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1、膜法富氧技术在玻璃窑炉上的应用 （江苏贝瑞特富氧科技有限公司） 袁堃峰 程湘荣摘 要：文中阐述了膜法富氧的原理，介绍了富氧燃烧技术在玻璃池窑中的设计和应用情况，指出富氧燃烧技术在节能和环保方面的重要意义。并结合公司在膜法富氧燃烧的施工实例，证明该技术在节能及环保方面将有广阔的前景。关键词：玻璃窑炉 富氧助燃 节能环保一、膜法富氧原理： 膜法富氧技术是利用高分子材料的一些本征特性，如对不同气体分子具有不同的选择渗透性能，以及高分子材料的特殊加工性能,经过科技人员的研究，加工成为具有工业应用价值的气体分离膜和膜原件，如图1所示。它具有超高气体透量（与玻璃态高分子膜相比），可以将空气中的氧分子从21
2、%富集到30%，其在单位面积，单位时间，单位压力的条件下可产生氧分子为30%的富氧空气为4Nm3/m2 hbar,与深冷法制氧和变压吸附法制氧（相同浓度）相比，膜法制氧的成本为最低1。 图1 富氧膜示意图二、富氧燃烧技术在发生炉煤气马蹄焰玻璃熔窑上的应用在玻璃窑炉熔化池的火焰空间中，其燃烧过程的进行，空气总在火焰的上部，燃料在火燃的下部， 因此火焰下部相对是缺氧的部位，燃烧不充分，相对温度较低。如果将富氧喷管以一定的角度将富氧空气以一定的速度引入窑炉空间，冲击火焰底部，这样便在靠近玻璃料液面的一侧形成一个富氧层，使火焰底部充分燃烧，在靠近玻璃料液的一侧形成一个高温带，增加火焰向玻璃料液的热辐射
3、。但在火焰的上侧温度并不升高，这样可使窑炉的碹顶免受由此带来的侵蚀加重。同时由于火焰强度增加，提高了火焰燃烧速度，火焰变短，有助于控制熔窑内温度分布，可防止火焰过长延迟到蓄热室内燃烧。这对蓄热式熔窑来说，格子砖的寿命也可以得到延长。 由于马蹄焰窑是侧面加料，正面喷火，为了加强熔化，火焰长度要求短些，把火焰热量集中于配合料熔化区，以起到增强熔化部位熔化能力的作用。火焰长短，可通过控制富氧空气的流量来调节。当氧流量增至100m3/h时，火焰长度将有明显的缩短。在马蹄焰窑火焰空间内，富氧助燃可使热流离开碹顶向下移动，窑顶附近空间温度显著下降。同时澄清区液面附近的冷气层显著被消除，玻璃液内部热均匀性有
4、所提高，使成形制品质量得到提高。（一）、发生炉煤气马蹄焰玻璃窑炉富氧助燃系统的设计：为了使池炉内的火焰上下方向能形成梯度燃烧，即是使近玻璃液面处的火焰温度高于火焰上部的温度，将富氧喷嘴设在小炉底板砖上，富氧空气随火焰下部同方向喷出，如图2所示，在池内与火焰下部混合，使火焰在熔化池靠近加料囗处形成高温的底层火焰，从而加速化料，提高熔化率，克服跑料堆现象，且能保证马蹄焰的回火不致带料粉进入蓄热室，利于格子砖延长寿命。 图2 富 氧 燃 烧 示 意 图 在运行中的窑炉按装富氧助燃时，是在不停产状态下进行施工的，利用火焰换向时间，分别在两小炉预混室的外恻墙上打孔将富氧喷嘴插入，贴近小炉底面，喷嘴角度随
5、煤气走向。喷嘴的富氧空气随火焰下部同向喷出，使富氧空气在池内与火焰下部混合，形成富氧助燃的效果。（二）、燃油（或天然气）马蹄焰玻璃窑炉富氧助燃设计：燃油窑炉在设计富氧助燃时，是将富氧喷嘴设计在每支油枪下部，见下图3： 图3 燃油窑炉的富氧助燃系统设计图我公司自主研发、设计、生产的全套富氧燃烧设备，于2008年5月在青岛荣泰玻璃制品有限公司一号马蹄焰玻璃窑炉上运用，节能效果显著，随即又在二号炉进行使用，节能效果更有提高，二个窑炉能耗情况作了二个月考核，结果如下：一号炉：99m2富氧前出料量190T/日，燃煤45T/日 (单耗237Kg/T玻液 ) 富氧后出料量198T/日，燃煤40T/日 （单耗
