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在玻璃窑炉中使用全氧燃烧

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在玻璃窑炉中使用全氧燃烧(根据有关资料整理编写)北京玻璃仪器厂杨厚德玻璃行业是一个高耗能的行业,燃料燃烧后排放在大气中烟尘含有二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物(NOO、氟化物、石英粉尘等有害物质,严重污染环境。为了保护人类的生存环境和自然资源,各国对污染源、大气污染排放都制定了严格的标准,因此,玻璃行业必须严肃对待和解决这个问题。降低能耗、减少有害物的排放量有各种方案,用氧气—燃料组成的全氧燃烧系统成为在玻璃熔窑中取代空气一燃料组成的常规燃烧系统的优选方案之一,它不仅能大大降低Nm、C02、s如、粉尘等污染物的排放,而且在节能、提高玻璃熔化质量、减少设备投资都有良好的作用。随着氧气成本的鬻鲜氐,加上全氧燃烧在环境和经济上的优势,促进了全氧燃烧技术的全面研究和试验,使它在研究成功后很快在世界各地推广应用。一.在玻璃熔窑中的使用全氧燃烧的情况1、全氧燃烧的历史:1982年美国康宁公司首先开始试验,1983年第一座烧天然气的全氧燃烧窑在美国康1j。公司诞生。1989年第一座烧油的全氧燃烧窑在美国康宁公司诞生。到九十年代末期全氧燃烧已遍及美国、法国、比利时、葡萄牙、西班牙、墨西哥、巴西、韩国、德国、日本等国。在中国,全氧燃烧起步较晚,九十年代以节能为目的,在少量窑炉上试验富氧燃烧,之后氧辅助燃烧开始在一些玻璃窑炉中投入使朋。2、使用全氧燃烧熔化的玻璃品种:目前己复盖大部分玻璃,如钠钙玻璃、铅晶质玻璃、硼玻璃、高硼硅玻璃、高铅玻璃、乳白玻璃、微晶玻璃等。3、全氧燃烧窑炉生产的玻璃制品:有瓶罐、器皿、仪器、玻管、玻壳、泡壳、灯片、镜片、平板、玻纤、显象管用颈管及其他电子玻璃产品等。二.玻璃熔窑使用全氧燃烧的优越性1、排放的烟尘量少,符合环保要求全氧燃烧时烟气鹫少,而且烟气内N0,含量约比空气助燃时降低85%-90%。燃烧空间气氛中挥发份浓度大大增多,抑制了配合料中挥发份的挥发速度(如碱、硼),粉尘排放量减少70—80%,污染大为减少,符合环保要求。Corning公司40座全氧燃烧玻璃窑的运行数据看,全氧燃烧后的N吸降低都在85%以上,有的甚至高达90%,粉尘减少与玻璃配合料种类有关,钠钙玻璃粉尘减少30%以上,硼硅玻璃粉尘减少30’50%,铅玻璃粉尘减少60’70%。2、3、节髓烟气量少,带走热量少,可节能20—30%。对高6l|{}硅玻璃.节能会更多些。全氧燃烧可以提高玻璃的熔化质量。全氧燃烧中烟气成份中主要是G嘎和H20,比空气助燃时烟气的黑度大得多(约提高2.3倍),加上全氧燃烧中火焰传播速度快,故对上下调整玻璃液中传热餐增多,熔化率可提高10%-20%。加上烟气成份中的水汽含量可达53%.玻璃液与水汽反应增强,玻璃液中的OH-量增多.导致玻璃液粘度降低,粘度降低有利于澄清和均化,可提高玻璃质量。国外在熔化面积14M2、熔化温度1500。C、熔化率1t/m2幸d的熔窑中采朋空气燃烧和全氧燃烧进行废气成分和计算火焰黑度比较,全氧燃烧时废气中的N2量由空气燃烧时的72.2%降为3%,}h0由17.2%增至64%,C(h由8.6%增至32%,魄由2.1%降为1%,计算火焰黑度由0.129增至0.293。