徐 亮，周金毅，羅文斌

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

隨著國家政策對環(huán)保節(jié)能的要求日趨嚴格，國內(nèi)玻璃生產(chǎn)商對玻璃工廠能耗方面設計日趨重視。玻璃廠能耗主要由兩方面構(gòu)成：電耗與燃料。對于電能的使用與節(jié)省，近年來國內(nèi)玻璃企業(yè)已日趨成熟：玻璃工廠設計中通過加裝余熱發(fā)電系統(tǒng)，利用熔窯燃燒過程中所產(chǎn)生的廢氣余熱中的熱能，通過鍋爐給水生產(chǎn)出過熱蒸汽，蒸汽再進入汽輪機組，通過能量轉(zhuǎn)化將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，進而以機械能轉(zhuǎn)化為電能的形式發(fā)電[1]。

在熔窯上通過利用廢氣余熱發(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助燃技術，用來實現(xiàn)玻璃熔窯進一步的節(jié)能降耗，利用高熱富氧空氣助燃風與燃料組成的富氧熱風燃燒技術取代此前由空氣、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)就富氧熱風空氣的收集方法及利用方式進行相關探討。

1 富氧熱風助燃技術

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為不同空氣過剩系數(shù)時單位空氣耗量{ Nm3/Nm3(kg)}。

理論上，提高助燃空氣的預熱溫度和燃料的預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1 600 ℃，否則會對窯體結(jié)構(gòu)造成嚴重燒損，影響熔窯的使用壽命，通過調(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)燃料燃燒時所需的氧氣，通常是由空氣中的氧來提供，國內(nèi)大多數(shù)玻璃廠利用離心風機將常溫狀態(tài)的空氣送入各小爐分支煙道空交機，進而參與爐內(nèi)燃燒。然而空氣中氧氣含量僅占21%而其余大部分為氮氣，氮氣在爐內(nèi)不參與燃燒，隨著生產(chǎn)過程中每一次系統(tǒng)換向，氮氣作為廢氣會帶走大量熱量，而熱量的損失，相應地增加了燃料消耗，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)過程中提高助燃風風溫、提高助燃風中氧含量均能有效提高燃料的利用率，減少燃料的消耗。在此基礎上，富氧熱風助燃技術應運而出，所謂的富氧熱風助燃主要由富氧空氣與生產(chǎn)余熱風兩部分構(gòu)成，通過混合，利用余熱風的熱量將富氧空氣預熱，形成富氧熱風再吹入熔窯各小爐，用于提高窯內(nèi)的燃燒溫度。其設計原理見圖1。

2 富氧空氣的收集

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在浮法玻璃生產(chǎn)線上，廠區(qū)氮氣站利用空分原理將游離在空氣中的氮氣、氧氣進行分離，其中氮氣主要用于錫槽熱工工段所需保護氣，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。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?，F(xiàn)以山東某600 t/d浮法生產(chǎn)線氮氣站產(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)線氮氣站產(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%的空氣進行采集、混合。通常情況下，氮氣站所采集的富氧空氣出氣壓力一般在0.25～0.30 MPa，輸送期間采用儲氣罐等措施對輸送氣體進行穩(wěn)壓，通過管道輸送形式送至熔窯助燃風系統(tǒng)，再與余熱風系統(tǒng)進行二次混合。富氧空氣采集輸送設有穩(wěn)壓、計量、調(diào)節(jié)裝置，采集輸送原理見圖2。

3 生產(chǎn)余熱風的利用

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)生的高溫風通常直排車間外，不做利用。而經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，退火窯所產(chǎn)出的余熱風能夠用來提高助燃風的風溫，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)所累積的余熱風流量Q≈48 193 m3/h，出口風壓在2 400～2 857 Pa范圍內(nèi)，而該項目前端助燃風系統(tǒng)風機選型為：風量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的風量需求遠大于退火余熱風，而所需風壓基本在范圍內(nèi)，故退火窯余熱風參與進入助燃風系統(tǒng)方案可行。

3.2 余熱風的收集

退火窯A～C區(qū)排風管匯聚于一根主風管，主風管上設有計量、調(diào)節(jié)裝置。因退火窯至前端助燃風系統(tǒng)距離過長，為保證退火熱風沿程損失降低，保證流量供應，在主風管上加設一臺小功率離心風機作為補充風量，通過冷、熱風混合箱混合后進入高溫助燃風機，余熱風收集利用原理見圖3。

以上述山東某生產(chǎn)線為例，風機選型可為：

離心風機：4～60No10C，Q=37 936 m3/h，P=2 422 Pa，電機功率37 kW

高溫助燃風機：W4-73-11型，Q=90 500 m3/h，P=2 771 Pa，電機功率155 kW。

4 控制要求

4.1 富氧空氣

富氧空氣采集系統(tǒng)輸送主管設有穩(wěn)壓、計量、調(diào)節(jié)裝置并設高低壓力報警，流量顯示。

富氧空氣在進入每對小爐余熱風支管前，在富氧空氣系統(tǒng)小爐支管上設一組流量控制單元，實行定值控制，根據(jù)每對小爐實際的燃燒情況可隨時進行該小爐的增量減量，保持穩(wěn)定。

