陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料的制作方法

专利名称：：陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种再生燃料，特别涉及一种陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料。技术背景我国是陶瓷生产大国，日用瓷和建筑卫生陶瓷的产量均居世界第一。据有关资料显示，2007年建筑陶瓷砖产量达50亿平方米，占全世界第一；卫生陶瓷1.5亿件，全国有陶瓷厂上万家，拥有大小窑炉几万条，消耗能源4000万5000万吨标准煤。然而，我国是一个能源资源相对贫乏的国家，而陶瓷行业是一个高能耗的行业，能耗占陶瓷生产成本的30%~40%，陶瓷的高能耗必然带来高污染，故全国迅猛发展的陶瓷业对我国的环境造成很大的污染，特别是陶瓷发展迅速的瓷区及周边地区更为严重。全国各主要瓷区已出现不少有关陶瓷厂烟囱废气污染而造成附近农民果树及农作物枯死失收等纠纷。另外，窑炉废气易造成酸雨，广东每年因酸雨损失多达40亿元。因此，节能降耗减少陶瓷窑炉污染是陶瓷生产的大势所趋，也是陶瓷工业可持续发展的重要条件。目前陶瓷行业实用煤炭、重油、发生炉煤气、液化石油气、柴油作为燃料，而燃料和燃烧方式不同造成的污染物不同-(一)煤炭作为燃料直接燃烧是我国大气污染的主要根源。目前我国大气中90%的S02、85%的032、80。/。的ROx(粉尘)和50W的NOx均来自煤的燃烧，其中煤炭燃烧后排放出的温室气体<:02占我国全部矿物燃料燃烧排放出的(:02的85%，目前仅在日用陶瓷、建筑卫生陶瓷生产企业中就有3000余座燃煤窑炉，达到窑炉总数的70%。燃烧产生的大量C02促使地球大气层产生温室效应。S02是很有害的气体，它与空气中的水蒸汽结合生成的亚硫酸和硫酸对森林植被、农作物、建筑物、文物古迹、牲畜等一切生物及人类本身都有很大的危害。据佛山环保部门的统计仅3家陶瓷厂的S02排放量就达100.9吨。(二)燃烧重油，早期在陶瓷窑炉上使用较多，但由于所使用重油的质量越来越差，黏度高、雾化困难、燃烧性能不好、含杂质高、污染产品等，影响了它在陶瓷窑炉中的应用。重油在陶瓷窑炉中燃烧也会产生烟气污染，高标号重油硫含量较高，燃烧时除生成C02外，同样产生SCb、NOx、CO等有害气体及黑色烟尘。(三)燃烧柴油，由于陶瓷烧成对燃料洁净的要求愈来愈高，故被用作陶瓷窑炉燃料越来越多，只要燃烧完全，排放出的烟尘不多，黑烟、粉尘污染远低于燃煤窑炉，一般也不会对制品产生影响。气体燃料是一种洁净燃料，最适合用于烧制陶瓷，其一般含杂质少，特别是一般不含硫。但这两种燃料的燃烧一样会产生C02温室气体，特别是会产生NOx，而且市场供应紧缺，不能满足需求。对于陶瓷工业及窑炉的要求，己由"高产、优质、低消耗"逐渐转向追求"优质、低耗、高产、灵活、绿色"等更能适应新的经济体制的目标。在市场经济环境中，对于窑炉，希望能对燃料种类有一定的适应性，如窑炉启停快，即烘窑投产快、降产停产快；烧成工艺制度有较大的调节余地，以适应产品的品种、规格的变化。对于绿色，要求各工厂不断改进设计，使用清洁能源和燃料，改善管理、综合利用等措施，提高资源利用率，减少或避免生产、服务产品在使用过程中污染物的产生和排放，窑炉要减少烟尘、温室气体及有害气体的产生和排放，减轻对环境的污染，减少车间噪音、窑体蓄热和散热，改善车间热环境和劳动条件，降低劳动强度，实现低温快烧，充分利用或节约使用原燃料等的资源。在玻璃、建材等高能耗行业，同样存在上述问题。