在陶瓷窑炉上应用增氧助燃技术的介绍

　　增氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度。其极点是纯氧。增氧助燃具有使火焰温度提高、烟气热损失小和燃烧效率提高等作用。增氧助燃对所有燃料（包括气体、液体和固体）在绝大多数窑炉均适用。它既能提高劣质燃料的应用范围，又能足够发挥优质燃料的性能。实验表明用26.7%的浓氧空气燃烧褐煤或用21.8%的浓氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度，等同于普通空气燃烧重油所得到的理论燃烧温度。

一、在陶瓷窑炉上应用的必要性

1、现有的各种陶瓷烧成窑炉，或是排烟温度很高、或是因漏风严重，表观排烟温度虽不很高，但排烟量很大，造成排烟损失过大。各种间歇窑炉排烟热损超过了总供入热50%，各种马弗式隧道窑超过了供入热的40％。

　　另外，陶瓷炉窑属高温炉窑，窑内气体与制品的热交换主要是以辐射形式进行。按气体辐射的特点，只有三原子和多原予气体具有辐射能力。双原子气体几乎无辐射能力。而以常规空气助燃的炉窑中，无辐射能力的氮气所占比例很高，因而炉气的黑度很小，影响了炉气对制品的辐射力。从而影响了炉气对制品的换热速率，延长了烧成周期，导致能耗增加。

　　采用增氧助燃使上述两个方面均可得到改善, 能较大幅度的减少排烟热损和提高加热速率。可以收到显著的节能效益。而且随着燃料结构越来越向高质高价方向变革，其节能效益将越来越显著。

我们在着重分析了煤气及重油烧成的各种窑炉采用浓氧空气助燃的热工特性及节能效益后认为，采用增氧助燃将是陶瓷烧成煤气化后的又一项着重节能措施。

2、天然气的主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。伴生天然气因含有石油蒸汽，故除甲烷外，还含有较多的重碳氢化合物。上述各种碳氢化合物在天然气中的含量约在90%以上，因此，天然气的发热量很高，一般为8000-10000千卡/米³，或更高。

除了碳氢化合物以外，天然气中还有少量的CO₂，N₂，O₂，H₂S，CO等，大致成分如下表所示：

天然气的一般构成 表1

CO2+SO2=0.5-1.5% O2=0.2-0.3% CO=0.1-0.3% H2=0.4-0.8% CH4=85-95%

CnHm=3.5-7.3% N2=1.5-5.0% H2S=0-0.9% Q低=800015000千卡/立方米 重度==0.6公斤/立方米

　　天然气是一种高热值燃料。但由于天然气中CH₄含量大，燃烧速度较慢，以及煤气重度小等原因，为了提高天然气火焰的黑度和燃烧效率，因此在燃烧时组织火焰和燃烧技术上必须采用相应的措施，以保证足够发挥天然气的作用。可以向天然气喷射重油或焦油等液体燃料；也可以设法使天然气中的碳氢化合物发生分解，靠分解出来的游离碳来提高火焰的黑度，叫做火焰的自动增碳；还可以采用增氧助燃的方法，由于在主燃区燃烧化学反应速度快，所以氧气供应远远落后于反应的需要，通过采用增氧助燃而增加喷射气流中氧气的含量，则可以提高燃烧效率，可达到全部燃烧、节能的目的。

3、燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。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为主，主要取决于下列因素：一是火焰类型和形状；二是加入的空气中氧的含量；三是熔窑的周围情况等。燃气窑炉的热交换主要应是以辐射形式进行。由于辐射热传递速率与温度的四次方乘正比，所以在高温下提高燃烧温度将会大大增加热辐射的作用。根据实验和实践材料证明，采用增氧助燃的方法可以有效的提高火焰温度，从而改善窑炉的热交换方式。

　　一般说来，火焰的两种类型，既发光火焰和不发光火焰。不发光火焰（无色的或浅蓝色的）的燃烧主要是靠对流传递到物料和窑壁上去，然后，热量辐射到物料上去，只有少量的热是通过火焰辐射传递给物料的。因此，在一个用不发光火焰加热的熔窑中，传递给物料的大部分热量都是窑壁的辐射热。