254、窑炉结构简单全氧燃烧窑结构近似单元窑.且比单元窑还简单,不需要金属换热器,实际上熔化部只有熔化池单体,占地小,建窑费用低。圈l为全氧燃烧炉示意图。娑鬻一薹俐戳匿隧德蚓圈I全氧燃烧炉示意闰5、窑炉寿命长,大修时间短全氧燃烧窑窑体都用电熔锆刚玉砖,窑内温度分布均匀,加上窑顶内表面温度通常比空气助燃时要低25—50。C,故炉龄均在4年以上,而且没有蓄热室或换热室等砌筑工程,修炉时间大大缩短。6、维修量小全氧燃烧窑体简单,没有了清扫和更换格子砖的繁重劳动,窑的自动化程度高,操作环境改善,可做到文明生产。三.有关全氧燃烧的几个问题1、燃烧反应和燃烧温度全氧燃烧的核心就是把空气一燃料燃烧系统变为氧气一燃料燃烧系统。(1)燃烧反应以天然气为例空气与天然气的燃烧反应为:cH4+2如+7.5N2--2[IzO+C02+7.5N:+NOx氧气与天然气的燃烧反应为:c阮+2毡~2也O+∞(2)燃烧温度Tu。=(‰+cfTc+V。帆一Qll。)/vC式中‰~…~燃料的低位热值Tr、T。…~~燃料、空气进入燃烧室的温度V.、V--~一实际空气量,烟气鼍Cr…CC-~燃料、空气、烟气从零度至各自温度下的平均比热mi------一…H20、cOz分解吸收热,一般视为零Q*=8200kcal/Bm4Tf=20℃G=I.57kj/Bm3℃T,=900℃T∞=20℃V。=22CI-1.39kj/Bm3℃GFl.31kj/B一℃V.=lOB—空气燃烧:(按天然气量1Bm3计算)T。1.=(8200X4.18+1.57X20+1.39X900×10)/1IC=4256/CBm3V=IIBm3v,=3B寸根据比热公式C=O.Ol∑xzCr计算燃烧产物比热C及采用内插法计算得知:T“=2496℃T☆g=0.75Tm=1872℃若用全氧燃烧,达到同样的燃烧温度,假设所需的天然气量为nBm3:TtIi=hA(8200x4.18+1.57.20+1.31X20X2)/3C’=11453n/C’若T。n=2496"C,C’=2.199,则所需的天然气量为:n=2496C’/11453=0.48Bm3从上述计算中可以看出,若达到同样的燃烧温度,采用全氧燃烧在理论计算上比空气燃烧节约燃料一半以上。(3)火焰传播速度火焰传播速度就是火焰单位面积所烧掉的气体体积m3/m2。全氧燃烧在燃烧中没有氮的存在,因而火焰传播速度比空气燃烧更快,两者之间的关系为:乳=W02(1—0.01№一0.012C如)式中矾、、‰……空气、全氧燃烧的火焰传播速度N2、c02~一一混合气体中N。、C(h所占的百分数2、全氧燃烧需要的氧气全氧燃烧技术最早是在热效率较低的小型玻璃窑上使用。全氧燃烧带来的热效率的提高,降低了窑炉的能耗,但需要消耗一定量的氧气,其节能效果会被燃烧中的氧气成本所抵消。因此,氧气的价格也直接影响到玻璃液的熔化成本。寻找经济合适的氧源,对于能否推广使用全氧燃烧是~个十分关键的问题。目前,每立米氧气的价格美国约合P4IBO.78元,日本企业自制氧的成本约为P,MBO.65元,而北京管道氧气价格为1.28元,液氧价格为1.50’1.60元,自制氧价格为1.00元左右。显然,在中国,氧气的高价格制约着全氧燃烧的应用,开发低成本的氧气是推广应用全氧燃烧必须解决的问题。合适的氧源有以F3种:(1)真空变压吸收法(VPSA)合成分子筛分离也和N。