二甲醚(dimethylether，简写为DME)简称为甲醚，是最简单的脂肪醚，重要的甲醇下游产品之一。二甲醚是一种用途广泛的产品，主要作为冷冻剂、溶剂、萃取剂、气雾剂的抛射剂和燃料等。二甲醚工业生产的兴起是同氟氯烷的限制和禁止使用紧密相连的。20世纪70年代初国际上气雾剂制品得到迅速发展。气雾剂中，气雾抛射剂主要采用氟氯垸。氟氯烷对地球大气臭氧层有严重的破坏作用，要限制和禁止使用。二甲醚的饱和蒸气压等物理性质与二氟二氯甲垸(氟里昂-12)相近，具有优良的环保性能，成为氟氧垸的理想替代品。目前，气雾剂制品已成为二甲醚的重要应用市场。二甲醚也可代替氟里昂冷冻剂用于制冷行业中。二甲醚具有石油液化气(LPG)相似的蒸气压，可作为民用燃料使用。二甲醚十六烷值高，是柴油发动机的理想代用燃料，而且汽车尾气污染物排放量低。二甲醚作为燃料使用是二甲醚应用潜在的巨大市场。二甲醚单独作民用燃料使用还具有下述优点-①由于自身含氧，碳链短，燃烧充分安全，燃烧过程不析碳不会产生黑烟，无残液，燃烧尾气符合国家标准。②二甲醚易于压縮，贮存压力1.35Mpa，低于石油液化气的1.92Mpa，故更为安全，且可利用现有的石油液化气罐、糟等容器及管道，灶具亦可通用，故易于推广。二甲醚在不同季节门窗全开状态下用二甲醚石油液化气灶燃烧后对有害物残留量的卫生防疫检测结果如表1所示，开门窗或抽油烟机影响则见表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表l二甲醚灶燃烧后有害物残留量<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2二甲醚灶燃烧后环境卫生检测检测结果表明二甲醚燃料及灶具在正常情况下对人体不会造成伤害，对室内空气也不会造成污染，室内空气中有害物浓度符合国家居住区大气卫生标准和居室空气质量标准。二甲醚灶具亦符合GJ4-83的燃气灶具标准要求，可参见表3。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表3二甲醚灶具燃料检测结果每吨二甲醚可供四口之家五户作炊事燃料使用一年，400kt/a规模可供800万人口使用-年。石油液化气早在20世纪五六十年代就在我国推广使用了，由于石油液化气供应不足，五十年代各地就想法寻找替代品，当时，甲醇、轻烃等都试过，由于技术管理等方面问题，出了不少火灾、爆炸事故，因此1995年公安部消防局、劳动部安全卫生压力容器监察局、建设部城建局、联合发文[公消1995.97号]严格控制新型符合燃料的使用。声明"城镇燃气设计规范"仅适用于人工煤气、天然气和液化石油气三种燃气工程，也就是说只允许以上三种燃气使用。其他燃料必须由省级三部门论证鉴定后才能使用。此后乱上新替代燃料之风被控制了，事故也减少很多，近年来LPG供应十分紧张，山东久泰化工科技有限公司从2001年开始从事二甲醚的研究和生产，2002年自主开发了液相法工艺技术，建成5000t/a中试装置，2003年建成3万吨DME装置，进行民用燃气试验，2006年经山东省技术监督局、消防局、组织国家建设部、中国城市燃气协会等单位鉴定，认为二甲醚可以做为民用燃气，符合国家推广新型能源和城镇燃气发展的有关政策，经国家燃气用具监督中心及山东省产品质量监督检验研究院检测，认为二甲醚的有关参数和燃烧性能，符合城镇燃气有关标准要求。建议政府有关部门对二甲醚作为新型能源和民用燃气给予政策上的支持，国家建设部2006年4月10日(建标[2006]78号)文，在"关于印发《2006年建设部11日口工业产品行业标准制订、修订计划》的通知"一文中要求制定城镇燃气用二甲醚标准，由中国市政工程华北设计研究院主编，2007年8月已完成(CJ/T259-2007)，2008年1月已开始执行。