陶瓷生产中的氧化锆应用
中国是陶瓷和瓷器生产大国,全国有上千家陶瓷生产企业.但在炉窑的烧结过程中控制好氧量,是提高陶瓷产品质量,节省能源，减少污染的最佳方法。由于要真实检测到炉窑内的氧量。是一个较难解决的技术问题,由于炉内温度高，普通的测氧设备无法长期在高温下测，只能临时采用的定时抽气方法来检测炉窑内的氧量,但这种方法不能真实反映出炉内的氧量，所以用直插式的方法是真正能检测到炉窑氧量的方法。众所周知，陶瓷生产的炉窑是一个高能耗，高污染排放的生产企业.目前随着中国政府加大了对能耗和污染的大力控制.节能和减少环境污染将是一个现代化企业生存的基本条件和要求。
一． 陶瓷生产中的能耗损失
随着中国市场的电煤价和环保意识不断提高，保护环境和节约能源已经成为产品市场竞争最重要的有效方法.对许多陶瓷生产企业来说，燃烧效率是个十分令人关心的问题,以下就有效节能的方法提出一些行之有效的方法供参考。
燃烧是由碳氢化合物与氧结合在一定条件下发生的化学反应,并同时产生热能其反应式：
CH4+ 2O2 ——→ CO2+ 2H2O
所有的燃烧装置无论锅炉还是熔炉都是通过燃烧把燃料转换成热能。一般情况下炉内的氧气都从环境空气中取得，但空气中只有20.6% 氧 O22 和79.4%的 氮 N2当燃料中含有硫的成分以及空气中氮的成分会由于炉内的温度很高时硫和氮就会与氧结合而会产生污染有害的酸性气体 SOX 和 NOX。这些有害酸性气体会通过烟道排放到空中对周围环境产生极大的污染.另外燃烧时必须通过烟囱排放燃烧时所产生的废气,通常烟气内有大量的热能存在(一般情况下大概有13%~20%燃烧时产生的热能在排放废烟气时被白白的损耗掉)目前全世界都通过各种有效的手段和方法来提高燃烧效率.目前提高燃烧效率最简单和省费用的方法就是使用连续监测和控制烟道气内氧气 O2% 的含量.所谓提高燃烧效率,就是让适量的燃料和空气中的氧气组成最佳的比例进行燃烧.因为空气中有79%的氮气,这些氮气并不参加于燃烧,但在燃烧的过程中被加热,也就在燃烧的过程中是吸取了大量能量后,再从烟道中被排出.换句话讲100%的空气中只有20.6%的氧气是有用的,而79.4%的氮气从环境温度(比如在夏天40度)被加热到1200度左右后从烟道中排出.尽管可采用一定的方式,例如用在烟道中的空气预热器来加热进入炉膛内的空气,但回收被损耗的热能有限.因为空气中只有1/5有用氧气参与燃烧其能量的损耗是不可避免的,但控制的好,就可以把损耗减低到最低的程度.如果能在保证燃料在充分燃烧的情况下最大程度的减少空气的输入量,则这种形式的损耗将减至最低.有一点很重要空气量的减少是必须保证充分燃烧的前提下,否则由于燃料未充分燃烧时的能量损失也是很可观的.并且不充分的燃烧时所产生的一氧化碳是相当危险的.综上所述减少不必要的损耗,提高燃烧时效率的关键在于如何使空气和燃料的配合达到最佳状态,即不浪费更多的燃料,也不在加热更多的空气再白白放掉.如何才能做到这一点呢?由于在烟气中含有氧的气份,所以一个最直接的方法是利用相关的仪器监测烟道中能量损失的情况,并适当调整燃烧时燃料与氧气的燃烧比例使能耗降至最低。
二． 炉窑中的空燃比的正确应用
A：在讨论如何找到空燃比的方法前,先看一下国内大部分发炉窑的实际情况,按理说各个使用炉窑的厂家都希望在机组调试时找出燃烧时最佳空燃比(点)并以此为标准来控制燃烧时的氧含量.但目前基本上是按照上级的有关规定和经验在操作.在陶瓷生产中炉深200米炉窑来说，要根据产品生产的要求在整个炉内分段燃烧但由于各燃烧处的风门控制比例不同各运行状态也不同,当风机,燃烧器的老化, 炉窑的不密封以及人为的各种因素都无法综合考虑,比如说:由于炉窑的不密封环境中20.6%的氧就可能进入炉窑中,使炉内氧含量大大高于燃烧时所需的氧量而造成不必要的燃料浪费。
