蓄熱燃燒技術在陶瓷窯爐上的應用＊

劉小云

（咸陽陶瓷研究設計院 陜西咸陽 712000）

蓄熱燃燒技術在陶瓷窯爐上的應用＊

劉小云

（咸陽陶瓷研究設計院 陜西咸陽 712000）

對蓄熱燃燒原理、高溫低氧燃燒、低NOx排放，陶瓷蓄熱體材質、形狀、大小以及蓄熱式換熱器結構、換向時間和換向閥等關鍵技術和相關問題進行了系統研究和分析，同時介紹了陶瓷球蓄熱式換熱器在陶瓷窯爐上的應用情況。結果表明，此項技術可從根本上提高陶瓷窯爐的熱效率，熱效率可達70%～80%，節能可達54%，可實現高效率、低能耗、清潔環保的目的。

蓄熱燃燒 陶瓷窯爐 陶瓷球蓄熱體 蓄熱式換熱器 低NOx排放

前言

對于陶瓷工業的發展，窯爐節能技術始終發揮著重要的推動作用。近幾年，隨著石油價格不斷的攀升，陶瓷業界正是基于能源問題，大刀闊斧地在節能技術上進行不斷革新，促進了陶瓷窯爐節能技術大幅度提高，使陶瓷行業產品質量獲得了不斷提升。

提高陶瓷工業窯爐的熱效率，實現低成本、環保型高溫燃燒是陶瓷行業共同的愿望。以往人們在煙道上安裝空氣預熱器，以回收煙氣顯熱；選用新型筑爐材料和高性能的保溫隔熱材料，以防止窯墻散熱；大力推廣節能燒嘴，以提高燃燒效率；優化窯爐設計、改進操作、自動化、微機智能控制運行等措施，以使工業窯爐的熱效率得以提高［1～4］。盡管如此，陶瓷工業窯爐的熱效率總體水平仍較低，平均只有30%左右。自從20世紀80年代英國的HOT WORK公司開發蓄熱式陶瓷燃燒器（Regenerative Ceramic Burner，縮寫為RCB）以來，使提高工業窯爐熱效率成為可能。筆者在介紹蓄熱燃燒原理和全面分析其關鍵技術的基礎上，著重研究陶瓷球蓄熱體材質、形狀、大小和探討蓄熱式換熱器結構對阻力、熱效率等性能的影響，以及陶瓷球蓄熱體在陶瓷窯爐上的應用情況。

1 蓄熱燃燒技術原理

RCB的出現可使助燃空氣預熱的溫度接近爐膛溫度（1 200℃以上），生產實踐證明，助燃空氣每提高100℃，可節能3%～5%，于是該技術便迅速被英國等國家相關企業所應用。經使用發現，煙氣中NOx、CO2含量提高，甚至高達500 mg／L，因而無法大范圍推廣應用。盡管如此，人們對其顯著地節能效果和如何解決與環保相矛盾的問題仍然相當重視。到20世紀90年代，蓄熱燃燒技術也稱高溫空氣燃燒技術（High Temperature Air Combustion，縮寫為HTAC）在攻克諸如NOx排放、長壽命換向閥和蓄熱體材料等問題后，終于被聯合國環保署所推崇和國際權威專家確認并被譽為是一項跨世紀的節能環保技術，才得以大范圍推廣應用［1～3］。

一個HTAC單元至少由2個燒嘴，2個蓄熱器，1個或數個氣體換向閥以及相關管路，風機和控制系統組成。如圖1所示，當燒嘴A的助燃冷空氣經過蓄熱器1的陶瓷球蓄熱體堆放層（此時，蓄熱器1的陶瓷球蓄熱體已蓄熱，冷空氣氣流通過時被加熱），由于助燃冷空氣通過陶瓷球蓄熱體，冷空氣被加熱，助燃風溫度提高。所以，助燃風變成高溫的助燃風進行助燃。對應的燒嘴B起到排煙作用，燒嘴B燃燒后產生的熱煙氣通過蓄熱器2換熱冷卻，熱煙氣加熱處于冷卻狀態的蓄熱器中的陶瓷球，經充分熱交換后，熱的煙氣通過換熱變成冷煙氣，冷煙氣通過風機排放，換向閥動作換向，這樣周而復始，達到蓄熱燃燒的目的。此時換向閥和風機都處在低溫工況條件下，故不僅可選用標準設計的風機，同時煙道和煙囪也不必使用耐高溫內襯材料，可大大降低建造或改造投資成本。

