玻璃纖維池窯全氧燃燒節(jié)能分析

曾令可，胡國良，唐國武，李 萍，曾苑萍，王慧，程小蘇

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 51064； 2.廣州中信世紀(jì)玻纖有限公司，廣東 廣州 511457；3.中科院廣州能源所，廣東 廣州 510640)

玻璃纖維池窯全氧燃燒節(jié)能分析

曾令可1，胡國良2，唐國武1，李 萍3，曾苑萍2，王慧1，程小蘇1

(1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 51064； 2.廣州中信世紀(jì)玻纖有限公司，廣東 廣州 511457；3.中科院廣州能源所，廣東 廣州 510640)

介紹了廣州忠信世紀(jì)玻纖有限公司采用全氧燃燒技術(shù)及相應(yīng)的輔助措施，實(shí)現(xiàn)玻璃纖維池窯節(jié)能減排的目的，取得了顯著的成效。指出實(shí)施全氧燃燒技術(shù)改造熔窯燒成及相應(yīng)輔助節(jié)能措施是玻纖企業(yè)提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、減排及提高企業(yè)競爭力的最有效途徑之一。

全氧燃燒；玻璃纖維；節(jié)能；減排

0 全氧燃燒概況

20世紀(jì)40年代，美國康寧公司首先在玻璃熔窯上試用天燃?xì)?氧氣燃燒技術(shù)，不僅加快了玻璃配合料的熔化，而且補(bǔ)充燃燒熱量，標(biāo)志著玻璃熔窯技術(shù)全氧燃燒技術(shù)應(yīng)用的開始[1]。20世紀(jì)80年代，康寧公司先后對(duì)34座玻璃熔窯進(jìn)行了全氧燃燒系統(tǒng)的改造。本世紀(jì)初，全世界擁有200多座純氧燃燒窯爐，北美占了70%左右，主要應(yīng)用在玻璃纖維池窯，顯像管玻璃熔窯及日用玻璃熔窯[2,3]。國外玻璃熔窯純氧技術(shù)的成功實(shí)施給玻璃工業(yè)帶來的節(jié)能減排效果顯著，并把“全氧燃燒技術(shù)”譽(yù)為玻璃熔化技術(shù)的第二次革命。隨著燃料、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)等問題越來越受到重視，我國也在20世紀(jì)90年代初開始積極研發(fā)玻璃全氧燃燒技術(shù)，并在中期開始在馬蹄焰玻璃熔窯上試用氧氣助燃技術(shù)，到21世紀(jì)初已有十余座輕工玻璃、電子玻璃和玻璃纖維池窯應(yīng)用純氧燃燒技術(shù)，但和國外相比，還是有一定的差距[4,5]。

1 全氧燃燒實(shí)施

玻璃熔窯全氧燃燒是指在玻璃熔制過程中，利用氧氣純度≥90%的氧氣代替空氣與燃料進(jìn)行燃燒，由于全氧燃燒時(shí)起助燃作用的為氧氣，所以燃燒產(chǎn)物也只有H2O和CO2，不僅可以加快燃燒速度，使燃料燃燒更充分，而且可以減少廢氣量、NOX的排放及廢氣帶走的熱量，達(dá)到節(jié)能、減排的效果。它與一般的空氣（氧氣含量為21%）助燃相比，具有以下的特點(diǎn)：

1.1 提高燃燒效率，節(jié)省燃料

全氧燃燒的相互作用增加了熔化過程的可利用熱量，使用相同量的燃料時(shí)，從火焰進(jìn)入熔窯中的能量顯著增加。采用普通空氣助燃和全氧助燃燃燒，它們的傳熱過程差異很大，見表1[6]。

