由于有效的减少了烟气量，可以提高烟气中CO2、SO2的浓度，从而利于两者的回收利用，减少对环境的污染。

图5 窑炉烧嘴富氧燃烧示意图
图6 最高火焰温度与空气中氧浓度和火焰传播速度的关系
3.4 富氧燃烧技术对窑炉结构的影响
富氧燃烧对窑炉结构产生了很大的影响。

图5是窑炉烧嘴采用富氧燃烧示意图。

由于采用了富氧燃烧，火焰结构清晰可见，并且火焰长度明显比较短，其宽度有所增加。

在D．Zhao
的数值研究中也发现随着氧浓度的增加，扩散火焰中两个发热峰之间的区别越来越明显，从而证实了火焰的分层现象也越来越明显。

图6[6]呈现的是最高火焰温度与空气中氧浓度与火焰传播速度的关系。

实验表明，尽管烧嘴火焰变短，但是，随着氧浓度的逐渐增加，其最高火焰温度也在逐渐增加，增加到80%富氧空气时趋于平缓。

如30%富氧空气时的最高火焰温度为2500K；80%富氧空气时的火焰温度近3000K，比前者高出500K，增长了20%，之后增长缓慢。

而火焰传播速度则从30%富氧空气的0.55m/s增加到95%富氧空气的3.24m/s，增长了大约4.89倍。

从中可以看出来，在窑炉中氧浓度的逐渐增加，有利于增加烟气在窑炉中的流通速度，加强烟气与坯体之间换热能力和增加烟气黑度辐射，提高热量利用率，并减少高温烟气的滞留时间，能有效的抑制NO X生成的可逆反应进一步向生成NO X的方向进行，导致大量NO X生成。

为了减少NO X的生成量和提高燃烧效率，应该保持料垛之间适当的距离，避免由于料垛之间的紧密度而降低了火焰传播速度所带动的烟气流场的变化，最终影响到温度的均匀性。

由于富氧燃烧时所需的助燃空气量减少，而燃烧器的截面积是固定的，如果还使用普通空气燃烧时的燃烧器，则流速变慢，火焰长度变短、变急，会造成炉内温度不均匀，影响燃烧效果。

因此，不同氧含量燃烧理论上应对应着不同的燃烧器。

同时燃烧器技术的重点应该放在如何同时降低CO2和NO X的排放上，可以尝试将燃烧器改装为可调节式，喷嘴处可自由改变口径大小，这样就可以满足不同富氧燃烧下的燃烧要求。

4 结语
我国的陶瓷工业已经有了很大的进步和发展，但随着人类对资源的合理利用和环境保护意识的增强，目前陶瓷的生产方式已经面临了巨大压力。

传统的燃烧方式能耗高，废气排放量大，不但增加产品的制造成本，而且也对环境造成了一定的污染，这些足以影响到陶瓷工业生存与发展。

对此，富氧燃烧技术是能实现既节能又减排的新型技术，从目前富氧燃烧能应用于钢铁，玻璃等行业的实际生产来看，实现富氧燃烧在陶瓷窑炉中的应用是可行的，如果陶瓷工业中能推广应用这项技术并取得良好的效果，这无论是对国家和企业，还是对能源和环境，都有着重要的意义[12]。

参考文献
[1] Jan-Olaf Barth, Andreas Jentys. Novel derivatives of MCM-36 as catalysts for the reduction of nitrogen
oxides from FCC regenerator flue gas streams. Journal of Catalysis , (2004) 117–129.
[2] J.J. Saastamoinena, T.Shimizub, A.Tourunena.. Effect of attrition on particle size distribution and SO2
capture in fluidized bed combustion under high CO2partial pressure conditions. Chemical Engineering Science ,(2010) 550 – 555.
[3] W. Zhou, C.S. Zhao∗, L.B. Duan, C.R. Qu, X.P. Chen. Two-dimensional computational fluid dynamics
simulation of coal combustion in a circulating fluidized bed combustor. Chemical Engineering Journal, (2011) 306–314.
[4] Nur Sena Yuzbasi, Nevin Selçuk . Air and oxy-fuel combustion characteristics of biomass/lignite blends in
TGA-FTIR. Fuel Processing Technology, (2011) 1101–1108.
[5] 苏俊林，潘亮，朱长明等. 富氧燃烧技术研究现状及发展[J]．工业锅炉，2008(3).
[6] 邓伟强，曾令可等. 富氧燃烧技术在陶瓷烧成工艺中的应用[J]．工业锅炉，2006,28(6).
[7] 潘小勇，宫小龙等. 基于辊道窑富氧燃烧计算与分析[J]．陶瓷学报，2010,31(4).
[8] 程金树，邓臻禄等. 富氧燃烧在陶瓷辊道窑中的应用分析[J]．建材世界，2010,31(3).
[9] 袁堃峰，程湘荣. 膜法富氧技术在玻璃熔窑上的应用[J]．玻璃与搪瓷，2010,38(1).
[10] 沈光林. 膜法富氧助燃技术在陶瓷窑炉中的应用探讨[J]．陶瓷，2005(7).
[11] 曾令可，刘艳春，邓伟强等. 富氧燃烧技术在梭式窑中的应用[J]．陶瓷，2008(1).
[12] 沈光林. 膜法富氧助燃技术在节能和环保中的应用[J]．能源环境保护，2005,19(6).。