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    变压吸附制氧工艺在玻璃窑炉全氧燃烧的应用
    发布者:admin 2021-01-28 | 2394


    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最为迅速。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完全,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。

    1、  玻璃窑炉富氧燃烧的优点

    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。

    (1)由于助燃气体中仅含有微量氮气,降低了NOX和粉尘的排放量,减少了废气量,废气处理更加容易;

    (2)燃烧气体在窑炉内停留时间变长,能量的利用率增加,同时火焰温度更高,可以有效地节省燃料,提高燃烧效率;

    (3)提高熔窑的生产能力,不用燃烧换向,料山和液流很稳定,工艺参数也更加稳定;

    (4)提高了产品质量;

    (5)窑炉规模更加精简,节省建设投资。

    2、富氧燃烧技术对玻璃窑炉影响

    1)提高火焰温度

    采用富氧燃烧技术后,富氧量增加,N2量减少,空气量和烟气量显著减少,据相关科学研究,火焰温度随着氧含量的增加,温度显著提高,若采用空气燃烧,当温度升高到1300℃时,可利用的热量为42%;若利用浓度为28%的富氧燃烧,可利用热量为56%。所以采用富氧燃烧有效提高了燃烧区域氧气的百分比,提高了火焰温度和炉膛温度。

    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完全燃烧。

    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。如果窑炉内燃烧完全,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,第一种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。

    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

    制造难易

    简单,可自动化

    较难

    投资预算

    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。

    3.1    VPSA变压吸附特点及优点

    1)开?;奔涠?/span>

    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?;?,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,??梢允迪忠患舳?,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%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

    2

    鼓风机异步电机

    1

    3

    罗茨真空泵

    1

    4

    真空泵异步电机

    1

    5

    仪表气空压机

    1

    6

    氧气活塞压缩机

    2

    11

    7

    冷却水循环水泵

    2

    11

    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100%纯度的氧气消耗的电能。

    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??梢越谑?span>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。助力该公司建设高档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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