摘要：

近年來，在我國(guó)節(jié)能環(huán)保的國(guó)策引導(dǎo)下，全氧燃燒技術(shù)在我國(guó)得到快速發(fā)展，尤其是在玻璃纖維池窯的應(yīng)用，因其節(jié)能效果達(dá)40%以上，所以玻纖行業(yè)全氧燃燒技術(shù)發(fā)展最為迅速。本文介紹了富氧燃燒技術(shù)原理和優(yōu)點(diǎn)，以及該技術(shù)對(duì)玻璃生產(chǎn)工藝的影響。

關(guān)鍵詞 ：富氧燃燒 玻璃窯爐VPSA制氧 節(jié)能 環(huán)保

一、引言

玻璃窯爐全氧燃燒用氧量較大，我國(guó)是玻璃的主要生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著國(guó)家對(duì)于環(huán)保要求的提高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為玻璃行業(yè)帶來了更大的節(jié)能減排壓力和市場(chǎng)挑戰(zhàn)。全氧燃燒能有效降低玻璃行業(yè)氮氧化物排放量，降低生產(chǎn)成本，從這兩方面來說，全氧燃燒是目前玻璃企業(yè)普遍采用的提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)節(jié)能減排的有效解決方案。

富氧燃燒技術(shù)是氧體積含量高于21%的燃燒技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是燃燒速度快，溫度高，天然氣使用量降低，廢氣排放少，NOx排放量進(jìn)一步減少，降低了廢氣對(duì)環(huán)境的污染。目前采用了富氧燃燒技術(shù)的玻璃生產(chǎn)廠家，玻璃的質(zhì)量和產(chǎn)量均有明顯的改善和提升，實(shí)現(xiàn)了減排和節(jié)約能源。經(jīng)過驗(yàn)證表明，富氧燃燒技術(shù)將為玻璃生產(chǎn)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

二、富氧燃燒原理

氧含量高，燃料燃燒得更充分，燃料在富氧狀態(tài)下會(huì)更加活躍，富氧分子和燃料分子結(jié)合更加完全，從而能釋放更多的熱量，所以氧供給的多少就決定了燃燒是否充分，以及燃燒溫度的高低。傳統(tǒng)方式的燃燒采用空氣鼓風(fēng)助燃，空氣中有大量的N₂，氮?dú)獠恢?，也影響了氧氣分子和燃料分子的接觸，影響了燃燒效率。不僅如此，在燃燒過程中，還有大量的熱量被不參與燃燒的氮?dú)夂蛷U氣帶走，造成熱量損失，能源浪費(fèi)。采用富氧燃燒可以解決以上問題。

1、玻璃窯爐富氧燃燒的優(yōu)點(diǎn)

全氧燃燒使用純度為93%的氧氣助燃，燃燒產(chǎn)物種類大大減少。

（1）由于助燃?xì)怏w中僅含有微量氮?dú)猓档土薔O_X和粉塵的排放量，減少了廢氣量，廢氣處理更加容易；

（2）燃燒氣體在窯爐內(nèi)停留時(shí)間變長(zhǎng)，能量的利用率增加，同時(shí)火焰溫度更高，可以有效地節(jié)省燃料，提高燃燒效率；

（3）提高熔窯的生產(chǎn)能力，不用燃燒換向，料山和液流很穩(wěn)定，工藝參數(shù)也更加穩(wěn)定；

（4）提高了產(chǎn)品質(zhì)量；

（5）窯爐規(guī)模更加精簡(jiǎn)，節(jié)省建設(shè)投資。

2、富氧燃燒技術(shù)對(duì)玻璃窯爐影響

（1）提高火焰溫度

采用富氧燃燒技術(shù)后，富氧量增加，N₂量減少，空氣量和煙氣量顯著減少，據(jù)相關(guān)科學(xué)研究，火焰溫度隨著氧含量的增加，溫度顯著提高，若采用空氣燃燒，當(dāng)溫度升高到1300℃時(shí)，可利用的熱量為42%；若利用濃度為28%的富氧燃燒，可利用熱量為56%。所以采用富氧燃燒有效提高了燃燒區(qū)域氧氣的百分比，提高了火焰溫度和爐膛溫度。