B:目前很多炉窑厂家只在每个烟道中用一只氧化锆探头来测量烟道中的氧含量,如果只用一个1个氧化锆探头来监控整个炉窑内的氧含量因为大型的炉窑分不同的阶段对进行燃烧很难准确测定整个烟道内的氧含量。
C:由于烟气是一团团不均匀的气体.根据在炉窑四周围各有关的点测量的数据来看整个炉窑中一般烟气中的氧含量在不同处有1%-1.5%不均匀性。
D:通常一般的氧化锆探头的不适用于在高温环境使用(在高温时很容易损坏)要求在安装位置烟道内的温度低于500度.但由于大型炉窑的分段为有效的监控,最好是能在各燃烧处有氧监控这样必须要用能耐高温的氧探头。
E:按燃烧时的方程式和炉窑内会有高温水蒸气.这样会使烟道内的氧含量低于实际氧含量.比如烟道内有25%水蒸气存在时,烟道内的湿氧3%在脱水后会显示4%干氧值.因为在测试燃烧时最佳空燃比点时一般是用相关的测试仪把烟气从烟道中抽出后再分析的,所以这时得到的氧是干氧而不是烟道内的湿氧必须清楚烟道内的湿氧值与实际上的干氧值是不同的概念。
F:过去炉窑使用厂家一般不用或用国产化的氧化锆探头相对测量精度比较差,可靠性也不高,所以很多炉窑厂家只把氧含量作为燃烧时的参考数据.至从国外的氧化锆探头被普遍引进后,其测量精度,速度和可靠性有很大的提高。
G:为保证安全和避免熄火一般炉窑都用上偏差或人为提高控制的氧量比.由于以上种种原因许多厂家只把烟道内的氧含量作为一个参考数据,而凭经验运行,这是目前利用烟道参数进行调节现状的一般情况.许多其它的行业由于条件的限制,情况更糟.要提高燃烧效率首先要解决以上的问题.参考国外有关的方法(一般在发达国家非常重视节能与环保)首先要根据不同的锅炉情况找出燃料与空气的最佳燃烧比例(点),而不能在所有的锅炉燃烧时用个统一的控制标准,并根据不同的煤种与燃烧条件得到一个比较可靠的数据。
如何才能找到最佳燃烧点是节省能耗的关键.一般是通过同时测量燃烧时所产生的一氧化碳含量CO%,二氧化碳含量CO2% 和氧含量 O2% 的值来确定最佳燃烧点.其基本原理:当燃烧不充分时会有一氧化碳产生,同时燃烧时燃料中的碳元素会与氧结合产生二氧化碳,当在同时测量燃烧后烟气中的一氧化碳含量CO%,二氧化碳含量 CO2% 和氧含量 O2% 的值时,会发现随着燃烧后烟气中氧含量的增加,烟气中的一氧化碳含量CO%,会相应的减少,同时二氧化碳含量 CO2% 会相应的增加,在到达某个点时当氧含量的增加而一氧化碳含量 CO% 和二氧化碳含量 CO2% 减少与增加保持平衡时,应该就是某种燃料的最佳燃烧点的氧含量值,当然在测量时要寻找不同的相关点进行测量.因为在不同的负载时由于炉内的燃烧条件不同温度也不同,也会有不同的最佳燃烧点.一般来讲大火时(负载高时)炉内的燃烧温度高容易燃烧和煤的质量好时所需的氧含量比较低, 而小火时(负载低时)炉内燃烧温度低和煤的质量差时所需的氧含量相对比较高.另外从安全角度考虑一般控制燃烧时的氧含量会比最佳点要稍大些.由于燃烧时反应是在炉内而测量却在烟道中有一定的距离和会有漏风情况存在这也会使测量产生偏差.总之这是一项非常具体和细致的工作,需按一定的规程操作.按照理论计算和实际测量的结果.一般情况下如能减烧燃烧后烟气中的氧含量1%即可节能耗0.75%,同时可提高燃烧效率和减少进风机,出风机,磨煤机等消耗,如果能准确测定烟气中的氧含量在保证燃烧的条件下,如能尽大可能地降低烟道内氧含量,在大型的炉窑,每年可收益上百万,同时由于氧含量的减低,也减少了酸性气体的排放量和由于酸性气体对锅炉内金属件损耗,综合性的效益是无法计算的。
这也是为什么国外特别重视燃烧时氧含量的测定.在澳大利亚一般小型的炉窑都安装1到2只氧化锆探头,大型炉窑都安装4只~8只氧化锆探头,这样在减低烟道内的氧含量在节能的同时也大量减少了燃烧时对环境的污染一台大型炉窑所产生的污染气体等于几万辆汽车所排放的废气污染,同时也延长了炉窑的使用寿命.由于只是增加几只探头和氧气分析仪相对投资费用很低.因此其投资的费用与得到的回报相比较其效益是巨大和明显的。
