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燃燒效率分析儀在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：3211 發(fā)布時(shí)間：2013-07-02
燃燒效率分析儀在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用
一、氣氛在陶瓷領(lǐng)域中的運(yùn)用
溫度、氣氛、壓力通常被人們稱為陶瓷燒成的“三大制度”，是陶瓷燒成過程中的決定因素。其中陶瓷窯爐的氣氛，不僅影響了窯爐內(nèi)的燒成溫度，而且直接決定了陶瓷的燒成質(zhì)量。比如在建筑衛(wèi)生陶瓷中，各種花釉、色料在不同的氣氛中呈色機(jī)理不一樣，氧化不好時(shí)，坯體容易出現(xiàn)黑心等缺陷，所以一般要求的是氧化氣氛下燒成；在日用陶瓷中，單從白度考慮，因原料中的含鐵或鈦量不同而要求燒氧化氣氛或還原氣氛，含鐵量多的在還原氣氛下是白里泛青，而在氧化氣氛下是白里泛黃夾黑點(diǎn)；特種陶瓷如鐵氧體陶瓷即磁性陶瓷，也就是俗話說的吸鐵石、磁鋼，只有在氧化氣氛下才能達(dá)到預(yù)期的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通、剩磁等物理化學(xué)性能要求指標(biāo)。總而言之，不管是廣義的陶瓷還是狹義的陶瓷，在燒成過程中對(duì)氣氛的要求都十分嚴(yán)格。這里主要就建筑陶瓷的輥道窯去分析氣氛對(duì)燒成的機(jī)理作用及控制方式等。
二、陶瓷燒成過程中的氣氛要求
燃料燃燒時(shí)，根據(jù)燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算出來的單位燃料*燃燒時(shí)所需要的空氣量叫理論空氣量。在實(shí)際燃燒過程中為燃料的*燃燒，實(shí)際供給的空氣量往往要大于理論空氣量，稱為實(shí)際空氣量。實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值稱為空氣過剩系數(shù)α。燃燒時(shí)根據(jù)操作、控制α的大小不同，火焰的氣氛也不同，也就有氧化焰、還原焰和中性焰之分。<1>氧化焰，空氣過剩系數(shù)α＞1，燃燒產(chǎn)物中有過剩的氧而不含可燃成分（如CO等）。<2>還原焰，空氣過剩系數(shù)α＜1，燃燒產(chǎn)物中含有可燃成分（如CO等）未燃完。<3>中性焰空氣過剩系數(shù)α＝1，燃燒產(chǎn)物中沒有過剩的氧，也沒有過剩的可然性成分。理論上中性焰的溫度高，但這往往難以控制?，F(xiàn)時(shí)陶瓷窯爐基本上是采用油或氣作為燃料。氣體燃料燃燒時(shí)的空氣過剩系數(shù)α值為1.05～1.15，而液體燃料燃燒時(shí)的空氣過剩系數(shù)α值為1.15～1.25。
實(shí)際窯爐爐膛內(nèi)尤其是輥道窯、隧道窯等連續(xù)性窯爐爐膛內(nèi)，不僅存在燃燒產(chǎn)物，還存在因壓力制度而導(dǎo)致的外界空氣的侵入和急冷、各種氣幕等打入的空氣量。所以，爐膛內(nèi)煙氣的氣氛指爐膛內(nèi)有否及有多少CO、O2等。窯爐不同區(qū)域，單獨(dú)侵入的空氣量不同（尤其在密封性能不好，即輥棒與多孔磚之間、窯頂馬弗板處石棉未塞好時(shí)），氣氛也就不同。而陶瓷制品不是靠哪一個(gè)燒嘴燒成的，所以，考察爐膛內(nèi)氣氛是根本。
陶瓷工藝配方的不同，決定對(duì)燒成時(shí)氣氛要求不一樣，如工藝要求釉面磚（包括有釉衛(wèi)生潔具）或含色料多的?；u，氣氛則相當(dāng)大程度上影響到產(chǎn)品的呈色。這主要是因著色離子在不同氧含量或一氧化碳含量的熱氣流中所呈價(jià)態(tài)不同而導(dǎo)致呈現(xiàn)不同顏色的原因。陶瓷制品燒成過程中，燒成速度越快，越容易會(huì)出現(xiàn)黑心、黑點(diǎn)、氣泡、針孔等缺陷的可能，這是因?yàn)榻o有機(jī)質(zhì)氧化還原反應(yīng)的時(shí)間不足。而真正決定氧化還原反應(yīng)快慢在于充分的燒嘴氧化氣氛、爐膛氧化氣氛以及相應(yīng)的煙氣流速。在某些特種陶瓷燒成過程中，氣氛要求更為嚴(yán)格，因?yàn)闅夥詹煌苯佑绊懙浇K產(chǎn)品物理、化學(xué)性能的達(dá)標(biāo)。比如磁性陶瓷，因其原料為鐵氧質(zhì)，而鐵離子在還原氣氛與氧化氣氛中分別存在不同的價(jià)態(tài)。
