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富氧燃燒技術在馬蹄焰玻璃窯爐上的應用探討

2013年2月10日  

    一、膜法富氧原理:
      膜法富氧技術是利用高分子材料的一些本征特性,如對不同氣體分子具有不同的選擇滲透性能,以及高分子材料的特殊加工性能,科技人員將一些特殊的高分子材料研究加工成為具有工業應用價值的氣體分離膜和膜原件。
      選用高分子材料,經特殊工藝加工成復合膜和膜原件,可以將空氣中的氧從21%富集到30%,且具有超高氣體透量(與玻璃態高分子膜相比),單位面積/單位時間/單位壓力可產富氧(30%)4Nm3/m2?h?bar,與深冷法制氧和變壓吸附法制氧(折合成相同濃度)相比,膜法的制氧成本最低。
      
    二、富氧燃燒原理:
      
    富氧燃燒目的就在于使燃料充分燃燒,并有效地充分利用燃燒生成的數量。燃燒的工藝與爐窯效率有著至關重要的關系。燃燒是由于燃料中可燃分子與氧分子之間發生高能碰撞而引起的,所以氧的供給情況決定了燃燒過程完成的是否充分。在常規空氣助燃的燃燒系統中,這種高能碰撞作用受到占空氣成份近五分之四不助燃的氮分子阻礙,減少了氧分子與燃料可燃分子之間的碰撞機會,直接影響燃燒效率的提高,不僅如此,氮還在爐窯中吸收大量的熱量在廢氣中排掉造成熱損失,浪費能源。采用比常規空氣含氧量高的空氣助燃稱富氧燃燒,它有提高火焰溫度、加快燃燒速度、降低燃料燃點溫度、增加熱量利用率的特點。
      
    三、馬蹄焰玻璃窯爐描述:
      
    馬蹄焰玻璃窯爐以價格低廉的發生爐煤氣(油或天燃氣)為燃料,不但提高了熔化質量,且大大節約了燃料成本。該爐型設有合理的蓄熱室結構,提高了熱能利用率和工作效率。在蓄熱室設計時,是讓煙氣直接通過蓄熱室進入煙道,而蓄熱室是一個用耐火材料砌成的空心格子的加熱室。當發生爐煤氣和空氣通過蓄熱室時預熱空氣和煤氣,一起進入小爐內相互混合和預燃。使燃料釋放出更多的熱量。煙氣在蓄熱室反復上升與下沉的過程中,熱量被格子磚充分吸收并蓄積,有部分熱量被廢氣所帶走,大部分熱量被充分利用到工作中去。
      
    四、富氧燃燒技術在發生爐煤氣馬蹄焰璃熔窯爐上的應用
      
    馬蹄焰玻璃窯爐局部富氧助燃是很有必要的,也是可行的。在一般的玻璃熔窯火焰空間中,火焰下部總是最缺氧的部位,燃燒不完全,溫度較低。如果富氧噴管以一定的角度和速度將氧氣引入窯爐空間,沖擊火焰底部,這樣就會在靠近玻璃液面一側形成一個含未燃燒碳粒較少的富氧層,使之燃燒充分,溫度提高較大。這種不對稱火焰,可靠垂直的溫度梯度,在靠近玻璃料液的一側形成一個高溫帶,使火焰底部增加向玻璃料液內部的熱輻射和熱對流。而在靠近窯碹的一側溫度并不升高,使窯頂免受由此帶來的侵蝕加重。同時由于火焰強度增加,火焰變短,有助于控制熔窯內溫度分布。此外,可防止在蓄熱室內燃燒。這對蓄熱式熔窯來說,格子磚的壽命也可以得到改善。由于馬蹄焰窯是側面加料,正面噴火,因此其料層長度相對來說比較短,為了加強熔化,火焰長度也要求短些,一般宜采用短焰燃燒。只有這樣,火焰熱量才會集中于配合料熔化區,起到增強熔化部位熔化能力的作用。火焰長短,也可通過控制氧流量來調節。當氧流量增至100m3/h時,火焰長度將有明顯的縮短。
      
    在馬蹄焰窯火焰空間內,富氧助燃同樣可造成不均衡的火焰輻射,使熱流離開碹頂向下移動,窯頂附近空間溫度顯著下降。結果導致澄清區液面附近的冷氣層基本上被消除,玻璃液內部熱均勻性有所提高,最終使成形制品質量得到改善。
      
    (一)、燃發生爐煤氣馬蹄焰玻璃窯爐富氧助燃系統的設計:
      
