摘要：

本文介紹了在日用玻璃行業(yè)全氧燃燒技術(shù)的優(yōu)勢，玻璃熔窯全氧燃燒具有提高產(chǎn)量和質(zhì)量、節(jié)省燃料、提高窯爐壽命、降低排放的作用。VPSA制氧裝置的工藝原理及特點(diǎn)，分析了VPSA制氧裝置在日用玻璃企業(yè)的應(yīng)用案例及相應(yīng)經(jīng)濟(jì)性能。VPSA制氧裝置運(yùn)行成本方面相比于液氧使用成本經(jīng)濟(jì)效益較為顯著，每年節(jié)省成本約1000多萬元。極大的降低了企業(yè)的用氧成本，顯著增強(qiáng)了日用玻璃企業(yè)的市場競爭力。

關(guān)鍵詞：日用玻璃  全氧燃燒  VPSA-O₂ 變壓吸附  節(jié)能環(huán)保

1. 引言

氧氣（oxygen）是氧元素形成的一種單質(zhì)，化學(xué)式O₂，其化學(xué)性質(zhì)比較活潑，與大部分的元素都能與氧氣反應(yīng)，主要用途是助燃。對于工業(yè)窯爐純氧燃燒可以有效提升窯爐的燃燒效率，使其升高火焰溫度，提高料熔速率，增加生產(chǎn)效率。

玻璃窯爐全氧碹頂燃燒可以有效控制火焰長度及水平度，提高火焰穩(wěn)定性，減小對爐內(nèi)耐火材料的燒蝕。全氧頂部燃燒可以垂直和定向直接加熱，減小爐料揮發(fā)，增進(jìn)爐料傳熱、傳質(zhì)效率。電助熔系統(tǒng)用電輔助加熱進(jìn)行高效輔助熔化，提高熔池內(nèi)熔液有序流動、攪拌均化，提高玻璃熔液質(zhì)量。全氧燃燒玻璃熔窯與傳統(tǒng)的空氣助燃玻璃熔窯在節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、建設(shè)及運(yùn)營成本方面都具有鮮明優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)。氧氣的制取方法有化學(xué)法、水電解法和空氣分離法；空氣分離法包括：深冷分離法、變壓吸附法和膜分離法，其中變壓吸附制氧裝置具有工藝流程簡單、運(yùn)行可靠、啟動時間短、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹VPSA在日用玻璃行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，分析變壓吸附制氧技術(shù)在全氧燃燒窯爐中的經(jīng)濟(jì)性。

2.日用玻璃窯爐的全氧燃燒技術(shù)

全氧燃燒技術(shù)是指采用純度高于90%的氧氣代替空氣與燃料按比例混合進(jìn)行充分燃燒的技術(shù)。由于全氧燃燒時氧氣純度高，助燃作用和氧化性能較好，燃料燃燒更為充分，燃燒產(chǎn)物為H₂O和CO₂，廢氣量顯著降低，不僅減少了熱量排放損失，而且也減少了氮氧化物的排放，節(jié)能減排效果良好。

日用玻璃窯爐的全氧燃燒技術(shù)具有提高燃燒效率、節(jié)省燃料、節(jié)能減排、提高玻璃產(chǎn)量和質(zhì)量、延長窯爐壽命、減少建設(shè)費(fèi)用、改善操作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，市場處于大規(guī)模應(yīng)用階段。

2.1. VPSA工藝原理

2.1.1吸附

某物質(zhì)的分子在一種多孔固體表面濃聚的現(xiàn)象稱之為吸附。所有固體物質(zhì)表面都具有不飽和力場，其作用范圍相當(dāng)于分子直徑大小。因此，對于接觸固體表面的氣體分子具有一定的吸附作用。

2.1.2吸附劑

吸附劑對各種氣體選擇吸附能力主要取決于吸附劑的組成和結(jié)構(gòu)、氣體分子的大小和極性以及吸附條件，常見的吸附劑有沸石分子篩、鋰基分子篩等。

2.1.3吸附過程

氣體通過吸附劑時，氣流中的吸附質(zhì)主要經(jīng)過外擴(kuò)散、外表面吸附、內(nèi)表面吸附、孔擴(kuò)散幾個過程如圖1。

變壓吸附制氧的原理主要是氮和氧都具有四極矩,氮的四極矩比氧的大得多,因此氮?dú)庠诜肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)。因此,帶有壓力的空氣通過分子篩吸附床層時使得氮?dú)膺x擇吸附，而氧氣富集并流出吸附床層；當(dāng)?shù)獨(dú)馕斤柡秃罂赏ㄟ^減壓減小氣體分壓，吸附劑解吸釋放氮?dú)?，吸附劑再生使其重?fù)利用。由于氧氣和氬氣沸點(diǎn)特別接近，兩種氣體分離較為困難。因此，變壓吸附制氧裝置一般獲得濃度為90%-95%的氧氣(極限濃度為95.6%)。

圖1吸附效應(yīng)

