天然气催化燃烧炉窑特性研究及烧制唐三彩的应用

祝立强，张世红，刘富良

（1 北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；2 巩义市文物考古研究所，河南 巩义 451200）

唐三彩盛行于唐代，它以选型生动逼真、釉彩斑斓艳丽和富有生活气息著称，是一种有独特风格的彩陶工艺品。早在唐初，唐三彩就被输出国外，深受各国人民的喜爱[1]。直到今天，其魅力和价值依然有增无减。至今河南还有大批的炉窑用来烧制唐三彩。但是传统的烧制工艺是使用电烧或者以煤炭、煤气为原料的火焰燃烧，存在诸多缺点。如电加热炉窑，电能是二次能源，在一次能源转化为二次能源的过程中，只能利用原来原料中能量的30%～70%[2]，是对能源的极大浪费。而以煤炭、煤气为原料，燃烧产生大量的有害气体，对环境造成严重污染[3]。近年来开始出现天然气炉窑，天然气炉窑烧制虽然是以清洁能源为原料的炉窑，烧制的是一次能源，但燃烧方式为普通的火焰燃烧。火焰燃烧不但易产生CO 和NOx，而且还容易造成天然气中的甲烷反应的不完全，从而导致燃料的浪费[4]。利用催化燃烧的方式，燃烧发生在常规气相易燃极限之外，因此燃烧更加稳定而且燃烧效率接近100%[5]，并且由于催化燃烧机理[6]及催化剂载体所能承受的能力限制，催化剂表面正常工作温度为1100℃左右，而此时催化燃烧达到了CO 和NOx的近零污染排放[7]。本文天然气催化燃烧炉窑是将催化燃烧和炉窑结合到一起，充分利用催化燃烧的优势，并将其应用于烧制唐三彩。

1 实验装置与过程

图1 为天然气催化燃烧炉窑系统图。实验中，由变频风机和燃气流量计控制输入催化燃烧器的天然气和空气的气体比例，以保证催化燃烧器正常燃烧。燃烧器和炉窑相连接，为炉窑提供热源。烧制完的烟气经过管道被吸入烟气分析仪，以便测量烟气中各种气体的成分。

本实验采用的催化燃烧器为V 形催化燃烧器。V 燃烧器燃烧面是由两块正方形独石并排放置组成的，所用独石为堇青石蜂窝陶瓷，独石内表面上镀着钯（Pd）和铑（Rh）催化剂（由昆明贵研催化剂有限责任公司提供）， 独石截面尺寸为150mm×150mm，厚度为20mm。独石孔道尺寸1mm×1mm，壁厚0.18mm。为了对混合气体进行整流以及防止催化独石在燃烧时产生的热量过多的向后方传递，在催化独石和混合气体之间，并列加上两块空白的独石[8]。

实 验 中 使 用 燃 气 体 积 流 量 计（CMS0050BSRN200000）、空气体积流量计（CMG400A080100000）、NO-NO2-NOx热电烟气分析仪（赛默飞世尔科技公司，型号42i）和CO/CO2热电烟气分析仪（赛默飞世尔科技公司，型号分别为48i、410i）。烟气通过安装在天然气催化燃烧炉窑的排烟口处的吸管将烟气吸入烟气分析仪进行浓度测量。炉膛壁使用的是耐高温，高强度氧化铝陶瓷纤维板。使用数字热电偶测温仪（307P）对炉膛中的温度做测量。

实验分为两组：一组是利用天然气催化燃烧炉窑进行空烧，另一组是利用天然气催化燃烧炉窑烧制已经上完彩釉的唐三彩素胚。

第一组空烧实验。实验进行前，运行风机对炉膛进行吹风，以排除上次实验残留在炉膛中的天然气的干扰[8]。然后在过量空气系数为1.3 的情况下启动燃烧器，此时的燃烧为火焰燃烧。观察独石表面到火焰消失的状态，调大空气量至过量空气系数为2 时的对应值，此时的燃烧为催化燃烧。

实验中利用数字热电偶测温仪测量炉膛中心位置的温度，记下烧制时间和温度，根据温度的变化选择烧制唐三彩的适合的炉门关闭时间。规定天然气催化燃烧炉窑开始催化的时间定义为实验开始计时的时间。热电偶测头测量的位置为距转盘垂直距离6cm 处。

