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燃燒效率分析儀在陶瓷行業的應用
點擊次數：3379 發布時間：2013-07-02
燃燒效率分析儀在陶瓷行業的應用
一、氣氛在陶瓷領域中的運用
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，不僅影響了窯爐內的燒成溫度，而且直接決定了陶瓷的燒成質量。比如在建筑衛生陶瓷中，各種花釉、色料在不同的氣氛中呈色機理不一樣，氧化不好時，坯體容易出現黑心等缺陷，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；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到預期的磁場強度、磁通、剩磁等物理化學性能要求指標。總而言之，不管是廣義的陶瓷還是狹義的陶瓷，在燒成過程中對氣氛的要求都十分嚴格。這里主要就建筑陶瓷的輥道窯去分析氣氛對燒成的機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，根據燃料燃燒化學反應方程式計算出來的單位燃料*燃燒時所需要的空氣量叫理論空氣量。在實際燃燒過程中為燃料的*燃燒，實際供給的空氣量往往要大于理論空氣量，稱為實際空氣量。實際空氣量與理論空氣量的比值稱為空氣過剩系數α。燃燒時根據操作、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α＞1，燃燒產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α＜1，燃燒產物中含有可燃成分（如CO等）未燃完。<3>中性焰空氣過剩系數α＝1，燃燒產物中沒有過剩的氧，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。現時陶瓷窯爐基本上是采用油或氣作為燃料。氣體燃料燃燒時的空氣過剩系數α值為1.05～1.15，而液體燃料燃燒時的空氣過剩系數α值為1.15～1.25。
實際窯爐爐膛內尤其是輥道窯、隧道窯等連續性窯爐爐膛內，不僅存在燃燒產物，還存在因壓力制度而導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，爐膛內煙氣的氣氛指爐膛內有否及有多少CO、O2等。窯爐不同區域，單獨侵入的空氣量不同（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），氣氛也就不同。而陶瓷制品不是靠哪一個燒嘴燒成的，所以，考察爐膛內氣氛是根本。
陶瓷工藝配方的不同，決定對燒成時氣氛要求不一樣，如工藝要求釉面磚（包括有釉衛生潔具）或含色料多的玻化磚，氣氛則相當大程度上影響到產品的呈色。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態不同而導致呈現不同顏色的原因。陶瓷制品燒成過程中，燒成速度越快，越容易會出現黑心、黑點、氣泡、針孔等缺陷的可能，這是因為給有機質氧化還原反應的時間不足。而真正決定氧化還原反應快慢在于充分的燒嘴氧化氣氛、爐膛氧化氣氛以及相應的煙氣流速。在某些特種陶瓷燒成過程中，氣氛要求更為嚴格，因為氣氛不同直接影響到終產品物理、化學性能的達標。比如磁性陶瓷，因其原料為鐵氧質，而鐵離子在還原氣氛與氧化氣氛中分別存在不同的價態。
實際窯爐爐膛內尤其是輥道窯、隧道窯等連續性窯爐爐膛內，不僅存在燃燒產物，還存在因壓力制度而導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，爐膛內煙氣的氣氛指爐膛內有否及有多少CO、O2等。窯爐不同區域，單獨侵入的空氣量不同（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），氣氛也就不同。而陶瓷制品不是靠哪一個燒嘴燒成的，所以，考察爐膛內氣氛是根本。
陶瓷工藝配方的不同，決定對燒成時氣氛要求不一樣，如工藝要求釉面磚（包括有釉衛生潔具）或含色料多的玻化磚，氣氛則相當大程度上影響到產品的呈色。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態不同而導致呈現不同顏色的原因。陶瓷制品燒成過程中，燒成速度越快，越容易會出現黑心、黑點、氣泡、針孔等缺陷的可能，這是因為給有機質氧化還原反應的時間不足。而真正決定氧化還原反應快慢在于充分的燒嘴氧化氣氛、爐膛氧化氣氛以及相應的煙氣流速。在某些特種陶瓷燒成過程中，氣氛要求更為嚴格，因為氣氛不同直接影響到終產品物理、化學性能的達標。比如磁性陶瓷，因其原料為鐵氧質，而鐵離子在還原氣氛與氧化氣氛中分別存在不同的價態。
