1.本发明涉及陶瓷窑炉节能减排技术领域，具体涉及一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统及节能工艺。
背景技术：2.替代煤炭和天然气，成为陶瓷窑炉碳中和目标实现的能源主力军是氢能和承接可再生能源的电力。另外，陶瓷窑炉采用天然气作燃料，由于其热值较高导致极易发生燃烧温度过高，氮氧化物排放量过高等污染问题，亟待解决。
3.此外，陶瓷窑炉的余热也未被充分利用，陶瓷窑炉的能耗居高不下。
4.解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放行业难题比较好的一种办法就是氢能和电能联合使用。即利用电能电解陶瓷窑炉废汽余热产生的高温蒸汽制取氢气和氧气，然后将产生的氢气和氧气输送到陶瓷窑炉富氧燃烧产生过热蒸汽，余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合，形成闭式循环实现零污染排放。因此，氢能作为终极清洁能源，如何把氢能成功地应用于陶瓷窑炉上，已经成为一个亟待解决的问题。
5.专利文献cn114166020a公开了一种陶瓷辊道窑炉专用生物质燃烧系统及工艺，该方案采用陶瓷辊道窑炉排出的高温低氧烟气和热空气作为生物质气化炉的气化剂，在提高生物质气化炉气化效率的同时降低了窑炉氮氧化物的排放浓度；利用陶瓷辊道窑炉排出的高温烟气的余热来加热液态戊烷和生物质燃气，使液态戊烷气化成气态戊烷后在燃气总管中和生物质燃气均匀混合，有效提高了燃料气的热值，可以基本达到天然气的热值。但是该方案无法适用于氢气燃料。
技术实现要素：6.为了解决上述背景技术存在的至少一项技术问题，本发明提供一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统及节能工艺。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，所述陶瓷窑炉包括冷却段、燃烧段以及预热段，所述系统包括水供应与处理单元、热交换器、电解水蒸汽制氢制氧单元；
9.所述电解水蒸汽制氢制氧单元中水蒸汽来源于水供应与处理单元所产生的洁净水经过热交换器i和热交换器ii加热后产生；所述热交换器ii的热源来源于陶瓷窑炉预热段废汽，热交换器i的热源来源于预热段废汽和冷却段废汽，预热段废汽和冷却段废汽冷凝后的水再次进入水供应与处理单元循环利用；
10.所述电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气混合后在陶瓷窑炉燃烧段中进行燃烧，产生过热蒸汽。
11.进一步地，所述氢气和氧气在陶瓷窑炉采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合。
12.进一步地，所述电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气分别进入氢气和
氧气总管，在所述氢气和氧气总管中分别设置有若干氢气支管和氧气支管，一氢气支管和一氧气支管连接至一预混器，以使氢气和氧气在预混器内按富氧燃烧要求比例充分混合，混合后再引入至陶瓷窑炉燃烧段内的气体烧嘴。
13.进一步地，在所述氢气支管和氧气支管中均安装有电动风门，以调节流量，控制氢氧比保持不变。
14.进一步地，所述氢气和氧气采用全自动连锁控制，根据陶瓷窑炉温度自动调节氢气和氧气气体流量，维持炉温恒定。
15.进一步地，在所述预混器和气体烧嘴之间的管路中设置有电磁阀。
16.进一步地，所述氢气总管和外供氢耦合单元相连接，以在电能不足或电解氢气不足的情况下，通过外供氢耦合单元补给。
17.进一步地，所述氧气总管和外供氧/空气耦合单元相连接，以在电能不足或电解氧气不足的情况下，通过外供氧/空气耦合单元补给。
18.进一步地，所述电解水蒸汽制氢制氧单元通过电能供应单元提供电能。
19.进一步地，所述氢气和氧气在预混器内比例范围为1:0.6～1:0.7。
20.本发明还提供了一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧节能工艺，基于上述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，所述工艺包括：
21.陶瓷制品在陶瓷窑炉干燥过程中采用过热蒸汽干燥技术；
22.电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气在陶瓷窑炉燃烧段中采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合；
23.陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100％回收，实现排烟废汽热损失为零；