二、增氧助燃的机理

1、加快燃烧速度，促使燃烧充足

　　燃烧速度实际上是一种定性的说法，如乙炔是一种燃烧速度快的燃料，其火焰短而密实；天然气相对于乙炔来说，是一种燃烧速度慢的燃料，其火焰较长，但只要燃烧充足，都可以极大地放出应有的热量。

要使燃料达到充足燃烧，必须使燃料与空气混合均匀和充足接触，浓氧空气参与助燃后，不仅使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度（一些气体燃料在空气（O₂的体积分率为21%）中和纯氧中的燃烧速度对比情况见下表2），获得较好的热传导，同时，提高温度将有利于燃烧反应充足，燃料的能量利用率大。

几种气体燃料的燃烧速度对比情况 表2

燃料	在空气中的速度/cm·s-1		在纯氧中的速度/cm·s-1
	范围	极大可能	范围	极大可能
氢气	250-360	280	890-1190	1175
天然气	33-34	27	325-480	395
丙烷	40-47	42	360-400	375
丁烷	37-46	41	335-390	355
乙炔	110-180	160	950-1280	1130

2、减少空气过剩系数

　　用普通的空气助燃，真正参与燃烧只有占空气总量约1/5的氧，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。采用浓氧空气参与助燃，可以减少实际空气量，从而减少实际排气量，能较大幅度的减少窑炉排气量及其带走的热损失，增加热量利用率，提高热效率。

3、增加热量利用率

　　增氧助燃技术对热量的利用率有所提高，如用普通空气助燃，当加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，而用26%的浓氧空气助燃时，可利用量为56%，氧浓度在21%-30%之间其热量利用率随氧浓度提高而升高的快,因此在这个氧浓度范围内对提高热量利用率比较高，因此节能成果就越好。

4、提高了火焰温度，增强了辐射传热能力

　　通常空气中的氧体积含量为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的1/5，而占4/5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时的热能。使用浓氧气体参与助燃可使氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高(如图1所示为天然气燃烧温度随氧浓度的变化曲线)。但氧浓度不宜过高，国内外的研究均表明，氧气的体积分数在26%-30%左右时比较高。氧浓度在26%~30%之间每提高一个百分点火焰温度提高35℃。当增氧助燃装置产生的气体中氧气的体积分数在28%左右时，可以有效的将炉膛温度整体提高50℃左右。由于辐射热传递速率与温度的四次方乘正比，所以在高温下提高燃烧温度将会大大增加热辐射的作用。这样，无论热是直接的或是间接的传递，浓氧空气参与助燃就会由于火焰温度升高而增加传导、对流和辐射三种形式的热传递，从而提高了物料的熔化速度，促使燃烧充足，减少排烟黑度。根据阿累尼乌斯定律证明，炉膛温度每升高10℃，化学反应速度将提高2~4倍。

图1 天然气燃烧温度随氧浓度的变化曲线

　　在陶瓷烧成高温窑中，燃料的燃烧热主要是靠辐射方式传给炉壁和制品。因而炉气的黑度是举足轻重的。在用常规空气助燃所产生的炉气中，具有辐射能力的三原子气体的体积百分比之和一般不超过30%，而无辐射能力的氮气所占比例很大。采用浓氧空气助燃，其炉气中CO₂和H₂O等三原子气体的构成比例将会增大。增强了辐射传热能力。

5．减少燃料的燃点温度和燃烬温度

　　燃料的燃点温度不是常数，它的高低和燃烧条件、受热速度、空气用量、周围温度等因素密切相关。浓氧空气参与助燃，将有利于减少燃料的燃点温度，而且能减小火焰尺寸，并增加单位体积的热释放量，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅为388℃，所以采用增氧助燃能提高火焰强度和增加释放热量等。

三、增氧助燃技术在陶瓷窑炉烧成中的优点

1、烧成的四个阶段

　　在间歇窑和隧道窑的烧成中，产品烧成要经过四个阶段,即：干燥、分解、氧化、烧成。

氧化是烧成过程重要的阶段，在这个阶段，易燃物被燃烧掉，铁和其它着色化合物被氧化。加热时必须避免过烧和黑心，如果加热速度过快和燃烧制度选择不当，就会严重影响产品的表面质量。