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”，陶瓷窯燒成對氣氛的要求十分嚴格、十分重要乃為大多數工程技術人員所認同，然而如何針對性地去調節氣氛，如何控制從而解決類似色差、色號、針孔、黑心、氣泡、黑點、煙熏、鹽霜等缺陷呢，這便是理論與實踐相結合的問題所在。使用燃燒效率分析儀，了解陶瓷窯爐內氣氛的變化，結合溫度、壓力等熱工參數，可針對性控制燒成過程中產品缺陷的形成。
如前所述，氣氛通常分為燒嘴氣氛和爐內氣氛。燒嘴氣氛決定了燒成溫度并終影響爐內氣氛，但由于爐內環境復雜，通常難以測量。燃燒效率分析儀在實際應用過程中通常是測量排煙中的氣體成分，分析燃燒效率，以控制氣氛來指導燒成工藝調整。
一般陶瓷產品的燒成是在850～1050℃之間完成的，磚坯的氧化還原反應不充分時就容易出現黑心、黑點等缺陷。一般在不改變窯速的前提下應爐內氣氛為氧化性氣氛，即空氣過剩系數α值為1.05～1.15。使用燃燒效率分析儀測試得到爐內空氣過剩系數后，如果α值存在偏差時，通常的調節方法有兩種：調整抽煙排量和調整燒嘴氣氛，兩種方法通常需要結合使用。
當實測的空氣過剩系數偏差較大時通常采用調整抽煙排量來改變爐內新風的供給，使得爐內氣氛為弱氧化性氣氛，燒成過程中的氧化反應。但是當抽煙排量變化時，直接導致爐內煙氣流速的變化，容易引起燒成段溫度的改變，直接影響燒成效果。這時必須控制燒嘴溫度的變化，適當調整燒嘴的燃燒，降低溫度的變化引起的影響。當實測的空氣過剩系數偏差較小時通常采用調整燒嘴氣氛，在燒成溫度分布的同時，改變爐內氣氛。這種方法可調整燒成工藝，對產品質量有著直接應響。調整時還應該注意不要造成燒嘴飄火或沖煙現象，避免對爐內氣氛產生的不良影響。
當然，對于爐內氣氛控制的調整，除了考慮爐內溫度外，還有爐內壓力、窯爐密封性等多方面因素，調整方法也不能一概而論，需要綜合考慮。但在調整過程中，燃燒效率分析儀對爐內氣氛的監測尤其重要，這就對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氣氛。燒嘴氣氛決定了燒成溫度并終影響爐內氣氛，但由于爐內環境復雜，通常難以測量。燃燒效率分析儀在實際應用過程中通常是測量排煙中的氣體成分，分析燃燒效率，以控制氣氛來指導燒成工藝調整。
一般陶瓷產品的燒成是在850～1050℃之間完成的，磚坯的氧化還原反應不充分時就容易出現黑心、黑點等缺陷。一般在不改變窯速的前提下應爐內氣氛為氧化性氣氛，即空氣過剩系數α值為1.05～1.15。使用燃燒效率分析儀測試得到爐內空氣過剩系數后，如果α值存在偏差時，通常的調節方法有兩種：調整抽煙排量和調整燒嘴氣氛，兩種方法通常需要結合使用。
當實測的空氣過剩系數偏差較大時通常采用調整抽煙排量來改變爐內新風的供給，使得爐內氣氛為弱氧化性氣氛，燒成過程中的氧化反應。但是當抽煙排量變化時，直接導致爐內煙氣流速的變化，容易引起燒成段溫度的改變，直接影響燒成效果。這時必須控制燒嘴溫度的變化，適當調整燒嘴的燃燒，降低溫度的變化引起的影響。當實測的空氣過剩系數偏差較小時通常采用調整燒嘴氣氛，在燒成溫度分布的同時，改變爐內氣氛。這種方法可調整燒成工藝，對產品質量有著直接應響。調整時還應該注意不要造成燒嘴飄火或沖煙現象，避免對爐內氣氛產生的不良影響。
當然，對于爐內氣氛控制的調整，除了考慮爐內溫度外，還有爐內壓力、窯爐密封性等多方面因素，調整方法也不能一概而論，需要綜合考慮。但在調整過程中，燃燒效率分析儀對爐內氣氛的監測尤其重要，這就對燃燒效率分析儀的性能提出較高的要求。
2、德國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分析其成分，計算得到爐內的空氣過剩系數或燃燒效率。燃燒效率分析儀中一般安裝多個傳感器，傳感器根據測量原理不同分為電化學和紅外兩種。
電化學傳感器由于結構簡單，體積小巧等優點，大多數燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測量CO和O2，計算得到CO2，空氣過剩系數等其他熱工參數。實際使用過程中，由于不同窯爐的煙道壓力不同，經常導致分析儀的取樣流量不同或波動，電化學傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測試精度，而德國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而影響測試精度的現象。
