輥道窯由水煤氣改為天然氣燒成控制的分析

曾令可 李 萍 王 慧 劉平安 程小蘇 方海鑫

(1 華南理工大學 廣州 510640)(2 中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640) (3 廣州鑫萍華智能科技有限公司 廣州 510640)

1 現狀

我國陶瓷行業(主要是建筑陶瓷)大部分是采用發生爐煤氣燒成，成本低，但是對環境污染大。隨著世界溫室效應的上升，我國對環保的要求越來越高，國家和各地政府對污染排放的要求不斷趨嚴，政府要求陶瓷企業使用清潔能源天然氣進行生產，節能減排，清潔生產。陶瓷行業燃料由發生爐水煤氣轉成天然氣是大勢所趨，甚至是強制性實施。

陶瓷墻地磚行業燒水煤氣已經有10多年的歷史了(有些地方都有20年以上的歷史)，很多熟練的生產技術人員所積累的燒成控制經驗也是在燒水煤氣工況下的經驗。突然面對窯爐由水煤氣改成燒天然氣，操作控制起來，比較棘手，很多情況下能耗大，出現干燥裂磚、窯爐裂磚、燒成氧化不良、燒成變形、空疏窯燒成波動較大、噴槍積碳等。廣東某工業園區16家陶瓷企業集體狀告某天然氣公司，訴說燃氣燒成中結焦，懷疑天然氣質量問題！其實，陶瓷窯爐燒水煤氣轉天然氣，并不是簡單的將原來的水煤氣管路系統改成天然氣管路系統，將水煤氣燃燒器(噴槍)換成天然氣燃燒器(噴槍)，甚至管路不改只換槍，同一窯爐燒兩種燃氣，同一窯爐不同段燒不同燃氣，這樣的改造肯定是達不到理想效果的。

根據不少產區陶瓷廠由水煤氣改成天然氣之后的燒成狀況來看，質量情況波動太大，不但給生產帶來了很大損失，同時能耗也高。所以，對于原生產線窯爐燃氣由發生爐水煤氣改成天然氣的轉換改造問題，為了減少甚至是避免上述生產問題的出現，需要從兩種燃氣的基本成分、燃燒原理、燃燒特性以及燃燒操作控制角度進行分析。

2 燃氣組成

根據某瓷區使用的《廣東某液化天然氣有限公司氣質報告》，天然氣的組成見表1。

表1 天然氣的組成(%)

根據往年在陶瓷企業實測水煤氣的組成，見表2。

表2 水煤氣的組成(%)

3 燃氣計算對比分析

根據燃氣組成計算各參數，并進行對比，見表3。

表3 燃起參數對比

3.1 空氣量

燃氣的性能指標主要是單位熱值燃料燃燒時所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時產生的煙氣量，單位熱值燃料燃燒時所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時產生煙氣量都是越少越好。從表3可以看出，兩種燃料中，低位熱值天然氣是37 065.608 kJ/Nm3，是水煤氣的6 388.834 kJ/Nm3的5.8倍；天然氣燃料燃燒時需要的理論空氣量9.843 Nm3/Nm3是水煤氣的理論空氣量1.302 Nm3/Nm3的7.56倍；天然氣燃料燃燒時產生的理論煙氣量10.866 Nm3/Nm3是水煤氣的理論煙氣量2.067 Nm3/Nm3的5.26倍；單位熱值所需空氣量天然氣是0.265 57 Nm3/MJ，而水煤氣是0.203 85 Nm3/MJ。由此可見，在窯爐改氣過程中只換槍不改助燃風、不換槍不改助燃風、或者不換槍只改助燃風都不能達到很好的風/燃氣比，無法使天然氣達到完全燃燒，使噴槍或擴散管嚴重積碳(見圖1)，甚至無法燒成。

對于窯爐生產控制來說，因為之前燒水煤氣時所采用的燒成溫度曲線，只適合某一產品的高質高產需求，因為轉天然氣，每處燃燒室(噴槍)的熱值大大增加，所需要的助燃風匹配量自然也就不同。一般情況下，在恒定的燃燒室(燒嘴磚、碳化硅套)按設定溫度燒成時，那不同熱值的燃料在同樣的時間內燃燒產生的火焰剛性、火焰長度也是有很大差異的。所以，燒天然氣，燃燒室及助燃風的控制，也是十分重要的。這也是前面所提16家陶瓷企業懷疑天然氣質量問題的根本原因。