,它可以安装在生产现场,制氧成本低,产量可调性好,适用于中等用量(10-200t/d)、02纯度小于95%、用低压氧的场合。(普莱克斯公司新一代单床VPSA系统,设备能力9-27t/d,240/710Nm3/h,(k纯度90%-94%,设备规格12m*12m,计算机控制.操作全自动。)(2)低温氧气分离法(ICO)生产纯度达9896的低压如,还可同时生产N2。(3)液氧能供应纯度达99.5%的高压如,生产费用高,每吨液氧产生700Nm3的魄。3、燃烧器燃烧器是全氧燃烧的关键设备。燃烧器起着雾化和燃烧双重作用。它对火焰状况、温度分布、传热效果、窑炉耐火材料寿命等都很重要。要根据所使用的不同燃料、流基(iE常生产时的使用景和最大使用量)、窑炉结构选用不同的燃烧器。选用燃烧器要考虑的因素是:火焰覆盖面大。可控制碳黑形成、黑度大、Nn量小,可以用低压氧(一般低于0.05MPa即0.5大气压),高调节比,不需水冷,低噪音,维修量小,寿命长,可兼用气、液体燃料,价廉,耐久性好。采刚两段燃烧法(或叫两段供氧法)的燃烧器基本上能符合上述选型要求。所谓两段燃烧法是:第一阶段在火根。少量如与油中N元素接触,使N元素聚合成№分子,局部o:浓度降低,可抑制燃料NOx的形成,还使火根温度较低,并产生较多碳黑。第二阶段在火梢。0z与油焰接触面大,传热均匀,温度均匀,因而火梢温度也较低,可抑制热N0x形成。所以分阶段供氧可延缓燃烧,增大火焰覆盖面,提高火焰亮度,抑制Nox的形成。美国麦克森公司(MAXON)的LE型燃烧器和美国燃烧技术公司(CTI)的HR型燃烧器都属于分段燃烧燃烧器。MAXON-LE型燃烧器用压缩空气雾化,雾化油喷咀的结构与常用的相同。雾化喷咀外套供氧铜套。第一次供氧在喷咀砖内,通过环形氧分配板从4个flmm的小孔切向喷出。第二次供氧在喷咀砖外,由喷咀砖4角的4个f2mm的小孔平行喷出。美国BOS公司全氧燃烧系统的油燃烧器,外套管通入1Pas压力纯氧(占总氧量的80%),内套管通过油氧混合体(0。l!i总氧20%)。喷咀砖必须与燃烧器配套。}/#LXON公司喷咀砖的内形呈喇叭状,喷出火硬、商速、高冲量、短焰。c'ri公司喷咀砖的内形呈直筒状,喷出火焰软、低速、低冲量、长焰。CTI公司研究开发出一种平焰燃烧器(Primefire300型)。火焰呈扇形状,覆盖面要增大2“3倍,火焰宽度可达到1.2M,热辐射增强约1倍。靠近喷咀的火焰稳定在原始状态,有利于油热裂解禾I碳黑形成,井藉油流和氧流的动量差,使火焰贴近液面。平焰燃烧器已在许多玻璃池窑上使用。燃烧器的安装要点有:(1)水平安装。不能有上倾或下倾。全氧火焰较短,温度高,需严格防fl上扬烧坏碹顶耐火材料或F倾造成玻璃液局部过热。(有的文章介绍燃烧器安装时应稍有下倾),(2)喷咀砖要缩进胸墙内壁30~70mm,以防沿胸墙内壁流下的碹滴影响火焰喷山。(3)燃烧器安装高度要避免高温火焰在液面和窑顶处局部过热,要充分利用烟气对热辐射的缓冲作用。故麻在液面以上375mm~533.4mm处安装燃烧器。(4)喷咀砖四周与胸墙问的缝隙(约3mⅢ)要封严,防止火焰气体逸出烧坏燃烧器外壳,燃烧器布置的要求是:分区供给熔化所需的热量,保证窑宽上温度的均匀性,防【E在液面上形成不必要的热点,避免窑顶和胸墙过热,优化火焰空间内气流的流型(能减少对耐火材料的冲蚀、减少携带出的粉尘、延长烟气仃留的时间)。火焰的30%’35%。