6、202kg/T玻液）二号炉：104m2 富氧前出料量200T/日，燃煤46T/日 (单耗230Kg/T玻液) 富氧后出料量218T/日，燃煤41T/日 （单耗188kg/T玻液） 这两套装置是我公司从富氧膜、富氧组件生产、富氧设备制造、设计安装为一体的系列工程。经测定，该富氧燃烧技术及装置不但节能效果可观，而且改变了窑炉工况，当富氧空气输入后，火焰长度明显缩短，加料口部位火焰底部亮度明显增强，炉顶温度降低，燃料节约达10%以上，产量提高5%左右。三、节能、环保等特点：1.提高火焰温度：由于富氧空气的参与，氮气含量相对减少，相应减少了废气中由氮气带走的热量。有关资料介绍，火焰燃烧温度随空气中氧气
7、含量的增加而显著提高，如使用一般空气助燃， 炉膛加热温度为1300时，可以利用的热量仅为42%，而采用氧含量为28%的最佳经济浓度的富氧空气进行助燃时，可利用的热量高达56%，热量利用率提高了33%。图4 火焰温度与燃烧空气中氧浓度的关系从上图4可以看出，火焰温度随着空气中氧含量的提高而提高；但随着富氧空气浓度不断提高，火焰温度增加的幅度逐趋平稳。因此为了有效地利用富氧空气，其浓度不宜选得过高。按过剩系数a=1.11.5组织燃料时，富氧含量在2530时效果最明显2。 2.加快燃烧速度燃料在富氧空气中燃烧速度加快的原因：是由于增加氧含量后，使火焰温度提高所致。如表1所示，天然气在氧气中的燃烧速度
8、比在普通空气中的燃烧速度能提高10倍。燃烧速度的提高，能够使燃料在炉膛内燃烧得迅速完全。表1 燃料在空气和氧气中最大燃烧速度对比表（cm/s）燃 料空气（21%O2）氧气（100%）范 围最大可能范围最大可能氢气250-360280890-1175 天燃气33-4437325-480395丙烷40-4742360-400375丁烷37-4641335-3903553.降低燃料的燃点温度燃料的燃点温度在一定条件下不是常数。如CO在空气中的燃点温度为609，而在纯氧中仅为 388。富氧助燃就是利用这一现象，将少量的富氧空气，集中地供给燃料刚刚喷出的点燃部位，使该区氧气量增加，降低燃料点燃温度，使燃
9、料提前点燃，这样相对延长燃料在炉膛中燃烧时间，延长燃料释放热量的流程，增加火焰单位体积的热释放量。4.减少燃烧后的排气量使用含氧量为23-24%的富氧空气参加燃烧，与普通空气燃烧比较，当过剩空气系数a=1时，则排气体积减少10-20%，其排烟热损失也减少10-20%，从而提高热效率而节能。燃料在一般空气与在纯氧中燃烧速度相差甚大，如天然气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的10.7倍，因此富氧助燃，不仅提高燃烧强度，还能加快燃烧速度，更有利于燃烧反应完全，可以改善排烟质量，减少未燃物质对环境的污染。图5排出废气的容积比与燃烧空气中的氧浓度的关系(a为空气过剩系数)从图5中可以看出，若使用氧浓度为21
10、%的常规空气，按理论空气量燃烧的排气量为1计算时，随着含氧量的增加，排气量有减少的趋势。使用含氧量为27%的富氧空气燃烧与氧浓度为21%的空气燃烧比较，过剩系数a=1时排气体积减少21%，排烟热损失也相应减少。5.降低空气过剩系数富氧燃烧能有效地降低空气过剩系数，使排烟热能损失大幅度降低，从而提高窑炉的热效率而节能。当a值为1.1时，燃料只增加4%，当a值为1.4时，燃料增加到16%，在高温熔炉中加热温度越高，则a值的增加造成过剩空气带走的热量的损失就越大。炉膛燃烧完全，降低了空气过剩系数。据有关资料介绍3：日本节能中心在工业窑炉节能措施中，着重于降低空气过剩系数的研究，他们在一台热处理炉中经