新奥集团在安徽蚌埠建成2万t/aDME装置，制定了企业标准，并取得蚌埠关于市技术监督局核准，取得进入市场的行政许可，新奥集团在试行中征求用户意见，其中97%表示满意或比较满意，没有不满意的。二甲醚也可用燃气切割气，替代乙炔气，丙烷气在造船、钢铁行业使用。二甲醚液化后还可以直接用作汽车燃料，是柴油发动机的理想替代燃料。因为二甲醚燃料具有高的十六垸值(5055)，比甲醚燃料有更好的燃烧效果，而且没有甲醇的低温启动性和加速性能差的缺点。中国、日本已完成以二甲醚作为汽车燃料的试验，试验显示出二甲醚燃料高效率和低污染的优点，可实现无烟燃料，并可降低噪声和减少氮氧化物的排放，所排放废气可达到或低于美国加州有关中型载重汽车和客车的尾气越低排放标准的要求。柴油发动机的主要问题是氮氧化物的排放和颗粒物质一一黑烟，其中氮氧化物是特别不希望的，它会形成市区酸雨，破坏臭氧层。一些可作柴油替代燃料的化学品的性质见表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表4柴油替叶戈燃料的性质Amoco和Topsoe两个公司的研究都表明，二甲醚是柴油发动机最洁净的替代燃料。可降低氮化物排放，实现无烟燃烧，并可降低噪声，其排放废气可达到或超过美国加州有关中型载重汽车及客车的尾气越低排放标准(ULEV)的要求。二甲醚燃料排放指标及二甲醚燃料在重型卡车中的排放指标分别见表5和表6。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>①California1988尾气超低排放标准值；②总烃。表5二甲醚燃料排放指标<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表6二甲醚燃料在重型卡车中的排放指标能否根据二甲醚在民用燃料和汽车上使用的经验及陶瓷行业的特点，将二甲醚燃料引用到陶瓷玻璃建材行业工业窑炉中作为燃料使用呢？
发明内容本发明根据上述需求，提供一种陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料。二甲醚是最简单的脂肪醚，重要的甲醇下游产品之一。二甲醚具有石油液化气相似的蒸气压，十六烷值高，自身含氧，组分单一，碳链短，燃烧性能良好，效率高。本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料是将二甲醚与石油液化气混合作为陶瓷隧道窑、玻璃窑以及建材工业窑炉用燃料，其比例具体为二甲醚20%—100%;石油液化气80%—0。本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料配套用燃烧喷嘴的设计参数华白指数为56—80，空燃比为8.99-14.6，其中华白指数56、空燃比8.99对应100%二甲醚；华白指数80、空燃比14.6对应20%二甲醚和80%石油液化。本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料作为燃料符合对陶瓷、玻璃、建材工业窑炉"优质、低耗、高产、灵活、绿色"的要求，具有五大优点绿色环保二甲醚是公认的最清洁的燃料，由于自身含氧，碳链短，燃烧充分安全，燃烧过程不析碳，不会产生黑烟，无残液，燃烧尾气符合国家标准，比煤、发生炉煤气、柴油、液化石油气都要清洁；优质二甲醚分子结构CH3-0-CH3，是低碳化合物，燃烧时没有灰尘、杂质，其燃烧温度比液化石油气还高200'C，可