引言我国作为世界上最大的陶瓷生产和消费国，陶瓷产量约占世界总产量的60%以上[1]。随着陶瓷生产技术水平的提高，能源消费总量和消费品种发生较大变化，陶瓷窑炉发展经历了从倒焰窑到隧道窑再到辊道窑的过程，燃料也从烧煤到烧油再到烧气的过程，能耗从20世纪80年代占生产成本的40%~50%，降低到现在的30%左右，能源利用率从不到20％提高到30%以上[2]。陶瓷行业每年消耗能源约6 000万吨标准煤，二氧化碳排放量约1.8亿t。陶瓷窑炉高速发展的同时，消耗了大量的资源和能源，产生了大量的温室气体。在碳达峰碳中和背景下，节能降碳是企业实现低碳化发展的关键环节，直接决定企业能否实现可持续化发展。因此，企业需构建长效节能机制，通过技术节能和管理节能，提高能源利用效率，从而能更好地开展节能工作。陶瓷企业所有生产环节中，烧成工序能耗占比最大，约占总能耗的61%以上[3]。作为最为重要的热工设备，陶瓷窑炉一直是陶瓷行业节能减排工作重点[4-5]。基于陶瓷行业实现碳达峰碳中和战略目标，应实现窑炉的清洁能源替代。提出了一种陶瓷辊道窑炉专用氢气燃烧系统及工艺，为企业开展陶瓷窑炉节能改造及绿色低碳、可持续化发展实现转型升级提供参考。1现状分析在双碳战略目标的推动下，陶瓷企业煤改气范围及进程持续扩大，天然气需求企业数量进一步上升，目前全国各地陆续给出了陶瓷行业煤改气期限[6]。陶瓷企业将面临天然气供气不足、价格不稳定并逐渐走高、断气限气等系列问题。陶瓷行业的天然气使用仍存在不同程度的争议，建筑卫生陶瓷行业占全国GDP的1%，却要消耗全国30%的天然气资源，不符合国情，从侧面说明天然气是碳中和的过渡能源，煤改气仅是过渡措施[7]。替代煤炭和天然气，成为陶瓷窑炉碳中和目标实现的能源主力军是氢能和承接可再生能源的电力[8]。另外，陶瓷窑炉采用天然气做燃料，由于其热值较高导致极易发生燃烧温度过高和氮氧化物排放量过高等污染问题，亟待解决[9]。陶瓷窑炉的余热未被充分利用，陶瓷窑炉的能耗居高不下[10-11]。陶瓷行业普遍认为，碳达峰碳中和与煤改气一样，是关乎陶瓷行业生存的又一重大共同命题。煤改气相当于中间过程，碳达峰碳中和则相当于最终结果，企业如果没办法交出满意的结果，就只能面临淘汰。为了实现碳达峰碳中和战略目标，窑炉需要使用清洁能源。解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放行业难题比较好的一种办法是联合使用氢能和电能。利用电能电解陶瓷窑炉废汽余热产生的高温蒸汽制取氢气和氧气，将产生的氢气和氧气输送到陶瓷窑炉富氧燃烧，形成闭式循环实现零污染排放。因此，氢能作为终极清洁能源，将氢能成功应用于陶瓷窑炉成为解决问题的关键所在。2氢气燃料燃烧系统节能设计基于传统陶瓷窑炉燃烧系统节能角度，提出一种陶瓷窑炉专用氢气燃烧系统及工艺，主要包括陶瓷窑炉及燃烧系统、水供应与处理单元、热交换器、电解水蒸气制氢制氧单元。陶瓷窑炉氢气燃烧系统及工艺结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.014.F001图1陶瓷窑炉氢气燃烧系统及工艺结构陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统中，陶瓷窑炉100包括冷却段、燃烧段以及预热段；系统主要包括水供应与处理单元、热交换器、高温电解水蒸气制氢制氧单元。其中，高温电解水蒸气制氢制氧单元中水蒸气源自水供应与处理单元产生的洁净水，经过热交换器Ⅰ和热交换器Ⅱ加热后产生；该热交换器Ⅱ的热源源自陶瓷窑炉预热段废汽，热交换器Ⅰ的热源源自预热段废汽和冷却段废汽，预热段废汽和冷却段废汽冷凝后的水再次进入水供应与处理单元循环利用，可以实现陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100%回收，实现排烟废汽热损失为0；天然气燃烧产生的热风干燥带走陶瓷制品的水蒸气后，形成的排烟废气（普遍高于200 ℃以上）含有大量的水蒸气潜热及热空气显热难以回收直接排放。干燥陶瓷制品后的过热蒸汽废汽经过梯次利用，采用冷凝换热回收其潜热，用于加热通过水供应与处理单元2产生的水形成高温水蒸气，冷凝水经过水供应与处理单元后重新利用，无须对外排放。过热蒸汽干燥余热的回收利用非常彻底，热效率更高，同时废汽热损失几乎为0。电解水蒸气制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气分别经过氢气纯化器和氧气纯化器进行深度吸附干燥处理，获取高纯氢气和氧气，氢气纯化器和氧气纯化器是用不锈钢板卷成管状焊接，内部分别装有脱氧分子筛和脱氢分子筛；纯化处理后的氢气和氧气分别进入氢气缓冲罐和氧气缓冲罐，通过缓冲罐缓解氢气和氧气输送压力波动，使系统工作压力更为平稳，最后进入氢气总管和氧气总管，在该氢气总管和氧气总管中分别设置有若干氢气支管和氧气支管，一氢气支管和一氧气支管连接至一预混器（陶瓷窑炉一般有20多个燃烧区）。每个区集中安装一个预混器，使氢气和氧气在预混器内按富氧燃烧要求比例充分混合，能达到最佳的富氧燃烧和预混燃烧效果，产生1 500 ℃及以上的过热蒸汽；混合后通过阻火器再引入至陶瓷窑炉燃烧段内的气体烧嘴。在该氢气支管和氧气支管中均安装有简易测量装置的电动风门，可以精确调节流量，精确控制氢氧比保持不变。