由表1可知，全氧燃燒熱輻射傳熱更多，更快，同時(shí)氣體停留時(shí)間較長，燃燒更完全，提供熱量也更多?？纱蟠鬁p少廢氣量，減少廢氣帶走的熱量。根據(jù)理論計(jì)算，若達(dá)到同樣的燃燒溫度，全氧燃燒比空氣助燃節(jié)省燃料50%以上，實(shí)際應(yīng)用也證明，可節(jié)省燃料35%左右[7]。普通空氣助燃需要定時(shí)換火進(jìn)行煙氣與助燃空氣的熱交換，回收部分熱能，但換火過程窯內(nèi)瞬間失去火焰，玻璃液失去熱源，導(dǎo)致窯溫波動(dòng)，受到換火過程的沖擊，窯壓也會(huì)瞬間波動(dòng)，影響玻璃的質(zhì)量。

1.2 節(jié)能減排

全氧燃燒時(shí)所需空氣量減少，產(chǎn)生廢氣量大大減少，廢氣排放量減少達(dá)60%以上，由廢氣帶走的熱量也降低，同時(shí)窯體散熱也將減少。全氧燃燒時(shí)提供助燃的全氧中含N2量很少，燃燒后產(chǎn)生的NOX很少，廢氣中NOX排放量從2200mg/Nm3降低到500mg/Nm3以下，粉塵排放減少80%，SO2排放量減少30%，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到很好的效果，實(shí)踐證明，全氧燃燒是解決玻璃工業(yè)NOX排放問題的唯一途徑[7]。

1.3 提高玻璃的產(chǎn)量和質(zhì)量

實(shí)踐證明，采用全氧燃燒可以提高池窯熔化率10%以上，從而可以提高產(chǎn)量。在熔窯的氣氛中僅存在CO2和H2O，兩種氣體又是輻射物質(zhì)，可以提高玻璃液面的輻射熱傳導(dǎo)，通過溫度、壓力和燃料與氧氣配比的精確控制可提高玻璃的熔制質(zhì)量[8]。同時(shí)全氧燃燒時(shí)玻璃液黏度低，有利于澄清和均化，燃燒的火焰穩(wěn)定，無轉(zhuǎn)向，制備的玻璃體內(nèi)氣泡、條紋少，因而也提高了玻璃質(zhì)量。

1.4 延長窯爐壽命

全氧燃燒采用全氧噴槍燃燒可使火焰分為兩個(gè)區(qū)域，在火焰下部由于全氧的噴入，克服了缺氧現(xiàn)象，火焰下部溫度要高于火焰上部的溫度，而熔窯碹頂溫度相對(duì)要低20-50℃，從而減輕了對(duì)大碹的浸蝕和燒損。同時(shí)取消了限制窯齡的熱回收系統(tǒng)，窯體火焰空間選用優(yōu)質(zhì)耐火材料砌筑，從而可延長熔窯使用壽命。實(shí)踐表明，采用全氧燃燒熔窯的窯齡可達(dá)到8年以上[9]。

1.5 減少建設(shè)費(fèi)用，改善操作環(huán)境

全氧燃燒窯結(jié)構(gòu)近似于單元窯，沒有金屬換熱器、小爐及蓄熱室。整個(gè)窯體呈一個(gè)熔化部單體結(jié)構(gòu)，占地小，建窯投資費(fèi)用低。全氧燃燒可節(jié)省建窯投資40%以上，加上制氧設(shè)備成本，初期投資也會(huì)降低[10]。由于窯體結(jié)構(gòu)簡單，避免蓄熱室堵塞、漏火的維修和清渣的酷熱惡劣的操作環(huán)境，維修量減少。

2 全氧燃燒節(jié)能、減排效果

表1 普通空氣助燃和全氧助燃燃燒的傳熱過程差異Tab.1 Difference in heat transfer between air combustion and oxy-fuel combustion

目前，我國的玻璃熔窯，除少數(shù)企業(yè)的窯爐采用全氧燃燒、有的采用富氧燃燒外，其他的都采用空氣助燃，存在著高能耗、高污染、低水平等一系列問題。我國所面臨的環(huán)境污染問題也十分嚴(yán)峻，人們必須認(rèn)識(shí)到工業(yè)廢氣對(duì)大氣污染帶來的嚴(yán)重性，作為能耗大戶之一的玻璃工業(yè)不可否認(rèn)也是大氣污染的“罪魁禍?zhǔn)住敝弧?/p>

