浮法玻璃熔窯富氧熱風(fēng)助燃系統(tǒng)的探討

徐 亮，周金毅，羅文斌

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

隨著國(guó)家政策對(duì)環(huán)保節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)玻璃生產(chǎn)商對(duì)玻璃工廠能耗方面設(shè)計(jì)日趨重視。玻璃廠能耗主要由兩方面構(gòu)成：電耗與燃料。對(duì)于電能的使用與節(jié)省，近年來(lái)國(guó)內(nèi)玻璃企業(yè)已日趨成熟：玻璃工廠設(shè)計(jì)中通過(guò)加裝余熱發(fā)電系統(tǒng)，利用熔窯燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的廢氣余熱中的熱能，通過(guò)鍋爐給水生產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽，蒸汽再進(jìn)入汽輪機(jī)組，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而以機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的形式發(fā)電[1]。

在熔窯上通過(guò)利用廢氣余熱發(fā)電，極大地降低了玻璃生產(chǎn)中的電耗。熔窯作為玻璃廠主要燃料消耗單位，該文所提出的富氧熱風(fēng)助燃技術(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃熔窯進(jìn)一步的節(jié)能降耗，利用高熱富氧空氣助燃風(fēng)與燃料組成的富氧熱風(fēng)燃燒技術(shù)取代此前由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒方式，將在環(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量、質(zhì)量等諸多方面有優(yōu)異的表現(xiàn)?，F(xiàn)就富氧熱風(fēng)空氣的收集方法及利用方式進(jìn)行相關(guān)探討。

1 富氧熱風(fēng)助燃技術(shù)

以燃料為能源的玻璃熔窯，其窯內(nèi)溫度取決于所供燃料燃燒的溫度。根據(jù)公式

t=(Qd+Crtr+CktkLa)/CyVy

式中,t為燃料理論燃燒溫度(℃)；Qd為燃料低位發(fā)熱值{kcal/Nm3(kg)} ；Vy為燃燒生成氣量{Nm3/Nm3(kg)}；tr為燃燒溫度(℃)；tk為空氣溫度(℃)；Cy為燃燒生成氣的熱容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；Cr為燃料的熱容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；Ck為空氣的熱容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；La為不同空氣過(guò)剩系數(shù)時(shí)單位空氣耗量{ Nm3/Nm3(kg)}。

理論上，提高助燃空氣的預(yù)熱溫度和燃料的預(yù)熱溫度就能提高燃料的燃燒溫度。浮法玻璃熔窯內(nèi)的最高溫度一般不超過(guò)1 600 ℃，否則會(huì)對(duì)窯體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?zé)龘p，影響熔窯的使用壽命，通過(guò)調(diào)整燃料的用量可以把溫度控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)資料介紹，助燃空氣預(yù)熱溫度每升高100 ℃可以降低燃料消耗7%～8%[2]。

而熔窯內(nèi)燃料燃燒時(shí)所需的氧氣，通常是由空氣中的氧來(lái)提供，國(guó)內(nèi)大多數(shù)玻璃廠利用離心風(fēng)機(jī)將常溫狀態(tài)的空氣送入各小爐分支煙道空交機(jī)，進(jìn)而參與爐內(nèi)燃燒。然而空氣中氧氣含量?jī)H占21%而其余大部分為氮?dú)猓獨(dú)庠跔t內(nèi)不參與燃燒，隨著生產(chǎn)過(guò)程中每一次系統(tǒng)換向，氮?dú)庾鳛閺U氣會(huì)帶走大量熱量，而熱量的損失，相應(yīng)地增加了燃料消耗，降低了燃料的有效利用率。因此，如何有效提高助燃風(fēng)中氧氣含量就等于變相提高了燃料的利用率，減少了燃料的消耗。

