烧结砖生产线的外燃燃烧

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烧结砖生产线的外燃燃烧
1、前言
我国烧结砖瓦窑炉焙烧的燃料，都是以煤炭或煤矸石、炉渣、粉煤灰等煤系固体燃料（统称煤炭）为主，而且大多是采用内燃焙烧工艺。采用以上燃料无论是使用隧道窑、环形窑、轮窑还是其他窑炉，焙烧所产生的烟气含有各种污染物都非常严重，直接排放不能达到环保部门严格的排放标准。如果对焙烧产生的烟气采取脱硫、脱销、除尘等治理措施，不但投资和运行管理成本很高，而且也很难达到国家清洁生产、绿色环保的要求。特别是国家有关部门提出了今后中国优化能源结构，大幅消减煤炭消费总量，建立世界级清洁、安全、高效的能源供应体系的目标，企业面对政府环境保护部门以改善环境质量为核心、大力推进生态文明建设的持久战略，以及对工业生产大气污染物排放的进一步严加控制等一系列严厉措施，砖瓦企业必须改变现状，实施清洁生产，改进设计、使用清洁燃料、采用先进工艺技术、加强生产科学管理等各项措施，从源头控制、减少或消除生产过程中各种污染物的产生与排放。为此，改换用气体燃料替代煤炭来焙烧砖瓦，是符合国家有关政策重要的可选措施。气体燃料是优质、高效、清洁的燃料，没有灰分，含硫极少，不污染环境是它的最大亮点。使用气体燃料既可减少对空气的污染，又可大大提高产品的烧制质量和产量，是标本兼治的积极措施。在环保部门规定的“禁煤烧砖”、“煤炭消费减量”、“煤炭禁燃”严重污染地区更是无可选择的出路。


使用气体燃料焙烧砖瓦的工艺技术，早已十分成熟与可靠，在欧美许多国家的砖瓦生产线上被普遍采用且安全运行几十年。在我国与砖瓦焙烧工艺比较相近的陶瓷焙烧窑炉上也使用的相当普遍。但是，由于种种非技术方面的原因，我国的砖瓦企业使用气体燃料烧砖的生产线较少，绝大多数是以煤炭或含煤工业废渣为燃料的内燃焙烧方式，而且大多还是一次码烧的窑炉。针对这种以煤炭为主的一次码烧内燃焙烧窑炉改造为气体燃料焙烧的一次码烧外燃焙烧（以下简称煤改气），曾经有不少学者和专家发表文章提出过讨论和建议，解释和解决了一些注意问题。根据笔者的实践经验和实际操作，对相关一些技术、设备、工艺和管理等方面的问题，做一简述：


2、煤改气的基本原则
2.1  遵照气体燃料的性能和燃烧特点
气体燃料的种类很多，常用的有天然气(包括管道天然气、压缩天然气、液化天然气)、液化石油气、瓦斯气、沼气、煤气（包括焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气等）。气体燃料和煤炭等固体燃料的形状、物理性能不同，特别是燃烧特点完全不同；各种不同气体燃料的性能、特点又不一样。使用气体燃料的窑炉、热工原理、工艺制度、操作方法，以及相应配套的装备设施都与使用固体燃料大不一样，必须按照所选用的气体燃料燃烧的特点和要求来改造相应的生产线、焙烧窑炉及热工制度。
2.2  遵照窑炉外燃焙烧的工艺技术特点
气体燃料不可能掺配到制砖原料当中，当然不可能内燃焙烧了。使用气体燃料作为窑炉焙烧的燃料，那必然是外燃焙烧工艺。所以，原有内燃焙烧的工艺技术、热工制度、工装设备等，凡是不适于外燃焙烧工艺要求的，原则上都需摈弃或改造为适用外燃焙烧的要求。
3、煤改气的具体问题
3.1 拆除固体燃料的粉碎、筛选、掺配混合等设备
