空气系数对陶瓷窑炉节能减排的影响*

裴秀娟 郑占申 宋子春 樊立永 李 鹏

(1 华北理工大学材料科学与工程学院河北省无机非金属材料重点实验室 河北 唐山 063210)(2 惠达卫浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

陶瓷生产中用于烧成工序能源消耗约占60%左右，陶瓷窑炉是一种高能耗、高烟气排放的热工设备，降低陶瓷窑炉单位产品燃料消耗量及CO2、SO2和NOx排放量是陶瓷行业可持续发展亟待解决的问题。空气系数的大小对于窑炉中燃料燃烧的完全程度、燃料消耗量、燃烧温度、烟气辐射能力、热效率、烟气量、气氛等有着非常重要的影响，其中，控制最佳空气系数是保证产品质量和实现窑炉节能减排的重要措施之一。

1 我国陶瓷窑炉空气系数的现状

目前我国陶瓷窑炉的燃气燃烧控制只限于满足温度和气氛要求，导致窑炉的实际空气系数普遍处于失控状态。燃气完全燃烧的最佳空气系数应为1.05～1.10，而国内陶瓷燃气窑炉空气系数一般为1.5～1.7，有的窑炉甚至更高。空气系数大时，会造成烟气量大、燃烧温度低、烟气辐射力小、燃气消耗量大等问题，且烟气离窑时带走的热量多，烟气在窑炉系统中的流速增大，阻力损失也随之增加，排烟风机的电能消耗增大；空气系数小于最佳值，会造成燃气燃烧不完全从而导致燃气浪费；调节最佳空气系数，可在满足产品烧成工艺要求的同时，既能最大限度地实现节能减排降消耗，降低陶瓷制品的生产成本，减小对大气的污染，又能提高产品的产量和质量，推动陶瓷产业的绿色化发展。

2 空气系数的有关概念

燃料燃烧时，实际空气量与理论空气量的比值称为空气系数。理论空气量是指单位体积的气体燃料在理论上完全燃烧时所需要的空气体积量。这里的“在理论上完全燃烧”是指按照燃料中的可燃成分与氧气的化学反应方程式进行完全燃烧。实际空气量是指单位体积的气体燃料燃烧时实际供给的空气体积量。

在实际燃烧过程中，若仅提供理论空气量，虽然按化学反应方程式理论上能够完全燃烧，但由于空气与燃料的混合均匀性达不到理想程度或燃烧速度较慢等实际原因，会造成燃料的不完全燃烧。因而，为了确保燃料完全燃烧，实际空气量要比理论空气量大些。空气系数的确定与燃料的种类、燃烧方法、燃烧设备及烧成制品对窑炉气氛的要求等因素有关。

3 空气系数对陶瓷窑炉节能减排的影响

(1)空气系数对排烟量的影响。空气中约有21%的O2和79%N2。燃料燃烧时，助燃空气中只有O2用于可燃组分的氧化反应；而N2不参与氧化反应，直接进入烟气中。因此，空气系数愈大过剩的空气量愈大，带入的N2量愈大所产生的烟气量就愈大。某陶瓷厂窑炉采用天然气为燃料，其组成如表1。

通过热工计算可得不同空气系数时的实际空气量、实际烟气量及烟气组成，如表2所示。

表1 天然气的组成

表2 不同空气系数时的实际空气量、实际烟气量及其组成

由表2可知，当空气系数由1.6降为1.1时，燃烧1 Nm3的天然气产生的实际烟气量由16.2231 Nm3降为11.4641 Nm3，减少了29.3%的排烟量。并且由于减小了实际空气量，降低了窑内N2量和过剩的O2量，因而可有效地减少了烟气中NOx的产生。表2中空气系数与烟气量间的关系也可以用图1表示。从图1中可以看出，实际烟气量随着空气系数的降低而显著降低。

图1 空气系数与实际烟气量的关系

(2)空气系数对理论燃烧温度的影响。空气系数的大小直接影响燃料燃烧的完全程度和烟气量的大小，从而影响燃烧温度。若空气系数小于1则空气量不足，产生化学不完全燃烧，使燃烧温度降低。当空气系数为1时，即实际空气量等于理论空气量，由于空气与燃料的混合均匀性达不到理想程度或燃烧速度较慢等实际原因，亦会造成燃料的不完全燃烧，使燃烧温度降低。因此，为了确保燃料完全燃烧，实际空气量要比理论空气量大些，即空气系数大于1。

