摘要:
近年来,在我国节能环保的国策引导下,全氧燃烧技术在我国得到快速发展,尤其是在玻璃纤维池窑的应用,因其节能效果达40%以上,所以玻纤行业全氧燃烧技术发展较为迅速。本文介绍了富氧燃烧技术原理和优点,以及该技术对玻璃生产工艺的影响。
关键词 :富氧燃烧 玻璃窑炉 VPSA制氧 节能 环保
一、引言
玻璃窑炉全氧燃烧用氧量较大,我国是玻璃的主要生产和消费大国,随着国家对于环保要求的提高,市场竞争的加剧,为玻璃行业带来了更大的节能减排压力和市场挑战。全氧燃烧能有效降低玻璃行业氮氧化物排放量,降低生产成本,从这两方面来说,全氧燃烧是目前玻璃企业普遍采用的提高市场竞争力、促进节能减排的有效解决方案。
富氧燃烧技术是氧体积含量高于21%的燃烧技术,该技术的特点是燃烧速度快,温度高,天然气使用量降低,废气排放少,NOx排放量进一步减少,降低了废气对环境的污染。目前采用了富氧燃烧技术的玻璃生产厂家,玻璃的质量和产量均有明显的改善和提升,实现了减排和节约能源。经过验证表明,富氧燃烧技术将为玻璃生产带来显著的经济效益和社会效益,具有广阔的市场前景。
二、富氧燃烧原理
氧含量高,燃料燃烧得更充分,燃料在富氧状态下会更加活跃,富氧分子和燃料分子结合更加*,从而能释放更多的热量,所以氧供给的多少就决定了燃烧是否充分,以及燃烧温度的高低。传统方式的燃烧采用空气鼓风助燃,空气中有大量的N2,氮气不助燃,也影响了氧气分子和燃料分子的接触,影响了燃烧效率。不仅如此,在燃烧过程中,还有大量的热量被不参与燃烧的氮气和废气带走,造成热量损失,能源浪费。采用富氧燃烧可以解决以上问题。
全氧燃烧使用纯度为93%的氧气助燃,燃烧产物种类大大减少。
2、富氧燃烧技术对玻璃窑炉影响
(1)提高火焰温度
(2)加快燃烧速度
燃料在富氧中燃烧速度加快。例如,天然气在氧气中的燃烧速度比在空气中的速度提高10倍。燃烧速度提高有助于燃料在窑炉内迅速*燃烧。
(3)降低燃料的燃点温度
燃点温度受到反应速率和热损耗的影响,。富氧燃烧相比于空气助燃,可以起到降低燃料点燃温度的作用,提前点燃,则燃料在窑炉内的燃烧时间相对延长,燃料释放热量的时间增加,火焰单位体积的热量释放也随之增加。
(4)减少燃烧后的排气量
富氧燃烧鼓入的空气量减少,因此燃烧后带走的热量也减少。通常燃烧只与占空气1/5的氧气燃烧,其余4/5的氮气不但不燃烧,还要带走大量的热量,从烟气中排出。根据相关研究,随着富氧增加,排出的废气逐渐减少,例如27%的富氧与普通空气21%氧含量比较,在空气过剩系数m=1时,排气体积减少20%,烟气量减少,热损失减少,也更加节能。
(6)降低空气过剩系数
富氧燃烧能有效的降低空气过剩系数,使排烟热损失大幅降低,从而提高窑炉热效率。据相关研究表明,当a=1.1时,燃料增加4%,当a=1.4时,燃料增加16%,在高温窑炉内中加热温度越高,a越大,热损失就越严重。如果窑炉内燃烧*,降低了空气过剩系数。据相关资料介绍,日本节能措施中,也着重降低空气过剩系数,将空气过剩系数从1.7降到1.2,达到节能13%的效果。
三、制取高纯度氧气的方法
当今工业化制氧技术主要有两种,其一是深冷空气分离制氧,同时可以获得液氮等气体产品,适用于同一地区有多座窑炉或其他用户的大规模制氧。另一种是变压吸附制氧(PSA、VPSA),投资小、自动化程度高、启停方便以及能耗低,适用于需求量在50~20000Nm3/h的用户。
表1:制氧方法对比
序号 | VPSA变压吸附 | 深冷低温法 | 膜分离法 |
原理 | 利用吸附剂对于氧、氮的吸附量不同进行分离 | 利用低温沸点不同,进行精馏分离 | 利用膜对气体的选择进行分离 |
装置规模 | 中、大型装置 | 大型装置 | 小型、超小型 |
纯度 | ≤95% | 99% | 25-40% |
电耗 | ≤0.32kwh/m3 | ~0.5 kwh/m3 | -- |
调节性 | 简单 | 难 | 难 |
制造难易 | 简单,可自动化 | 难 | 较难 |
投资预算 | 低 | 高 | 低 |
针对富氧玻璃窑炉的用氧特点,从表中可以看出,VPSA技术非常适合应用于玻璃窑炉的富氧助燃。
(1)开停机时间短