以含煤含热为燃料的内燃焙烧隧道窑生产线改换使用气体燃料外燃焙烧，生产线上原有的固体燃料粉碎和筛选设备、计量掺配系统及混合搅拌设备都可以拆除不用，相关物料输送机、除尘器等辅助设备也拆除不用或改作他用，只保留其他原料的粉碎、计量掺配和混合搅拌等设备。
3.2 对原料配比、坯体成型和湿坯干燥的影响
3.2.1 原料中不再掺配固体燃料之后，原来各种原料的混合掺配比例也需改变，应当根据工艺要求重新调整其他各种原料的混合掺配比例。因为各种固体燃料大多都是瘠性物料（含有蒙脱石的例外），不再掺配这些固体燃料后的混合料，塑性指数值可能较原先提高，干燥敏感性系数值也可能增加。原来掺配固态燃料的比例越大，这种变化就越大。如果原料的塑性和干燥敏感性提高较多，就需考虑增加适量其它适宜制砖的瘠性物料。
3.2.2 原料中因不再掺配固体燃料而导致塑性指数有所提高的话，对坯体的成型有利，成型缺陷会减少，坯体外观质量可提高。但这种原料最佳成型水分往往会增加，因此还可能要适当调整坯体的成型水分。如果成型水分增加，坯体的湿强度会降低，就要防止湿坯码垛的压裂，甚至塌垛，需要根据具体情况确定减少坯垛码高层数。
3.2.3 原料中因不再掺配瘠性固体燃料而导致塑性指数和干燥敏感性系数增加较大时，会对湿坯体的干燥不利，坯体容易产生干燥裂纹；成型水分的增加，还会延长干燥时间。原来掺配的瘠性固体燃料比例越大，这种情况就越明显。对此，可以考虑掺配其他瘠性物料、增加湿坯静停时间、调整干燥工艺制度（适当延长干燥时间、提高干燥介质的温度、加大干燥介质的风速风量）等措施。
3.3  气体燃料的种类
可以用作砖瓦窑炉焙烧的气体燃料种类很多，每个企业要根据自己的条件合理选择。
3.3.1天然气
天然气是较常用的气体燃料。天然气的主要成分是饱和烃，以甲烷为主（甲烷90%以上），乙烷、丙烷、丁烷、戊烷含量不多，也含有少量非烃类气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气及微量的惰性气体氦、氩等。
工业常用的商品天然气有三种，即管道天然气、压缩天然气和液化天然气。使用管道输送的天然气相对最经济方便，有条件的企业应当首选管道天然气。但是，我们砖瓦企业大多都是建在远离城镇的偏远地区，天然气管道未必都普及铺设到工厂附近，可能无法使用管道天然气，则可以考虑选用压缩天然气。压缩天然气是把天然气净化后压缩到20MPa～25MPa的气体燃料。压缩天然气的生产工艺、技术、设备比较简单，运输装卸方便，其应用技术也比较成熟。它具有成本低、效益高、污染少及使用较安全、便捷等特点，作为替代的气体燃料，尤其在没有管道气体燃料的地区尤为显著。但是，使用压缩天然气需要配备两台以上的压缩天然气运输储罐车或集装罐，备用和轮换使用。
液化天然气是在高压、低温条件下，将气态天然气冷却在-162℃低温下成为液态气体燃料。天然气在液化过程中进一步得到净化，甲烷纯度更高，几乎不含二氧化碳和硫化物，且无色、无味、无毒。但液化天然气要求必须储存在绝热、低温保冷的储罐中，储存、运输、使用都要求在常压低温状态下进行的。低温的特性要求系统的设备、管道的材料要防止低温条件下的脆性断裂和冷收缩对设备和管路引起的危害，还要解决系统安全、保冷、蒸发气处理、泄漏扩散、防爆以及低温灼伤等方面的问题。所以液化天然气使用的投资、成本都较高，安全要求和危险防范都较严格，具备条件的砖瓦企业方可使用。
3.3.2  液化石油气