此外，氢气和氧气采用全自动连锁控制，根据窑炉温度自动调节氢气和氧气气体流量，维持炉温恒定。同时，在预混器和烧嘴相连接的管路中装有电磁阀和阻火器，在燃烧区温度达到上限值可以随时切断氢气和氧气混合物进入窑炉的通道，做到氢气和氧气同时关停，可以长时间保持炉窑温度，节省燃料。此外，氢气总管和外供氢耦合单元相连接，以在电能不足或电解氢气不足的情况下，通过外供氢耦合单元补给；该氧气总管和外供氧/空气耦合单元相连接，以在电能不足或电解氧气不足的情况下，通过外供氧/空气耦合单元补给。3节能效益分析陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统及工艺主要包括陶瓷窑炉、水供应与处理单元、热交换器、电解水蒸气制氢制氧单元。电解水蒸气制氢制氧单元中水蒸气主要源自水供应与处理单元所产生的洁净水经过热交换器Ⅰ和热交换器Ⅱ加热后产生；热交换器Ⅱ的热源源自陶瓷窑炉预热段废汽，热交换器Ⅰ的热源源自预热段废汽和冷却段废汽，预热段废气和冷却段废气冷凝后的水再次进入水供应与处理单元循环利用；电解水蒸气制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气混合后在陶瓷窑炉燃烧段中进行燃烧。与现有的技术相比，具有如下技术优势：（1）过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品，过热蒸汽干燥传热传质效率高，过热蒸汽干燥传热系数为200~500 W/(m2·K)，天然气燃烧产生的热风干燥传热系数仅为20~50 W/(m2·K)；蒸汽具有较高的比热容，是热空气的2倍，过热蒸气干燥能提供较大的热流密度，传热效果更加显著；在陶瓷制品整个干燥过程中，几乎仅有液态水及水蒸气分子存在，基于汽液传质双膜理论，由于采用过热蒸汽干燥，从陶瓷制品表面移去水蒸气的阻力可以忽略，过热蒸汽干燥无气膜传质阻力。可见，陶瓷制品水分从表面蒸发移动是通过以液流的压力差产生的体积流动动力来推动，相比于天然气燃烧热风干燥以通过质的扩散来推动，传质效果更加显著，陶瓷制品干燥速率显著提升。过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品节能效果显著，单位能耗仅为热风干燥能耗的1/3~1/5。（2）富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合，燃烧利用效率更高；利用电能电解陶瓷窑炉废汽余热产生的高温蒸汽制取氢气和氧气，通过氢气总管和氧气总管输送，在预混器内按比例充分混合后再进入喷嘴。由于氧气含量高，通过富氧燃烧能源综合利用效率非常高；另外预混燃烧热效率远高于扩散燃烧，可以进一步降低能源消耗量。（3）陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，实现余热100%回收，排烟废汽热损失为0；天然气燃烧产生的热风干燥带走陶瓷制品的水蒸气后，形成的排烟废气（普遍高于200 ℃以上）含有大量的水蒸气潜热及热空气显热难以回收直接排放。干燥陶瓷制品后的过热蒸汽废汽经过梯次利用，采用冷凝换热回收其潜热，用于加热通过水供应与处理单元产生的水形成高温水蒸气，冷凝水经过水供应与处理单元后重新利用，无须对外排放。过热蒸汽干燥余热的回收利用彻底，热效率更高，废汽热损失几乎为0。（4）氢气和氧气按比例定量计量及自动连锁控制；预混器的氢气和氧气管路上均安装有简易测量装置的电动风门，用于精确调节流量，确保氢氧比保持不变。氢气和氧气采用全自动连锁控制，做到氢气关停，氧气也关停，可以长时间保持炉窑温度，节省大量燃料。同时根据窑炉温度自动调节氢气和氧气流量，维持炉温恒定；窑炉温度高于规定值时，减少氢气和氧气流量供应，窑炉温度低于规定值时，增加氢气和氧气流量供应。（5）电能电解高温水蒸气，电解效率更高，所需电能越少；陶瓷窑炉余热梯级利用加热水供应与处理单元产生的水形成的水蒸气，温度越高，电解时所需电能越少。通过陶瓷窑炉余热梯级利用，有利于产生温度更高的水蒸气，电解水蒸气时所需电能就越少。（6）陶瓷窑炉结合氢能利用，闭式循环实现零污染排放。陶瓷窑炉与氢能燃烧系统结合应用于陶瓷制品干燥，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放，解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放难题。有利于陶瓷行业转型升级，实现陶瓷行业碳达峰碳中和目标。4结语文中提出一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统及工艺，采用陶瓷窑炉多级余热回收利用技术和电解水蒸气制氢制氧技术相耦合，集预混燃烧技术和富氧燃烧技术、氢气和氧气按比例定量计量及自动连锁控制技术于一体。即将陶瓷窑炉冷却段和预热段排出的高温余热用于水蒸气的制备，通过电解水蒸气制取氢气和氧气；采用预混燃烧技术，氢气和氧气流量精确调节保持空燃比不变，在陶瓷窑炉燃烧段中进行富氧燃烧，产生过热蒸汽用于陶瓷制品干燥；同时，采用自动连锁控制技术做到氢气和氧气关停保持一致。氢能作为终极清洁能源，在陶瓷窑炉的利用可以解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放问题，在陶瓷行业全面推广将会产生的显著的经济效益和环保效益。