廣州忠信世紀(jì)玻纖有限公司積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，根據(jù)現(xiàn)有玻纖行業(yè)能耗高、污染重的現(xiàn)狀，從玻纖池窯的結(jié)構(gòu)、耐火材料、燃燒方式、控制等方面進(jìn)行研發(fā)、生產(chǎn)，集成了玻璃纖維池窯節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)提高了玻纖池窯的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低了單位產(chǎn)品能耗，并延長了玻璃纖維池窯的使用壽命。圖1 為廣州忠信世紀(jì)玻纖有限公司采用全氧燃燒后的生產(chǎn)工藝技術(shù)路線。

公司采用全氧技術(shù)改造后，其產(chǎn)品能耗大大降低，廢氣排放顯著降低，且產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量均有提高，全氧改造前后相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2～5。

圖1 全氧玻纖池窯生產(chǎn)工藝技術(shù)路線Fig.1 The fi ber glass production process of the tank furnace with oxy-fuel combustion

表2 使用全氧燃燒技術(shù)前后相關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)比(已剔除異常的生產(chǎn)數(shù)據(jù))Tab.2 The comparison of technical parameters before and after the adoption of oxy-fuel combustion

表3 耗能對(duì)比Tab.3 The comparison of energy consumption

表4 采用全氧燃燒技術(shù)前后廢氣指標(biāo)變化Tab.4 The fl ue gas indexes before and after the adoption of oxy-fuel combustion

表5 全氧燃燒改造前后余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.5 Operating parameters of waste heat boiler before and after the adoption of oxy-fuel combustion

由表2可知，采用全氧燃燒技術(shù)后，玻璃的熔制質(zhì)量得到提高，日均原絲產(chǎn)量達(dá)到52.0t以上，增產(chǎn)率超過1.4%。日均滿筒率能夠維持在60%左右，生產(chǎn)穩(wěn)定性能保持較好的水平。進(jìn)行全氧改造后每月重油總耗量減少113t，比改造前降低33.3%。

由表3可知，實(shí)施全氧燃燒技術(shù)后，扣除制氧工廠所增加的耗電量，每月還能節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤133.8t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表4指標(biāo)為環(huán)保監(jiān)測(cè)單位檢測(cè)，改造后廢氣中的氮氧化物濃度、二氧化硫濃度、煙氣流量均明顯下降，其中檢測(cè)的氮氧化物濃度達(dá)到環(huán)保部門要求的≤400mg·m-3指標(biāo)。

采用全氧燃燒后整體煙氣流量降低約64%，因此余熱鍋爐的運(yùn)行狀況也有明顯的變化：風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率下降，蒸汽產(chǎn)量降低，鍋爐的清灰次數(shù)也明顯減少。具體的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

3 相應(yīng)的輔助措施

3.1 池窯廢氣處理

分為引入、余熱利用、廢氣凈化三個(gè)部分。廢氣從金屬換熱器出口處引入，溫度為800℃。在余熱利用段設(shè)置一臺(tái)余熱鍋爐，蒸發(fā)量3t/h，額定飽和蒸汽壓力1.27MPa，生產(chǎn)的蒸汽輸入廠區(qū)熱力管網(wǎng)。廢氣從余熱鍋爐出來由引風(fēng)機(jī)送往廢氣處理系統(tǒng)，引風(fēng)機(jī)為Y5-47高溫風(fēng)機(jī)，設(shè)置兩臺(tái)，一開一備，引風(fēng)機(jī)的操作以窯爐窯壓作為調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行變頻控制[11]。廢氣凈化采用吸收法出來，由三級(jí)凈化塔組合而成，主吸引介質(zhì)為水，系統(tǒng)露天布置。第一級(jí)為噴淋冷卻（湍沖噴咀）主要為廢氣降溫，部分吸放；第二級(jí)為凈化旋流吸放[12]，廢氣經(jīng)過一、二級(jí)處理后，SO2和F的去除率達(dá)80-90%；第三級(jí)為深化吸收旋流中和塔使廢氣達(dá)標(biāo)排放[12]。