将液化石油气用于窑炉焙烧相对比较方便。液化石油气是经高压液化的石油气，主要成分为丙烷、丁烷、氢气等为主的混合气体。它相对具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定、储存简单、供应灵活、使用方便、容易获得等优点，工业使用较普遍。目前已经有许多行业的工业窑炉和加热炉改用液化石油气作燃料，有许多陶瓷厂都在用燃烧液化石油气的隧道窑烧制瓷器、瓷砖。天津某厂的隧道窑生产线上使用汽车槽车运输供应的液化石油气做燃料，焙烧高档装饰砖，十分成功。
3.3.3  煤气
煤气的种类很多，常用的有焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气等，主要成分是氢气、一氧化碳为主的混合气体。各种煤气的成分、热值因其来源和生产方式不同差异很大，其中焦炉煤气、高炉煤气都是经过净化处理的，含二氧化硫等有害成分较少，方便下游用户直接使用。这类煤气由气源设备产出后，通过罐装小型煤气罐供家庭或餐饮业使用。城市煤气和工业用气量大的，一般都是通过压力管道输送到使用场地，有方便条件的砖瓦厂可以使用。但一般砖瓦厂窑炉不太可能正好建在焦炉或高炉的附近，或煤气输送管道附近，距离太远而新增管道输送问题较多，甚至不可行。所以，砖瓦厂如果一定要使用煤气焙烧窑炉，则需要在厂区内自建煤气发生炉，把发生炉煤气经管道输送到窑炉上使用。采用煤气发生炉至少存在三大问题:一是煤气发生炉使用的燃料是煤炭，这就又撞到环保部门“涉煤”红线上了，往往会被限制使用。改造前一定需要同当地有关部门沟通和咨询，在取得批准的前提下再进行；二是需要对煤气发生炉产生的煤气还需脱硫除尘净化处理，或对窑炉使用煤气燃烧后的烟气进行脱硫除尘处理；三是煤气发生炉产生的酚水需要有合理、有效地处理方法，避免造成二次污染。
3.3.4 其他气体燃料
其他气体燃料有瓦斯气、煤层气，、沼气等，都是以甲烷为主的混合气体，但各自成分和热值差异很大，使用条件和使用方法也不相同。其中净化处理后的沼气是一种理想的气体燃料，它无色无味，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦（5000---5700大卡）。即1m3沼气完全燃烧后，能产生相当约0.7kg标煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的安全、清洁燃料。
法国等欧洲国家已经建有许多沼气化垃圾处理厂，处理和再利用有机垃圾的同时，生产大量的沼气用作民用和工业用燃料，还满足了社会日益增强的环保需求，减少了过去传统垃圾处理过程中的污染。现在，通过沼气化处理有机垃圾的技术已经比较成熟，在欧盟范围内得到大力推广，越来越多的欧美国家正在计划新建更多的沼气化垃圾处理厂。法国有的砖瓦厂就是直接使用沼气化垃圾处理厂的沼气焙烧隧道窑生产，这一方式和技术很值得我们学习和借鉴。3.4 投煤孔改装气体燃料喷气管及燃烧烧嘴       窑炉的煤改气，应当根据选用气体燃料的种类，配备安装相应的储气罐、集装罐、减压站等必要的设备，还要连接管道把气体燃料的烧嘴安装在隧道窑的投煤孔（即火眼或观察孔）里，满足顶喷燃气焙烧方法的要求。安装烧嘴时要注意：
3.4.1 不能只是简单利用原有的投煤孔安装就了事。因为原来是内燃焙烧方式，焙烧所需要的固体燃料已经掺配到入窑的坯体当中，一般焙烧热量不依赖在窑顶投煤孔投燃料，或者外投的很少，所以原隧道窑设置的投煤孔的数量都不多，横向与纵向投煤孔的间距也较大。现在煤改气外燃焙烧了，焙烧热量主要依靠烧嘴燃气提供，仅用原有数量较少的火眼安装的烧嘴不能满足外燃焙烧要求，窑内温度均匀性差，需要增加适量安装烧嘴的“火眼”及烧嘴。