VPSA制氧装置,在15min内,可以开始制氧并达到装置的设计产量和纯度,可以满足正常使用,如果窑炉不需要氧气,可以在短时间内停机,降低电耗。
(2)可实现自动化
根据目前VPSA的制氧装置的发展,已经取得了比较大进度,对于控制方面可以实现无人值守,将设备开启之后,稳定运行,人员就可撤离,根据需要进行巡检即可。
(3)工艺操作简单
VPSA制氧装置设备简单,大型动力设备只有鼓风机和真空泵,空气进入吸附塔,分子筛吸附氮气,富氧产出,再将氮气抽出即可,。可以实现一键启动,装置根据程序进行自动调节,顺利开车后基本不需要操作。
(4)设备投资低
从玻璃窑炉普遍的用氧需求来看,VPSA制氧装置的投资费用相比于其他制氧方式投资更低,。
(5)能耗低
根据上表所示,VPSA的电耗小于0.32KWh/Nm3,深冷制氧法的电耗约为0. 5KWh/Nm3,假设一套2000 Nm3/h的制氧设备,全年运行时间以11个月计算,节省电费285万元,经济效益明显。
3.2应用案例分析
山东某玻璃玻纤厂为熔炼窑炉助燃配套建设了2350 Nm3/h、纯度93%的VPSA制氧装置,该套装置由北京北大先锋科技有限公司设计建设,目前设备已稳定运行3年多,设备参数如下:
3.2.1 产量规模:2350Nm3/h,纯度93%。
配套机组:鼓风机、真空泵、吸附器、切换阀、仪控、电控、仪表空气等。
3.2.2 动力设备配置表
序号 | 名称 | 数量 | 单位 | 备注 |
1 | 罗茨鼓风机 | 1 | 台 |
|
2 | 鼓风机异步电机 | 1 | 台 |
|
3 | 罗茨真空泵 | 1 | 台 |
|
4 | 真空泵异步电机 | 1 | 台 |
|
5 | 仪表气空压机 | 1 | 台 |
|
6 | 氧气活塞压缩机 | 2 | 套 | 1用1备 |
7 | 冷却水循环水泵 | 2 | 台 | 1用1备 |
3.2.3 实际产量与能耗
指标 | 氧气压力(kPa) | 产量(Nm3/h) | 纯度(%) | 能耗(kWh) | 全站综合单耗(kWh /Nm3·O2) |
参数 | 160 | 2396 | 93.12% | 874.80 | 0.392 |
备注:
1、氧气压力为供给用户的压力。
2、产量为72小时平均流量。
3、纯度为72小时平均纯度。
4、能耗为72小时平均高压电耗与72小时平均低压电耗之和。
5、高压设备主要含罗茨风机和罗茨真空泵,低压设备主要包含氧气压缩机、仪表空气压缩机、厂房通风、冷却水循环水泵、空调和照明等。
6、单耗为每立方米纯氧消耗的电能。
3.2.4 项目使用效果
(1)提高效率
富氧燃烧后,从火焰进入玻璃或熔化的料层中的热能显著增加。燃烧效率的提高可以反映在下列情形中:在保持相同的燃料消耗的前提下,提高产量;或是在产量相同的情况下,节省能源。在蓄热式的熔窑中,相同效率的燃烧系统正常可以节省20%的燃料。这对于玻璃纤维的熔窑采用全氧燃烧后期效率的提高是非常显著的。
本项目中每日的产量提高了20%,原料成本减少了3%,成品率提高4%。
(2) NOX散发
热力型NOx是使用空气助燃过程中,燃烧用空气中部分的氮在高温状态下和氧发生化合反应生成,而产生的氮氧化物,排放到大气后导致酸雨的形成,这是工业生产过程中所面临的严峻的环保问题。富氧燃烧过程中的氮气含量极少,几乎可以忽略不计,所以大大减少了NOX的排放,具有很好的环保效益。在本项目中NOX的排放量降低了70%左右。
(3) 烟气量
富氧燃烧中,因氮气的减少,烟气量降低了80%左右,节省了对烟气处理的投资。
(5)项目效益
该项目建成投产后,对于提高窑炉的玻璃熔化质量、节约能源、改善环境等具有十分显著的效果,可使企业能耗降低12.5%-22%,废气排放量减少60%以上, NOx排放量减少70%、烟尘降低80%以上。助力该公司建设高品质玻璃纤维产品的先进生产基地,进一步巩固和提升企业的综合竞争力。
四、总结
实践证明,富氧玻璃窑炉采用富氧燃烧技术可以减少综合投资,提高窑炉的可操作性及稳定性,在熔化面积不变的情况下,有效提高熔化率和生产能力,同时降低能耗,减少污染物排放,创造良好的经济效益和环保效益。
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