三． 目前国内陶瓷生产炉窑和国外炉窑在氧化锆使用上的对比
目前在中国国产的陶瓷炉窑使用氧化锆来控制烧结过程中氧化比的很少，一般都是用热电偶来观察炉内的温度，操作人员再凭经验来控制进气量。根本上没有一个科学参数来说明炉内的个气份含量和比例，有的生产企业为了提高生产量，采取增大煤气量和风机量，使炉内的温度提高缩短烧结时间。这从表面上看好像是提高了产量，但实际上是在增加成本和大量浪费能源。因为每一种燃料的燃烧值和热能量是有限的，不会因为加大煤气量而提高燃烧值。就如天然气的热能量高于煤气的热能量的道理一样，不可能人为可加大某种燃料的热能。只有用科学的方法，控制好某种燃料来达到燃料燃烧时最佳热能点。
而国外进口的陶瓷炉中都已普遍安装了氧化锆，在炉子的升温区，烧结区，降温区和烟道上都安装了氧化锆探头，其目的就是达到能在各区域时刻检测到炉内的氧含量，有的放矢的控制好产品质量和降低加工成本。随着中国经济的发展和国外技术的引进，目前在国内的潍坊一些企业和江西景德镇陶瓷研究所下的企业，都已使用了氧化锆，但这些企业都是成套进口国外的陶瓷炉窑生产流水线。
四． 中国陶瓷产品在国际市场上的竞争地位
中国是陶瓷产品的发源地，几千年来中国陶瓷在国际上有着很高的声誉。但在近代民用陶瓷和工业陶瓷在国际市场上的竞争已明显落后欧洲国家，在价格上，在产品的层次上显示出很大的差距。问题的关键在于没有一个合理的科学工艺，一个较完善的烧结控制流程，一个先进的仪器检测手段。实际上氧原素在陶瓷烧结过程中，有着很重要的因素，陶瓷烧结中的还原性就于氧有关，氧含量的不同对陶瓷还原后的颜色和质量都会产生不同的效果，所以只有有效地利用好氧分子，科学合理控制好在烧结过程中的氧分子，是真正解决陶瓷产品的根源。现在国内陶瓷企业的一些有识之士，已认识到陶瓷生产中氧的重要性，利用科学手段来控制烧结过程中的氧量。所以目前只要与燃烧有关的企业，都已认识到了氧的重要性，都用一些科学的手段来合理控制好氧含量，这就需要用精度高，在各种温度和条件下都能正确反映氧含量的高品质的氧化锆。为了使我国的陶瓷产品质量在国际市场上提高更高的档次，立足于不败之地，必需改变落后的生产流程和方法，用科学的手段来改变落后的现状。
综上所述为提高燃烧效益提高产品质量可从以下几个方面改进.为能尽快得到测量数据和从方便安全角度考虑，也可选2台在同类炉窑做一对比试验.可先选择一台炉窑按要求进行改造。
1．首先必须选择测量精度高,速度快,性能可靠的氧化锆探头与仪器。
2．在烟道和炉窑内至少各安装1只氧化锆探头和两台氧气分析仪。
3．在准确测定烟道内氧含量的同时逐步降低燃烧后烟道内的氧含量,同时观测烟道内一氧化碳含量 CO%，二氧化碳含量 CO2% 和氧含量 O2% 的值变化情况, 一氧化碳和二氧化碳含量值的测定可采用定时间隔抽气测量的方式进行(因为氧化碳和二氧化碳含量的烟道在线测量仪价格较贵。
4．在降低燃烧后烟气内的氧含量时,观测2台炉窑同一点烟道内的温度变化,一般讲氧含量降低后烟道内的温度也会相应的减低(这显示有节能效果)
5．尽量保证两台炉窑的状况相似,比较在不同氧含量情况下燃烧耗煤情况,可连续观察1-2个月。
6．比较一下炉内的湿氧与抽出后测量干氧的值,可把氧化锆探头的校正口打开后从该点抽出烟气测量一般会发现抽出测量的氧量值会高于烟道内的氧含量值。
7．有可能的话尽量在炉窑多安装几只.耐高温的氧化锆探头和控制各燃烧处的氧含量来减少测量上的误差。
8．建议在安全燃烧的同时,每次降低0.25-0.5%燃烧后烟道内的氧含量值,并记录烟气内的湿氧与干氧值的比例,同时记录所有的2台炉窑比较数据。