天然氣摻氫比例對陶瓷輥道窯煙氣影響分析

游越，賴日東，羅偉，馬夢昆

（廣東中鵬熱能科技有限公司，佛山528200 ）

1 前言

隨著能源需求的日益緊張及“雙碳”政策的落實，傳統(tǒng)不可再生燃料的使用將會有更加嚴厲的管控。作為“能源大戶”的陶瓷行業(yè)亟需尋找一種新的可再生能源及研發(fā)應(yīng)用燒成裝備。氫氣是一種新興的清潔燃料，摻氫燃燒是目前陶瓷燒成領(lǐng)域中可行性最高的清潔燃燒方案之一。氫氣因成分中不含C-C 鍵，燃燒所需氧氣量相比傳統(tǒng)燃料甲烷較少，因此在燃燒污染物排放方面比天然氣更具優(yōu)勢。但由于氫氣在空氣助燃下產(chǎn)生的高濕度煙氣可能會對輥道窯的保溫及密封性產(chǎn)生不良影響，并且因為氫氣燃燒的熱值、空燃比、煙氣量、煙氣成分及氣氛與天然氣燃燒相比具有較大的差異性，因此本文對各摻氫比例天然氣在輥道窯燃燒所產(chǎn)生煙氣的體積變化、含量變化及廢煙氣帶走顯熱變化進行計算預(yù)估分析，以期為后期氫能源推廣輥道窯改造提供理論參考數(shù)據(jù)。

2 等效體積摻氫天然氣燃燒煙氣量計算

本文中所提摻氫天然氣“等效體積”指摻氫天然氣代替定量天然氣的體積，即天然氣體積×摻氫天然氣替代比。以20%天然氣摻氫為例，為滿足摻氫天然氣燃燒提供等量的天然氣燃燒熱應(yīng)滿足以下條件：

其中，氫氣低位熱值為3000kcal/m3，天然氣低位熱值為8400 kcal/m3，天然氣定量體積量為X，摻氫天然氣等效體積量為Y，Y/X 為20%摻氫天然氣對天然氣的替代比。

綜上可得不同摻氫比例天然氣對天然氣的替代比：

根據(jù)摻氫天然氣在充分燃燒過程中發(fā)生的反應(yīng)：

4O2——A（空氣除氧氣部分）

因氫氣的燃燒速率快，在空氣中燃燒的過剩系數(shù)近似1，因此摻氫天然氣的空氣過剩系數(shù)取1.3-摻氫比例×0.3。綜上條件可得摻氫燃燒如下理論數(shù)據(jù)：

理論氧氣量=(1-摻氫比例)×2×能耗體積+摻氫比例×能耗體積×0.5

燃燒產(chǎn)物=(1-摻氫比例)×能耗體積×3+摻氫比例×能耗體積

空氣剩余量=4×理論氧氣量×空氣系數(shù)

煙氣量=燃燒產(chǎn)物+空氣剩余量

煙氣量變化率=摻氫天然氣煙氣量/等效天然氣煙氣量

下圖表為上述摻氫天然氣數(shù)據(jù)在不同摻氫比例下的變化情況：

圖2 等效體積摻氫天然氣理論所需氧氣量

圖3 等效體積摻氫天然氣燃燒煙氣含量變化

圖4 等效體積摻氫天然氣燃燒煙氣百分比

表1 各比例等效摻氫天然氣燃燒組分變化

注：X 為設(shè)定等效天然氣體積，上述計算體積量均為常溫狀態(tài)下的理論值。

由圖1-4 可知，天然氣摻氫后因氫氣的體積熱值較低，僅天然氣的1/3，等效1 單位體積天然氣燃燒熱的摻氫天然氣體積隨摻氫比增加而增大，但由于氫氣燃燒所需氧氣量為天然氣的一半，導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴馊紵鬅煔庵械某パ鯕獾目諝馐Ｓ嗔繙p少，煙氣中燃燒產(chǎn)物體積變化幅度較小。因此摻氫比例增大，燃燒產(chǎn)生煙氣量反而減少，例如等效1 單位體積天然氣燃燒熱的1.47 倍體積50%摻氫天然氣熱完全燃燒后煙氣反而為前者的85.23%。

圖1 不同摻氫比天然氣等效體積

3 等效體積摻氫天然氣燃燒煙氣成分及熱量變化

輥道窯中的干燥、燒成過程主要是通過高溫煙氣對制品的對流換熱及熱輻射進行的，摻氫燃燒后煙氣的變化勢必會對輥道窯的運行產(chǎn)生影響，因此本文繼續(xù)對天然氣摻氫后煙氣中成分的變化進行了計算分析，以輥道窯排出的300℃廢煙氣為例。