达2250'C，能确保陶瓷最高烧成温度，消除棕眼，保证产品质量；灵活二甲醚作为燃气，可以随时启停，烧成工艺制度可有很大的调节余地，以适应产品的品种、规格的变化；低耗二甲醚分子结构中自身含氧，没有其他杂质，作为燃料易充分燃烧，没有残留物，而且二甲醚燃烧时空气过剩系数小，产生烟气量也小，整个系统节能减耗；经济效益好二甲醚易于压缩，贮存压力1.35Mpa，低于石油液化气的1.92Mpa，故更为安全，且可利用现有的石油液化气罐、糟等容器及管道；二甲醚供应方便，在陶瓷、玻璃、建材工业区，建一个二甲醚厂，就可满足整个地区需求。而二甲醚厂的建设投资少，绝对环保，原料来源方便，成本比液化石油气低。图l是采用本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料的窑炉燃烧喷嘴示意图；图2是采用本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料的陶瓷窑炉的示意图。具体实施方式二甲醚(dimethylether，DME)简称为甲醚，是最简单的脂肪醚，重要的甲醇下游产品之一。二甲醚是一种用途广泛的产品，主要作为冷冻剂、溶剂、萃取剂、气雾剂的抛射剂和燃料等。二甲醚具有石油液化气(LPG)相似的蒸气压，可作为民用燃料使用。二甲醚十六烷值高，是柴油发动机的理想代用燃料，而且汽车尾气污染物排放量低。二甲醚作为燃料使用是二甲醚应用潜在的巨大市场。二甲醚分子式为C2H60，结构式是CH3—0—CH3，相对分子质量46.07。二甲醚在常温8下是一种无色气体，具有轻微的醚香味。二甲醚无腐蚀性、无毒，在空气中长期暴露不会形成过氧化物，燃烧时火焰略带光亮。二甲醚的基本物理性质见下表7。项目数据项目数据沸点(101.3kpa)/'C-24.9燃烧热(气态)/(kj/mo1)1455熔点厂c-141.5生成热(气态)/(kj/mo1)-185.5闪点(开杯法)厂c-41.4熔融热/(kj/kg)107.3密度(2(TC)/(g/ml)0.661-24.8卩蒸气热/(1^/11101)467.4临界压力/mpa5.32生成自由能/(kj/mo1)-114.3临界温度厂c128.825。C熵/[j/(mo1k)I266.8临界密度(g/ml)0.2174蒸气密度(298.16k,1.9腦自燃温度厂C350101.3kpa)/(kg/m3)1.91753空气中爆炸极限/%(体积)3.4526.7蒸气压(2(TC)/mpa0.5325'C介电常数/(F/m)5.02表7二甲醚的物理性质常温常压条件下二甲醚的溶解度见表8。溶齐IJ溶解度/%(质量)溶齐u溶解度/%(质量)水(24°C)汽油-40°C0°C25°C35.36419四氯化碳丙酮苯氯苯(106kpa)乙酸二酯(93.86kpa)16.3311.8315.2918.5611.1表8二甲酸〖的溶解度(25'C)二甲醚在常温、常压下为无色、无味、无臭气体，在压力下为液体。二甲醚石油液化气体性能与液化石油气相似，见表9。项目相对分子量蒸气压(60°C)/mpa平均热值/(kj/kg)爆炸下限/%理论空气量/(m3/kg)理论烟气量/(m3/kg)预混气热值/(kj/kg)理论燃烧温度/。C石油液化气46.01.92457601.711.3212.0239092055二甲醚56.61.35314503.56.967.4642192250表9石油液化气与二甲醚的性质从表9的结果可以看出①在同等的温度条件下，二甲醚的饱和蒸气压低于石油液化气，其贮存、运输等均比石油液化气安全。②二甲醚在空气中的爆炸下限比石油液化气高一倍，因此在使用过程中，二甲醚作为燃料比石油液化气安全。