富氧燃烧技术-陶瓷窑节能新突破
河南能信节能科技有限公司
【摘 要】：通过技术分析与应用试验表明，膜法富氧助燃技术用于陶瓷窑炉技术可行, 不仅能节省燃料、降低污染, 明显提高产品的产量和质量, 而且可以改善燃烧效率, 延长炉龄, 减少烟尘排放, 综合效益显著。
【关键词】：膜法制氧，富氧助燃技术，陶瓷窑炉，节能环保
引 言
陶瓷行业是耗能大户，我国目前有各种陶瓷窑炉15000 多座，无论是热效率还是热能利用率，一般都较低，而且产品单耗大，成本高。另一方面，陶瓷窑炉生产过程在消耗大量能源的同时，燃料燃烧产生的烟气含有危害极大的CO2、SO2 和NOx 等有害气体。富氧助燃技术作为一种高效节能和环保等手段，早已被人们所接受，也是国家发改委重点推荐的重大节能技术，但是传统制氧投资大、能耗高制约了富氧燃烧技术的发展，富氧燃烧已成为大型玻璃厂和有氧源玻璃厂的专利。膜法富氧助燃技术是膜法制氧技术和陶瓷窑富氧局部助燃技术的结合，此两项技术的结合改变以前陶瓷窑富氧燃烧技术应用成本居高不下、叫好不叫座的现状，使众多无氧源和中小型陶瓷熔窑利用富氧助燃技术提高产品质量、降低吨产品能耗的目标得以实现。下面就此两项技术在玻璃窑的实际应用技术及相关案例做相关介绍和探讨，希望能给感兴趣的单位和个人一定的参考。
1 富氧助燃技术的节能与环保效应技术分析
通常空气中的氧的体积含量为20.93 ％、氮为78.1％及少量的惰性气体等，真正参与燃烧的氧只占空气总量1/5 左右，而占空气总量约4/5 的氮和其他惰性气体非但不助燃，反而将随着燃烧的进行带走大量的热能。人们把含氧量大于20.93％的空气叫做富氧空气。富氧空气参与燃烧将具有明显的节能与环保效应。从图1可以看出，
图1 空气中氧浓度与节能的关系
注:A、B、C、D、E 排气温度分别为1400℃，1200℃，
1000℃，800℃，600℃
节能率与富氧空气中氧的含量成正比，即在同一燃烧温度下，浓度越高，燃烧越完全，排烟黑度越低，节能和环保效果越好。但是，当氧的浓度达到60％左右时，节能的效果增加较小；另外，在同一含氧浓度下，燃烧温度越高，节能效果越好。因此，在需要燃烧温度较高的陶瓷窑炉中采用富氧助燃，其节能效果会更好。日本井腾博达、农部正树曾在高温炉中，做过炉温与不同含氧量浓度的节能试验，其结果如图2 所示。
图2 炉温与节能效果的关系
图3 火焰温度与氧浓度的关系
图4 排除废气的容积比与燃烧空气中氧浓度的关系（m 为空气过剩系数）
从图中可以看出，炉温越高，应用富氧助燃技术的节能效果越明显。炉温在1600℃时，用含氧23％的富氧空气助燃，可节能25％。下面结合陶瓷炉窑中富氧空气参与助燃的实际情况，简单分析其节能的机理。
1.1 提高燃烧区的火焰温度和降低排烟黑度
热的传递一般通过辐射、传导和对流三种方式进行。这三种传递方式哪一种作用最大取决于下列因素：一是火焰类型和形状；二是加入的空气中氧的含量；三是陶瓷窑炉周围情况等。由于热传递速率与温度的四次方成正比，所以提高燃烧温度将会大大增加热辐射。富氧空气参与助燃会提高火焰温度从而增加传导、对流和辐射三种形式的热传递，进而提高了物料的烧成速度，促使燃烧完全，减少排烟黑度。
火焰温度随着燃烧空气中氧的比例增加的变化情况如图3 所示。从图中可以得出以下几点：①火焰温度随着氧浓度的提高而提高。②随着富氧空气浓度逐渐提高，火焰温度增加的幅度下减，在绝热状态下，空气含量从23％增加到25％时，火焰温度增加了100℃；空气含氧量从25％增加到27％时，同样是增加2％的含氧量，但火焰温度只增加了约30℃。因此为了有效利用富氧空气，其浓度不宜选高。③空气过剩系数m 不宜过大，否则同样浓度的富氧空气助燃，火焰温度较低。通常在组织燃烧时，一般把空气过剩系数大都控制在1.05 ～ 1.1，以获得较高的火焰温度，又能完全燃烧。