綜上所述，生產(chǎn)過(guò)程中提高助燃風(fēng)風(fēng)溫、提高助燃風(fēng)中氧含量均能有效提高燃料的利用率，減少燃料的消耗。在此基礎(chǔ)上，富氧熱風(fēng)助燃技術(shù)應(yīng)運(yùn)而出，所謂的富氧熱風(fēng)助燃主要由富氧空氣與生產(chǎn)余熱風(fēng)兩部分構(gòu)成，通過(guò)混合，利用余熱風(fēng)的熱量將富氧空氣預(yù)熱，形成富氧熱風(fēng)再吹入熔窯各小爐，用于提高窯內(nèi)的燃燒溫度。其設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1。

2 富氧空氣的收集

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在浮法玻璃生產(chǎn)線上，廠區(qū)氮?dú)庹纠每辗衷韺⒂坞x在空氣中的氮?dú)?、氧氣進(jìn)行分離，其中氮?dú)庵饕糜阱a槽熱工工段所需保護(hù)氣，而分離出的氧氣通常不做收集，直接排放至大氣中，造成較大的浪費(fèi)。而其中所外排的氧氣主要成分由含氧量≥93%的純氧及含氧量25%～35%的空氣廢氣組成。現(xiàn)以山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線氮?dú)庹井a(chǎn)氣為例，主要參數(shù)如表1所示。

表1 山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線氮?dú)庹井a(chǎn)氣參數(shù) /(Nm3·h-1)

2.2 富氧空氣的收集

富氧空氣的利用主要是將含氧量≥93%的純氧及含氧量25%～35%的空氣進(jìn)行采集、混合。通常情況下，氮?dú)庹舅杉母谎蹩諝獬鰵鈮毫σ话阍?.25～0.30 MPa，輸送期間采用儲(chǔ)氣罐等措施對(duì)輸送氣體進(jìn)行穩(wěn)壓，通過(guò)管道輸送形式送至熔窯助燃風(fēng)系統(tǒng)，再與余熱風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行二次混合。富氧空氣采集輸送設(shè)有穩(wěn)壓、計(jì)量、調(diào)節(jié)裝置，采集輸送原理見(jiàn)圖2。

3 生產(chǎn)余熱風(fēng)的利用

3.1 可行性分析

在大部分浮法玻璃生產(chǎn)線上，退火窯A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)所產(chǎn)生的高溫風(fēng)通常直排車(chē)間外，不做利用。而經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，退火窯所產(chǎn)出的余熱風(fēng)能夠用來(lái)提高助燃風(fēng)的風(fēng)溫，現(xiàn)以山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線退火窯正常生產(chǎn)參數(shù)為例，參數(shù)如表2所示。

表2 山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線退火窯生產(chǎn)參數(shù)

如表2所示，A～C區(qū)所累積的余熱風(fēng)流量Q≈48 193 m3/h，出口風(fēng)壓在2 400～2 857 Pa范圍內(nèi)，而該項(xiàng)目前端助燃風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選型為：風(fēng)量Q=85 819 m3/h，全壓P=2 501 Pa，一用一備。從數(shù)據(jù)可以看出前端熔窯助燃風(fēng)的風(fēng)量需求遠(yuǎn)大于退火余熱風(fēng)，而所需風(fēng)壓基本在范圍內(nèi)，故退火窯余熱風(fēng)參與進(jìn)入助燃風(fēng)系統(tǒng)方案可行。

3.2 余熱風(fēng)的收集

退火窯A～C區(qū)排風(fēng)管匯聚于一根主風(fēng)管，主風(fēng)管上設(shè)有計(jì)量、調(diào)節(jié)裝置。因退火窯至前端助燃風(fēng)系統(tǒng)距離過(guò)長(zhǎng)，為保證退火熱風(fēng)沿程損失降低，保證流量供應(yīng)，在主風(fēng)管上加設(shè)一臺(tái)小功率離心風(fēng)機(jī)作為補(bǔ)充風(fēng)量，通過(guò)冷、熱風(fēng)混合箱混合后進(jìn)入高溫助燃風(fēng)機(jī)，余熱風(fēng)收集利用原理見(jiàn)圖3。