（2）加快燃燒速度

燃料在富氧中燃燒速度加快。例如，天然氣在氧氣中的燃燒速度比在空氣中的速度提高10倍。燃燒速度提高有助于燃料在窯爐內(nèi)迅速完全燃燒。

（3）降低燃料的燃點(diǎn)溫度

燃點(diǎn)溫度受到反應(yīng)速率和熱損耗的影響，。富氧燃燒相比于空氣助燃，可以起到降低燃料點(diǎn)燃溫度的作用，提前點(diǎn)燃，則燃料在窯爐內(nèi)的燃燒時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，燃料釋放熱量的時(shí)間增加，火焰單位體積的熱量釋放也隨之增加。

（4）減少燃燒后的排氣量

富氧燃燒鼓入的空氣量減少，因此燃燒后帶走的熱量也減少。通常燃燒只與占空氣1/5的氧氣燃燒，其余4/5的氮?dú)獠坏蝗紵?，還要帶走大量的熱量，從煙氣中排出。根據(jù)相關(guān)研究，隨著富氧增加，排出的廢氣逐漸減少，例如27%的富氧與普通空氣21%氧含量比較，在空氣過剩系數(shù)m=1時(shí)，排氣體積減少20%，煙氣量減少，熱損失減少，也更加節(jié)能。

（6）降低空氣過剩系數(shù)

富氧燃燒能有效的降低空氣過剩系數(shù)，使排煙熱損失大幅降低，從而提高窯爐熱效率。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)a=1.1時(shí)，燃料增加4%，當(dāng)a=1.4時(shí)，燃料增加16%，在高溫窯爐內(nèi)中加熱溫度越高，a越大，熱損失就越嚴(yán)重。如果窯爐內(nèi)燃燒完全，降低了空氣過剩系數(shù)。據(jù)相關(guān)資料介紹，日本節(jié)能措施中，也著重降低空氣過剩系數(shù)，將空氣過剩系數(shù)從1.7降到1.2，達(dá)到節(jié)能13%的效果。

三、制取高純度氧氣的方法

當(dāng)今工業(yè)化制氧技術(shù)主要有兩種，第一種是深冷空氣分離制氧，同時(shí)可以獲得液氮等氣體產(chǎn)品，適用于同一地區(qū)有多座窯爐或其他用戶的大規(guī)模制氧。另一種是變壓吸附制氧（PSA、VPSA），投資小、自動(dòng)化程度高、啟停方便以及能耗低，適用于需求量在50~20000Nm³/h的用戶。

表1：制氧方法對(duì)比

針對(duì)富氧玻璃窯爐的用氧特點(diǎn)，從表中可以看出，VPSA技術(shù)非常適合應(yīng)用于玻璃窯爐的富氧助燃。

3.1 VPSA變壓吸附特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

（1）開停機(jī)時(shí)間短

VPSA制氧裝置，在15min內(nèi)，可以開始制氧并達(dá)到裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)量和純度，可以滿足正常使用，如果窯爐不需要氧氣，可以在短時(shí)間內(nèi)停機(jī)，降低電耗。

（2）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

根據(jù)目前VPSA的制氧裝置的發(fā)展，已經(jīng)取得了比較大進(jìn)度，對(duì)于控制方面可以實(shí)現(xiàn)無人值守，將設(shè)備開啟之后，穩(wěn)定運(yùn)行，人員就可撤離，根據(jù)需要進(jìn)行巡檢即可。

（3）工藝操作簡(jiǎn)單

VPSA制氧裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，大型動(dòng)力設(shè)備只有鼓風(fēng)機(jī)和真空泵，空氣進(jìn)入吸附塔，分子篩吸附氮?dú)?，富氧產(chǎn)出，再將氮?dú)獬槌黾纯?，。可以?shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，裝置根據(jù)程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，順利開車后基本不需要操作。