24.陶瓷窑炉余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合，余热梯次利用产生的水蒸气温度越高，电解所需电能越少；
25.陶瓷窑炉与氢气燃烧系统结合应用于陶瓷制品干燥，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放。
26.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
27.1、过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品，过热蒸汽干燥传热传质效率高，过热蒸汽干燥传热系数为200-500w/(m2·
k),而天然气燃烧产生的热风干燥传热系数仅为20-50w/(m2·
k)；此外，蒸汽有较高的比热容，是热空气的2倍，过热蒸汽干燥能提供较大的热流密度，传热效果更加显著；在陶瓷制品整个干燥过程中，几乎仅有液态水及水蒸汽分子存在，基于汽液传质双膜理论，由于采用过热蒸汽干燥，从陶瓷制品表面移去水蒸汽的阻力可以忽略，过热蒸汽干燥无气膜传质阻力。可见，陶瓷制品水分从表面蒸发移动是通过以液流的压力差产生的体积流动动力来推动，相比于天然气燃烧热风干燥以通过质的扩散来推动，传质效果也更加显著，陶瓷制品干燥速率显著提升。整体而言，过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品其单位产品能耗仅为热风干燥能耗的1/3-1/5，节能效果显著。
28.2、富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合，燃烧利用效率更高；利用电能电解陶瓷窑炉废汽余热产生的高温蒸汽制取氢气和氧气后，通过氢气总管和氧气总管输送，在预混器内按比例充分混合后再进入喷嘴。由于氧气含量高，通过富氧燃烧能源综合利用效率非常高；另外预混燃烧热效率远高于扩散燃烧，进一步可以降低能源消耗量。氢气和氧气在预
混器内比例范围在1:0.6～1:0.7时，所能达到的富氧燃烧和预混燃烧效果最佳，能产生1500℃及以上的过热蒸汽。
29.3、陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100％回收，实现排烟废汽热损失为零；天然气燃烧产生的热风干燥带走陶瓷制品的水蒸气后，所形成的排烟废气(普遍高于200℃以上)含有大量的水蒸汽潜热及热空气显热难以回收直接排放。而干燥陶瓷制品后的过热蒸汽废汽经过梯次利用，采用冷凝换热回收其潜热，用于加热通过水供应与处理单元产生的水形成高温水蒸汽，冷凝水经过水供应与处理单元后重新利用，无需对外排放，余热100％回收。可见，过热蒸汽干燥余热的回收利用非常彻底，热效率更高，同时废汽热损失为零。
30.4、氢气和氧气按比例定量计量及自动连锁控制；预混器的氢气和氧气管路上均安装有简易测量装置的电动风门，用于精确调节流量，确保氢氧比保持不变。氢气和氧气采用全自动连锁控制，做到氢气关停，氧气也关停，可以长时间保持炉窑温度，节省大量燃料。同时根据窑炉温度自动调节氢气和氧气流量，维持炉温恒定；当窑炉温度高于规定值时，减少氢气和氧气流量供应，当窑炉温度低于规定值时，增加氢气和氧气流量供应。
31.5、陶瓷窑炉余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合，余热梯次利用产生的水蒸气温度越高，电解所需电能越少；水供应与处理单元产生的洁净水在热交换器i中与陶瓷窑炉冷却段排出的300℃高温废汽进行热交换，在热交换器ii中继续与预热段排出的500-600℃的高温废汽进行热交换，洁净水吸收热量后产生的水蒸气温度越高，电解效率更高。通过陶瓷窑炉余热梯级利用，有利于产生温度更高的水蒸汽，电解水蒸汽时所需电能就越少。
32.6、陶瓷窑炉结合氢能利用，闭式循环实现零污染排放；陶瓷窑炉与氢能燃烧系统结合应用于陶瓷制品干燥，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放，解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放难题。
附图说明
33.图1为本发明实施例提供的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统组成示意图；
34.图2为热风干燥陶瓷制品传热传质示意图；
35.图3为过热蒸汽干燥陶瓷制品传热传质示意图；