實(shí)際窯爐爐膛內(nèi)尤其是輥道窯、隧道窯等連續(xù)性窯爐爐膛內(nèi)，不僅存在燃燒產(chǎn)物，還存在因壓力制度而導(dǎo)致的外界空氣的侵入和急冷、各種氣幕等打入的空氣量。所以，爐膛內(nèi)煙氣的氣氛指爐膛內(nèi)有否及有多少CO、O2等。窯爐不同區(qū)域，單獨(dú)侵入的空氣量不同（尤其在密封性能不好，即輥棒與多孔磚之間、窯頂馬弗板處石棉未塞好時(shí)），氣氛也就不同。而陶瓷制品不是靠哪一個(gè)燒嘴燒成的，所以，考察爐膛內(nèi)氣氛是根本。
陶瓷工藝配方的不同，決定對(duì)燒成時(shí)氣氛要求不一樣，如工藝要求釉面磚（包括有釉衛(wèi)生潔具）或含色料多的?；u，氣氛則相當(dāng)大程度上影響到產(chǎn)品的呈色。這主要是因著色離子在不同氧含量或一氧化碳含量的熱氣流中所呈價(jià)態(tài)不同而導(dǎo)致呈現(xiàn)不同顏色的原因。陶瓷制品燒成過程中，燒成速度越快，越容易會(huì)出現(xiàn)黑心、黑點(diǎn)、氣泡、針孔等缺陷的可能，這是因?yàn)榻o有機(jī)質(zhì)氧化還原反應(yīng)的時(shí)間不足。而真正決定氧化還原反應(yīng)快慢在于充分的燒嘴氧化氣氛、爐膛氧化氣氛以及相應(yīng)的煙氣流速。在某些特種陶瓷燒成過程中，氣氛要求更為嚴(yán)格，因?yàn)闅夥詹煌苯佑绊懙浇K產(chǎn)品物理、化學(xué)性能的達(dá)標(biāo)。比如磁性陶瓷，因其原料為鐵氧質(zhì)，而鐵離子在還原氣氛與氧化氣氛中分別存在不同的價(jià)態(tài)。
1、使用燃燒效率分析儀的陶瓷窯氣氛控制方法
“生在配方，死在燒成”，陶瓷窯燒成對(duì)氣氛的要求十分嚴(yán)格、十分重要乃為大多數(shù)工程技術(shù)人員所認(rèn)同，然而如何針對(duì)性地去調(diào)節(jié)氣氛，如何控制從而解決類似色差、色號(hào)、針孔、黑心、氣泡、黑點(diǎn)、煙熏、鹽霜等缺陷呢，這便是理論與實(shí)踐相結(jié)合的問題所在。使用燃燒效率分析儀，了解陶瓷窯爐內(nèi)氣氛的變化，結(jié)合溫度、壓力等熱工參數(shù)，可針對(duì)性控制燒成過程中產(chǎn)品缺陷的形成。
如前所述，氣氛通常分為燒嘴氣氛和爐內(nèi)氣氛。燒嘴氣氛決定了燒成溫度并終影響爐內(nèi)氣氛，但由于爐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，通常難以測(cè)量。燃燒效率分析儀在實(shí)際應(yīng)用過程中通常是測(cè)量排煙中的氣體成分，分析燃燒效率，以控制氣氛來指導(dǎo)燒成工藝調(diào)整。
一般陶瓷產(chǎn)品的燒成是在850～1050℃之間完成的，磚坯的氧化還原反應(yīng)不充分時(shí)就容易出現(xiàn)黑心、黑點(diǎn)等缺陷。一般在不改變窯速的前提下應(yīng)爐內(nèi)氣氛為氧化性氣氛，即空氣過剩系數(shù)α值為1.05～1.15。使用燃燒效率分析儀測(cè)試得到爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)后，如果α值存在偏差時(shí)，通常的調(diào)節(jié)方法有兩種：調(diào)整抽煙排量和調(diào)整燒嘴氣氛，兩種方法通常需要結(jié)合使用。