表2 各比例等效摻氫天然氣300℃煙氣組分及顯熱變化

該表中計算公式如下：

含水量=(1-摻氫比例)×等效體積×2+摻氫比例×等效體積；

CO2量=(1-摻氫比例)×等效體積；

水蒸氣顯熱=1.5379kJ/ (m3×℃)×300℃×含水量×（573/303）；

CO2顯熱=1.8808 kJ/ (m3×℃)×300℃× CO2量×（573/303）；

N2顯熱=1.308 kJ/ (m3×℃) ×300℃×N2量×（573/273）；

煙氣總顯熱=水蒸氣顯熱+CO2 顯熱+N2顯熱；

煙氣顯熱變化=摻氫天然氣300℃煙氣顯熱/等效天然氣300℃煙氣顯熱；

由圖5 可知，隨摻氫比例增大，等效體積摻氫天然氣完全燃燒煙氣中的N2及CO2含量逐漸降低，H2O 含量逐漸升高，H2O 含量增幅大于CO2減幅，又因為水蒸氣對煙氣的發(fā)射率為CO2的兩倍，同時二原子分子的輻射換熱強度低，因此摻氫比例增大燃燒中輻射換熱強度會增強。但由于等效摻氫天然氣燃燒的煙氣體積量減少，這會導(dǎo)致煙氣的對流換熱強度減弱，因此摻氫燃燒煙氣在窯爐內(nèi)的綜合換熱強度有待進一步研究。

圖5 等效體積摻氫天然氣燃燒產(chǎn)物在煙氣中的變化

同時，摻氫比例增大，摻氫天然氣燃燒后煙氣的濕度會增加（50%摻氫天然氣燃燒較天然氣燃燒煙氣中H2O 百分比上升4.42%），高摻氫比產(chǎn)生的煙氣高濕度可能會導(dǎo)致窯爐排煙段制品的干燥速率降低及對輥道窯保溫層及密封性產(chǎn)生破壞。

圖6 等效體積摻氫天然氣300℃煙氣各組分顯熱

圖7 等效體積摻氫天然氣300℃煙氣顯熱變化百分比

由圖6/7 可知，隨摻氫比例增大，因煙氣體積量減少，等效體積摻氫天然氣300℃煙氣顯熱逐漸降低，即燃燒后的廢煙氣帶走熱降低，窯爐可利用熱增加。（等效體積50%摻氫天然氣后300℃煙氣帶走熱為天然氣的85%，以日產(chǎn)10000m2拋光磚輥道窯為例，其天然氣能耗為700m3/h，改用等效50%摻氫天然氣，則300℃煙氣少帶走顯熱293573kcal/h，節(jié)約能耗35Nm3/h 天然氣，占總能耗5%）

4 總結(jié)

（1）輥道窯燃料由天然氣替換為摻氫天然氣后，所需摻氫天然氣體積流量增大，所需助燃風(fēng)量減少，燃燒產(chǎn)生的煙氣量降低，以50%摻氫天然氣替換天然氣為例，所需燃氣流量為更改前的1.47 倍，所需助燃風(fēng)量減少為81.5%，產(chǎn)生煙氣量為原先的85.23%。根據(jù)天然氣的不同摻氫比例需更改窯爐的氣管、風(fēng)管、煙管尺寸，調(diào)整相應(yīng)風(fēng)機頻率或規(guī)格，以滿足摻氫后窯爐的正常運行。

（2）隨著輥道窯燃料摻氫比例的增大，窯內(nèi)煙氣中的H2O 含量逐漸升高，高溫煙氣對制品的輻射換熱強度會增強。但與此同時煙氣中N2的大量減少導(dǎo)致窯爐中煙氣總體積減小，削弱了煙氣對制品的對流換熱。因此本文認為在不同溫度區(qū)段下不同輥道窯燃料摻氫比例煙氣會對制品的傳熱效率不同地減弱或增強變化，這將會對現(xiàn)有的產(chǎn)品升溫制度產(chǎn)生相應(yīng)的影響，具體有待進一步研究分析。

（3）摻氫比例增大，摻氫天然氣燃燒后煙氣的濕度會增加，導(dǎo)致窯爐低箱段制品的干燥速率降低，因此陶瓷制品的升溫制度需進行調(diào)整，同時過高的煙氣含水量可能會對窯爐的密封性和保溫性產(chǎn)生負面作用。

（4）隨摻氫比例增大，燃燒后的廢煙氣帶走熱降低，窯爐可利用熱增加。（等效體積50%摻氫天然氣后300℃煙氣帶走熱為天然氣的85%，以日產(chǎn)10000m2拋光磚輥道窯為例，其天然氣能耗為700m3/h，改用等效50%摻氫天然氣，則300℃煙氣少帶走顯熱293573kcal/h，節(jié)約能耗35Nm3/h 天然氣，占總能耗5%）