36.图中：1、水供应与处理单元；2、高温电解水蒸汽制氢制氧单元；3、电能供应单元；4、氢气总管；5、氧气总管；6、氢气支管；7、氧气支管；8、预混器；9、烧嘴；10、电磁阀； 11、外供氢耦合单元；12、外供氧/空气耦合单元；13、电动风门；14、氢气纯化器；15、氧气纯化器；16、氢气缓冲罐；17、氧气缓冲罐；18、阻火器；19、排汽风机；100、陶瓷窑炉。
具体实施方式
37.实施例：
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语
在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
39.参阅图1所示，本实施例提供的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，该陶瓷窑炉100包括冷却段、燃烧段以及预热段；该系统主要包括水供应与处理单元1、热交换器、高温电解水蒸汽制氢制氧单元2。
40.其中，该高温电解水蒸汽制氢制氧单元2中水蒸汽来源于水供应与处理单元1所产生的洁净水经过热交换器i和热交换器ii加热后产生；该热交换器ii的热源来源于陶瓷窑炉预热段废汽，热交换器i的热源来源于预热段废汽和冷却段废汽，预热段废汽和冷却段废汽冷凝后的水经排汽风机19的排抽作用下再次进入水供应与处理单元1循环利用。如此，即可以使陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100％回收，实现排烟废汽热损失为零；天然气燃烧产生的热风干燥带走陶瓷制品的水蒸气后，所形成的排烟废气(普遍高于200℃以上)含有大量的水蒸汽潜热及热空气显热难以回收直接排放。而干燥陶瓷制品后的过热蒸汽废汽经过梯次利用，采用冷凝换热回收其潜热，用于加热通过水供应与处理单元2产生的水形成高温水蒸汽，冷凝水经过水供应与处理单元后重新利用，无需对外排放，余热100％回收。可见，过热蒸汽干燥余热的回收利用非常彻底，热效率更高，同时废汽热损失为零。
41.该电解水蒸汽制氢制氧单元2所电解出的氢气和氧气混合后在陶瓷窑炉燃烧段中进行燃烧，从而产生过热蒸汽，也就是说，过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品，过热蒸汽干燥传热传质效率高，过热蒸汽干燥传热系数为200-500w/(m2·
k),而天然气燃烧产生的热风干燥传热系数仅为20-50w/(m2·
k)；此外，蒸汽有较高的比热容，是热空气的2倍，过热蒸汽干燥能提供较大的热流密度，传热效果更加显著；如图3所示，在陶瓷制品整个干燥过程中，几乎仅有液态水及水蒸汽分子存在，基于汽液传质双膜理论，由于采用过热蒸汽干燥，从陶瓷制品表面移去水蒸汽的阻力可以忽略，过热蒸汽干燥无气膜传质阻力。可见，陶瓷制品水分从表面蒸发移动是通过以液流的压力差产生的体积流动动力来推动，相比于图2所示的天然气燃烧热风干燥以通过质的扩散来推动，传质效果也更加显著，陶瓷制品干燥速率显著提升。整体而言，过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品其单位产品能耗仅为热风干燥能耗的1/3-1/5，节能效果显著。同时，氢能作为终极清洁能源，实现氢能在陶瓷窑炉的利用，解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放问题，有利于陶瓷行业转型升级。
42.作为本实施例的一种优选，该氢气和氧气在陶瓷窑炉采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合。氢气和氧气在陶瓷窑炉采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合，富氧燃烧具有能源综合利用效率高的优点，预混燃烧相较于扩散燃烧具有热效率高的优点。
43.在一具体实施例中，该电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气分别经过氢气纯化器14和氧气纯化器15进行深度吸附干燥处理，获取高纯氢气和氧气，氢气纯化器和氧气纯化器是用不锈钢板卷成管状焊接，内部分别装有脱氧分子筛和脱氢分子筛；纯化处理后的氢气和氧气分别进入氢气缓冲罐16和氧气缓冲罐17，通过缓冲罐缓解氢气和氧气输送压力波动，使系统工作压力更为平稳，最后进入氢气总管4和氧气总管5，在该氢气总管4和氧气总管5中分别设置有若干氢气支管6和氧气支管7，一氢气支管6和一氧气支管7连接至一预混器8(陶瓷窑炉一般有20多个燃烧区(示意图画出了三个区)。每个区集中安装一个预混器8，以使氢气和氧气在预混器内按富氧燃烧要求比例充分混合；发明人在一次偶然的实验中发现，氢气和氧气在预混器内比例范围在1:0.6～1:0.7时，所能达到的富氧燃烧和