③虽然二甲醚的热值比石油液化气低，但由于二甲醚本身含氧，在燃烧过程中所需的理论空气量远低于石油液化气，从而使得二甲醚的预混气热值与理论燃烧温度高于石油液化气。二甲醚自身含氧，组分单一，碳链短，燃烧性能良好，热效率高，燃烧过程中无残液，无黑烟，是一种优质、清洁的燃料。另一方面，二甲醚与石油液化气一样，在减压后均为气体。作为其它民用燃料或工业燃料的掺配组分，民用二甲醚燃料企业标准见表10和表11。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表ll燃料级二甲醚技术要求二甲醚可以一定比例惨入石油液化气中和石油液化气一起燃烧。二甲醚的掺入可使石油液化气燃烧更加完全，降低析炭的可能性，并降低排放气中的co与碳氢化合物含量。液化石油气主要组分是低碳烃，它富含Q和C4的烷烃与烯烃，还含有少量Cs烃类，由于C5组分沸点较高，蒸汽压较低，又不能与C3或C4组分一起完全燃烧，呈残液留在石油液化气钢瓶中。如在石油液化气中添加少量二甲醚，它不但能提高C5的气化效率，还增加C3、C4与C5间的互溶性，从而消除石油液化气钢瓶中残液，避免燃烧时析炭，具有可观的经济效益。另外，二甲醚还可掺入城市煤气或天然气中混烧。二甲醚热值为64686kJ/m3，如将一定比例的二甲醚加入到热值为15907kj/m3的城市煤气或热值为37674kj/r^的天然气中，可解决城市煤气高峰时气量不足问题，降低城市煤气中CO含量，增加使用完全性，改善煤气的质量，提高燃气热值。可解决城市煤气高峰进气量不足问题，同时改善煤气质量，提高热值。根据二甲醚在民用燃料和汽车上使用的经验及陶瓷行业的特点，将二甲醚燃料引用到陶瓷建材行业作为燃料使用。当二甲醚和石油液化气混合使用时，二甲醚的掺入比例可以从20%—直到100%。采用100%二甲醚作为燃料时，DME标准采用城镇燃气用二甲醚标准(CJ/T259—2007)(见表12):项目质量指标二甲醚质量分数/%》99.0甲醇质量分数/o/o《1.0水质量分数/%《0.5钢片腐蚀等级不大于1表12应用到火焰隧道窑(见图2)，可在各种温度隧道窑应用低温隧道窑烧成带最高温度〈110(TC中温隧道窑烧成带最高温度1100—1300°C高温隧道窑烧成带最高温度1300—1800'C超高温隧道窑烧成带最高温度》1800'C使用添加二甲醚的混合燃料无需对隧道窑进行改造，只需要对燃烧喷嘴进行适当改造。燃烧喷嘴的结构可见图1，由带燃气进口和空气进口的混合室、连接在混合室前面的燃烧室和最前面的喷口组成。燃料从燃气进口进入，空气由空气进口进入，在混合室中充分混合后进入燃烧室燃烧，燃烧的高温火焰从喷口喷出进入隧道窑。前面已经叙述，石油液化气的空燃比为16，二甲醚的空燃比仅有8.99，按20%二甲醚和80%石油液化气的混合气的空燃比也就在14.6，另一个重要参数华白指数为80。实际使用中，使用20%二甲醚的混合气时，几乎不用对燃烧喷嘴进行改造，只需要适当地减小空气进入量或加大混合气的进入量即可。当二甲醚的比例比较大时，则应对燃烧喷嘴进行适当的改造。比如使用100%二甲醚时，此时燃气的华白指数为56，空燃比为8.99，应根据这两个参数重新设计燃烧喷嘴的具体参数，以保证达到最佳燃烧效果。隧道窑中分为烧成带和预燃带，通常在隧道窑的前部为预热带，后部为烧成带。陶瓷制品先进入预热带，达到一定温度后再进入烧成带。在预热带一般设置高速调温烧嘴，以取代传统隧道窑上的搅动气幕。高速调温烧嘴一般设置在预热带窑墙两侧窑车台面处，釆用单层、水平交错布置。这种烧嘴能调节二次空气量，使喷出的焰气温度达到适于窑内该点的温度，便于控制温度曲线。