2.2. VPSA工藝流程

VPSA典型工藝流程為兩塔工藝流程（圖2），采用兩個吸附塔、一臺鼓風(fēng)機(jī)、一臺真空泵、一臺換熱器以及其他公輔設(shè)備。當(dāng)一臺吸附塔進(jìn)行吸附產(chǎn)氧狀態(tài)時，另一臺吸附塔真空解吸狀態(tài)。兩塔工藝步驟在時序配合下完成連續(xù)工藝操作，同時實(shí)現(xiàn)自動化操作，時序的主要步驟有吸附、均壓、解吸、沖洗等（圖3）。

圖2兩塔工藝流程示意圖

圖3時序主要步驟

2.3. VPSA工藝特點(diǎn)

變壓吸附制氧技術(shù)經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，應(yīng)用較為廣泛。與傳統(tǒng)的深冷空分制氧裝置相比，變壓吸附制氧裝置具有工藝簡單、自動化、智能化、操作方便、維護(hù)成本低、建設(shè)工期短、投資及運(yùn)營成本低等特點(diǎn)。

（1）工藝簡單、自動化、智能化

變壓吸附制氧設(shè)備相比深冷設(shè)備較為簡單（表1），主要設(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵。裝置開車時間小于30min，并且啟停靈活、負(fù)荷簡便可調(diào)，具有高度自動化、智能化，可以做到無人值守。

工藝特點(diǎn)

名稱 VPSA 深冷空分

配套機(jī)組 數(shù)量少，啟停方便 數(shù)量多，精度較高

人員素質(zhì) 普通員工簡便培訓(xùn) 專業(yè)技術(shù)人員

智能化 無人值守 專人維護(hù)

（2）建設(shè)工期短、投資及運(yùn)營成本低

VPSA建設(shè)周期相對時間較短，設(shè)備安裝簡單、安裝周期短；深冷裝置建設(shè)周期約9-12月，而VPSA建設(shè)周期可控制在6個月內(nèi)，不含氧壓機(jī)的VPSA裝置可縮短約3個月的工期，快速實(shí)現(xiàn)裝置效益最大化。

（3）企業(yè)用氧負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活

VPSA裝置產(chǎn)量及純度可通過時序及編程實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，氧氣負(fù)荷可在50%-100%之間調(diào)節(jié)，氧氣純度可控制在80%-94%范圍內(nèi)。

2.4. 日用玻璃企業(yè)VPSA應(yīng)用案例

安徽某玻璃公司位于安微省淮南市，是中國日用玻璃主要生產(chǎn)基地之一，擁有清潔能源玻璃窯爐5座，其產(chǎn)品有耐熱(高硼)玻璃制品、玻璃餐具及其深加工產(chǎn)品。

北大先鋒為該企業(yè)承建氧氣產(chǎn)量為1800Nm³/h,氧氣純度為93%的VPSA制氧裝置。制氧系統(tǒng)包含1套兩塔ZO-1800/93型VPSA制氧裝置，配套1臺常壓緩沖罐、2臺氧壓機(jī)（1用1備），1臺低壓氧緩沖罐。該企業(yè)在沒有建成VPSA之前一直使用液氧為助燃?xì)怏w，年平均采購價約800-900元/噸，最高時可達(dá)1200元/噸，并且需要提前很長時間從外省預(yù)訂。每噸液氧氣化約700 Nm³氧氣，年均消耗液氧約1.8萬噸，年均采購成本約1500萬元。液氧采購價格波動較為明顯，企業(yè)流動資金承受較大風(fēng)險，且在市場液氧用量高峰階段時，采購較為困難。

VPSA制氧ZO-1800/93型裝置，所有設(shè)備包括制氧機(jī)組、氧壓機(jī)、廠房通風(fēng)照明、配電室、公輔工程等日均折算總用電量約為1.9萬kW·h，電費(fèi)成本0.65元/kW·h，年均運(yùn)行成本約370萬元。經(jīng)濟(jì)效益較為明顯，相比于液氧年均節(jié)省成本約1000多萬元。同時不受液氧市場供銷波動，企業(yè)的財務(wù)風(fēng)險顯著減低，VPSA制氧裝置增強(qiáng)了日用玻璃企業(yè)的市場競爭力。

3. 結(jié)論

VPSA制氧裝置在日用玻璃窯爐的全氧燃燒技術(shù)應(yīng)用方面具有較為明顯的潛力，具有較大的市場影響力，具備全面推廣的條件。

VPSA制氧裝置運(yùn)行成本方面相比于液氧使用成本經(jīng)濟(jì)效益較為顯著，節(jié)省成本約1000多萬元。極大的降低了企業(yè)的用氧成本，顯著增強(qiáng)了日用玻璃企業(yè)的市場競爭力。

VPSA制氧裝置具有工藝簡單、自動化、智能化、操作方便、維護(hù)成本低、建設(shè)工期短、投資及運(yùn)營成本低。北大先鋒是北京大學(xué)合資組建的高新技術(shù)企業(yè)，公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效分子篩產(chǎn)品，制氧工程技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

日用玻璃窯爐的全氧燃燒技術(shù)具有提高燃燒效率、節(jié)省燃料、節(jié)能減排、提高玻璃產(chǎn)量和質(zhì)量、延長窯爐壽命、減少建設(shè)費(fèi)用、改善操作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。對提高日用玻璃行業(yè)生產(chǎn)水平、提升行業(yè)國際競爭力具有重大意義。