富氧空氣與氮氣站須設流量監(jiān)控，通過富氧空氣主管調(diào)節(jié)裝置與氮氣站出氣流量進行聯(lián)動，防止富氧空氣抽出過多對前端制氮工藝造成影響，進而影響生產(chǎn)。

4.2 生產(chǎn)余熱風

生產(chǎn)余熱風采集系統(tǒng)輸送主管設有計量、調(diào)節(jié)裝置并設高低壓力報警，溫度、流量顯示。

退火窯A區(qū)～C區(qū)各出風支管出口段設流量、溫度檢測裝置。

生產(chǎn)余熱風主管設流量監(jiān)控，設定生產(chǎn)所需助燃風定值，與離心風機聯(lián)動控制，離心風機要求變頻控制。

4.3 富氧余熱風

富氧空氣經(jīng)過生產(chǎn)余熱風的混合、加熱后，通過各支風管送風入玻璃熔窯，要求各送風支風管風量與熔窯所配備燃料實行比例調(diào)節(jié)。

采用支煙道空交機換向，換火期間增大進風量0～20%，此時富氧余熱風前端高溫風機輸出頻率和煙道調(diào)節(jié)閘板的開度應在某一預先設定值上。

每對小爐的富氧余熱風設一個調(diào)節(jié)閥和一個流量計。富氧余熱風風量測量值要進行溫度、壓力修正。

燃料與富氧余熱風比例設定值根據(jù)對廢氣的檢測結(jié)果進行人工設定，并設風燃料比自動控制系統(tǒng)。富氧余熱風總量由富氧系統(tǒng)、生產(chǎn)余熱風系統(tǒng)兩部分控制，進而每對小爐富氧余熱風支管風量采用調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)以滿足富氧余熱風風機頻率、每對小爐支風管閥門開度和風量要求指示。

5 經(jīng)濟效益

5.1 提高熔化質(zhì)量

采用富氧余熱風燃燒，對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)主要可以分為三個部分：火焰上部為缺氧區(qū)，防止大碹過熱進而燒損；中部為普通燃燒區(qū)；而下部則為輻射區(qū)，實際生產(chǎn)中也是盡量在火焰下部形成高溫區(qū)，以加強對玻璃配合料的熔化，提高燃料的利用率[3]。將常規(guī)玻璃熔窯助燃風系統(tǒng)更換為富氧余熱風作為燃料的助燃，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。同時熔化質(zhì)量也相應提高。

5.2 減輕對熔窯的燒損

富氧余熱風加速了燃料的燃燒，使燃燒過程中燃料更加充分，且整個過程在窯內(nèi)基本完成，進入蓄熱室的可燃氣體減少，減輕了對蓄熱室格子磚的燒損，延長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)窯爐計算，正常生產(chǎn)過程中所需要的助燃風量Q=85 819 m3/h，空氣中氧氣含量占21%，即實際生產(chǎn)中參與燃燒的氧氣量為18 022 m3/h，而氮氣量為66 938 m3/h。而通過氮氣站空分原理所收集的氧氣，按最大值量計算所得氧氣量為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,其中氮氣含量為52 635 m3/h。常規(guī)助燃風系統(tǒng)與富氧余熱助燃風系統(tǒng)在單位時間內(nèi)氮氣量的差值為66 938 m3/h-52 635 m3/h=14 303 m3/h。即每小時可減少14 303 m3/h的氮氣量將熱值帶出熔窯。

此外，玻璃熔窯通過蓄熱室對助燃空氣進行預熱。蓄熱室的工作原理是隨著熔窯換向，當高溫煙氣流經(jīng)蓄熱室格子磚時，將熱能傳遞給格子磚；當空氣流過該格子磚時，蓄積在磚內(nèi)的熱量則傳遞給空氣，從而把空氣加熱。通過采用富氧余熱風作為助燃風，助燃風本身流通溫度在進入格子體前就已預熱，如果加熱到相同的風溫，則相較于常規(guī)助燃風，富氧余熱風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 社會效益

富氧余熱風助燃技術用于玻璃熔爐能明顯提高玻璃質(zhì)量、節(jié)能、延長爐齡外，采用富氧余熱風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，無論是燃油還是燃氣，都具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[4]。

6 結(jié) 語

富氧熱風技術中的氧氣來源主要是利用廠區(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備或通過市政氧氣站提供氧氣。這樣，氧氣純度及供應量都能得到保證，進而使得燃料消耗更少。