陶瓷窑炉燃烧现状分析

本文根据陶瓷窑炉的特定燃烧环境；简单地分析NOx的生成三种方式：热力NOx、快速NOx和燃料NOx，以及对环境的危害，并从陶瓷工艺角度、窑炉使用燃料的优化及新的燃烧技术与方法等方面分析抑制或减少NOx生成方法。

关键词：陶瓷窑炉NOx生成降低烧成温度优化燃料烧成技术

前言

早在90年代初期，国外陶瓷窑炉界就开始重视陶瓷窑炉中排出的NOx的污染这个问题，并企图从燃烧方式着手解决这个问题。我国近年来也开始逐步重视，科技界已有人跟踪国外，试图用脉冲燃烧来解决它；但陶瓷窑炉NOx的严重排放，不仅仅是改进燃烧系统就可以得到解决的问题，我们也进行过测试，同一种窑型，烧成不同的产品，其烟气中的NOx的含量就不同，窑内烧成气氛（氧化或还原）其所排放的烟气中NOx含量亦不同，故陶瓷窑炉中NOx的产生是一个系统工程。由此看来，研究陶瓷窑炉中NOx的生成与破坏机理，并在其基础上提出经济上、技术上可行的综合治理方案已迫在眉睫。

1 NOx在陶瓷窑炉中生成的机理

燃烧矿物燃料如煤、原油、天然气等；生成氮氧化物污染有三种；即热力NOx，快速NOx，和燃料Nox[1～6]。

1.1 热力N0x

关于热力NOx的生成机理是高温下空气的N2氧化形成NO；，其主成速度与燃烧温度有很大关系，当燃烧温度低于1400℃时热力NOx生成速度较慢，当温度高于1400℃反应明显加快，根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加。这说明，在实际炉内温度分别不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的NOx；并会对整个炉内的NOx生成量起决定性影响。热力NOx的生成量则与空气过剩系数有很大关系，氧浓度增加，NOx生成量也增加。当出现15％的过量空气时，NOx生成量达到最大：当过量空气超过15％时。由于NOx被稀释，燃烧温度下降，反而会导致NOx生成减少。热力NOx 的生成还与烟气在高温区的停留时间有关，停留时间越长，

NOx越多。这是因为窑炉燃烧温度下，NOx的生成反应还未达到平衡，因而NOx的生成量将随烟气在高温区的停留时间增长而增加。至今认为研究得比较充分的是Zeldovick等人的生成理论，其主要反应如下：

1.2 快速NOx

快速NOx是1971年Fenimore根据碳氢燃料预混火焰的轴向NOx分布实验结果提出的，是燃料在燃烧过程中碳氢化合物分解的中间产物N2反应生成的氮氧化合物，其生成速度极快，主要在火焰面上形成，且生成量较小，一般在5％以下，其主要反应如下：

在温度低于2000K（1727℃）时，NOx主成主要通过CH 一N2反应；在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时，需重点考虑快速NOX的生成。

1.3燃料NOx

“燃料”NOx是由化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解，并与氧化合而生成的NOx，其生成量与燃料中氮的含量有很大关系，当燃烧中氮的含量超过0.1％时，结合在燃料的氮转化为NOx的量占主要地位，如煤的含氮量一般为0.5～

2.5％；燃料NOx的形成可占生成总量的60％以上，燃料氮转化为NOx量主要取决于空气过剩系数，空气过剩系数降低，NOx的生成量也降低，这是因为在缺氧状态下，燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧，由于氮缺乏竞争能力，而减少了NOx的形成。其主要反应途径如下。（1）氮化物大量转化为HCN和NH3，（2）HCN和NH3被氧化。反应方程如下：国际上开展NOx生成机理及其控制的研究已有一二十年了。不过，目前关于燃烧过程中NOx生成的研究主要是以实验为主，还没形成完善的理论，如在煤粉燃烧领域内，主要是通过对具体过程进行实验研究与分析：希望找到一些规律，为解决实际问题提供依据、此外，从文献中也可以看到所有的研究都是公式少、实验曲线多、定量分析少而定性解释多的情况，这反映出NOX生成机理和控制是一个比较复杂、困难的领