预混燃烧效果最佳，能产生1500℃及以上的过热蒸汽；混合后通过阻火器18再引入至陶瓷窑炉燃烧段内的气体烧嘴9。优选地，在该氢气支管6和氧气支管7中均安装有简易测量装置的电动风门13，可以精确调节流量，精确控制氢氧比保持不变。此外，氢气和氧气采用全自动连锁控制，根据窑炉温度自动调节氢气和氧气气体流量，维持炉温恒定。同时，在预混器8 和烧嘴9相连接的管路中装有电磁阀10和阻火器18，在燃烧区温度达到上限值可以随时切断氢气和氧气混合物进入窑炉的通道，做到氢气和氧气同时关停，可以长时间保持炉窑温度，节省燃料。
44.作为本实施例的另一种优选，该氢气总管4和外供氢耦合单元11相连接，以在电能不足或电解氢气不足的情况下，通过外供氢耦合单元11补给；该氧气总管5和外供氧/空气耦合单元12相连接，以在电能不足或电解氧气不足的情况下，通过外供氧/空气耦合单元12补给。
45.综上，本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：
46.1、过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品，过热蒸汽干燥传热传质效率高，过热蒸汽干燥传热系数为200-500w/(m2·
k),而天然气燃烧产生的热风干燥传热系数仅为20-50w/(m2·
k)；此外，蒸汽有较高的比热容，是热空气的2倍，过热蒸汽干燥能提供较大的热流密度，传热效果更加显著；在陶瓷制品整个干燥过程中，几乎仅有液态水及水蒸汽分子存在，基于汽液传质双膜理论，由于采用过热蒸汽干燥，从陶瓷制品表面移去水蒸汽的阻力可以忽略，过热蒸汽干燥无气膜传质阻力。可见，陶瓷制品水分从表面蒸发移动是通过以液流的压力差产生的体积流动动力来推动，相比于天然气燃烧热风干燥以通过质的扩散来推动，传质效果也更加显著，陶瓷制品干燥速率显著提升。整体而言，过热蒸汽干燥技术应用于陶瓷制品其单位产品能耗仅为热风干燥能耗的1/3-1/5，节能效果显著。
47.2、富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合，燃烧利用效率更高；利用电能电解陶瓷窑炉废汽余热产生的高温蒸汽制取氢气和氧气后，通过氢气总管和氧气总管输送，在预混器内按比例充分混合后再进入喷嘴。由于氧气含量高，通过富氧燃烧能源综合利用效率非常高；另外预混燃烧热效率远高于扩散燃烧，进一步可以降低能源消耗量。氢气和氧气在预混器内比例范围在1:0.6～1:0.7时，所能达到的富氧燃烧和预混燃烧效果最佳，能产生1500℃及以上的过热蒸汽。
48.3、陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100％回收，实现排烟废汽热损失为零；天然气燃烧产生的热风干燥带走陶瓷制品的水蒸气后，所形成的排烟废气(普遍高于200℃以上)含有大量的水蒸汽潜热及热空气显热难以回收直接排放。而干燥陶瓷制品后的过热蒸汽废汽经过梯次利用，采用冷凝换热回收其潜热，用于加热通过水供应与处理单元产生的水形成高温水蒸汽，冷凝水经过水供应与处理单元后重新利用，无需对外排放，余热100％回收。可见，过热蒸汽干燥余热的回收利用非常彻底，热效率更高，同时废汽热损失为零。
49.4、氢气和氧气按比例定量计量及自动连锁控制；预混器的氢气和氧气管路上均安装有简易测量装置的电动风门，用于精确调节流量，确保氢氧比保持不变。氢气和氧气采用全自动连锁控制，做到氢气关停，氧气也关停，可以长时间保持炉窑温度，节省大量燃料。同时根据窑炉温度自动调节氢气和氧气流量，维持炉温恒定；当窑炉温度高于规定值时，减少氢气和氧气流量供应，当窑炉温度低于规定值时，增加氢气和氧气流量供应。
50.5、陶瓷窑炉余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合；水供应与处理单元产生的洁净水在热交换器i中与陶瓷窑炉冷却段排出的300℃高温废汽进行热交换，在热交换器ii 中继续与预热段排出的500-600℃的高温废汽进行热交换，洁净水吸收热量后产生的水蒸气温度越高，电解所需电能越少。通过陶瓷窑炉余热梯级利用，有利于产生温度更高的水蒸汽，电解水蒸汽时所需电能就越少。
51.6、陶瓷窑炉结合氢能利用，闭式循环实现零污染排放；陶瓷窑炉与氢能燃烧系统结合应用于陶瓷制品干燥，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放，解决陶瓷窑炉高能耗高污染高排放难题，有利于陶瓷行业转型升级。
