朱慶霞，蘇彬鋒，馮 青

(1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403; 2.偉業(yè)陶瓷有限公司，廣州 潮州 521031)

膜法富氧技術(shù)在陶瓷窯爐應(yīng)用的研究初探

朱慶霞1，蘇彬鋒2，馮 青1

(1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403; 2.偉業(yè)陶瓷有限公司，廣州 潮州 521031)

在了解各種制氧方法的制氧原理及特點的基礎(chǔ)上，分析了其在陶瓷窯爐應(yīng)用的經(jīng)濟適用性，開展了液化石油氣(LPG)梭式窯富氧燃燒的理論計算和燃燒實驗，并對膜法富氧技術(shù)在LPG陶瓷隧道窯的應(yīng)用進行經(jīng)濟效益分析。結(jié)果表明：膜法制氧適用于陶瓷工業(yè)窯爐；綜合制氧成本和節(jié)能效果，低富氧濃度(＜30%)會帶來可觀的經(jīng)濟效益。

膜法富氧；陶瓷窯爐；經(jīng)濟效益分析；節(jié)能

0 引 言

富氧助燃技術(shù)是采用氧含量超過21%的空氣進行助燃，因此具有加快燃燒速度、促進燃燒完全、提高火焰溫度、減少廢氣量、提高熱量利用率和降低空氣過剩系數(shù)等優(yōu)點[1,2]。鑒于富氧燃燒的特點，采用富氧助燃技術(shù)可以有助于解決陶瓷產(chǎn)業(yè)的高污染、高能耗問題。

目前國內(nèi)外的研究主要集中在數(shù)值模擬溫度、速度和組分場的變化規(guī)律，從理論上分析預(yù)測富氧燃燒技術(shù)對窯爐特性的影響[3,4]。然而窯爐內(nèi)部流動和傳熱的復(fù)雜性使得理論分析的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)仍有較大差異。于是近年來富氧燃燒的研究熱點逐漸偏向燃燒實驗方面，武漢理工大學(xué)的文進等人[5,6]在富氧燃燒試驗臺上，研究氧氣濃度的變化對火焰特性、窯爐的熱工特性及節(jié)能效果的影響；華南理工大學(xué)的曾令可教授[7]研究了梭式窯中氧濃度對污染物總濃度和節(jié)能效果的影響。然而在我國還未見陶瓷窯爐成功采用富氧燃燒技術(shù)的相關(guān)報道，除了高溫造成的熱力型NOx環(huán)境污染以及窯爐改造涉及的技術(shù)問題外，制氧裝置高昂的投資成本也阻礙了這項技術(shù)在我國的推廣。本文在了解各種制氧方法的制氧原理及特點的基礎(chǔ)上，分析了其在陶瓷窯爐應(yīng)用的經(jīng)濟適用性，開展了液化石油氣(LPG)梭式窯富氧燃燒的理論計算和燃燒實驗，并對膜法富氧技術(shù)在LPG陶瓷隧道窯的應(yīng)用進行經(jīng)濟效益分析。

1 制氧原理及特點[8]

目前工業(yè)上常見的制氧方式主要有以下三種：(1)低溫精餾法(深冷法)，利用液化后沸點差異來精餾分離，生產(chǎn)的氧氣純度高(＞99%)，但設(shè)備龐大，能耗偏高；(2)變壓吸附制氧技術(shù)(PSA)，利用吸附劑對氧、氮吸附性能的差異來達到分離的目的，產(chǎn)生的氧濃度可達30-90%，裝置規(guī)模中等，但單位時間的制氧量偏低；(3)高分子膜法，利用膜對特定氣體的選擇透過來分離空氣，產(chǎn)生的氧濃度可達25-40%，裝置規(guī)模小，操作簡單。

考慮到陶瓷行業(yè)對氧氣的濃度要求不一定很高，并且現(xiàn)有資料已表明，一般富氧濃度在23-30%時為最佳[9]，于是進行了具有工程應(yīng)用前景的吸附法制氧和膜法制氧方案的對比(表1)。由表1可以看出，在富氧濃度和富氧流量方面，膜法制氧與變壓吸附法制氧均能滿足陶瓷窯爐的使用要求，但是在占地面積和耗電量等運行成本方面，膜法制氧具有絕對優(yōu)勢，并且吸附制氧設(shè)備的投資成本過高，因此在膜法制氧在獲得低富氧濃度的富氧空氣方面，具有設(shè)備簡單、投資少、費用低等優(yōu)點，更適用于陶瓷工業(yè)。