图1 天然气催化燃烧炉窑系统图

通过第一组空烧天然气催化燃烧炉窑了解了炉窑的特性，为第二组能更好地烧制唐三彩作铺垫。

第二组烧制为用天然气催化燃烧炉窑烧制出成品唐三彩。本组实验是使用已经上完釉的素胚，烧制之前和空烧所做的准备工作一致。

烧制唐三彩素胚火候很重要，掌握好了，素烧的胎体就不会变形、开裂。在彩釉熔烧时，才能有效地控制胎和釉的膨胀系数，使得釉层均匀，胎釉结合得坚密。

经过多次的烧制实验尝试，将天然气催化燃烧炉窑制炉膛温度控制在850℃，烧制的效果最好。此次实验是炉膛最高温度为850℃时烧制的唐三彩。在实验过程中，记录下时间、温度以及排出的烟气中污染物的浓度。

2 实验结果及分析

图2 为燃气流量5L/min、空气流量为5.7m3/h情况下，记录了天然气催化燃烧炉窑在燃烧30min后关闭炉门和在燃烧35min 后关闭炉门炉膛中垂直方向中轴线位置的温度变化。图中距离为热电偶测温仪测头到托盘的竖直高度。从图2 中可以看出，当时间为30min 时，炉膛内的温度梯度很大，gradt=8.13℃/cm；而在时间为35min 时，温度梯度很小，较平稳，gradt=1.5℃/cm，而且整体平均温度较高。在烧制唐三彩过程中，温度随着高度缓慢的升高能够保证在烧制过程中不会因受热不均匀而导致素胚本身受热应力过大而崩裂，保证了烧制的唐三彩的完整性。由图2 可以得出，为了保证唐三彩的烧制效果，在用天然气催化燃烧炉窑烧制唐三彩过程中选择关门的时间为35min 左右比较合适。

图2 炉膛中垂直方向中轴线位置不同高度的温度分布

唐三彩的烧制为二次烧制，即素烧的胎体经过上釉工序后入窑再次烧制，经查阅资料，这个阶段 的温度控制在850～900℃为适合。所以，为了烧制出更好的唐三彩，对天然气催化燃烧炉窑进行了试烧。通过调节炉窑门打开的程度和调节天然气的流量来提高炉膛的温度，为烧制唐三彩温度控制积累经验。从图3 中可以看出，在空烧过程中，温度随烧制时间比较均匀地上升，当温度达到第90min 时，炉膛中的温度已经可以达到了880℃，说明天然气催化燃烧炉窑能满足烧制唐三彩的温度要求。在烧制过程中，温度随时间均匀地升高，保证了在烧制过程中素胚本身不会因为温度的骤然升高而崩裂，从而提高了唐三彩的烧制质量。

从图4 可以看出，炉窑门打开的时间段内，无论是空烧工况还是烧制唐三彩的工况，NOx的含量都是非常低，这是因为炉窑门是敞开的，有一部分空气混入到炉窑产生的烟气中，稀释了NOx，使得其含量很低。当炉窑门关闭后，可以看出空烧工况和烧制唐三彩工况中NOx含量都是随着温度时间增加而升高。当温度达到烧制需要的850℃时，两种工况下的产生NOx的含量很接近，基本稳定不变，均在9.45mg/m3左右，说明烧制唐三彩的过程中，唐三彩本身不再产生NOx。整个烧制过程中，NOx的排放含量都非常低，远远小于国家规定的200mg/m3。同时与已经是使用清洁燃料天然气的工业炉窑相比较，因为工业炉窑的燃烧方式是火焰燃烧，温度大部分都在1200℃以上，此时NOx的生成量随温度为指数递增的关系，产生大量的NOx；而天然气催化燃烧炉窑工作温度一般都小于1100℃，产生的NOx小于10mg/m3，达到了近零污染排放。

图3 不同工况下测温点的温度分布

图4 不同工况下天然气催化燃烧炉窑产生的烟气中 NOx 含量分布

由图5 可以看出，炉窑门关之前，和NOx趋势一样，烟气中的CO2含量都很低，这是因为外面的空气混入到烟气中造成的，稀释了CO2的浓度。当炉窑的门关闭后，不像NOx的浓度一样缓慢地上升，CO2含量迅速上升，并且无论是空烧工况还是烧制唐三彩的工况，浓度最终稳定到9.8×104mg/m3左右，这是因为CO2是由V形催化燃烧器燃烧产生的，与是否空烧没有关系。素胚以及彩釉在烧制的过程中本身不再产生CO2。