52.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，所述陶瓷窑炉包括冷却段、燃烧段以及预热段，其特征在于，所述系统包括水供应与处理单元、热交换器、电解水蒸汽制氢制氧单元；所述电解水蒸汽制氢制氧单元中水蒸汽来源于水供应与处理单元所产生的洁净水经过热交换器i和热交换器ii加热后产生；所述热交换器ii的热源来源于陶瓷窑炉预热段废汽，热交换器i的热源来源于预热段废汽和冷却段废汽，预热段废汽和冷却段废汽冷凝后的水再次进入水供应与处理单元循环利用；所述电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气混合后在陶瓷窑炉燃烧段中进行燃烧，产生过热蒸汽。2.如权利要求1所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述氢气和氧气在陶瓷窑炉采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合。3.如权利要求2所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气分别进入氢气和氧气总管，在所述氢气和氧气总管中分别设置有若干氢气支管和氧气支管，一氢气支管和一氧气支管连接至一预混器，以使氢气和氧气在预混器内按富氧燃烧要求比例充分混合，混合后再引入至陶瓷窑炉燃烧段内的气体烧嘴。4.如权利要求3所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，在所述氢气支管和氧气支管中均安装有电动风门，以调节流量，控制氢氧比保持不变。5.如权利要求4所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述氢气和氧气采用全自动连锁控制，根据陶瓷窑炉温度自动调节氢气和氧气气体流量，维持炉温恒定。6.如权利要求3所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，在所述预混器和气体烧嘴之间的管路中设置有电磁阀。7.如权利要求3所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述氢气总管和外供氢耦合单元相连接，以在电能不足或电解氢气不足的情况下，通过外供氢耦合单元补给。8.如权利要求3或7所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述氧气总管和外供氧/空气耦合单元相连接，以在电能不足或电解氧气不足的情况下，通过外供氧/空气耦合单元补给。9.如权利要求3所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述氢气和氧气在预混器内比例范围为1:0.6～1:0.7。10.一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧节能工艺，基于权利要求1所述的陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统，其特征在于，所述工艺包括：陶瓷制品在陶瓷窑炉干燥过程中采用过热蒸汽干燥技术；电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气在陶瓷窑炉燃烧段中采用富氧燃烧技术和预混燃烧技术相结合；陶瓷窑炉氢气燃烧排烟废汽余热梯次利用，余热100％回收，实现排烟废汽热损失为零；陶瓷窑炉余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合，余热梯次利用产生的水蒸气温度越高，电解所需电能越少；陶瓷窑炉与氢气燃烧系统结合应用于陶瓷制品干燥，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放。
技术总结本发明公开了一种陶瓷窑炉氢气燃料燃烧系统及节能工艺，该系统包括水供应与处理单元、热交换器、电解水蒸汽制氢制氧单元；电解水蒸汽制氢制氧单元中水蒸汽来源于水供应与处理单元所产生的洁净水经过热交换器I和热交换器II加热后产生；热交换器II和热交换器I的热源来源于陶瓷窑炉预热段废汽和冷却段废汽，废汽冷凝后的水再次进入水供应与处理单元循环利用，废汽余热100％回收；陶瓷窑炉余热梯次利用与电能电解高温水蒸汽技术相耦合，余热梯次利用产生的水蒸气温度越高，电解所需电能越少；电解水蒸汽制氢制氧单元所电解出的氢气和氧气在预混器内按富氧燃烧要求比例充分混合后燃烧，产生过热蒸汽干燥陶瓷制品，采用闭式循环节能工艺实现零污染排放。循环节能工艺实现零污染排放。循环节能工艺实现零污染排放。
技术研发人员：黄阔 陈国宇 陈立玲 黄允生 郑桂兴 梁慧轩
受保护的技术使用者：广州能源检测研究院
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