以上述山東某生產(chǎn)線為例，風(fēng)機(jī)選型可為：

離心風(fēng)機(jī)：4～60No10C，Q=37 936 m3/h，P=2 422 Pa，電機(jī)功率37 kW

高溫助燃風(fēng)機(jī)：W4-73-11型，Q=90 500 m3/h，P=2 771 Pa，電機(jī)功率155 kW。

4 控制要求

4.1 富氧空氣

富氧空氣采集系統(tǒng)輸送主管設(shè)有穩(wěn)壓、計(jì)量、調(diào)節(jié)裝置并設(shè)高低壓力報(bào)警，流量顯示。

富氧空氣在進(jìn)入每對(duì)小爐余熱風(fēng)支管前，在富氧空氣系統(tǒng)小爐支管上設(shè)一組流量控制單元，實(shí)行定值控制，根據(jù)每對(duì)小爐實(shí)際的燃燒情況可隨時(shí)進(jìn)行該小爐的增量減量，保持穩(wěn)定。

富氧空氣與氮?dú)庹卷氃O(shè)流量監(jiān)控，通過(guò)富氧空氣主管調(diào)節(jié)裝置與氮?dú)庹境鰵饬髁窟M(jìn)行聯(lián)動(dòng)，防止富氧空氣抽出過(guò)多對(duì)前端制氮工藝造成影響，進(jìn)而影響生產(chǎn)。

4.2 生產(chǎn)余熱風(fēng)

生產(chǎn)余熱風(fēng)采集系統(tǒng)輸送主管設(shè)有計(jì)量、調(diào)節(jié)裝置并設(shè)高低壓力報(bào)警，溫度、流量顯示。

退火窯A區(qū)～C區(qū)各出風(fēng)支管出口段設(shè)流量、溫度檢測(cè)裝置。

生產(chǎn)余熱風(fēng)主管設(shè)流量監(jiān)控，設(shè)定生產(chǎn)所需助燃風(fēng)定值，與離心風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，離心風(fēng)機(jī)要求變頻控制。

4.3 富氧余熱風(fēng)

富氧空氣經(jīng)過(guò)生產(chǎn)余熱風(fēng)的混合、加熱后，通過(guò)各支風(fēng)管送風(fēng)入玻璃熔窯，要求各送風(fēng)支風(fēng)管風(fēng)量與熔窯所配備燃料實(shí)行比例調(diào)節(jié)。

采用支煙道空交機(jī)換向，換火期間增大進(jìn)風(fēng)量0～20%，此時(shí)富氧余熱風(fēng)前端高溫風(fēng)機(jī)輸出頻率和煙道調(diào)節(jié)閘板的開(kāi)度應(yīng)在某一預(yù)先設(shè)定值上。

每對(duì)小爐的富氧余熱風(fēng)設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)流量計(jì)。富氧余熱風(fēng)風(fēng)量測(cè)量值要進(jìn)行溫度、壓力修正。

燃料與富氧余熱風(fēng)比例設(shè)定值根據(jù)對(duì)廢氣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工設(shè)定，并設(shè)風(fēng)燃料比自動(dòng)控制系統(tǒng)。富氧余熱風(fēng)總量由富氧系統(tǒng)、生產(chǎn)余熱風(fēng)系統(tǒng)兩部分控制，進(jìn)而每對(duì)小爐富氧余熱風(fēng)支管風(fēng)量采用調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)以滿足富氧余熱風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率、每對(duì)小爐支風(fēng)管閥門(mén)開(kāi)度和風(fēng)量要求指示。

5 經(jīng)濟(jì)效益

5.1 提高熔化質(zhì)量

采用富氧余熱風(fēng)燃燒，對(duì)熔窯升溫有明顯效果。玻璃熔窯生產(chǎn)中，燃料從噴槍噴出的火焰燃燒狀態(tài)主要可以分為三個(gè)部分：火焰上部為缺氧區(qū)，防止大碹過(guò)熱進(jìn)而燒損；中部為普通燃燒區(qū)；而下部則為輻射區(qū)，實(shí)際生產(chǎn)中也是盡量在火焰下部形成高溫區(qū)，以加強(qiáng)對(duì)玻璃配合料的熔化，提高燃料的利用率[3]。將常規(guī)玻璃熔窯助燃風(fēng)系統(tǒng)更換為富氧余熱風(fēng)作為燃料的助燃，加快了燃料的燃燒速度，增加了火焰剛性，提高了火焰的熱效率，火焰輻射玻璃液溫度可提高100 ℃左右，配合料熔融速度加快，提高熔化率10%以上。同時(shí)熔化質(zhì)量也相應(yīng)提高。