从图6 可以看出，在空烧炉窑的工况下，CO的含量随时间是增加的，最高值达到33.75mg/m3，此时的温度为838℃，随后随着温度的继续增加，CO 的含量开始下降。这是因为炉窑中有保温材料，在高温的状态下，向外释放CO。在烧制唐三彩素胚的工况下，关门后含量开始缓慢上升，到45min时，CO 含量迅速增加，并在72min 达到峰值119.13mg/m3，随后CO 含量开始下降，最后达到26.25mg/m3。这说明唐三彩素胚及彩釉，在高温的烧制条件下，产生了CO，随着时间的推移，反应物慢慢减少，使得产生的CO 含量也逐渐下降，最终CO 浓度和空烧的工况相一致。经查阅资料，根据北京市颁布的工业炉窑排放标准，大气污染最高 允许排放CO 浓度为200mg/m3[9]。实际的工业炉窑中，CO 排放值一般都大于这个标准所限定的数值。比较不难得出这样的结果：天然气催化燃烧炉窑产生的CO 含量较低，属于低污染炉窑。

图5 不同工况下天然气催化燃烧炉窑产生的烟气中 CO2 含量分布

图6 不同工况下天然气催化燃烧炉窑产生的烟气中 CO 含量分布

图7 为用天然气催化燃烧炉窑烧制的双系扁壶唐三彩。从外观看，用天然气催化燃烧炉窑烧完的唐三彩胎体完整，没有变形、开裂，胎釉结合紧密。从颜色上来看，胎体是主要有白、黄、绿、紫4 种颜色交错的使用，经过高温辐射的烧烤，4 种颜色都有不同程度的浸漫和流淌，形成了自上而下的弯曲彩带，并随着胎体表面凸凹变化，附着在的凤凰造型表面，形成了变幻莫测、自然天成的垂流条纹，最终呈现出一副很具有魅力的抽象画，艺术气息强烈。整体看来，釉面较新，有一定的亮度，手感十分光滑。仔细观察烧制的唐三彩，可以看出用天然气催化燃烧炉窑烧制的唐三彩通体开片均匀，纹路相对于工业炉窑烧制的三彩更加细碎且纹路较短，更加符合唐三彩因开片形成独特的美感。综上分析表明，烧制过程及烧制时间掌握的比较好，成品已经超过了工业炉窑烧制的唐三彩，结合唐三彩的千变万化的造型，更能赋予唐三彩不同的寓意，使其不仅仅是工艺品，更具有很高的艺术价值。

图7 天然气催化燃烧炉窑烧制的双系扁壶唐三彩成品

3 结 论

通过研究天然气催化燃烧炉窑的特性，可以得出天然气催化燃烧炉窑产生的污染物浓度很低，而且由于催化燃烧的是整个燃烧表面向外辐射热 量[10]，不出现有焰燃烧的局部高温现象，使得烧制的双系扁壶唐三彩表面受热更加均匀，色彩光亮且相互浸漫和流淌，艺术气息强烈，可以和传统工艺烧制的唐三彩相媲美。所以，在全球致力于环境污染治理的大背景下，天然气催化燃烧炉窑在低污染物排放同时具有良好的烧制唐三彩的效果，在传统工艺得到传承的同时大大降低了对环境的污染，大量推广可以改善传统工业炉窑对环境的污染，是替代传统高污染炉窑发展的一个重要方向。

致谢：感谢北京市供热、供燃气、通风及空调专业重点实验室提供的帮助。

[1] 华文图景收藏项目组. 唐三彩收藏实用解析[M]. 北京：中国轻工业出版社，2008：1-10.

[2] 能源加工转化的几种形式及其效率[E/OL]. 沈阳节能信息网，2007.07. http：//www.syjn.gov.cn/html/ jienenzhishi/nenyuanjiliang/ 20090725/34.html.

[3] 刘建平. 改善工业炉窑燃烧技术实现节能减排[J]. 科技风，2011 （8）：266-266.

[4] 耿博潇，张世红. 天然气普通燃烧中 NOx，CO 和未完全燃烧 CH4排放的研究[J]. 北京建筑工程学院学报，2010，26（3）：37-41.

[5] 张世红. 天然气催化烯烧近零污染物排放机理及应用进展[J]. 中国科技成果，2011（14）：45-48.

[6] Aasberg-Petersen K，Dybkjær I，Ovesen C V，et al. Natural gas to synthesis gas—Catalysts and catalytic processes[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2011，3（2）：423-459.

[7] 张世红，Dupont Valerie，周琦，等. 天然气催化燃烧近零污染物排放机理和应用[M]. 北京：科学出版社，2008.

[8] 李宁. 催化燃烧冷凝锅炉热效率及节能特性研究[D]. 北京：北京建筑工程学院，2011.

[9] 北京市环境保护局. DB11/501—2007，大气污染物综合排放标准[S].

[10] Farrusseng David. Metal-Organic Frameworks：Applications from Catalysis to Gas Storage[M]. New York：John Wiley & Sons，2011.