　　粘土制品中的黑心是由于含碳物质未充足氧化而引起的。碳黑心对产品颜色的影响不如铁变价对产品颜色影响大。比较高的氧化温度范围是930℃ ～1040℃ ，这个温度范围对产品质量影响很大，并且随着单位时间的产量以及产品配方的改变而相应变化。采用增氧助燃技术后，可以使含碳物质得以充足氧化，避免黑心情况出现。

2、氧在粘土产品中的重要作用

　　窑内气体的基本组成是：O₂、N₂、CO₂、CO、水蒸汽、S O₂、SO₃。在大多数情况下原料的性质决定着窑内气体的种类和数量。氧气和氮气来自空气；碳烃化合物燃料如：煤、油、丙烷、发生炉煤气、天然气等，它们充足燃烧后产生CO₂和水蒸汽，如果燃烧不充足就会产生CO和H₂；硫的化合物是由不纯原料带入的，燃烧产生SO₂、SO₃。粘土制品中化学反应的控制，是通过调节氧和一氧化碳的比例来完成的。陶瓷坯体中的碳需氧来氧化，碳氧化产生相对稳定的CO₂气体。当烧结含碳粘土制品时，在多孔期碳就应该充足氧化。氧化气氛可除去陶瓷产品中的硫，陶瓷中的硫大多以硫化铁形式存在(黄铁矿和磁黄铁矿)。因为SO₃分子易被吸附到硅酸盐坯体内表面，维持氧化气氛可清理窑内的含硫气体。当氧气不足时，碳烃化合物燃烧产生CO，CO 是Fe、Mn的还原剂，这是要极力避免的，因为FeO是黑色的，而且在铝硅酸盐中作为一种熔剂，在氧化气氛中的白瓷，在还原气氛中呈蓝白色。在瓷坯中还不能有Mn的低价氧化物存在，因为它具有很强的酸溶性。

3、提高氧化速率

　　氧气的浓度和反应温度决定着窑内的物理化学反应，因此，当窑内温度升高或氧化浓度增大时，氧化速率增大。碳烃化合物燃料的燃烧产生CO₂ 和水蒸汽，陶瓷原料也产生大量的CO₂和水蒸汽，这样就冲淡了样品周围氧气的含量。因此要维持氧化气氛，就必须通入流动空气，带走CO₂ 和水蒸汽，或者输入纯氧气。要提高产品的成品率就需要提供足够多的氧气使产品更好地烧结。在燃料燃烧过程中输人大量空气来维持氧化气氛，空气中氧与氮气的体积比为1：4，因此要输入1体积的氧气需输入5体积空气。大量空气通过窑炉不同加热带时被加热，空气传热于粘土制品是通过对流和传导，所以要求优化空气的用量，以大的湍流从窑中抽出大量热的气体，这些余热的利用使厂家获得了一定的利润。因此，对使用者来说，加入纯氧能实现两大目标，一是提高燃烧效率，二是增大氧化速率。

4、提高燃烧效率

　　直接加入纯氧与加入空气的不同之处在于：后者有氮气存在。减少燃烧气氛中氮气含量会产生以下两种结果：

　　在相同能耗下，火焰的温度将升高，窑内热辐射将直接向制品传热，不需要湍流来导热。燃烧产物体积的减小，不致冲淡窑内氧化气氛。高浓度氧气的存在，使氧化反应迅速完成，可提高产量和成品率。另外，氮气的减少还可使燃烧器的效率提高，燃料的能量利用率增大，并减轻对窑内气氛的稀释作用。