3.2 煙氣量

對于陶瓷廠來說，一條窯爐不管是燒水煤氣還是天然氣，其產量一般是不會變化太大的，所以陶瓷燒成消耗的熱量基本是一致的。雖然天然氣的熱值大大高于水煤氣，但單位熱值產生煙氣量，天然氣是0.293 16 Nm3/MJ比水煤氣的0.323 51 Nm3/MJ小。所以燃料燃燒時釋放出同樣的熱量，天然氣產生的煙氣量就大大小于水煤氣。在各風機開度恒定的情況下，窯內產生煙氣量的多少，直接影響到窯爐的壓力制度，影響到窯爐的氣氛制度。在傳統的生產線上，窯爐煙氣送到干燥窯繼續熱利用，一方面達到余熱充分利用節能降耗的效果，另一方面是維持窯爐、干燥窯兩邊的壓力制度平衡；窯爐干燥窯的內空容積(內寬、內高)不變，煙氣量減少了，則壓力制度就會發生變化，從而也導致干燥窯內和燒成窯內的煙氣流速都發生變化。這種變化，如果干燥窯的抽濕風機開度、各抽濕閥門開度、供熱分風器開度還是保持原先水煤氣燒成時的狀態，很可能導致產品干燥缺陷(比如裂磚、落臟、滴水等)。當然，有些企業的工藝配方適應范圍比較寬，這類缺陷不會太明顯，只需稍做調整就能穩定控制干燥窯。

3.3 空氣過剩系數

單位熱值燃料燃燒時所需空氣量隨空氣過剩系數變化的速率表示單位熱值燃料燃燒時所需空氣量和單位熱值燃料燃燒時產生煙氣量隨空氣過剩系數的增大而增大的速度，該值越大，則增加相同的空氣過剩系數，燃料燃燒時需消耗更多的能源。

下面計算不同空氣過剩系數時，實際空氣和煙氣的量和組成，見表4。

圖1 擴散管積碳實物圖

空氣過剩系數天然氣水煤氣實際空氣量(Nm3/MJ)實際煙氣量(Nm3/MJ)產生H2O(Nm3/MJ)干煙氣氧百分量(%)實際空氣量(Nm3/MJ)實際煙氣量(Nm3/MJ)產生H2O(Nm3/MJ)干煙氣氧百分量(%)1.000.2660.2930.0550.0000.2040.3240.0300.0001.050.2790.3060.0551.1100.2140.3340.0300.7051.100.2920.3200.0552.1080.2240.3440.0301.3631.150.3050.3330.0553.0110.2340.3540.0301.9811.200.3190.3460.0553.8310.2450.3640.0302.5601.250.3320.3600.0554.5800.2550.3740.0303.1061.300.3450.3730.0555.2670.2650.3850.0303.6201.350.3590.3860.0555.8980.2750.3950.0304.1051.400.3720.3990.0556.4800.2850.4050.0304.5641.450.3850.4130.0557.0200.2960.4150.0304.9991.500.3980.4260.0557.5200.3060.4250.0305.4111.550.4120.4390.0557.9860.3160.4360.0305.8031.600.4250.4520.0558.4210.3260.4460.0306.1751.650.4380.4660.0558.8280.3360.4560.0306.5301.700.4510.4790.0559.2090.3470.4660.0306.8681.750.4650.4920.0559.5670.3570.4760.0307.1911.800.4780.5060.0559.9040.3670.4870.0307.499

續表4

假設窯爐的燒成能耗不變，則窯爐所需熱量不變。因此表4中均以單位熱值實際的空氣和煙氣進行對比的。

圖2為實際空氣量隨空氣過剩系數變化的曲線。由圖2可以看出，在相同的空氣過剩系數下，單位熱值所需空氣量，天然氣比水煤氣需要得更多，從燃氣的組成看，水煤氣中含有較多的CO，O元素在其中占有一定比例，而天然氣中不含O元素，這就導致了天然氣比水煤氣需要更多空氣。此外，隨著單位熱值所需空氣量隨空氣過剩系數增加的速率(見表3)，天然氣比水煤氣需空氣量增加得更快。

圖3為實際煙氣量隨空氣過剩系數變化的曲線。由圖3可以看出，單位熱值所產生煙氣量，在空氣過剩系數約小于1.5時，天然氣比水煤氣產生得更少，而在空氣過剩系數約大于1.5時，天然氣比水煤氣產生得更多。隨著單位熱值產生煙氣量隨空氣過剩系數增加的速率(見表3)，天然氣比水煤氣(1.11>0.852)增加得更快。