當(dāng)實(shí)測(cè)的空氣過剩系數(shù)偏差較大時(shí)通常采用調(diào)整抽煙排量來改變爐內(nèi)新風(fēng)的供給，使得爐內(nèi)氣氛為弱氧化性氣氛，燒成過程中的氧化反應(yīng)。但是當(dāng)抽煙排量變化時(shí)，直接導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣流速的變化，容易引起燒成段溫度的改變，直接影響燒成效果。這時(shí)必須控制燒嘴溫度的變化，適當(dāng)調(diào)整燒嘴的燃燒，降低溫度的變化引起的影響。當(dāng)實(shí)測(cè)的空氣過剩系數(shù)偏差較小時(shí)通常采用調(diào)整燒嘴氣氛，在燒成溫度分布的同時(shí)，改變爐內(nèi)氣氛。這種方法可調(diào)整燒成工藝，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著直接應(yīng)響。調(diào)整時(shí)還應(yīng)該注意不要造成燒嘴飄火或沖煙現(xiàn)象，避免對(duì)爐內(nèi)氣氛產(chǎn)生的不良影響。
當(dāng)然，對(duì)于爐內(nèi)氣氛控制的調(diào)整，除了考慮爐內(nèi)溫度外，還有爐內(nèi)壓力、窯爐密封性等多方面因素，調(diào)整方法也不能一概而論，需要綜合考慮。但在調(diào)整過程中，燃燒效率分析儀對(duì)爐內(nèi)氣氛的監(jiān)測(cè)尤其重要，這就對(duì)燃燒效率分析儀的性能提出較高的要求。
如前所述，氣氛通常分為燒嘴氣氛和爐內(nèi)氣氛。燒嘴氣氛決定了燒成溫度并終影響爐內(nèi)氣氛，但由于爐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，通常難以測(cè)量。燃燒效率分析儀在實(shí)際應(yīng)用過程中通常是測(cè)量排煙中的氣體成分，分析燃燒效率，以控制氣氛來指導(dǎo)燒成工藝調(diào)整。
一般陶瓷產(chǎn)品的燒成是在850～1050℃之間完成的，磚坯的氧化還原反應(yīng)不充分時(shí)就容易出現(xiàn)黑心、黑點(diǎn)等缺陷。一般在不改變窯速的前提下應(yīng)爐內(nèi)氣氛為氧化性氣氛，即空氣過剩系數(shù)α值為1.05～1.15。使用燃燒效率分析儀測(cè)試得到爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)后，如果α值存在偏差時(shí)，通常的調(diào)節(jié)方法有兩種：調(diào)整抽煙排量和調(diào)整燒嘴氣氛，兩種方法通常需要結(jié)合使用。
當(dāng)實(shí)測(cè)的空氣過剩系數(shù)偏差較大時(shí)通常采用調(diào)整抽煙排量來改變爐內(nèi)新風(fēng)的供給，使得爐內(nèi)氣氛為弱氧化性氣氛，燒成過程中的氧化反應(yīng)。但是當(dāng)抽煙排量變化時(shí)，直接導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣流速的變化，容易引起燒成段溫度的改變，直接影響燒成效果。這時(shí)必須控制燒嘴溫度的變化，適當(dāng)調(diào)整燒嘴的燃燒，降低溫度的變化引起的影響。當(dāng)實(shí)測(cè)的空氣過剩系數(shù)偏差較小時(shí)通常采用調(diào)整燒嘴氣氛，在燒成溫度分布的同時(shí)，改變爐內(nèi)氣氛。這種方法可調(diào)整燒成工藝，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著直接應(yīng)響。調(diào)整時(shí)還應(yīng)該注意不要造成燒嘴飄火或沖煙現(xiàn)象，避免對(duì)爐內(nèi)氣氛產(chǎn)生的不良影響。
當(dāng)然，對(duì)于爐內(nèi)氣氛控制的調(diào)整，除了考慮爐內(nèi)溫度外，還有爐內(nèi)壓力、窯爐密封性等多方面因素，調(diào)整方法也不能一概而論，需要綜合考慮。但在調(diào)整過程中，燃燒效率分析儀對(duì)爐內(nèi)氣氛的監(jiān)測(cè)尤其重要，這就對(duì)燃燒效率分析儀的性能提出較高的要求。