（4）設(shè)備投資低

從玻璃窯爐普遍的用氧需求來看，VPSA制氧裝置的投資費(fèi)用相比于其他制氧方式投資更低，。

（5）能耗低

根據(jù)上表所示，VPSA的電耗小于0.32KWh/Nm³，深冷制氧法的電耗約為0. 5KWh/Nm³，假設(shè)一套2000 Nm³/h的制氧設(shè)備，全年運(yùn)行時(shí)間以11個(gè)月計(jì)算，節(jié)省電費(fèi)285萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3.2 應(yīng)用案例分析

山東某玻璃玻纖廠為熔煉窯爐助燃配套建設(shè)了2350 Nm³/h、純度93%的VPSA制氧裝置，該套裝置由北京北大先鋒科技有限公司設(shè)計(jì)建設(shè)，目前設(shè)備已穩(wěn)定運(yùn)行3年多，設(shè)備參數(shù)如下：

3.2.1 產(chǎn)量規(guī)模：2350Nm³/h，純度93%。

配套機(jī)組：鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、吸附器、切換閥、儀控、電控、儀表空氣等。

3.2.2 動(dòng)力設(shè)備配置表

3.2.3 實(shí)際產(chǎn)量與能耗

備注：

1、氧氣壓力為供給用戶的壓力。

2、產(chǎn)量為72小時(shí)平均流量。

3、純度為72小時(shí)平均純度。

4、能耗為72小時(shí)平均高壓電耗與72小時(shí)平均低壓電耗之和。

5、高壓設(shè)備主要含羅茨風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵，低壓設(shè)備主要包含氧氣壓縮機(jī)、儀表空氣壓縮機(jī)、廠房通風(fēng)、冷卻水循環(huán)水泵、空調(diào)和照明等。

6、單耗為每立方100%純度的氧氣消耗的電能。

3.2.4 項(xiàng)目使用效果

（1）提高效率

富氧燃燒后，從火焰進(jìn)入玻璃或熔化的料層中的熱能顯著增加。燃燒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，提高產(chǎn)量；或是在產(chǎn)量相同的情況下，節(jié)省能源。在蓄熱式的熔窯中，相同效率的燃燒系統(tǒng)正常可以節(jié)省20%的燃料。這對(duì)于玻璃纖維的熔窯采用全氧燃燒后期效率的提高是非常顯著的。

本項(xiàng)目中每日的產(chǎn)量提高了20%，原料成本減少了3%，成品率提高4%。

（2）NO_X散發(fā)

熱力型NOx是使用空氣助燃過程中，燃燒用空氣中部分的氮在高溫狀態(tài)下和氧發(fā)生化合反應(yīng)生成，而產(chǎn)生的氮氧化物，排放到大氣后導(dǎo)致酸雨的形成，這是工業(yè)生產(chǎn)過程中所面臨的嚴(yán)峻的環(huán)保問題。富氧燃燒過程中的氮?dú)夂繕O少，幾乎可以忽略不計(jì)，所以大大減少了NO_X的排放，具有很好的環(huán)保效益。在本項(xiàng)目中NO_X的排放量降低了70%左右。

（3） 煙氣量

富氧燃燒中，因氮?dú)獾臏p少，煙氣量降低了80%左右，節(jié)省了對(duì)煙氣處理的投資。

（5）項(xiàng)目效益

該項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，對(duì)于提高窯爐的玻璃熔化質(zhì)量、節(jié)約能源、改善環(huán)境等具有十分顯著的效果，可使企業(yè)能耗降低12.5%-22%，廢氣排放量減少60%以上， NOx排放量減少70%、煙塵降低80%以上。助力該公司建設(shè)高檔玻璃纖維產(chǎn)品的先進(jìn)生產(chǎn)基地，進(jìn)一步鞏固和提升企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

四、總結(jié)

實(shí)踐證明，富氧玻璃窯爐采用富氧燃燒技術(shù)可以減少綜合投資，提高窯爐的可操作性及穩(wěn)定性，在熔化面積不變的情況下，有效提高熔化率和生產(chǎn)能力，同時(shí)降低能耗，減少污染物排放，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。