3.4.2  内燃窑炉预热升温带坯体内的燃料，只要坯体温度到达着火点就会开始燃烧，有助于升温带快速升温。但是外燃焙烧的坯体不含有可燃物，窑炉预热升温带坯体的升温完全依赖气体燃料燃烧后提供的热量。因此需要在该段增加安装若干烧嘴，把燃烧带向进车段方向适当延长，提供坯体升温需要的热量，形成新的、合理的焙烧曲线，有助于窑炉快速升温，缩短焙烧时间，实现快速焙烧。
3.4.3 在窑炉原有横向投煤孔之间增加新的烧嘴有困难时，可视具体情况在两排投煤孔之间再增加一排，或在窑体两侧墙下部、窑车面以上位置各安装一组烧嘴，可以起到同样的作用。
3.4.4 所有烧嘴在窑断面上尽量相错安装。因为在燃料燃烧参数相同的条件下，如果烧嘴相错布置，燃料容易充分、快速燃烧，断面各部位温度均匀性较好；如果烧嘴相对布置，喷气口又在同一个断面又相对安装，喷气时气流相互“顶牛”、抵触，易造成中间部位的坯体低温欠火。
3.4.5  对于断面较宽和码坯较高的窑炉，采用窑炉顶部安装烧嘴的方式时，应特别注意考虑烧嘴的燃烧速度，燃烧速度太小，容易造成坯垛下部低温欠火。因为甲烷气体在标准状况下（101325Pa、0℃）的密度为0.7174kg/Nm3，相对于空气密度的0.5548(空气在标准状况下的密度为1.293kg/ Nm3)，比空气“轻”了将近一半。各种气体燃料即便所含成分不同，以及使用时的温度、压力不同，实际密度会有变化，但总是比同等条件下的空气要轻，喷到空气中后会上升轻浮到空气上面。即便是加压喷出，一脱离烧嘴进入窑内常压环境中，也会有部分立即扩散轻浮在同样环境条件的空气上部，再加上受窑内热气流上升流动的影响，使得顶喷的气体燃料很难喷到窑内坯垛的下部。若燃烧速度不能满足需求，应该在两侧墙增加安装燃烧烧嘴，不要单纯依赖高压顶喷，采取顶喷和侧喷结合的燃烧方式，以确保断面各部位焙烧温度均匀。
3.4.6  有些窑炉因平时要外投部分煤，设有部分投煤孔的下方正对的是坯垛，是为避免投煤入窑后落到窑底堆积而不易充分燃烧，避免坯垛下生产“黑头砖”。如果通过调整窑车位置或码垛方法还不能避开这种情况，那这些投煤孔就不能安装烧嘴。安装的燃气烧嘴决对不可以正对窑内的坯垛，只能正对坯垛之间较大的间隙（火道）。
3.4.7 原有的投煤孔盖（火眼盖）不可用了，要重新改换成有孔可插入烧气管及燃烧烧嘴、还有密封作用的烧嘴盖，烧嘴盖还应留有可开关的观察小孔，便于查看窑内坯垛、火势。
3.5 码坯方式的改变
3.5.1 煤改气后，内燃焙烧改为外燃焙烧或部分内燃焙烧，窑车上坯体原来的码垛方式一般都需要改变：原来的码坯密度可以加大，适当密码，主要坯垛的坯体密度应该加大；原来内燃烧砖“上密下稀”、“边密中稀”的坯垛方法应该摒弃或合理调整。
3.5.2 通过调整坯垛大小、坯垛在窑车上位置，或窑车的行程位置等，使得燃气烧嘴正对坯垛纵向之间的间隙（火道），并要适当加大烧嘴下坯垛的间隙（大于450mm），便于燃气成分燃烧，避免火焰直接喷烧到坯体。坯垛越高，坯垛间隙（火道）应该越宽。
3.5.3 坯垛下面要铺垫一层可纵向通风的空心支架砖（垫砖），厚度120mm以上。如果是焙烧高空洞率、薄壁、高档产品，支架砖的厚度需适当加大。因为煤改气内燃焙烧，坯体内部不再含有燃料，底部的坯体也不会燃烧产生热量。如果燃气燃烧的火焰和热量不能到达坯垛底部，坯垛下面温度低，会造成制品欠火成生砖。支架砖可以增加坯垛下面通风效果，携带热量随风到坯垛下面，可以避免下面制品的低温欠火现象。
