引言陶瓷行业是我国国民经济的重要组成部分，我国陶瓷生产和消费量一直保持世界领先地位，陶瓷产量占全球总产量的60%以上，为我国国民经济发展贡献了重要力量。据不完全统计，当前陶瓷行业每年的能源消耗总量为4 000万~6 000万吨标准煤，二氧化碳每年直接和间接排放总量为1.3亿~1.8亿t[1]。陶瓷行业高速发展的同时，会消耗巨大的能源并产生大量的温室气体。陶瓷行业作为我国节能减排的重要组成部分，正处于转型期，绿色低碳、可持续发展成为其发展的主要方向，节能减排是企业实现低碳发展的关键环节，也是企业绿色低碳转型的重要手段。作为陶瓷生产的关键设备，陶瓷辊道窑炉是陶瓷行业节能减排工作重点[2]。燃烧系统作为陶瓷辊道窑炉的核心系统，其节能改造或技术升级是陶瓷窑炉发展的必然趋势[3-4]。随着天然气燃料的广泛使用，陶瓷辊道窑炉普遍采用扩散燃烧技术，但天然气边混合边燃烧存在燃烧不充分、冒黑烟等现象，通过提高过剩空气系数、增加空气量等方法使燃气燃烧完全，导致燃烧效率低、能源浪费严重[5]。天然气成本较高，导致能耗成本较高[6]。随着国内能源紧缺，天然气价格不断上升，陶瓷辊道窑炉寻求替代燃料低成本运行显得更为迫切与重要。因此，提出陶瓷辊道窑炉用生物质燃烧系统及工艺，为陶瓷辊道窑炉节能改造及低成本运行提供参考。1燃烧系统现状分析在碳达峰碳中和背景下及双碳战略目标的推动下，我国能源发展进入增量替代和存量替代并存的发展阶段，天然气利用规模不断扩大。目前大多数陶瓷辊道窑炉燃烧系统采用天然气作为燃料。天然气热值高、环保性好，获得了广泛应用。但随着天然气供应紧张，陶瓷企业将面临气源不足、生产成本高等问题。天然气价格较高，造成陶瓷辊道窑炉运行成本较高。陶瓷行业在全国GDP中占据1%的份额，但却消耗了全国30%的天然气资源，表明陶瓷行业必须寻求更加经济高效的替代燃料，以满足其发展需求。天然气燃料热值较高，在窑炉内时常发生燃烧温度过高、氮氧化物排放量过多等现象。另外，陶瓷窑炉的余热利用品位较低，通过利用排出的烟气和热空气烘干砖胚，无法完全利用剩余热量，大量余热通过烘干窑的烟囱排入大气。陶瓷辊道窑炉的余热也未被充分利用，导致能耗居高不下。通过采用生物质燃气可以较好地解决能源消耗问题，利用生物质气化炉将生物质废料气化为生物质燃气，生物质燃气价格远低于天然气，可以有效降低陶瓷辊道窑炉的运行成本。生物质能是一种可持续发展的清洁能源，其气化技术是一种生物质热化学转换技术，通过热化学裂解将固态生物质转化为气体燃料，具有高效率、环境友好、设备简单、投资少、易操作等优点。因此，将生物质热化学转换技术应用于陶瓷行业，可以为陶瓷企业提供清洁能源，推动绿色低碳发展，实现可持续发展。但生物质燃气的热值较低，氮氧化物生成量较少，难以满足陶瓷产品的烧结要求。因此，将生物质气化技术成功应用于陶瓷辊道窑炉成为解决问题的关键。2燃烧系统节能方法及设计2.1燃烧系统节能方法基于传统陶瓷窑炉燃烧系统节能角度出发，采用陶瓷辊道窑炉排出的高温低氧烟气和热空气作为生物质气化炉的气化剂，气化后的生物质燃气、气态戊烷与回收的窑炉热空气预混后送至窑炉燃烧，在提高生物质气化炉气化效率的同时降低了窑炉氮氧化物的排放浓度；利用陶瓷辊道窑炉排出的高温烟气余热，加热液态戊烷和生物质燃气，使液态戊烷气化成气态戊烷后在燃气总管中和生物质燃气均匀混合。