圖1 陶瓷球蓄熱式換熱器示意圖

2 蓄熱燃燒技術及所用材料

2．1 蓄熱燃燒的關鍵技術

眾所周知，低含氧量高溫燃燒，低NOx排放是蓄熱燃燒技術的關鍵。為了使窯爐達到節能和環保的雙重目的，陶瓷窯爐往往采用兩段式燃燒方法，即低含氧量（2%～20%）燃燒。具體操作是空氣進入蓄熱器，在極短時間內將其預熱到比爐膛溫度低50～200℃（一般為1 200℃以上）的高溫，然后進入燃燒室進行部分燃燒，并抽引周圍空氣形成低含氧量的稀薄氣流，同時向稀薄高溫空氣中注入燃料，使其在高溫實現低含氧量狀態燃燒，這樣燃燒產生的煙氣中的NOx、CO2含量可降低30%～60%，既節約了能源又起到了環保作用。

2．2 蓄熱體基本要求及材質要求

如圖1所示，蓄熱式換熱器的關鍵設備蓄熱器由蓄熱體來填充，根據蓄熱式換熱器的工況要求，蓄熱體必須符合以下條件：

1）使用溫度應不低于1 250℃，并且有良好的抗熱震性能。

2）在高溫下具有足夠的機械強度。

3）對高溫煙氣中的SO2、NOx、CO2等具有良好的抗腐蝕性，并不與高溫粉塵固溶反應。

4）使用壽命長，價格適中。

根據以上條件，并結合蓄熱燃燒換熱器的使用，從熱熔、抗熱震性、耐化學腐蝕性及導熱率等方面綜合考慮，并經過試驗應用，莫來石質陶瓷是陶瓷蓄熱體最適合的材料，其使用壽命長達3個月以上，有的甚至可達6～12個月，且價格適中，很容易被企業接受。

莫來石質陶瓷蓄熱體的物理特性：密度為3．2 g／cm3，熱熔為4．55 J／g·℃，耐火度為1 850℃，使用溫度為1 400～1 500℃，抗折強度為25 MPa，熱膨脹系數為4．3×10－6／℃，抗熱震性良好，導熱率為5．2 W／m·K，其性能完全符合蓄熱體材質的要求。

2．3 陶瓷蓄熱體的形狀及大小

陶瓷蓄熱體的形狀通常有3種，即球狀、蜂窩狀和八字形，如圖2所示。

圖2 陶瓷蓄熱體形狀

對陶瓷蓄熱體的選擇，必須具備下列條件：

1）比表面積大；

2）阻力損失小（一般要求在1 k Pa以下）；

3）價格低廉；

4）清洗方便。

相同材質的陶瓷球蓄熱體，在換熱器使用過程中具有強度高，抗熱震性優良，更換清洗方便，價格低廉等明顯的優勢，目前已被廣泛使用。

陶瓷球的堆積孔隙率、抗熱震性、阻力損失與陶瓷球大小的關系都對蓄熱體的蓄熱效率產生深遠的影響。等直徑球在蓄熱器中堆積形成的孔隙率不隨球的大小而改變，并且整個堆積層的透氣性均勻。陶瓷球大小不同對球的抗熱震性具有決定性的影響，同材質陶瓷球抗熱震性能隨陶瓷球直徑的增大而降低，阻力損失隨陶瓷球直徑的增大而減小，一般采用莫來石球作為換熱器的蓄熱體，直徑以20 mm或25 mm為宜。

3 蓄熱燃燒技術在陶瓷窯爐上的應用

蓄熱燃燒的換熱器存在3種傳熱過程，即煙氣放熱與空氣吸熱，蓄熱體表面與煙氣（或空氣、燃料）的熱交換以及蓄熱體內的傳熱、蓄熱和放熱。根據蓄熱燃燒技術的工作原理和陶瓷燒成工藝要求，間接地將此項技術應用于陶瓷窯爐，取得了良好的效果。