5、氧气注入技术

　　由于氧气注入氧化反应带，使助燃空气大大减少，并使氧化速率提高；注入氧，还可使氧化反应所维持的时间缩短，因而可适应产量增加的需要。由于明焰燧道窑不是一种密封的窑炉，为了减少氧气的损失，所以使用一种特殊的氧气注入方法。为了节省燃料，在助燃风中氧含量在原来的基础上(21％)增加3～4％ ，同时将空气和煤气调到合适的比例，使窑内温度不变。当目标是节省燃料，增加产量时，可以通过特殊的切缝注入氧，根据隧道窑的不同设计安装不同尺寸的注氧切缝，所有的切缝必须联接到一个总管，以控制氧气的总流量。注入氧的系统，使用既不危险又简单，通过几小时的训练就可以进行使用。以上技术可适用于砖瓦、熔块、色料、釉面砖、日用瓷和卫生陶瓷等多种产品的烧成。当混合空气中氧的含量增加，窑内火力增强，从而提高了燃烧效率，减少了燃料消耗。氧气的注入在很大程度上减少了窑车顶部与底部的温差，也减少了废气的排放。隧道窑中氧含量增加使烧结的产品更均匀。高氧气氛也使红地砖和普通砖瓦能获得深红色。

　　增氧烧成技术的使用，使单位重量产品的能耗减少，成品率增加，在大多数情况下仅几个月就能收回增氧设备的投资。

四、增氧助燃的热工特性分析

1．能大幅度的减小出窑炉气量及其带走的热损失

　　众所周知，采用浓氧空气助燃，可以减少理论空气量，从而理论排气量，减少的幅度取决于氧含量。当前，膜式增氧助燃装置可以制成氧浓度很高的浓氧空气，但随着氧含量的增加，制作成本也相对增加，因而，国内外在普通燃料炉上应用大多采用23％-35％的浓氧空气。本文是以氧含量为25％的空气为实例进行分析。表3计算了几种典型炉窑采用25%的浓氧空气与常规空气助燃时排烟热损的差别。以表3数字可以看出，离窑火焰温度越高，采用浓氧空气时减少排烟热损的幅度越大。而燃料价格越高节能效益越显著。

采用含氧量25%的空气与常规空气助燃排烟热损失的比较 表3

2． 炉气的辐射传热能力增大

1)增加了炉气中三原子气体的比例，增大了炉气黑度

　　在陶瓷烧成这类高温炉窑中， 燃料的燃烧热主要是靠辐射方式传给炉壁和制品。因而炉气的黑度是举足轻重的。在用常规空气助燃所产生的炉气中，具有辐射能力的三原子气体的体积百分比之和一般不超3O％，而无辐射能力的氮气所占比例很大。采用增氧助燃，其炉气中CO₂ 和H₂O等三原子气体的构成比例将会大增。表4、表5分别计算了以焦炉煤气为燃料，用25％的浓氧空气助燃对炉气成份及黑度的变化。从表5可见，按炉膛温度1300℃计， 表征炉气辐射能力的炉气黑度采用25％的浓氧空气比常规空气助燃提高了11.4%。

炉气成分变化 表4

炉气黑度系数的变化 表5

2)提高了火焰温度， 增强了辐射传热能力

　　炉气的辐射能力除与炉气黑度有关外还与炉气温度有关。因为氧浓度的提高，减少了理论空气量，从而减少了理论排气量。使得理论燃烧温度大幅度提高。在同等条件下，能大幅度提高火焰温度。表6计算了以焦炉煤气为燃料，以常规空气和25%的浓氧空气助燃时理论燃烧温度的变化。

火焰温度的变化 表6

3)传热能力的增加可大幅度的缩短烧成周期．减少消耗

　　因为炉气黑度增加和火焰温度提高的共同作用，使得煤气向炉壁和制品的辐射传热能力大幅度提高。表7计算了在炉膛温度为1300℃时，不同助燃剂助燃，单位面积的炉气向制品的传热能力q的数值。可见，当使用25%的浓氧空气时其炉气的传热能力比常规空气助燃时提高了160%。这个数值表明了，在理论上，前者比后者的加热速率提高同样的比例。对于陶瓷烧成讲，也等于在其它条件允许的情况下烧成周期可缩短同样的比例。但因陶瓷烧成过程的制约因素很多，如烧成曲线的限制等，烧成周期缩短的幅度很难达到理论值。但通过国外大量使用浓氧空气助燃烧成陶瓷的例子证明，采用25%的浓氧空气助燃综合节能率可达20%一40%，其中有80%是通过缩短烧成周期所取得的。