圖4為干煙氣的氧含量隨空氣過剩系數變化的曲線。由圖4可以看出，在相同的空氣過剩系數下，干煙氣的氧含量，天然氣比水煤氣高。

此外，單位熱值產生的H2O(水蒸汽)，天然氣為0.055 Nm3/MJ，水煤氣為0.030 Nm3/MJ，只是天然氣的54.2%，這就是當采用天然氣時，直接利用煙氣余熱到干燥窯后，所需處理的水量較多的原因。

圖2 實際空氣量隨空氣過剩系數變化的曲線

圖3 實際產生煙氣量隨空氣過剩系數變化的曲線

4 成本分析

假設原煤價格為650元/t，1 kg原煤能生產水煤氣3.2 Nm3，則由此可計算水煤氣的價格為0.203 13元/Nm3。再假設瓷磚的燒成能耗為650 kcal/kg，單位面積重量為20 kg/m2，則可計算：當采用天然氣時，單位面積所需的燃料成本為3.817 93元/m2，當采用水煤氣時，單位面積所需的燃料成本為1.730 48元/m2，二者相差2.087 45元/m2。采用天然氣后的燃料成本雖然提高了，但可以減少采用水煤氣時所需要的煤氣發生爐的人工費、煤氣發生爐的營運維護費、環保投資費等，因此需要綜合考慮這些因素所帶來的成本和效益。 至于生產線由原來的燒水煤氣改燒天然氣能耗成本增大的問題，在不考慮天然氣價格與塊煤之間的差異情況下，從生產線特性來說，干燥窯窯爐的內高都是按燒水煤氣設計的，同等情況下，散熱面積越大，所浪費消耗的熱能也就越多。再加上如果控制經驗不足，則浪費的熱能也必然會更多。

改造案例：衡陽明福環保節能科技有限公司利用節能噴槍，空燃比9.5∶1，煙氣成分中一氧化碳3 ppm、氮氧化合物12 ppm；2018年在山東某陶瓷廠更換燃燒系統(噴槍)，生產產品為內墻磚(干法制粉)以300 mm×600 mm為例，產量7 500～8000 m2，能耗：6月份為1.046 m3/m2，改造后耗氣量為0.908 m3/m2，節能率為13.2%，當地天然氣價格為2.68元/m3，此生產線共投入15萬元進行燃燒系統改造(更換了144支噴槍)，6月份總耗氣量為236 394 m3天然氣，按照13.2%的節氣率計算：236 394×13.2%×2.68=83 626.7元，二個月可以收回成本，還沒有考慮節約電和天然氣上漲的波動。

圖4 干煙氣中的氧含量隨空氣過剩系數變化的曲線

5 需要注意的問題

清潔能源及設備的使用可以降低有害氣體如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物等的排放量，也可以降低石化產品的總需求量，以解決我國目前的能源危機和供需矛盾。同時也可以使企業的產品更加具有競爭力，也給企業帶來豐厚的利潤。企業由發生爐煤氣改成天然氣，對于噴槍需要注意的問題如下：

5.1 流量

流量的大小與管截面積大小有關系，在相同流量情況下截面積越大輸入動能越低，面積越小輸入動能就越大。

流量Q=流速V×管的截面積S(單位時間)。

也可以參考其他企業管徑選型大小。

5.2 燃氣壓力的選擇

一般選擇在2 000～4 000 Pa即可，過高脫火、過低窯爐溫度升不上。

5.3 噴槍的選型

1)采用小流量多點布局，流量選用在3～4 m3/h。

2)采用較小的空燃比，空燃比的大小直接影響窯爐燒成的能耗。

3)采用初始動能大的噴槍，此指標決定火焰的長短，同時影響窯內左中右溫差而影響燒成產品品質，同時會減小空氣過剩，也可以降低能耗。

4)采用最優的煙氣成分。例如：一氧化碳含量高低，氧含量高低，它們直接影響窯爐燒成的能耗。氮氧化物的高低決定環保是否通過，也增加環保處理的成本(脫硝)。

綜上所述，一支好的噴槍不能光看幾個指標，需要綜合判斷，才能達到理想的狀態，所以，水煤氣改燒天然氣，陶瓷企業要實現少走彎路、少交學費，建議先充分了解掌握產品燒成及干燥特性、天然氣的燃燒原理、窯爐及干燥窯的結構特性，而后謹慎而行。當然，選擇專業的技術型窯爐設備供應商、服務商，從改造之前的產品分析、針對性優化設備結構，生產調節控制3方面來保障，應該是十分有必要的。

本文分析的是燒建筑陶瓷的輥道窯，但對其他陶瓷燒成的隧道窯、梭式窯等均有一定的借鑒作用。