戊烷热值较高，生物质燃气热值较低，两者混合后有效提高了燃料气的热值，基本达到天然气的热值。2.2燃烧系统节能设计陶瓷辊道窑炉用生物质燃烧系统结构如图1所示。陶瓷辊道窑炉用生物质燃烧系统由辊道窑炉、生物质燃气化炉、戊烷气化装置和燃料总管组成，其中，生物质燃气化炉设有进料口、第一进气口、第二进气口和出气口，进料口用于投入生物质废料，出气口经过换热器连接至燃料总管，戊烷气化装置连接至燃料总管；辊道窑炉设有预热段、燃烧段和冷却段，其中，燃料总管与燃烧段连接，并在连接管道上安装有预混器，从冷却段排出的气体经过预混器处理后，与燃料总管输送的生物质燃气和气态戊烷混合，并通过多个气体烧嘴分散供给燃烧段。此外，预热段排出的烟气部分用于给换热器提供热源，部分用于将戊烷气化装置的液态戊烷气化，还有部分输送至第一进气口。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.015.F001图1陶瓷辊道窑炉用生物质燃烧系统结构3节能实施及效益分析3.1节能实施生物质气化炉由上部进入生物质废料，下部进入窑炉预热段排出450 ℃的高温低氧烟气和冷却段排出的260 ℃高温空气，气化炉出口处的生物质燃气可达200 ℃，温度高，气化效率极大提高。产生的低热值生物质燃气由气化炉上部抽出，进入布置在窑炉上方的换热器，与窑炉排出的450 ℃高温烟气换热，成为超过350 ℃的生物质燃气，进入燃料总管，放热后的烟气温度下降至200 ℃，排入烟囱。同时，另一部分高温烟气进入液态戊烷加热器，利用烟气余热将液态戊烷气化，放热后的烟气温度下降至140 ℃，排入烟囱，气化后的气态戊烷也进入燃料总管，与生物质燃气均匀混合形成高热值的气体燃料，因为戊烷的热值远高于天然气，因此混合气体的热值与天然气接近。为了提高燃烧效率，采用陶瓷辊道窑炉冷却段排出的260 ℃的热空气作为助燃空气，并采用预混燃烧方式。陶瓷辊道窑炉一般有20多个燃烧区，每个区集中安装1个预混器。首先使经过预热的高温燃料气和热空气在预混器中充分混合，再分配到窑炉两侧的气体总分配管，最后引入总分配管上的每个气体烧嘴。预混器的燃料气和热空气管路上均安装有测量装置的电动风门，可以精确调节流量。不论进入烧嘴的流量如何，其空燃比保持不变，杜绝缺氧和富氧现象。另外，燃料气与助燃空气自动连锁控制，窑炉内温度波动时，通过自动调节燃料气体流量实现炉温恒定。此外，预混器和烧嘴分配管之间装有电磁阀，燃烧区温度达到上限值时可以随时切断燃料气和热空气混合物进入窑炉的通道，做到燃料气关停，助燃风关停，长时间保持炉窑温度稳定。3.2节能效益分析利用陶瓷辊道窑炉排出的部分450 ℃烟气余热，将常温下的戊烷液体气化成为气态戊烷，再和生物质燃气充分混合后形成混合燃气。戊烷的热值远高于天然气，很大程度上弥补了生物质燃气热值不高的缺陷，使混合燃气的热值和天然气一致，实现不更换现有天然气烧嘴即可使用生物质燃气的目标，无须长时间停炉并降低了改造费用；此外，戊烷气化采用电加热器，运行费用昂贵。