3．1 余熱回收在陶瓷窯爐上的應用

陶瓷窯爐主要以連續式窯爐為主，如隧道窯、輥道窯、推板窯等。連續式窯爐的工作特點是：燃料燃燒產生的高溫煙氣在窯內與陶瓷制品間逆向運動，從窯爐的燒成帶流經預熱帶，最后從排煙口排出。煙氣在流動過程中熱量以輻射、對流和導熱的形式傳遞給坯體、窯具和窯墻，最終以700℃左右的溫度排出窯外，浪費了大量的熱能。雖然有少數企業將普通金屬管道換熱器應用于煙氣的余熱回收利用，但是由于換熱面積有限，換熱效率不高，能源浪費仍然較大。

在陶瓷窯爐上應用余熱回收技術，可以對窯爐的主煙道進行改造，將主煙道截面分成2個相等的部分，分別安裝蜂窩陶瓷蓄熱體，通過2個四通換向閥及2個引風機構成煙道蓄熱式煙氣余熱回收系統，基本工作原理如圖3所示。

圖3 蓄熱式煙氣余熱回收工作原理

由圖3可見，冷空氣由換向閥2進入蓄熱體A被加熱后轉變成熱空氣（用于助燃和坯體干燥），與此同時，高溫煙氣由換向閥1進入蓄熱體B，放熱后高溫煙氣轉變成低溫煙氣，由煙道口排出；工作一段時間（20～100 s）后，2個換向閥同時換向（圖3中虛線），此時冷空氣由換向閥2進入蓄熱體B被加熱后轉變成熱空氣。同時，高溫煙氣由換向閥1進入經蓄熱體A，放熱后高溫煙氣轉變成低溫煙氣由煙道口排出。這種換向操作循環進行，即可完成窯爐煙氣余熱的回收，以獲得高溫熱空氣，用于助燃或坯體干燥等。

3．2 高溫空氣助燃和降低NOx排放技術在陶瓷窯爐上的應用

陶瓷窯爐的余熱（含煙氣）主要有兩大部分：一部分是窯爐預熱帶的燃燒煙氣，一部分是窯爐冷卻帶的余熱。冷卻帶的余熱由于是潔凈熱空氣，目前大多數已得到回收利用，所以不再贅述。煙氣余熱在建筑陶瓷的生產中大多數也回收利用于坯體的干燥，所以在文章中不涉及其余熱利用。衛生陶瓷生產由于各種因素的影響，大多數余熱沒有被回收利用，所以此項技術具有實際應用意義和推廣價值，同樣該技術也可在電瓷、耐火材料等行業應用。

在煙氣余熱回收的基礎上，將回收到的500℃左右的熱空氣部分用于助燃，雖然與冶金行業的熔化爐相比熱空氣溫度較低，但由于普通陶瓷的燒成溫度也較低，所以也能達到明顯節能的效果。

關于組織低氧燃燒降低NOx排放方面，只需對燃燒器的結構進行改造就可以實現。目前，由于普通陶瓷的燒成溫度較低，燃料燃燒過程中產生的NOx較少，基本上能夠達到國家的排放標準。

4 結語

蓄熱燃燒技術由于其技術性及經濟優勢，已在冶金、機械等行業的窯爐上被廣泛應用，其用于陶瓷窯爐的節能和環保效果十分顯著。

蓄熱燃燒技術是實現低成本燃燒，提高窯爐熱效率的最佳手段之一，熱效率可達70%～80%，節能效益可觀。高溫空氣助燃和降低NOx排放也能達到國家排放標準要求，環保效果顯著。

1 歐陽德剛，蔣揚虎，張道明，等．蜂窩蓄熱體材料的研究現狀與發展趨勢．武鋼技術，2007（45）：47～52

2 劉夏丹，于宏，周琦，等．陶瓷蜂窩體的結構特性及其蓄熱燃燒系統的應用．冶金能源，1999，18（4）：28～31

3 孫全應．蓄熱燃燒技術在工業爐上的合理應用．工業爐，2005，27（1）：23～26

4 李燦，文武，梁衛民，等．高溫空氣燃燒技術在我國的應用現狀與發展前景．冶金能源，2003，22（2）：41～46

5 沈君權，沈宏濤．蓄熱燃燒技術及其在工業窯爐上的應用．硅酸鹽通報，2001（5）：28～32

TQ174．6

：A

：1002－2872（2012）09－0009－03

劉小云（1976－），碩士，工程師；主要從事建筑衛生陶瓷技術及信息傳播。