表1 關(guān)于膜法制氧和吸附制氧方案的對比Tab.1 Comparison between membrane-based oxygen-generation and PSA

2 富氧燃燒技術(shù)在梭式窯的應(yīng)用研究

2.1 理論計算

當(dāng)富氧濃度提高至35%左右時，高分子分離膜必須更換成中空纖維膜，制氧設(shè)備投資等費用猛增，但火焰溫度增加不多，綜合效益反而下降。因此，本文僅討論氧濃度＜30%時的情況。

表2 氧氣體積分?jǐn)?shù)不同時的理論空氣量、煙氣量和燃燒溫度Tab.2 Theoretical amounts of air and fue gas and combustion temperature of LPG at different oxygen concentrations

從表2可以看出，LPG采用富氧燃燒后，火焰溫度急速升高。當(dāng)氧氣濃度從21%增加到25%時，火焰溫度提高301 ℃；當(dāng)氧氣濃度進一步增加至27%時，火焰溫度提高65 ℃；當(dāng)氧氣濃度從27%增至29%時，火焰溫度提高47 ℃。增幅隨著氧濃度的增加而變小，這主要因為隨著燃燒溫度的升高，燃燒產(chǎn)物中H2O和CO2的分解程度增加，高溫分解熱提高，從而導(dǎo)致理論燃燒溫度的增幅隨氧濃度的增加而變緩。已有文獻報道[10]，當(dāng)富氧濃度增加至30%時，實測火焰溫度比普通空氣燃燒提高近300 K，低于表2中理論燃燒溫度的增幅(413 K)，這主要是因為在理論燃燒溫度的計算時沒有考慮到富氧燃燒情況下，燃燒速率過快有可能造成的化學(xué)不完全燃燒。因此，在陶瓷工業(yè)窯爐中以LPG進行富氧燃燒時，低富氧濃度不僅可以節(jié)約制氧成本，避免過高的溫度對爐體材料的損害，而且還便于對燃燒過程的控制，減少化學(xué)不完全燃燒熱損失

2.2 LPG富氧燃燒實驗

圖1 預(yù)混自吸式燒嘴改造前后結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Premixed self-priming burner structure before and after modifcation

圖1是梭式窯預(yù)混自吸式燒嘴改造前后的結(jié)構(gòu)圖。為了避免從外界吸入空氣，故將空氣調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，人為地通過調(diào)節(jié)制氧機產(chǎn)生的富氧氣與普通空氣的混合比，控制助燃空氣的富氧濃度。

以1.0 m3梭式窯為實驗窯爐，進行不同富氧濃度的燒成實驗。控制燒成時間、燒成溫度、升溫速率、氧化還原時間、平均排煙溫度、裝窯量等參數(shù)都基本一致。表3列出了不同氧體積分?jǐn)?shù)下的燃料消耗量，以及相應(yīng)的燃料節(jié)約率。

表3 不同氧體積分?jǐn)?shù)下燃料消耗量及節(jié)約率Tab.3 Fuel consumption and energy-saving rate at different oxygen concentrations

從表3可知，隨氧濃度的增加，燃料消耗量逐漸減少。這主要是富氧燃燒具有燃燒效率高、排煙熱損失小、窯爐綜合傳熱增強的優(yōu)點，從而共同導(dǎo)致富氧燃燒熱利用率提高，因此燃料消耗量減少[10]。當(dāng)氧濃度增加至27-30%時，進一步提高氧濃度對節(jié)能效果不明顯，最主要原因是高富氧濃度是否能保證窯內(nèi)燃料的完全燃燒。我們前期實驗結(jié)果表明[11]，隨氧含量的增加，火焰高溫區(qū)逐漸減小，易造成窯內(nèi)溫度不均勻。因此，隨氧濃度的增加，燃燒過程中容易產(chǎn)生部分機械和化學(xué)不完全燃燒，導(dǎo)致燃料損失。

3 富氧燃燒在陶瓷窯爐應(yīng)用的經(jīng)濟效益分析

以某廠72 m液化石油氣節(jié)能隧道窯為例計算其每小時所需的富氧空氣量。其平均燃料消耗量為3500 kg/天，理論空氣量按14 Nm3/kg進行估算，取富氧濃度為29%，空氣過剩系數(shù)為1.1，則其每小時所需的富氧空氣量計算如下：

