苑卫军，郭健，陈玲
（唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063020）
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摘要：通过对耐火材料煅烧（烧成）过程热耗现状的分析，指出了耐火材料行业的节能降耗，应该从能耗较大的煅烧（烧成）环节出发，从燃料的选择及炉窑燃烧技术的改进着手，并对包括环保节能型洁净发生炉冷煤气、富氧发生炉煤气在内的相关燃料应用进行了扼要的分析，对炉窑富氧燃烧、蓄热式燃烧技术进行了简要介绍，并提出了燃烧新技术在耐火材料行业推广应用应注意的相关事项。
关键词：耐火材料；煅烧（烧成）；发生炉煤气；富氧燃烧；蓄热式燃烧；热耗；节能
1. 前言：
近年来，在钢铁、石化以及建材等相关行业的迅猛发展和技术进步的促动下，中国的耐火材料行业呈现出强劲的发展形势，耐火材料产量已多年居世界第一，耐火材料的出口量也在逐年增加，2006年中国耐火原料产量约为4000万吨，耐火制品约为3000万吨，占世界产量的60%以上，每年出口耐火材料在500万吨以上。但中国的耐火材料产业就其整体的技术水平和产品结构而言，与国际先进水平相比还存在相当大的差距，截止2005年，国内耐火材料企业已近两千家，大量的中小企业都存在生产工艺和技术装备落后、产品质量稳定性差、单位产值能耗高等问题，限制了行业的整体水平的提高。
炉窑热效率偏低，单位产值能耗高，一直是制约耐火材料行业健康发展的瓶颈，在耐火材料的生产过程中，原料煅烧和制品烧成是主要耗能环节，仅燃料一项所占能耗比重就在80%以上【1】，重点着手对产品煅烧（烧成）过程的工艺过程及设备进行改造升级，有利于大幅度降低系统能耗，有效提高产品的市场竞争力。
2. 耐火材料煅烧（烧成）过程热耗现状
在中国的耐火材料行业，普遍存在炉窑装备水平低，燃烧效率低，余热利用率低，系统热效率低等“四低”问题，节能降耗潜力巨大，其炉窑平均能效比国外先进水平低10%-20%，中国耐材行业热工炉窑煅烧耐火原料的热耗参见表1，烧成耐火制品的热耗参见表2。
表1 煅烧各种耐火原料热耗【1】
表2 烧成各种耐火制品热耗【1】
3. 耐火材料煅烧（烧成）过程的节能降耗措施
3.1燃料的优化选择
3.1.1 燃料应用现状及选择
由于天然气或液化石油气的应用成本过高，而且气源供应不稳定，影响了其在耐火材料行业的应用；而其他冶金煤气如高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等的应用也较少，这主要是因为各大钢铁企业纷纷利用自产冶金煤气建设自备电厂或另作它用，从而影响了冶金煤气对外供应量。目前，耐火材料热工炉窑主要以煤、焦炭和重油等为主要燃料。
2001年前，耐火材料倒烟窑应用数量较多，隧道窑应用较少，各种炉窑多以煤炭为直接燃料，系统热效率低、环境污染严重。在环保政策的重压之下，各耐火材料产业集中区，纷纷拆除能耗较大的倒烟窑，以节能效果较好的隧道窑取而代之，并建设煤气站将煤转化为煤气作为炉窑燃料，有效降低了系统能耗，并取得了良好的环境效益。目前仍有部分倒烟窑和隧道窑以煤为直接燃料，另有少量回转窑以粉煤（焦）为燃料，一些竖窑以焦炭为燃料。
重油一般多用于耐火原料的高温煅烧炉窑，重油的优点是热值较高，易于提高炉窑煅烧温度，但重油经油罐车运入工厂后，需进行卸油、过滤、加热、乳化、加压的处理后才能使用，处理过程复杂，而且一旦雾化不好，燃烧不充分，容易冒黑烟，既浪费能源又污染环境，同时其供应价格受国际石油价格影响较大，价格稳定性较差。
中国的煤炭资源储量远大于石油和天然气，煤炭在中国的能源结构中占据举足轻重的位置。以2000年为例，中国能源构成比例中，煤炭占66.1%，其市场供应与价格受国际因素影响较小，以煤制气为燃料，燃料成本较低而且相对稳定，可以有效控制能耗成本，同时，在燃烧方面，煤气易于着火，燃烧速度快而且充分，火焰气氛和温度分布容易控制，利于窑炉各参数的调节和控制。以中低热值的发生炉煤气替代直接燃煤，以中高热值的富氧发生炉煤气替代重油，有利于耐火材料行业的节能降耗和健康发展。
3.1.2 发生炉煤气的应用
目前，应用发生炉煤气的各耐火材料企业，多采用一段式煤气发生炉生产热脏煤气，煤气含杂质较多，容易堵塞煤气管道和烧嘴，不便于远距离输送，燃烧系统不易实现自动化控制，既限制了规模化生产的集中供气，又制约了产品质量的控制。随着发生炉气化设备及工艺的不断发展，环保节能型两段式冷煤气发生站得以迅速推广，该煤气站对高温煤气显热进行回收利用，降低煤气终冷阶段的能耗，使系统热效率得到有效提高；对煤气冷凝含酚废水进行工艺减量后再利用，节约水资源；回收煤气中的焦油，在净化煤气的同时，提高煤气站副产品的附加值。该煤气站生产的煤气洁净度较高，并且可以根据需要加压后远距离输送，不受建站位置的限制，便于实现产业的规模化和自动化生产，煤气质量参见表3。