2、德國(guó)益康燃燒效率分析儀更適合氣氛控制的要求
燃燒效率分析儀可抽取窯爐煙道氣體并自動(dòng)分析其成分，計(jì)算得到爐內(nèi)的空氣過剩系數(shù)或燃燒效率。燃燒效率分析儀中一般安裝多個(gè)傳感器，傳感器根據(jù)測(cè)量原理不同分為電化學(xué)和紅外兩種。
電化學(xué)傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測(cè)量CO和O2，計(jì)算得到CO2，空氣過剩系數(shù)等其他熱工參數(shù)。實(shí)際使用過程中，由于不同窯爐的煙道壓力不同，經(jīng)常導(dǎo)致分析儀的取樣流量不同或波動(dòng)，電化學(xué)傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測(cè)試精度，而德國(guó)益康燃燒效率分析儀采購大功率采樣氣泵不僅可以取樣流量穩(wěn)定，而且其可視化流量顯示可以直觀儀器采樣流速是否正常，從而有效避免因流量不穩(wěn)而影響測(cè)試精度的現(xiàn)象。
燃燒效率分析儀可抽取窯爐煙道氣體并自動(dòng)分析其成分，計(jì)算得到爐內(nèi)的空氣過剩系數(shù)或燃燒效率。燃燒效率分析儀中一般安裝多個(gè)傳感器，傳感器根據(jù)測(cè)量原理不同分為電化學(xué)和紅外兩種。
電化學(xué)傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測(cè)量CO和O2，計(jì)算得到CO2，空氣過剩系數(shù)等其他熱工參數(shù)。實(shí)際使用過程中，由于不同窯爐的煙道壓力不同，經(jīng)常導(dǎo)致分析儀的取樣流量不同或波動(dòng)，電化學(xué)傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測(cè)試精度，而德國(guó)益康燃燒效率分析儀采購大功率采樣氣泵不僅可以取樣流量穩(wěn)定，而且其可視化流量顯示可以直觀儀器采樣流速是否正常，從而有效避免因流量不穩(wěn)而影響測(cè)試精度的現(xiàn)象。
另外，由于煙道排放氣體中還存在SOx、NOx等其他氣體，會(huì)對(duì)CO測(cè)量產(chǎn)生交叉干擾的影響。雖然這些氣體的交叉干擾已知，但由于干擾值的非線性和非重復(fù)性，大部分煙氣分析儀無法對(duì)干擾值進(jìn)行有效補(bǔ)償，而德國(guó)益康燃燒效率分析儀通過的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了專門的矩陣補(bǔ)償方法將氣體之間的交叉干擾降到低，這也是益康煙氣分析儀的測(cè)量精度優(yōu)于同類產(chǎn)品的重要因素之一。此外CO電化學(xué)傳感器在排放氣體濃度較高時(shí)還容易出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象，可能導(dǎo)致傳感器*失效。而德國(guó)益康燃燒效率分析儀則可配備CO量程自動(dòng)關(guān)斷功能、自動(dòng)抽取清晰空氣清洗，有效避免CO傳感器自“中毒”現(xiàn)象。同時(shí)德國(guó)益康煙氣分析儀還具有靈敏度高，精度好，皮實(shí)耐用等等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)均有利于實(shí)現(xiàn)窯爐氣氛的控制。
3、實(shí)現(xiàn)CO2實(shí)測(cè)功能可實(shí)現(xiàn)過剩空氣的控制
大部分使用電化學(xué)傳感器的燃燒效率分析儀中CO2的濃度是通過計(jì)算得到的，并不能代表實(shí)際排煙中的CO2含量。參考GB/T 15317-2009 《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)》中關(guān)于空氣系數(shù)的測(cè)試方法，空氣系數(shù)是采用奧氏分析儀或燃燒效率分析儀，測(cè)出煙氣中含氧量φ（O2），一氧化碳含量φ（CO）以及三原子氣體含量φ（RO2），按公式（1）計(jì)算：