3.6 加强窑体保温
以往的内燃一次码烧窑炉，掺入坯体中的内燃料大多是煤矸石、炉渣，或劣质煤，其价格低廉，企业日常生产中不太重视节约，控制使用意识不强。企业为了降低投资，往往建窑简陋，窑炉的节能保温效果都较差。现在煤改气，为了节约价格昂贵的气体燃料，需要对原有窑炉维修改造，加强窑炉保温功能，提高节能效果。需用在窑炉的侧墙和窑顶增加陶瓷纤维保温板等保温材料。国家相关窑炉节能规范中对窑体表面温度有一定要求，从节能角度考虑，需要严格控制达到要求并力求做到更低。另外，窑的进车端和出车端都要安装密封好的窑门，甚至是两道门，防止冷风袭入，同时防止过量空气参与气体燃料的燃烧过程。
3.7 改变、调整焙烧工艺制度
3.7.1  煤改气之后，如果原料和制品没有变化，窑炉的焙烧曲线基本不变。只是气体燃料的燃烧较内燃容易得多，着火温度相对较低，燃烧速度快，火焰传播速度快，窑内预热升温带、焙烧带都可以较快升温。但冷却带相反，不像内燃焙烧坯体中有未燃尽燃料继续燃烧而降温较慢，只要停止喷气降温较快。因此，在确保产品质量和产量的前提下，通过调整焙烧工艺操作可加快窑炉坯体升温速率和冷却降温速率，缩短制品的烧成周期。
3.7.2  内燃焙烧的窑炉里，从坯体入窑升温达到内掺燃料的着火点燃烧开始，一直到保温冷却之前，很长的一段窑室内都是燃烧室，坯体内的燃料始终在接触空气燃烧。这种焙烧方式，要求窑内较长一段窑室保持有足够的助燃空气，但实际上无法知道、也无法控制坯体内燃料燃烧需要的最佳空气量，常常盲目加大空气耗量，使空气过剩系数变大。窑内的压力从进车端到出车端呈“负压---零压---正压”状态。
煤改气后，无论燃气采用扩散燃烧方式、全预混燃烧方式还是半预混燃烧方式（燃气燃烧方式本文不做讨论），燃气燃烧室都是在每个燃气烧嘴下坯垛的间隙中（火道），每条火道都是一个燃烧室，而不像内燃焙烧那样整个窑室几乎都是燃烧室。助燃空气和燃气都通过管道从改装后的投煤孔进入窑内，和燃气或脉冲式，或间歇式、或连续式同步喷入火道。可通过精准调节助燃的空气量，大大降低空气过剩系数，减少焙烧烟气中的氧含量。还可以根据需要，人为将窑炉内气体调节为氧化气氛或还原气氛等。原有窑尾和其他部位的助燃风机基本不用，仅保留余热回收冷却风机即可。窑炉内的压力曲线基本呈全负压。
3.7.3 燃气喷入窑炉内，因种种原因很难保证完全燃烧，会有少量燃气没有燃尽而随烟气排出，造成浪费。可在预热升温带合适部位安装二次燃烧系统，抽取适量烟气送到高温焙烧带再次燃烧。二次进入焙烧带的烟气含有可燃气体和助燃空气，温度较高，既可节约燃料，同时可提高窑内温度。
3.7.4 确定正确的温度曲线非常重要，没有合理的特殊原因，一般不可随意变更温度曲线。因为每个烧嘴是否喷气燃烧都是根据该部位的温度决定的：即该部位温度低于温度曲线设定温度，则燃烧控制系统控制烧嘴喷气燃烧，提升温度；该部位温度达到温度曲线设定温度，则停止喷气；该部位温度高于温度曲线设定温度，则不喷燃气，可喷入适量冷却空气调整。
由于按照焙烧温度曲线、根据窑内实时温度控制烧嘴喷气燃烧是燃气窑炉的基本焙烧方式，窑内测温仪表检测显示窑内温度的作用就至关重要。除了要求测温仪表工作准确可靠，还应结合烧嘴安置密度适当增加窑内测温点；在窑体侧墙装有燃气烧嘴的位置也增加侧墙测温点；在宽体窑顶纵向平行安置两排测温点等。