燃料的种类不同，与空气的接触比表面积和混合程度不同，燃烧速度不同，达到完全燃烧时的空气系数亦不同。对于气体燃料，完全燃烧的最佳空气系数应为1.05～1.10。当空气系数大于最佳值时，随着空气系数的增大，产生的烟气量增大，燃烧温度降低。

因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，选择最小的空气系数，既保证燃料的充分燃烧，又使产生的烟气量最少，从而燃烧温度达到最高。当然，若陶瓷制品需要还原性窑炉气氛时，在窑炉的还原气氛段空气系数要略小于1，以确保烟气中含有CO，使烟气具有还原性。以表1天然气为例，可计算出不同空气系数时的理论燃烧温度，如表3所示。

表3 不同空气系数时的理论燃烧温度

由表3可知，空气系数由1.6降为1.1时，理论燃烧温度提高了36.7%。因此，当窑温不变时，空气系数由1.6降为1.1，可以大大降低燃气消耗量，因此，亦可以有效地减少CO2和SO2的排放量。表3中空气系数与理论燃烧温度间的关系也可以用图2表示，可以看出，理论燃烧温度随着空气系数的降低而升高。

图2 空气系数与理论燃烧温度的关系

(3)空气系数对烟气辐射力的影响。在陶瓷窑炉温度范围内，稀有气体和对称的双原子气体(如O2、N2等)辐射力很小，可认为是透热体。烟气中SO2量又很小，因此，烟气辐射力的大小主要取决于其中的CO2和H2O的辐射力。烟气中CO2和H2O的含量愈高，CO2和H2O的分压愈大，烟气的辐射率(黑度)愈大，烟气辐射给制品的热量愈高。空气系数的大小直接影响到烟气的组成，如表2所示。随着空气系数的增大，烟气中的O2和N2的含量增大，CO2和H2O的含量降低，则烟气的发射率(黑度)和辐射力降低，因此烟气对制品的辐射传热效率降低，尤其在高温阶段最为明显。以表1天然气为例，取烟气温度为1 200 ℃时，可计算出不同空气系数时的烟气发射率见表4。

表4 不同空气系数时的烟气发射率

由表4可知，α=1.1时的烟气发射率约为α=1.6时的烟气发射率的1.28倍。即当窑温、装窑密度和制品相同时，空气系数由1.6降为1.1时，烟气与制品间的辐射热量可以提高约28%，可大大提高窑炉内烟气与制品间的辐射传热效率，因而可有效地降低燃料消耗量或缩短烧成周期。图3为空气系数与烟气发射率间的关系曲线。从图3中可以看出，烟气发射率随着空气系数的降低而增大。

图3 空气系数与烟气发射率的关系

(4)空气系数与烟气离窑带走热量的关系。空气系数愈大，产生的烟气量愈大，烟气离窑时带走的热量就愈大，窑炉的热损失愈大。假设烟气离窑温度为100 ℃，在相同烧成温度的条件下，空气系数由1.6降为1.1时烟气离窑带走的热量可减少约1 022 kJ/Nm3天然气。因此，当窑炉内其他条件不变时，随着空气系数的减小，烟气离窑带走的热量减小，并且烟气对空气的热污染亦随之减小。

(5)空气系数对烟气流动阻力的影响。在相同窑温和装窑密度的条件下，空气系数愈大，烟气量就愈大，则烟气流速增大，阻力损失也随之增加，排烟风机的动能消耗增大。计算可知，α=1.6时的烟气流动阻力大约为α=1.1时烟气流动阻力的3.34倍。因此，当保持窑压不变时，排烟风机的电耗会随着空气系数的减小而降低。但是，随着空气系数的减小，烟气流速的减小，烟气与制品间的对流换热效率会有所降低。

综上所述，将陶瓷窑炉较大的空气系数调低至最佳值，其影响如下：①可以有效地提高燃烧温度、增大烟气的辐射能力、降低烟气离窑时的热量损失，从而提高窑炉热效率，降低燃料消耗量，降低陶瓷的生产成本提高产量。②可以减少烟气、CO2、SO2和NOx的排放量，降低烟气对空气的热污染，有效地降低陶瓷生产对大气的污染。③显著降低烟气在窑内的流动阻力和排烟风机的电耗。因此，控制窑炉最佳的空气系数对陶瓷行业节能减排和可持续发展具有很大的经济效益和社会效益。