…………………………….. （1）
通常認(rèn)為排放中的CO、SO2等均為少量，可將公式（1）簡(jiǎn)化成公式（2）：
…………………………
大部分使用電化學(xué)傳感器的燃燒效率分析儀中CO2的濃度是通過計(jì)算得到的，并不能代表實(shí)際排煙中的CO2含量。參考GB/T 15317-2009 《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)》中關(guān)于空氣系數(shù)的測(cè)試方法，空氣系數(shù)是采用奧氏分析儀或燃燒效率分析儀，測(cè)出煙氣中含氧量φ（O2），一氧化碳含量φ（CO）以及三原子氣體含量φ（RO2），按公式（1）計(jì)算：
…………………………….. （1）
通常認(rèn)為排放中的CO、SO2等均為少量，可將公式（1）簡(jiǎn)化成公式（2）：
…………………………
（2）
如果忽略CO2，公式（2）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為公式（3）：
…………………………….. （3）
可以看出使用公式（3）的條件是實(shí)際燃燒狀況接近*燃燒，可對(duì)燃燒作一個(gè)近似估算。但陶瓷窯的燃燒狀況復(fù)雜，受到各種因素的影響，要對(duì)窯爐氣氛實(shí)現(xiàn)控制，以實(shí)現(xiàn)的燃燒工況，就必須使用公式（2）甚至公式（1）來評(píng)估燃燒狀況，使用這兩個(gè)計(jì)算方法的前提就是實(shí)現(xiàn)CO2測(cè)試功能。近年來市場(chǎng)銷售的燃燒效率分析儀中，也逐漸出現(xiàn)了符合該要求此類儀器，比如德國(guó)益康J2KN煙氣分析儀的則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO、CO2和O2的實(shí)測(cè)，計(jì)算得到的空氣系數(shù)，以指導(dǎo)燃燒控制。
總的來說陶瓷的燒成工藝決定了陶瓷產(chǎn)品的終質(zhì)量，對(duì)窯爐的氣氛控制要求應(yīng)該綜合分析溫度、壓力等因素的影響，通過使用燃燒效率分析儀實(shí)現(xiàn)的測(cè)量，指導(dǎo)燃燒調(diào)整，終達(dá)到提高陶瓷窯爐出爐質(zhì)量和降低窯爐能耗的目的，為陶瓷生產(chǎn)企業(yè)提益。
如果忽略CO2，公式（2）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為公式（3）：
…………………………….. （3）
可以看出使用公式（3）的條件是實(shí)際燃燒狀況接近*燃燒，可對(duì)燃燒作一個(gè)近似估算。但陶瓷窯的燃燒狀況復(fù)雜，受到各種因素的影響，要對(duì)窯爐氣氛實(shí)現(xiàn)控制，以實(shí)現(xiàn)的燃燒工況，就必須使用公式（2）甚至公式（1）來評(píng)估燃燒狀況，使用這兩個(gè)計(jì)算方法的前提就是實(shí)現(xiàn)CO2測(cè)試功能。近年來市場(chǎng)銷售的燃燒效率分析儀中，也逐漸出現(xiàn)了符合該要求此類儀器，比如德國(guó)益康J2KN煙氣分析儀的則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO、CO2和O2的實(shí)測(cè)，計(jì)算得到的空氣系數(shù)，以指導(dǎo)燃燒控制。
總的來說陶瓷的燒成工藝決定了陶瓷產(chǎn)品的終質(zhì)量，對(duì)窯爐的氣氛控制要求應(yīng)該綜合分析溫度、壓力等因素的影響，通過使用燃燒效率分析儀實(shí)現(xiàn)的測(cè)量，指導(dǎo)燃燒調(diào)整，終達(dá)到提高陶瓷窯爐出爐質(zhì)量和降低窯爐能耗的目的，為陶瓷生產(chǎn)企業(yè)提益。