4、提高安全、消防等级
各种气体燃料都是具有易燃、易爆特性，使用燃气外燃焙烧生产比内燃焙烧生产的危险性要大得多，爆炸危险等级和火灾危险等级较高。煤改气之后，生产线整个燃气系统，其他各工序、各环节，以及周边的建筑物和设施，都应按相关安全、消防规定改造，并需经劳动安检部门、公安消防部门检查验收合格和取得生产使用许可。
国家在工业企业用气有相关的安全规程，在生产线窑炉改造时还需遵照规定执行。以下就安全方面做几点介绍。
4.1.燃气管道的施工要求具有很好的密闭性，施工单位必须具备相应的资质。施工结束时需要对输气管道进行气密性试验，其试验方法和允许泄漏率指标要满足标准要求。
4.2.燃气与助燃空气的混合达到一定比例时，遇见明火或静电产生的火花会发生爆炸，所以按照安全用气工程需要在助燃空气管道设置泄爆口；在送气前和停气后要对燃气管道用蒸汽、氮气等惰性气体进行置换。
4.3.为防止生产用气出现意外，煤气、空气管道应安装低压警报装置，遇报警时及时切断供气并做出相应的处理。如果在煤改气时，设计低压警报与关断自动连接，是积极的、可取的、有效的方法。
4.4.燃气点火时，窑炉内燃烧系统应具有一定的负压，点火程序必须是先点燃火种后给煤气，不应先给煤气后点火。凡送燃气前已烘的窑炉，窑炉内温度超过800℃时，可不点火直接送煤气，但应严密监视其是否燃烧。
4.5.前述3.4.2中提及在升温带加装烧嘴改善形成理想的焙烧曲线，这一段的温度低于规程规定的安全使用温度，该部分烧嘴必须设置自动点火装置，在需要烧嘴工作时，燃气阀与自动点火装置同时开启，确保进入窑炉的燃气燃烧，不致于因燃气不燃烧而产生堆积，防止爆炸、中毒等恶劣状况发生。
4.6.有条件使用高炉煤气的单位，更需要加强安全防范。高炉煤气含有较高的热值，是一种剧毒气体，人体在短时间内接触大量煤气，体内血液中的CO与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，造成组织缺氧，会发生急性中毒。该中毒不同于一般煤气中毒，是一个不可逆过程，人往往吸入后几乎无法抢救过来。
4.7.切实做好安全消防工作，需要按照燃气的特征配备消防设施，进行安全消防演练。
4.8.实施煤改气工程后，企业要制定安全管理制度，必须加强工人的安全教育，提高其安全防范意识，在生产过程中要严格遵守操作规程，遵守规章制度。企业要有专人负责这方面的安全检查，杜绝事故的发生。
5、煤改气工程的设计和施工
烧结砖瓦厂的煤改气项目，是属于“燃气工程”项目，含有许多复杂、严谨、科学的气体燃料使用的专业知识、技术、工艺和规范。整个改煤气工程涉及气体燃料的项目，都必须按照旧窑特点和生产工艺技术要求，由具有燃气工程设计、施工和燃气用具（压力容器、管、阀等）生产等各相关资质证书的单位承担。
近期，行业内有许多砖瓦企业的煤改气工程，随便委托窑炉公司承担，或委托有过燃气工程施工经历但没有燃气工程施工资质的窑炉公司承担，甚至是委托某些“有经验的专家”个人承担。这是违规违法的，而且有较大风险，是不可取的。特别提醒大家警戒，以防后患。
6、结束语
新建一条使用气体燃料焙烧的外燃窑炉，要比把内燃旧窑煤改气容易的多，新建工厂成功的设计方案和可借鉴的经验较多，而旧窑改造项目往往受多种条件和环境的限制而实施困难。一次码烧内燃窑炉的煤改气工程实属新课题，问题较多，成功经验较少，需要大家共同努力，多方研究，认真探讨。本文乃为粗知拙见，仅供参考。 内容来源于百度