炉气辐射能力的变化 表7

五、增氧助燃的应用实例

　　目前较小规模膜法制浓氧的方法已进入实用阶段。国内外均有大量报道。特别是美国、日本等地的膜法制氧器已批量投入市场。在炼钢、炼铁、陶瓷烧成、玻璃熔化、工业锅炉等领域均有大量应用，并且取得了显著的节能效益。如广泛采用的25%-35%的浓氧空气，节能率可达20%-50%。表8列出了日本松下公司和大阪煤气公司对共同研制的增氧助燃装置的节能效益进行了计算，用一年左右的时间就可收回全部投资。

增氧助燃节能效益试算 表8

　　北京玻璃六厂于1989年l1月在一号玻璃池炉上安装了一套l00标准立方米／时的浓氧燃烧系统，获得了成功，通过了中科院和北京市机关主持的鉴定验收。基本成果如下：产量增长了12．1%，玻璃质量升了两级；排烟温度减少了112℃，减少了28．6%；排姻热损减少l9．6%，火焰温度由原来的1580℃提高到1670℃，全炉热效率由原来的38．65%提高到46．55%，节能率达到了17%。

　　表9和表10为六个砖瓦厂和六个陶瓷厂用普通烧成法和增氧烧成法的产量、能耗比较表。由表可见，使用增氧烧成技术后，各厂的产量都有所增加，单位重量产品的能耗都有所下降。以前各厂增加产量往往采用引入过量低成本空气的方法，结果造成了严重的质量问题。H、K 两个公司使用增氧烧成技术后，在产品质量和强度保持不变的情况下，产量提高了50%。

　　公司是生产餐具和瓷器的，他们以前是通过增加燃料来维持窑内温度的，致使窑内气氛大大影响了产品质量，釉面无光、颜色暗淡、废品增加。现在预热带安装了氧喷枪，在燃烧带补充了增氧助燃系统，燃烧器的效率提高，窑内变成了氧化气氛，而且几乎没有湍流现象。即使在大产量时，仍能保持良好的烧成气氛，这是由于物质在预热带已经除去，所以釉面更光亮，废品率减少了50%，产量质量大幅度提高，出窑的产品颜色均匀。

　　L公司在使用增氧烧成技术后，产品的强度提高，颜色更好；产品内部的结构也得到改善，在产量增加15%时，仍能保证产品的质量。

普通烧成法和增氧烧成法的产量、能耗比较表 表9

普通烧成法和增氧烧成法的产量、能耗比较表 表10

六、结束语

　　增氧助燃技术是一项很有潜力的节能新技术。工业发达地区将其作为高科技正在不断拓宽应用领域。称为再生能源，虽然目前我国还刚刚起步，但已经显示出了它的生存力。

　　近几年来，随着环保要求的不断提高，能源的目趋紧张以及价格的不断上涨，造成企业的生产成本越来越高，节能降耗和环境保护是每个企业发展的重要问题。增氧助燃作为一种高新的燃烧技术在各国蓬勃发展，在我国也引起了新技术的改革，是企业节能降耗解决环保的有效途径。在玻璃、冶金、陶瓷烧成、工业锅炉等热能工程领域已广泛应用。陶瓷烧成耗能量很大。国外已把增氧助燃技术成功的应用于陶瓷烧成。很值得我们借鉴。建议在陶瓷烧成实现煤气化后，应把增氧助燃作为又一项重大节能技术加以推广。

　　我公司具有完成“增氧助燃”改造累计300多吨位的成熟经验。由于“增氧助燃”技术是一项高新技术，涉及技术范围很广泛。而且每台锅炉的燃烧工况又不尽相同，如贵单位有意，我公司将去人进行现场勘察，根据现场实际工况合理地设计比较高增氧方案。尽大的努力为贵单位在经济效益和社会效益上以少的投资，带来大的收益。

　　采用增氧助燃技术可以较大幅度的减少排烟热损失和提高加热速率，可以收到显著的节能效益，而且随着燃料结构越来越向高价方向变革，其节能效益将越来越显著。

　　我公司将以优异的技术装备，优异的服务水平、优异的办事效率，竭诚为您服务！帮您企业取得更大的经济效益和社会效益!