3.2 廢水循環(huán)處理

對(duì)廢氣凈化過程中的吸收介質(zhì)水，進(jìn)行廢水處理，采用絮凝、反應(yīng)、沉淀、脫泥后循環(huán)使用。水的補(bǔ)充采用拉絲廢水處理后的凈化水進(jìn)行重復(fù)使用，適當(dāng)補(bǔ)充自來水，反應(yīng)介質(zhì)以石灰乳液為主，配置一套石灰乳液系統(tǒng)和一套供調(diào)節(jié)水的pH的堿液系統(tǒng)。整個(gè)廢水循環(huán)處理段的設(shè)備有混凝反應(yīng)池、沉淀池、集水池、凈化水池、中和池、加藥罐等，均用耐腐材料制造而成，廢水處理過程中產(chǎn)生的污泥無毒性，采用箱式壓濾機(jī)脫水后成泥并運(yùn)往堆場(chǎng)。

3.3 高溫?zé)煔庥酂崂?/p>

公司的載熱體爐排煙溫度在220℃左右，而排煙系統(tǒng)均未安裝高溫?zé)煔饣厥绽玫膿Q熱裝置，存在著節(jié)能潛力[13]。為此，增加了通路煙氣的回收，將通路煙氣用于鍋爐產(chǎn)蒸汽，正式投用后，每天可多產(chǎn)蒸汽3.5t，全廠可多產(chǎn)蒸汽1278t。

4 結(jié) 論

廣州忠信世紀(jì)玻纖有限公司通過產(chǎn)學(xué)研合作，從玻璃纖維池窯的結(jié)構(gòu)、耐火材料、燃燒方式、控制等方面進(jìn)行了研發(fā)、生產(chǎn)，集成了玻璃纖維池窯節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)。通過改造全氧燃燒技術(shù)及相關(guān)的輔助措施，減少了池窯內(nèi)溫差，使窯內(nèi)的溫度場(chǎng)更均勻，改變了傳熱方式和煙氣流場(chǎng)，降低了單位產(chǎn)品能耗，提高了玻纖生產(chǎn)效率和質(zhì)量，達(dá)到高效節(jié)能、降低氮氧化物等污染物的排放，環(huán)保效益高。經(jīng)考核，可節(jié)約燃料30%以上，生產(chǎn)線總用電量下降25%以上，同時(shí)提高產(chǎn)量1.4%以上，廢氣排放量減少60%以上，企業(yè)節(jié)能減排效果顯著。對(duì)提高我國玻纖行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)水平、提升行業(yè)國際競爭力及其對(duì)我國建設(shè)節(jié)約型及環(huán)境友好型社會(huì)等均有重大意義。

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Energy Saving Analysis of Oxy-fuel Combustion for Glass Fiber Tank Furnace

ZENG Lingke1, HU Guoliang2, TANG Guowu1, LI Ping3, ZENG Yuanping2, WANG Hui1, CHENG Xiaosu1
(1. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. Guangzhou Zhongxin Shiji Glass Fiber Co., Ltd., Guangzhou 511457, Guangdong, China; 3. Guangzhou Institute of Energy Conservation, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

This paper introduces the oxy-fuel combustion and other auxiliary techniques used by Guangzhou Zhongxin Shiji glass Fiber Co., Ltd. in glass fiber tank furnace that has achieved remarkable energy conservation and emission reduction results. It points out that renovating the tank furnace with oxy-fuel combustion and other auxiliary techniques is one of the most effective ways to for fi ber glass enterprises to enhance their output, product quantity, energy conservation, emission reduction and corporate competitiveness.

oxy-fuel combustion; glass fi ber; energy conservation; emission reduction

TQ175.9

A

1006-2874(2014)02-0034-05

2013-11-20。

2013-12-02。

Received date: 2013-11-20. Revised date: 2013-12-02.

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：11A91140638)

Correspondent author: ZENG Lingke, male, Professor

曾令可，男，教授

E-mail: lingke@scut.edi.cn