燃燒效率分析儀可抽取窯爐煙道氣體并自動分析其成分，計算得到爐內的空氣過剩系數或燃燒效率。燃燒效率分析儀中一般安裝多個傳感器，傳感器根據測量原理不同分為電化學和紅外兩種。
電化學傳感器由于結構簡單，體積小巧等優點，大多數燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測量CO和O2，計算得到CO2，空氣過剩系數等其他熱工參數。實際使用過程中，由于不同窯爐的煙道壓力不同，經常導致分析儀的取樣流量不同或波動，電化學傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測試精度，而德國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而影響測試精度的現象。
另外，由于煙道排放氣體中還存在SOx、NOx等其他氣體，會對CO測量產生交叉干擾的影響。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性，大部分煙氣分析儀無法對干擾值進行有效補償，而德國益康燃燒效率分析儀通過的現場實測數據，建立了專門的矩陣補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量精度優于同類產品的重要因素之一。此外CO電化學傳感器在排放氣體濃度較高時還容易出現“中毒”現象，可能導致傳感器*失效。而德國益康燃燒效率分析儀則可配備CO量程自動關斷功能、自動抽取清晰空氣清洗，有效避免CO傳感器自“中毒”現象。同時德國益康煙氣分析儀還具有靈敏度高，精度好，皮實耐用等等優點，這些特點均有利于實現窯爐氣氛的控制。
3、實現CO2實測功能可實現過剩空氣的控制
大部分使用電化學傳感器的燃燒效率分析儀中CO2的濃度是通過計算得到的，并不能代表實際排煙中的CO2含量。參考GB/T 15317-2009 《燃煤工業鍋爐節能監測》中關于空氣系數的測試方法，空氣系數是采用奧氏分析儀或燃燒效率分析儀，測出煙氣中含氧量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）計算：
…………………………….. （1）
通常認為排放中的CO、SO2等均為少量，可將公式（1）簡化成公式（2）：
…………………………
大部分使用電化學傳感器的燃燒效率分析儀中CO2的濃度是通過計算得到的，并不能代表實際排煙中的CO2含量。參考GB/T 15317-2009 《燃煤工業鍋爐節能監測》中關于空氣系數的測試方法，空氣系數是采用奧氏分析儀或燃燒效率分析儀，測出煙氣中含氧量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）計算：
…………………………….. （1）
通常認為排放中的CO、SO2等均為少量，可將公式（1）簡化成公式（2）：
…………………………
（2）
如果忽略CO2，公式（2）進一步簡化為公式（3）：
…………………………….. （3）
可以看出使用公式（3）的條件是實際燃燒狀況接近*燃燒，可對燃燒作一個近似估算。但陶瓷窯的燃燒狀況復雜，受到各種因素的影響，要對窯爐氣氛實現控制，以實現的燃燒工況，就必須使用公式（2）甚至公式（1）來評估燃燒狀況，使用這兩個計算方法的前提就是實現CO2測試功能。近年來市場銷售的燃燒效率分析儀中，也逐漸出現了符合該要求此類儀器，比如德國益康J2KN煙氣分析儀的則可同時實現CO、CO2和O2的實測，計算得到的空氣系數，以指導燃燒控制。
總的來說陶瓷的燒成工藝決定了陶瓷產品的終質量，對窯爐的氣氛控制要求應該綜合分析溫度、壓力等因素的影響，通過使用燃燒效率分析儀實現的測量，指導燃燒調整，終達到提高陶瓷窯爐出爐質量和降低窯爐能耗的目的，為陶瓷生產企業提益。
如果忽略CO2，公式（2）進一步簡化為公式（3）：
…………………………….. （3）
可以看出使用公式（3）的條件是實際燃燒狀況接近*燃燒，可對燃燒作一個近似估算。但陶瓷窯的燃燒狀況復雜，受到各種因素的影響，要對窯爐氣氛實現控制，以實現的燃燒工況，就必須使用公式（2）甚至公式（1）來評估燃燒狀況，使用這兩個計算方法的前提就是實現CO2測試功能。近年來市場銷售的燃燒效率分析儀中，也逐漸出現了符合該要求此類儀器，比如德國益康J2KN煙氣分析儀的則可同時實現CO、CO2和O2的實測，計算得到的空氣系數，以指導燃燒控制。
總的來說陶瓷的燒成工藝決定了陶瓷產品的終質量，對窯爐的氣氛控制要求應該綜合分析溫度、壓力等因素的影響，通過使用燃燒效率分析儀實現的測量，指導燃燒調整，終達到提高陶瓷窯爐出爐質量和降低窯爐能耗的目的，為陶瓷生產企業提益。