1.2 加快燃烧速度，促使燃烧完全
要使燃料达到完全燃烧，必须使燃料与空气混合均匀或充分接触，富氧空气参与助燃后，不仅使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时，温度提高了，将有利于燃烧反应完全。
1.3 降低燃料的燃点温度和燃尽温度
燃料的燃点温度不是一个常数，它的高低和燃烧条件有关、受热速度、空气用量、周围温度等因素密切相关。富氧空气参与助燃，将有利于降低燃料的燃点温度，而且能减少火焰尺寸，并增加单位体积的热释放量，使燃烧条件得到很大的改善，火焰强度得到提高。
1.4 减少燃烧后的排气量
通常的燃烧过程中只有占总量1/5 的氧参与燃烧，而其余约占4/5 的氮气非但不能助燃，还将随着燃烧的进行带走大量的热量，排出废气的容积比（以含氧21％的常规空气，m=1.0 时和理论空气量下燃烧的排气量作为1 计算的）与燃烧空气中氧浓度（％）的关系如图4 所示
从图中可以看出，随着空气中含氧量增加，排气量逐渐减少，以含氧量27％的富氧空气与含氧量21％的普通空气燃烧比较，在m ＝ 1.0 时的排气体积减少约22％。排烟黑度也明显下降，有利于根治污染。
1.5 增加热量的利用率
富氧助燃对热量的利用率会有提高。图5 为加热温度与热量利用率的关系。
图5 加热温度与热量利用率的关系
图6 空气过剩系数与燃料消耗的关系
图7 空气过剩系数与可利用热量的关系
从图中可以看出，用通常空气（含氧21％）燃烧，加热温度为1300℃时，其可利用的热量
Q1 为42％，而用含氧26％的富氧空气燃烧时，可利用热量Q2 为56％，增加14％，而且随加热温度提高及富氧浓度的提高，所增加比例就越大，有的可能增加33％，因此节能效果越好。
1.6 降低空气过剩系数
富氧助燃，可降低空气过剩系数，从而达到节能的目的。从图6 和图7 可以看出，空气过剩系数越大，则燃料消耗增加率就越高。当m=1.1 时，燃料只增加4％。当m=1.4 时，则燃料增加率为18％（图6）。陶瓷窑炉中，随m 的增加，可利用的热量在减少，而且加热温度越高，热量的损失就越大（图7）
陶瓷窑富氧燃烧需要的氧气的浓度要求不高，而且实际需要富氧的量并不大，已有实验表明，在陶瓷窑炉鼓入混合27％左右富氧空气时，其助燃节能效果最佳，对比深冷分离、变压吸附分离和膜分离这三种空气分离技术的优劣，采用具有投资少、易操作维护、制氧成本低、工艺成熟等特点的膜法制氧空气分离制取富氧工艺更为适合制瓷工业。
3 应用结果分析
表1 陶瓷窑炉富氧烧成节能效果
表1 陶瓷窑炉富氧烧成节能效果
图8 陶瓷富氧烧成效果对比分析
通过技术分析及能信节能科技公司对该技术的经验积累，已成功把该富氧助燃技术应用到辊道窑上，把富氧助燃烧成实验与普通烧成实验做了对比，窑炉均烧制100 件相同某陶瓷制品，最高烧成温度1350℃，相关结果见表1 与图8：从图中还可以看出，应用该富氧助燃技术后，产品的质量有效的得到提高，从而能提高产品的产量。
4 结 论
⑴在需要较高燃烧温度的陶瓷窑炉中，采用膜法富氧助燃技术其节能与环保效应较好，技术可行，且炉温越高，应用该技术的节能效果越明显，富氧量有一最佳值；⑵通过对比分析可知，膜分离离制取富氧工艺更为适合陶瓷炉窑行业；⑶富氧助燃技术不仅能节省燃料与降低污染, 明显提高产品的产量和质量, 而且可以起到改善燃烧效率, 延长炉龄, 减少烟尘排放等综合效益。由于能源越来越紧缺、环保要求越来越严格和政府企业越来越重视等, 所以不久的将来膜法富氧助燃技术在陶瓷窑炉中会得到广泛的应用与大力的推广。