11、多次试验，将空气过剩系数从1.7降到1.2，平均节能达13.3%。四、富氧助燃工程的设计与安装：为适应高度含尘量的恶劣运行环境，膜组件自带过滤，膜堆也可安装在相对封闭的室内空间，空气经过预置过滤器初步过滤后进入室内，经过滤后相对洁净的空气在膜组件自带的废气排放风机的引导下进入膜分离器进行氧氮分离，分离后的富氧空气经真空泵机组抽取输送到用气点，废气则经过废排风机集中排放到室外；多机并联形式示意图为保持系统的稳定、可靠，真空泵是系统唯一可能的故障点，我们设计采取备机形式以保证系统的可靠性；为最大限度的节约投资及节约能源消耗，真空泵机组我们采用多台套真空泵机组并联使用，备机采用变频，开、停、切换、降
12、负荷使用变频机组，以具备良好的故障策略导向。真空泵机组单独安装在泵房，设隔音降噪措施；系统设计以满足用户运行环境极端条件为目标，考虑对高温、低温、海拔条件的校核，以保证系统最终安装地性能指标与运行稳定的达成；控制水平：中央集控/自动控制、无人值守、智能报警、远传接口五、系统主要技术性能特点（膜系统）1.工艺简单：负压流程捲式膜制氧工艺，以真空动力自膜堆直接抽取富氧空气；2.安装简便：膜堆模块化设计，安装简单，连接方便；3.公用工程集约化：占地面积小巧，对厂房要求低；a) 系统稳定可靠：任何动力设备均存在一定的故障率，采用备用机形式辅以自动控制系统在故障发生时切换到备机是最安全的解决方案，本系统
13、可选择对多级泵组采用1台备机的配置形式，并采取变频技术，充分考虑到系统的故障策略导向以及最大节约投资与能源消耗；b) 操作方便：单键开停机，操作简单方便；采用变频技术为基础的过程控制全自动完成；c) 维护简便：可对故障发生的罗茨真空泵机组进行不停机检修，d) 可扩展性：膜堆与真空泵组可方便的实现生产的简便扩展六、膜法局部富氧助燃在煤焦油双碹玻璃窑炉上的应用实例2008年11月江苏省泰兴市吉力玻璃制品有限公司委托我公司采用自发研制的膜法富氧装置对其使用的燃煤焦油双碹玻璃窑炉进行富氧助燃改造。在双方的积极配合下，于2009年1月底设备安装结束并投入使用，并对使用情况进行了富氧前后测试。经过一个月的
14、跟踪测试，结果表明：使用富氧燃烧后火焰温度明显增高，燃烧速度加快，燃料在火焰区域燃烧充分，大碹温度降低，大碹向外散热热量减小，废气排放减少，燃料节约7%，产量提高11 %，产品合格率提高4%，综合经济效益可观。具体改善情况见下表2：表2 煤焦油双碹玻璃窑炉上富氧助燃前后的对比情况测试项目单位富氧前富氧后差值玻璃液产量T/D17.519.52产品合格率%81854总耗油量T/D5.85.40.4耗油量/吨玻璃kg33127754二次助燃风流量Nm3/h3625303359229%富氧空气加入量Nm3/h150150池炉大拱外表温度16815513熔化池火焰温度1550158030烟道排烟温度38
15、033545烟气中氧含量%862过剩空气系数1.61.40.2七、总结从理论和实践证明，膜分离富氧燃烧技术能显著节能和增产，且能提高玻璃质量，延长窑炉寿命，减少烟尘排放，在大中小型玻璃熔窑上使用是可行的。无论是从经济效益还是社会效益出发，玻璃熔窑采用富氧燃烧技术无疑会是必然的趋势。 参考文献：1 李志铭. 玻璃熔窑富氧燃烧技术J. 建筑玻璃与工业玻璃,1995,4:27-37.2 曾令可, 邓伟强, 刘艳春, 税安泽, 王慧, 李萍. 富氧燃烧技术在陶瓷窑炉中的应用分析J. 陶瓷学报, 2007, 2: 123-128.3 苏俊林，潘亮，朱长明. 富氧燃烧技术研究现状及发展J. 工业锅炉, 2008,3:1-4.