在烧成带设置高速烧嘴，高速烧嘴在烧成带窑墙两侧一般为上下两层错开布置，喷入窑内后可带动窑内气体在断面上旋回前进，从而减少上下温差，使窑内气氛均匀；水平方向在窑墙两侧普遍设置交错排列，使窑内气体产生循环，可使温度、气氛进一步均匀。燃烧室喷出焰气速度一般为80~100m/s。经试验，二甲醚作为陶瓷燃料符合对陶瓷工业窑炉"优质、低耗、高产、灵活、绿色"的要求，具有五大优点1、绿色环保二甲醚是公认的最清洁的燃料，它比煤、发生炉煤气、柴油、液化石油气都要清洁。2、优质二甲醚分子结构CH3-0-CH3，是低碳化合物，燃烧时没有灰尘、杂质，其燃烧温度比液化石油气还高200'C，可达225(TC，能确保陶瓷最高烧成温度，消除棕眼，保证产品质量。3、灵活二甲醚作为燃气，可以随时启停，烧成工艺制度可有很大的调节余地，以适应产品的品种、规格的变化。4、低耗二甲醚分子结构中自身含氧，没有其他杂质，作为燃料易充分燃烧，没有残留物(液化石油气有大量C5残留液留在瓶中)而且二甲醚燃烧时空气过剩系数小，产生烟气量也小，整个系统节能减耗。5、经济效益好二甲醚供应方便，在陶瓷工业区，建一个二甲醚厂，就可满足整个地区需求。而二甲醚厂的建设投资少，绝对环保，原料来源方便，成本比液化石油气低。各陶瓷厂只需向二甲醚长购买瓶装气即可，不必增加很多辅助设备。也不必建储罐，投资很少，而且原料成本比采用液化石油气便宜。至于玻璃窑和其他建材工业窑炉，和陶瓷窑有相通之处，同样使用燃烧喷嘴对窑中进行燃烧加热，可以用同样的方法实现二甲醚混合燃料的使用，并且具有同样的优良效果。1权利要求1.一种陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料，包括二甲醚与石油液化气，其特征在于所述二甲醚和石油液化气的混合比例为二甲醚20％-100％；石油液化气80％-0。2、一种陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料配套用燃烧喷嘴的设计方法，其特征在于所述设计方法中选用的参数华白指数为56—80,空燃比为8.99-14.6。3、根据权利要求2所述的陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料配套用燃烧喷嘴的设计方法，其特征在于华白指数56、空燃比8.99对应100%二甲醚。4、根据权利要求2所述的陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料配套用燃烧喷嘴的设计方法，其特征在于华白指数80、空燃比14.6对应20%二甲醚和80%石油液化气的混合燃料。全文摘要本发明陶瓷、玻璃、建材工业窑炉用二甲醚燃料，其比例具体为二甲醚20％-100％；石油液化气80％-0。用二甲醚燃料配套用燃烧喷嘴的设计参数华白指数为56-80，空燃比为8.99-14.6。二甲醚燃料符合对工业窑炉“优质、低耗、高产、灵活、绿色”的要求，燃烧充分安全，不析碳，燃烧尾气符合国家标准；燃烧温度，可达2250℃，能确保陶瓷最高烧成温度；可以随时启停，烧成工艺制度有调节余地；空气过剩系数小，产生烟气量也小，节能减耗；易于压缩，更为安全，可利用现有的石油液化气罐、糟等容器及管道；二甲醚供应方便，二甲醚厂的建设投资少，成本比液化石油气低。文档编号C10L3/12GK101294110SQ20081009459公开日2008年10月29日申请日期2008年5月15日优先权日2008年5月15日发明者单晓强,张力彬,昃向祯,王树林,陈卫国申请人:单晓强;陈卫国;王树林;昃向祯;张力彬