5.2 減輕對(duì)熔窯的燒損

富氧余熱風(fēng)加速了燃料的燃燒，使燃燒過(guò)程中燃料更加充分，且整個(gè)過(guò)程在窯內(nèi)基本完成，進(jìn)入蓄熱室的可燃?xì)怏w減少，減輕了對(duì)蓄熱室格子磚的燒損，延長(zhǎng)了蓄熱室的使用壽命。

5.3 節(jié)能降耗

以上述山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線退火窯參數(shù)為例，根據(jù)窯爐計(jì)算，正常生產(chǎn)過(guò)程中所需要的助燃風(fēng)量Q=85 819 m3/h，空氣中氧氣含量占21%，即實(shí)際生產(chǎn)中參與燃燒的氧氣量為18 022 m3/h，而氮?dú)饬繛?6 938 m3/h。而通過(guò)氮?dú)庹究辗衷硭占难鯕猓醋畲笾盗坑?jì)算所得氧氣量為1 600 Nm3/h×93%+6 000 Nm3/h×35%=3 588 Nm3/h，在輸出壓力不變的前提下按需求還需空氣量為：(18 022-3 588×293/273)/21%=67 481 m3/h,其中氮?dú)夂繛?2 635 m3/h。常規(guī)助燃風(fēng)系統(tǒng)與富氧余熱助燃風(fēng)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)氮?dú)饬康牟钪禐?6 938 m3/h-52 635 m3/h=14 303 m3/h。即每小時(shí)可減少14 303 m3/h的氮?dú)饬繉嶂祹С鋈鄹G。

此外，玻璃熔窯通過(guò)蓄熱室對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱。蓄熱室的工作原理是隨著熔窯換向，當(dāng)高溫?zé)煔饬鹘?jīng)蓄熱室格子磚時(shí)，將熱能傳遞給格子磚；當(dāng)空氣流過(guò)該格子磚時(shí)，蓄積在磚內(nèi)的熱量則傳遞給空氣，從而把空氣加熱。通過(guò)采用富氧余熱風(fēng)作為助燃風(fēng)，助燃風(fēng)本身流通溫度在進(jìn)入格子體前就已預(yù)熱，如果加熱到相同的風(fēng)溫，則相較于常規(guī)助燃風(fēng)，富氧余熱風(fēng)極大地提高了蓄熱室的換熱能力，減少了窯爐本身熱量散失，降低了燃料消耗的目的。

5.4 社會(huì)效益

富氧余熱風(fēng)助燃技術(shù)用于玻璃熔爐能明顯提高玻璃質(zhì)量、節(jié)能、延長(zhǎng)爐齡外，采用富氧余熱風(fēng)燃燒還能使助燃空氣中氧含量增加，氮含量減少，也可使燃料的消耗大幅度減少，降低燃料污染物的排放量，有效地減少煙塵和NOx等排放，無(wú)論是燃油還是燃?xì)猓季哂酗@著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4]。

6 結(jié) 語(yǔ)

富氧熱風(fēng)技術(shù)中的氧氣來(lái)源主要是利用廠區(qū)排廢氧氣二次利用，而這排廢的氧氣總量實(shí)際并不多，只是作為制氮工藝的附產(chǎn)品。玻璃工廠也可根據(jù)自身情況配備一套制氧設(shè)備或通過(guò)市政氧氣站提供氧氣。這樣，氧氣純度及供應(yīng)量都能得到保證，進(jìn)而使得燃料消耗更少。