域，也是一个需要进行大量工作和大有可为的领域。特别对于陶瓷窑炉的NOX生成机理研究的报道不多，由其引起的环境污染也还没有引起足够的重视。

2高温陶瓷窑炉中NOx的生成及危害

陶瓷窑炉跟一般的工业炉如炼钢炉，锅炉等不同，陶瓷坯体的组成主要为矿物性原料、粘土质氧化物及化工原料等组成，在高温烧成过程中要进行一系列的物理化学反应，释放出大量有害化学成份，这些化学物质与NOX的生成有何关系仍是一个迷、由于陶瓷坯体在陶瓷窑炉内要进行复杂的物理化学反应，故陶瓷坯体在烧制成陶瓷的过程中，由于烧成的产品类型、窑炉类型，原料、升温制度、气氛以及烧成过程中的温度段等的不同，坯体或釉料中都有不同的挥发份挥发出来；如水蒸气、硫化物、氟化物、硼化物、碱性蒸气，铅化物、三氯化铁等等。这些挥发物以及坯体表面形成的活性氧化物在不同的气氛和不同的烧成制度下，都将影响上述的NOX的生成与破坏反应过程。如国外对传统陶瓷窑炉排放有害气体统计分析显示，对墙面砖每吨产品NOX为0.61b，SO2为0.51b，对一般砖类NOX为0.291b，S02为0.08lb。

据报道，我国共有建筑卫生陶瓷厂3000多家，1997年建筑陶瓷产量已达18.42亿平米，卫生陶瓷产量达6000万件[7]，除了建筑卫生陶瓷产量居世界第一外，我国日用陶瓷的年产量为300亿件也居世界第一[8]。全国烧成陶瓷的窑炉大小有上万座，一般窑炉废气中NOX含量可达100～

150ppm．严重的可达几百甚至几千ppm。再加上我国窑炉的能源利用率很低。仅28～30％，为美国的一半。由此而造成了我国陶瓷窑炉排放的NOX量非常巨大，是我国工业污染的一个重要来源；要治理NOx污染问题就必须解决陶瓷窑炉所排放的NOx污染问题。而且燃料燃烧所引起的大气环境污染、危害最大且又最难处理的是氮的氧化物NOx；NOx是形成酸雨及生成光化学雾的重要因素之一，由于它对人体健康和动植物生长发育有着直接的危害，已在工业发达国家引起普遍关

注，而防治大气环境污染研究的重点也已由对SO2的防治转向对NOx的防治，因为前者已得到较好的治理。

羊城晚报以醒目的大标题作以下三个报道：①“陶瓷厂烟尘令黄皮树秃顶”，广东三水华盛果园年收成7万斤的无核黄皮水果场因陶瓷厂烟囱废气污染而“颗粒无收”这到底是天灾还是人祸（参看该报用2000年7月18日B2版）？②“千亩农田欲哭无泪”一一一三水白坭镇由于陶瓷厂烟囱废气污染而造成秧苗一天天枯萎蔬菜无法生长。③花城上空（花城即为羊城的美称）为何飘起蓝色烟雾——因为美丽的花城已成为氮氧化物污染最严重的城市之一。另据该报2000年6月5日A2版有一条更惊人的报道“广州是酸雨之城”文中举例广州地区降水的酸度PH值升高，出现酸雨频率从前年的61.4％上升到62.6%，即不到两场雨，便有一场是酸雨的比例，使广州成为全国第二大酸雨高发区。在广东省每年因酸雨而损失的40亿元中，广州就占20多亿元。专家们都认为酸雨与珠三角特别是佛山、顺德（距离广州10～30多公里）、东莞、增城等地的近千座陶瓷窑炉不无关系。近年来，酸雨在我国呈急剧蔓延之势，80年代危害面积为1万平方公里，到90年代扩大了100多万平方公里，占国土面积的28％。

3优化配方，降低陶瓷的烧成温度

NOx的生成主要在燃料燃烧过程中产生．其中氮少量来自燃料，大部分是空气中的氮在高温时同氧化合生成：

N2＋O2 = 2NO—Q

NOx的生成速度与燃烧过程中的最高温度及氧氮的浓度有关，NOx生成的浓度与气体在高温区停留的时间密切相关，停留的时间越长，烟气中NOx的浓度越大，故在工艺中调整坯釉料配方，充分利用优质原料或工业废渣[9]以及提高坯料细度等措施，以降低陶瓷的烧成温度。如在高岭石一蒙脱石质粘土中引入Li2O时，液相出现的温度由1170℃降至800℃，引入Na2O时降至815℃，引入K2O时降至925℃；又如添加1%的菱镁矿和0.5％氧化锌可使硬质瓷烧成温度从1390℃降