表3 煤气质量指标一览表
富氧发生炉煤气，是以含氧量高于21%的富氧空气与水蒸气一起作为煤气发生炉的气化剂，生产的热值较高的“富氧空气-水蒸气”发生炉煤气。采用富氧气化后，发生炉的气化强度和系统热效率均有不同程度的提高，灰渣含碳量得以有效降低，煤气热值提高，富氧发生炉煤气的热值与气化剂中的氧含量相关，氧含量越高煤气热值越高，富氧空气的含氧量由21%变化至27%过程中，煤气热值变化较为明显。杭州和洛阳某两浮法玻璃厂利用系统内生产保护气体的副产氧气，与空气配比为含氧量23-24%的富氧空气作为气化剂，其富氧气化前后的煤气热值变化参见表4。
表4 富氧气化前后煤气热值变化【2】【3】
采用富氧煤气作为燃料，可以有效提高耐火材料的煅烧（烧成）温度，降低煤耗，减少炉窑废气排放量，提高炉窑热效率。富氧可以通过空冷法、膜法或变压吸附等工艺方法生产制得，其建设投资和造气成本以空冷法最高，变压吸附法次之，膜法最低，但总体来说，富氧生产的投资较高，在生产煅烧（烧成）温度要求和产品附加值均较高的耐火材料时，采用富氧发生炉冷煤气为燃料替代重油，生产一般耐火材料时应用洁净的普通发生炉冷煤气较为适宜。
3.2 炉窑燃烧技术的改进
3.2.1 富氧燃烧技术
富氧燃烧是近代燃烧领域的节能技术之一，该技术可以降低燃料燃点、加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少炉窑排烟量、提高热利用率和降低空气过剩系数【4】，综合以上各项，富氧燃烧与普通空气燃烧相比，节能效果显著，试验表明，助燃空气过剩系数为1-1.5组织火焰，富氧空气中富氧浓度为23-27%时，节能效果比较明显，表4为日本富氧燃烧节能效果的试验数据。
表5 助燃富氧空气氧含量与节能效果【4】
中国于20世纪80年代中期，开始对富氧燃烧技术进行研究，并逐步进行了系列试验和推广，例如本溪某玻璃厂曾以含氧量为27-28%的富氧空气在玻璃熔窑上进行富氧燃烧试验，熔化温度比富氧前提高80℃，节油率为14-15%【5】。目前，富氧燃烧技术在玻璃、有色金属冶炼和工业锅炉等领域都有成功应用的案例，取得了较为满意的效果。富氧燃烧技术在耐火材料行业的应用，可以有效降低能源消耗，提高产品质量，降低环境污染，有利于提高耐火产业的综合效益。
3.2.2 蓄热式燃烧技术
蓄热式燃烧技术，属于高温空气燃烧技术的范畴，该技术利用蓄热室回收废烟气余热，实现余热高效回收和助燃空气的高温预热，从而实现热工炉窑的高效、节能燃烧加热，同时减少温室气体及NOx等污染物的排放。蓄热式燃烧技术最早发明于1858年，早期的蓄热体材料采用格子砖，综合传热系数较低，蓄热体体积庞大、换向时间长、预热温度波动比较大，限制了在其他行业炉窑上的推广应用【6】。近年来，新一代的高效蓄热式燃烧技术取得了较大的突破，并在钢铁冶金、有色金属熔炼、玻璃熔化及机械锻造加热等炉窑上得到了广泛的推广应用，节能减排效果明显，取得了较好的经济和环境效益。
高效蓄热式燃烧系统由一对高效蓄热室、一对燃烧器、一组换向阀组和一套自控单元组成。根据燃料种类或热值的不同，分为空气单蓄热与空气-燃料双蓄热两种不同的蓄热方式。对于液体燃料和高热值煤气等，一般采用只对助燃空气进行预热的单蓄热方式，对于含焦油及粉尘等杂质较多的热脏发生炉煤气，为避免煤气预热时堵塞蓄热体，一般也采用空气单蓄热方式；对于清洁的如高炉煤气、转炉煤气或发生炉煤气等低热值煤气，一般采用空气-燃料双蓄热方式。在耐火材料行业采用高效蓄热式燃烧技术，具有以下优点：
（1）炉窑内温度分布均匀，温差较小，可以有效提高耐火产品质量。
（2）可根据工艺要求和炉体形状，灵活确定烧嘴的位置和数量，成对烧嘴可独立换向，也可多对烧嘴分段集中换向，控制比较灵活，便于新炉窑的设计和老炉窑的改造。
（3）采用高效蓄热体实现烟气余热的极限回收，同时，燃料在较高空气预热温度及混合均匀的低氧环境下迅速燃烧，有效减少空气过剩系数，大大减少炉窑的进出流量及排烟损失，提高燃料节约率，节能效果显著，可以有效降低耐火材料煅烧（烧成）过程的能耗。
（4）减少烟气中CO、CO2和其他温室气体的排放，同时使NOx排放量下降到100 mg/m3以下，利于环境保护。
耐火材料行业热工炉窑种类较多，煅烧（烧成）的耐火产品种类也比较复杂，推广应用高效蓄热式燃烧技术，应该由相关专业的设备及工艺人员共同综合分析论证后，逐步试验实施，可以考虑首先在规模较小、便于试验的的梭式窑上进行试验应用。
4. 结束语
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