    為了使池爐內的火焰能形成梯度燃燒,即使近玻璃液面處的火焰溫度比上部的高,若趕上停爐維修,可以將富氧噴嘴直接設計在小爐底唇磚上,這樣不但先擇了富氧最佳使用位置,而且徹底解決了中途更換富氧噴管的難題。富氧空氣隨火焰下部平行噴出,并在池內與火焰下部混合,使火焰在熔化池靠近加料處形成高溫的底層火焰,從而加速化料,提高熔化率,克服跑料堆現象,且能保證馬蹄焰的回火不致帶料粉進入蓄熱室,利于格子磚延長壽命。
      我們在運用富氧助燃時,一般都是在不停產狀態下進行施工的,利用換向時間,將富氧噴嘴分別在兩小爐預混室的外惻打孔插入,并貼近小爐底面,噴嘴角度應隨煤氣走向。兩噴嘴的富氧空氣隨火焰下部平行噴出,同樣使富氧空氣在池內與火焰下部混合,而形成富氧助燃的效果。
      
    (二)、燃油(或天燃氣)馬蹄焰玻璃窯爐富氧助燃設計:
      
    由于熔窯采用重油作為燃燒,而重油粘度較大、燃點高,在燃燒過程中需要通過加溫、霧化助燃等手段才能使重油充分燃燒。局部增氧技術主要是增加空氣中的氧濃度,減少助燃空氣,降低煙氣生成量(既減少煙氣帶走的熱量)從而降低NO2生成物,改善了環境;在熔窯內局部增氧可以相應使火焰溫度增高,燃燒速度加快,增加配合料,玻璃液輻射傳熱和對流傳熱,提高熔化率;局部增氧助燃使燃料在火焰區域燃燒完全,大碹溫度降低,大碹向外散熱熱量減小,單位玻璃液能耗降低。在設計富氧助燃時,它與燃發生爐煤氣馬蹄焰玻璃窯爐不同的是將富氧噴嘴設計在每支油槍下部。
      
    我公司自主研發、設計、生產的富氧燃燒全套設備,于2008年5月在青島榮泰玻璃制品有限公司一號馬蹄焰玻璃窯爐上運用,節能效果顯著,隨即又在二號爐進行使用,且節能效果更佳,并分別對二個爐能耗情況進行了二個月考核,結果如下:
      一號爐:99m2,富氧前產量190T/日,燃煤45T/日
      富氧后產量198T/日,燃煤40T/日(單耗202kg)
      二號爐:104m2富氧前產量200T/日,燃煤46T/日
      富氧后產量218T/日,燃煤41T/日(單耗188kg)
      
    這二套裝置完全是由我公司從富氧膜、富氧組件生產、富氧設備制造、設計安裝為一體的系列工程。綜合測定,該富氧燃燒技術及裝置不但節能效果可觀,空氣過剩系數降低,而且改變了窯爐工況,我們在運行中發現,當氧氣輸入后,火焰長度明顯縮短,火焰底部增亮,前墻溫度下降,爐頂溫度降低,煤氣和二次空氣相應下調,節約原煤達10%以上。產量和質量均有所提高5%左右。五、節能、環保等特點:
      
    1.提高火焰溫度:
      
    由于富氧空氣的參與,氮氣含量相對減少,相應減少廢氣吸熱量。據有關資料介紹,火焰溫度隨空氣中氧氣含量的增加而顯著提高,當使用一般空氣爐膛加熱溫度為1300℃時,可以利用的熱量僅為42%,而用28%最佳經濟濃度的富氧空氣進行助燃時,可利用的熱量高達56%,熱量利用率提高了33%。給爐膛局部增加富氧空氣,目的就是集中提高該燃燒區空氣中氧氣濃度百分比,達到提高爐膛火焰溫度和熱量利用率的目的。
      火焰溫度隨著助燃空氣中的氧含量增加而迅速上升,從圖一可以看出,火焰溫度隨著空氣中氧的提高而提高;隨著富氧空氣濃度逐漸提高,火焰溫度增加的幅度逐漸下降。因此為了有效地利用富氧空氣,其濃度不宜選得過高。按過剩系數a=1.1-1.5組織燃料時,富氧濃度取25-27為宜,且以空氣含量從21-25時效果最明顯。
      
    2.加快燃燒速度
      
    燃料在富氧空氣中燃燒速度加快的原因:是由于增加氧含量后,使火焰溫度提高所致,如天然氣在氧氣中的燃燒速度比在普通空氣中的燃燒速度能提高10倍。燃燒速度的提高,導致燃料在爐膛內迅速完全燃燒。2
      最大燃燒速度cm/s對比表
      燃料空氣(21%O2)范圍最大可能氧氣(100%)范圍最大可能
      氫氣250-360280890-1175
      天燃氣33-4437325-480395
      丙烷40-4742360-400375
      丁烷37-4641335-390355
      乙烷110-180160950-12801130
      