利用陶瓷辊道窑炉排出的部分烟气余热加热戊烷液体，使其气化为戊烷蒸汽，可以节约大量电能，但前提是此技术必须应用在陶瓷辊道窑炉，才能免费利用陶瓷辊道窑炉排出的450 ℃的烟气余热。加热温度太高会造成加热管附近的戊烷液体发生碳化结焦现象；加热温度太低会造成单位时间内产生的戊烷蒸汽数量过少，难以满足陶瓷窑炉大规模的生产要求。陶瓷窑炉上需要使用多达几百只天然气烧嘴，戊烷气化后和生物质燃气形成的混合气体的热值可以达到天然气的热值，不需要更换烧嘴，整个陶瓷窑炉的燃烧管路系统无须更换，因为陶瓷窑炉不可能在运行过程中长期停炉以进行燃料烧嘴及管路的更换，陶瓷窑炉每年一般在春节前后会停炉20天左右进行检修，平时无法进行长期停炉改造。无须更换燃烧管路系统是能保证廉价的生物质燃气在陶瓷窑炉上获得成功应用的前提。陶瓷窑炉目前的余热利用品位很低，仅将排出的高温烟气和热空气用去烘干砖胚，热量无法被全部利用，大量的余热通过烘干窑的烟囱排入大气。本技术采用能量梯级利用的方式，余热除了陶瓷窑炉本身利用之外，将多余的热量输送给生物质气化炉作为热源。450 ℃的高温烟气和260 ℃的热空气均送入生物质气化炉作为气化剂，可以极大地提高气化炉的气化效率。根据现场测试数据，气化效率可以达到70%以上，而普通生物质气化炉的气化效率只有60%左右。气化剂采用高温烟气和热空气，导致生物质气化炉出口的燃气温度高达200 ℃，间接起到了预热的作用，降低了陶瓷窑炉的能耗。通过陶瓷窑炉450 ℃的排烟，将生物质燃气加热至350 ℃以上，进一步降低了陶瓷窑炉的能耗。利用450 ℃的烟气温度加热生物质燃气比较适宜。因为本技术采用预混燃烧方式，烟气温度过高会导致生物质燃气被加热到500~600 ℃，可能在预混器中发生着火现象，而450 ℃的烟气是陶瓷窑炉固有的特点，只能将生物质燃气加热到350 ℃。因此，只有在陶瓷窑炉上才能采用燃气和助燃空气双预热的预混燃烧方式。本技术安装了生物质气化炉，可以将陶瓷窑炉大量余热供给生物质气化炉使用，提高气化效率。戊烷气化需要大量的热量，可以进一步利用陶瓷窑炉余热。另外，生物质燃气热值较低，必须进行预先加热，进一步利用陶瓷窑炉的余热，因此能源利用效率大幅度提升。而原有的陶瓷窑炉由于没有安装生物质气化炉，没有使用生物质燃气，也没有使用戊烷，使得大量的余热无法利用，浪费严重。4结语基于陶瓷辊道的窑炉燃烧系统采用天然气作为燃料，运行成本高，余热未被充分利用，导致陶瓷辊道窑炉能耗居高不下，提出一种陶瓷辊道窑炉专用生物质燃烧系统，采用陶瓷辊道窑炉多级余热回收利用技术和生物质气化技术相耦合，同时集预混燃烧技术、燃料气和助燃风自动连锁控制技术于一体。陶瓷辊道窑炉冷却段排出的热空气作为生物质气化炉的气化剂、陶瓷辊道窑炉燃烧系统的助燃空气；预热段排出的高温烟气作为生物质气化炉的气化剂、预热生物质燃气、气化戊烷；采用预混燃烧技术，燃料气和助燃风流量精确调节保持空燃比不变；采用燃料气和助燃风自动连锁控制技术做到燃料气和助燃风关停保持一致。可见，在陶瓷行业推广应用将带来巨大的经济效益和环保效益。