需要注意的是:燃烧器喷山的火焰有可见和不可见两部分,不可见的暗焰部分占总燃烧器的排列:可作错排或顺排(图2)。在窑池宽小于7.3m时作错排,以避免相对的射流碰撞,致使气流冲向窑顶。要求可见火焰达到或稍超过窑中心线,此时,料流曲折、流程较长、化料好。窑池宽在7.3m以上时应作顺排,以避免窑宽上温度不均匀。现在一般采取错排方式的较多,它适用于使用燃烧器数量少、燃烧能力火}{勺全氧燃烧窑炉。窑死角处可增设补充燃烧器。28_t上Lj一_jl、F丑主。t_Ij—l燃烧器顺排燃烧;Ij}错排,币L.~..玎二iL……一、Jr~i-i。一≯]I,k…l『一ri¨~i-Ji|、图2燃烧器布置:左为顺排,右为错排,4、窑体结构窑炉设计时要全面考虑,许多因素是互相有联系的,其中特别重要的是窑炉尺寸的确定、各部分材料的使用、燃烧器的选型和烟道的位置。全氧燃烧窑结构十分简单。熔化部窑体内除了熔化池和火焰空间外,其他还有燃烧器、排烟口、加料口和流液洞,烟气和玻璃液通常都作逆向流动。烟道位置烟道位置的选择要考虑到熔化工艺的合理性。对不同的玻璃,工艺上有不同的要求,以取得最隹的玻璃液流动路线。烟道位置的选择还牵涉到建炉费用,并影响到池窑的压力控制。烟—刘2~瑚娴道住艘在屑墙赴侧墙图3烟道位置图:左图在后胸墙上,右图在两侧胸墙上烟道位置的布置可以在池窑后胸墙上,也可以在池窑的两侧胸墙上。布置在后胸墙上的单烟道对压力控制有利,建炉费用也小,但加料口要放在池窑侧面。位于两侧胸墙上的双烟道布置方式,两侧压力不易平衡,建炉费j=Ij也较高(圈3)。烟道面积全氧燃烧时的烟气量比空气助燃时要少8册多,但不能按此值缩小排烟口面积,_般按空气助燃时烟道面积的30% ̄35%米考虑:因为排山的烟气温度高,流速快。但面积也不要过大,否Ⅲ0烟气流速偏小,碱蒸汽会冷凝沉积。烟道长度水平烟道不要过长,否则阻力大。垂赢烟道到闸板处至少要有411)长。由于烟气温度高,则道都用电熔锆刚玉砖砌。烟囱高出厂房屋顶,用钢板,内涂耐热涂层。为了降低烟气温度,可以采j{}j风冷却或29水冷却的办法。加料口可以布置在熔化池端部或侧壁胸墙,在侧壁常为单侧加料口。火焰空间高度比空气助燃时略高些,以防窑顶处局部过热。5、窑顶材料全氧燃烧后烟气组成中不仅也O和cOz含量大增,突出的是碱蒸汽浓度猛增。燃烧气体内碱蒸汽(NaOH和KoH)的浓度、上部空间的温度和燃烧气流的流型对硅砖蚀损速度有影响。在窑顶硅砖表面含碱量增加的同时发生两个过程:首先是硅砖表面形成的低熔点的富碱玻璃相,以碹滴形式流F,然后是碱组份继续向硅砖内部扩散。这两个过程不断交叉进行,硅砖的蚀损就不断向纵深发展。这两个过程除于碱蒸汽浓度有关外,还与硅砖表面温度币I气流速度有关。欲减轻全氧燃烧窑内对硅砖的蚀损,必须大大减少燃烧气体内NsOti含量,必须避免出现还原焰(还原焰会促进碱组分的挥发),必须降低石毒砖窑顶对Nat0的吸收能力(从化学反应考虑),必须减小对硅砖表面的气流速度,还必须维持稳定的恰当的硅砖表面温度。事实上,要做到上述几点是困难的,尤其是第一点。所以,国外全氧燃烧池窑上采用硅砖时炉令较短,只在早期曾经采用过。司以认为,硅砖是不宣用作全氧燃烧窑窑顶的.在硅砖难以满足要求时,最受人关注的是电熔砖,包括:电熔锆刚玉砖、电熔锆砖、电熔刚玉砖。对钠钙玻璃,用41号电熔锆刚玉砖还行,对硼、铅玻璃,J目=f电熔锆砖合适。电熔刚玉砖(如。一pAlz@砖)是最耐蚀的。