    3.降低燃料的燃點溫度
      
    燃點溫度明顯受到反應速率和熱損耗的影響。富氧空氣比普通空氣有助于降低“燃點”溫度的特點,并增加火焰單位體積的熱釋放量。對于劣質燃料效果更為突出。
      
    燃料的燃點溫度在一定條件下不是常數。如CO在空氣中為609℃,而在純氧中僅為388℃。富氧助燃就是利用這一現象,將少量的富氧空氣,集中地供給火嘴燃料剛剛霧化(或固體燃料剛剛汽化)噴出點燃部位,使該區氧氣量驟然增加,可以起到降低燃料點燃溫度,提前點燃,相對延長燃料在爐膛中燃燒時間,增加燃料釋放熱量的作用。
      
    4.減少燃燒后的排氣量
      
    使用含氧量為23-24%的富氧空氣參加燃燒,與普通空氣燃燒比較,當過剩空氣系數a=1時,則排氣體積減少10-20%,其排煙熱損失也減少10-20%,從而提高熱效率而節能。
      燃料在一般空氣與在純氧中燃燒速度相差甚大,如天然氣在純氧中比在空氣中的燃燒速度高達10.7倍,因此富氧助燃,不僅提高燃燒強度,還能加快燃燒速度,更有利于燃燒反應完全,可以改善排煙質量,減少未燃物質對環境的污染。
      若使用氧濃度為21%的常規空氣,按理論空氣量燃燒的排氣量為1計算時,隨著含氧量的增加,排氣量有減少的傾向。使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較,過剩系數a=1時排氣體積減少21%,排煙熱損失也相應減少而節能。
      
    5.增加熱量利用率
      當加熱溫度為1300?C時,用普通空氣燃燒。其熱利用率為42%,而用含氧量24%的富氧空氣燃燒,則利用率增加到30%以上,隨著加熱溫度增加,節能效果更顯著。
      
    6.降低空氣過剩系數
      
    富氧燃燒能有效地降低空氣過剩系數,使排煙熱能損失大幅度降低,從而提高窯爐的熱效率而節能。當a值為1.1時,燃料只增加4%,當a值為1.4時,燃料增加到16%,在高溫熔爐中加熱溫度越高,則a值的增加使熱量的損失就越大。
      
    爐膛燃燒完全,降低了空氣過剩系數。據有關資料介紹:日本節能中心在工業窯爐節能措施中,著重于降低空氣過剩系數的研究,他們在一臺熱處理爐中經多次試驗,將空氣過剩系數從1.7降到1.2,降低29.4%,平均節能達13.3%。我們試驗爐子的實測結果是煙囪排煙處過剩空氣系數,普遍降低12―14%左右。六、富氧助燃工程的設計與安裝:
      
    以膜系統為例:為滿足高度含塵量的惡劣運行環境,膜組件自帶過濾,膜堆也可安裝在相對封閉的室內空間,空氣經通往室內的預置過濾器初步過濾后進入室內,相對潔凈的新鮮空氣在膜組件自帶的廢氣排放風機的引導下進入膜分離器進行氧氮分離,其中,富氧空氣經真空泵機組抽取輸送到用氣點,廢氣則經過廢排風機集中排放到室外;
      
    為保持系統的穩定、可靠,動力設備――真空泵是系統唯一可能的故障點,可設計采取備機形式以保證系統的可靠性;
      
    為最大限度的節約投資以及節約能源消耗,真空泵機組可采用多臺套真空泵機組并聯使用,備機采用變頻,開、停、切換、降負荷使用變頻機組,以具備良好的故障策略導向,建議設計采用單臺真空泵滿足要求。
      
    真空泵機組單獨安裝在泵房,設隔音降噪措施;
      
    系統設計以滿足用戶運行環境極端條件為目標,考慮對高溫、低溫、海拔條件的校核,以保證系統最終安裝地性能指標與運行穩定的達成;
      
    控制水平:中央集控/自動控制、無人值守、智能報警、遠傳接口
      
    七、系統主要技術性能特點(膜系統)
   
      1.工藝簡單:負壓流程?式膜制氧工藝,以真空動力自膜堆直接抽取富氧空氣;
      2.安裝簡便:膜堆模塊化設計,安裝簡單,連接方便;
      3.公用工程集約化:占地面積小巧,對廠房要求低;
      a)系統穩定可靠:任何動力設備均存在一定的故障率,采用備用機形式輔以自動控制系統在故障發生時切換到備機是最安全的解決方案,本系統可選擇對多級泵組采用1臺備機的配置形式,并采取變頻技術,充分考慮到系統的故障策略導向以及最大節約投資與能源消耗;
      b)操作方便:單鍵開停機,操作簡單方便;采用變頻技術為基礎的過程控制全自動完成;
      c)維護簡便:可對故障發生的羅茨真空泵機組進行不停機檢修,
      d)可擴展性:膜堆與真空泵組可方便的實現生產的簡便擴展
   

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