3.5 ×103kg/天×14Nm3/kg×1.1×21%/ (29%×24 h/天)=1626 Nm3富氧空氣/時

按照膜法制氧提供的技術(shù)參數(shù)，其耗電量約0.07 度/Nm3富氧空氣，循環(huán)水量約為3 噸/h，電價為0.7 元/度，水價為 1元/噸。故其能耗費用(水電費):

(0.07 度/Nm3×1626 Nm3/h×0.7 元/度+3 噸/h× 1 元/噸)×24 h×360 天/10000=71.43 萬元/年

從表1可知當(dāng)生產(chǎn)富氧流量為7200 Nm3/h的富氧空氣，其制氧設(shè)備報價為400 萬。因此，估算當(dāng)富氧空氣流量僅需1626 Nm3/h時，制氧設(shè)備成本約為90 萬。考慮到膜組件正常運用十年左右，故設(shè)備折舊費用約9 萬/年。由于目前只有梭式窯等間歇型窯爐的富氧燃燒節(jié)能數(shù)據(jù)(見表3)，連續(xù)性陶瓷工業(yè)窯爐的富氧燃燒實驗仍未開展，故沒有關(guān)于富氧燃燒應(yīng)用于隧道窯的節(jié)能實測數(shù)據(jù)，有報道[12]富氧燃料在玻璃熔爐中使用節(jié)能率達15%以上。故在本文中節(jié)能率以平均15%為基準(zhǔn)計算，液化石油氣的價格為6000元/噸。則年節(jié)能效益：

3.5 噸/天×360 天×6000 元/噸×15%/10000 =113.4 萬元/年

年凈效益：113.4-71.43(年運行費用)-9(年折舊費用)=32.97 萬元/年

投資回收期：90 萬元/32.97( 萬元/年)=2.73(年)

4 結(jié) 論

(1)膜法制氧與傳統(tǒng)的變壓吸附法相比，在獲得低富氧濃度(＜30%)的富氧空氣方面，具有設(shè)備簡單、投資少、費用低等優(yōu)點，膜法制氧適用于陶瓷工業(yè)。

(2)考慮到燃燒產(chǎn)物的高溫分解和富氧燃燒速率過快有可能造成的化學(xué)不完全燃燒損失，在陶瓷工業(yè)窯爐中采用低富氧濃度(＜30%)，制氧成本低，節(jié)能效果好。

(3)在陶瓷工業(yè)采用富氧燃燒技術(shù)具有可觀的經(jīng)濟效益。

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SHEN Guanglin, et al. Membrane Science and Technology, 1998, 18(2): 50-53.

Preliminary Application of Membrane-Based Oxygen-Enrichment Technology in Ceramic Kiln

ZHU Qingxia1, SU Binfeng2, FENG Qing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2.Weiye Ceramics Co., Ltd., Chaozhou 521031, Guangdong, China)

The economic suitability of different oxygen-generation methods for the ceramic kiln is analyzed with respect to their principles and characteristics. The theoretical calculations and combustion experiments with oxygen of different concentrations are carried out in the shuttle kiln with liquefed petroleum gas (LPG) as fuel. And the cost-effectiveness analysis of membrane-based oxygen-enriched combustion technology in LPG tunnel kiln is also done. The results show that the membrane-based oxygen-enrichment technology is suitable for ceramic industrial kiln. Low oxygen enrichment (＜ 30%) can bring considerable economic benefts on the comprehensive consideration of oxygengeneration cost and the energy-saving effect.

membrane-based oxygen-enrichment technology; ceramic kiln; cost-effectiveness analysis; energy saving

TQ174.6

A

1000-2278(2014)06-0634-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.014

2014-06-14。

2014-07-03。

江西省自然科學(xué)基金(編號：20133BAB21009)，江西省教育廳科研項目(編號：GJJ13635)，景德鎮(zhèn)市科技局科研項目(景科字2013-42)。

朱慶霞 (1975- )，女，博士，副教授。

Received date: 2014-06-14. Revised date: 2014-07-03.

Correspondent author:ZHU Qingxia(1975-), female, Doc., Associate professor.

E-mail:qingxia-zhu@163.com