根据美国实践,较理想的是用a—B6、全氧燃烧的控制郄保拍为使玻璃液在熔化池内有合理的流动,除了燃烧器的合理在布置外,燃烧器都必须根据工艺要求控制一定的流量,燃烧器的燃烧可以是每支分别控制或分区控制或总管控制。每支燃烧器的氧气和燃气都分别安Al,O瓣。装流量显示嗣I调节装置,此外还要考虑安装高低限位截止阀。考虑到仃I毡或气压过低时燃烧系统的保护,还应有安全联锁控制。每支控制,调节灵栝,但用的仪表、设备多,成本要高些,总管控制费用较少。圈4为燃烧器控制示意图。,,一ti啪、托删…/。l、2一压办调节器3、4~流撼{I弋4}夕’。5、6、7、8、9、10、儿、12一酗立械】J:阀h一安全连锁抖!制黼A放大图图4全氧燃烧炉燃烧系统控制图7、氧辅助加热氧辅助加热实际上是全氧燃烧的一各种简单方式,它是在窑炉一般燃烧的基础上,安装~对全氧燃烧器,用以提高熔化效率和熔化质量。如马蹄焰流液洞池窑,可在流液洞侧的侧胸上增加一对全氧燃烧器,辅助加热,强化熔化池某一区域的温度。需要注意的是辅助氧燃烧器的安装位置应是火焰的热点附近,保证玻璃液的IE常流动。据国外资料,加辅助氧气燃烧器后,出料蹙可提高5%’15%,燃耗量可降低5% ̄1096,成品率可提高296,烟气中NOx量可减少5% ̄1096。燃烧器火焰不换向,其走向会受到马蹄形火焰的影响。在中国也有成功使用氧辅助加热的例子。8、电助熔配合全氧燃烧的窑内也可以用电助熔,加入电助熔后可提高整个窑炉的热利用率和熔化能力。对背通玻璃,用0.5’O.6kgh电能可熔化Ikg玻璃液,对商硼硅玻璃,用1.i’1.2kwh电可熔化lkg玻璃液。电助熔的电极布置原则和空气助燃池窑相同,但要注意电极和燃烧器的配合。电极处温度高,形成一峰值,周围产生玻璃液对流。燃烧器下面温度高,也有循环液流,电能的加入麻该强化玻璃液的正常流动。而琴虚造成玻璃液流动的混乱,影响玻璃的熔化能力和熔化质量。所以要在电极上面或靠近电极处安装燃烧器。此外要注意池底安装的热电偶不要靠近电极,以免影响温度i|《I示的准确性。四、全氧燃烧窑实例1、美国加州6allo公司1991年与Coming公司、PRAXMR公司合作,将1号池炉改造为全氧燃烧,并在改造成功的基础上将全氧燃烧技术应_}{Ij至《其他儿座池炉。1号池炉原为5对小炉的横焰窑,熔化面积ll6In2,每天最大出料量400t,产品为葡萄酒瓶。1号炉改造中,Corning公司提供专用全氧燃烧器,PRAXMR公司提供VISA制氧系统,改造后的池窑在结构上取消了蓄热室,小炉仅剩一对,主要用于废气排放,控制系统也作了相应改进。在出料量约340t/d的情况一F,NOx降低了84%,能耗降低了15%,废气减少了80%,粉尘减少了30%。平均桥墙温度由15486C降为1511"C,降低了37℃,吨玻璃电助熔由0.52MMBtu/t降为0.423MMBtu/t,降低了18%,天然气由3.742MMBtu/t降为3.386肼Btu/t,降低了10%,被美国能源部授予技术商业化优秀奖。2、美国马里兰州Carr-Lowery玻璃公司其7号池炉是生产化妆品的马蹄焰池炉,设计出料量75t/d,熔化面积27.9m2。在KTG公司协助下,1990年7月进行全氧燃烧试验。5支燃烧器安装在玻璃液面上方508mm,燃烧器为错排安装,~侧燃烧器(3支)距熔化池后墙距离为2133.岛%、3962.4舢、6400.8mm,另—删(2支)距后墙距离分别为3048mm、5181.6姗。改为全氧燃烧后,小炉面积减少了60%,单位能耗由5.35MMBtu/t下降到4.64删1]tu/t。3、美国TECHNEGIAS公司的w锥池炉1993年由原来传统的横火焰蓄热室Air-Fuel池炉改建而成。生产含24%Pb0和高K20的Tv锥玻璃。熔化池每侧胸墒上安装6支燃烧器,两侧燃烧器错位布越,配备了先进的控制系统。改造的窑炉燃料羽量减少40%,烟气粉尘及NQ排放量减少1/2。Pb的挥发和产品气泡明显降低。4、美国TEC删EGLAS公司的Tv屏池妒1995年7月改造,设计出料量300T/d,熔化池每侧胸墒上均安装了6支高辐射能力燃气氧气燃烧器,两侧燃烧器相互错位布置。两个废气排出口分%4位于熔化池两侧胸墙上。第一对燃烧器安装在加料端墙羽l废气排出口之间。改造后玻璃质量明显提高,吨玻璃能耗减少23%,池炉平均温度和烟气平均温度下降22℃和195"C。5、日本NEG公司有部分窑炉采用全氧燃烧加电辅助加热,燃料分别用城市煤气、重油,熔化玻璃品种有照明玻璃、高铅玻璃、微晶玻璃等。在减少火气污染、提高玻璃熔化质量方面都有良好的作用。6、高硼硅3.3玻璃是一种很难熔化的玻璃,熔化率低,一般纯煤气炉熔化率最高为0.5t/m2.d,加电助熔为0.6 ̄o.7t府.d,加全氧燃烧可达lt艋.d。肯堡公司有一个全氧燃烧加电助熔炉,熔化面积48m2,有三条Vello线和一个人工作业口,出料量达50’55t/d,玻璃质墅jF常稳定。另外,还有一个公司,削氧气一天然气加电助熔熔化3.3玻璃,熔化面积60m2,出料量64t/d,有一台吹机和2条Vello线生产。7、北京玻璃仪器厂1999年8月在熔化3.3高硼硅玻璃的马蹄焰池窑中使用氧辅助加热,原熔化池燃料为发生炉煤气,熔化面积28M2,在熔化池热点附近安装了一对美国燃烧公司的PRIMEFIREl00型氧气/城市煤气燃烧器。氧气和城市煤气由管道直接供给,氧气压力0.35MPa,氧气流量225N酽/h,城市煤气热值3700Kcal/NM3,压力0.01MPa,燃烧能力为0.063’0.¥*lO“Kcal/h。投入运行后,改善了熔化池的火焰状况,稳定了玻璃液的流动,在氧气使用罱为30 ̄40re%时,发生炉煤气用量减少了20%,熔化玻璃量增加了3.6t/d。之肃,氧辅助加热又在单元炉上应用,也取得了较好的效果。玻璃熔窑全氧燃烧开发应用已有20多年的时间,它在环境和经济上的两大优势,已经得到了世界玻璃业的认可,可以说,全氧燃烧是玻璃熔化的一大E跃。在全氧燃烧不断的实践中,积累了许多宝贵的经验,全氧燃烧中遇到的一些技术问题秆【材料设备问题也在逐渐得到解决,全氧燃烧的应用范嗣还在继续扩大。但是,与国际上相比,中国的全氧燃烧的开发、使用尚在初级阶段,对全氧燃烧技术的认识还刚刚开始,获得全氧燃烧所需低价氧气来源还有困难,一些关键设备和材料也没有解决,更谈不上全氧燃烧的实际经验,但是在环境和经济因素的推动F,全氧燃烧在中国玻璃行业也一定会得到推广应用。参考文献:[1]孙承绪:《全氧燃烧池窑中若干技术问题的探讨》[2]徐胜利:《尹殿中纯氧燃烧技术在玻璃池炉中的应用》[3]曾厚礼翻译:《纯氧助燃玻璃池炉设计的发展趋势》[4]於云林周志豪:《玻璃熔窑全氧燃烧技术的最新发展》32在玻璃窑炉中使用全氧燃烧

作者:作者单位:

杨厚德

北京玻璃仪器厂

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