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        玻璃熔窯天然氣摻氫燃燒探究

        2023-11-11 09:57:26諸葛勤美吳加鋒陳哲頎
        玻璃 2023年10期

        諸葛勤美 吳加鋒 陳哲頎

        (中國新型建材設(shè)計研究院有限公司 杭州 310022)

        0 引言

        玻璃行業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè),玻璃生產(chǎn)過程中需要消耗大量的能源。其中玻璃熔窯能耗占玻璃工廠總能耗的95%左右,目前玻璃熔窯燃料主要是化石燃料,如燃料油、天然氣、焦爐煤氣、石油焦粉、煤炭等,其優(yōu)點是熱值高、燃燒較為穩(wěn)定,缺點是化石能源日益短缺,燃燒排放廢氣中CO、CO2、SOX、 NOX等含量較高,環(huán)保壓力較大。

        氫氣作為一種潔凈能源,由于其對于環(huán)境友好、極高的能量密度和儲存能力以及燃燒產(chǎn)物無污染等特點,將其應(yīng)用到玻璃行業(yè)變得十分重要。基于氫能的重要作用及其發(fā)展前景以及氫能在玻璃企業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,有必要對其在玻璃熔窯中的應(yīng)用進行更深一步的研究。為響應(yīng)國家推動重點工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳和綠色轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)碳達峰碳中和目標,本文著重研究玻璃熔窯天然氣燃燒系統(tǒng)中摻入氫氣的三個不同燃燒方案,使其在玻璃熔窯中使用更加高效、安全、節(jié)能。

        1 氫能在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

        據(jù)報道,圣戈班公司在其德國的工廠研發(fā)測試使用摻30%氫含量的燃料生產(chǎn)平板玻璃取得較好效果,證明了摻氫燃料生產(chǎn)玻璃的技術(shù)可行性。截至當前,玻璃企業(yè)生產(chǎn)中氫氣使用量較少,浮法玻璃企業(yè)錫槽所用保護氣體一般采用氮氣和氫氣的混合氣體,氫氣的體積占比一般為3%~8%,其余為氮氣。氫氣在混合氣體中的主要作用是防止錫槽中的錫液被氧化,造成玻璃下表面沾錫等缺陷,當錫槽中有氧化介質(zhì)進入時,會首先與混合氣體中的氫發(fā)生反應(yīng)而保護金屬錫液不被氧化,一般浮法玻璃生產(chǎn)線氫氣用量為50~300 Nm3/ h[1]。

        當前國內(nèi)還沒有玻璃企業(yè)直接將氫氣用于玻璃熔窯燃燒,也沒有在天然氣中摻入一定量的氫氣進行混合燃燒,以降低玻璃熔化過程中的碳排放量,來實現(xiàn)生產(chǎn)過程降低碳排放的目的。該技術(shù)難點在于如何解決氫氣的大量生產(chǎn)和輸送;摻氫混合器和燃燒噴槍的設(shè)計和技術(shù)優(yōu)化;制定適應(yīng)于摻氫天然氣燃燒的工藝制度;設(shè)計適用于摻氫燃燒的玻璃熔窯等。研究發(fā)現(xiàn),當氫能替換率為30%時,可以實現(xiàn)玻璃熔窯燃燒過程減少碳排放10%~15%[1],對于玻璃生產(chǎn)企業(yè)具有良好的經(jīng)濟和社會效益,也符合國家提出的碳達峰碳中和的總體目標。

        2 氫氣在玻璃熔窯燃燒工藝中的應(yīng)用研究

        按照不同的摻氫比例,武漢理工大學做了二組模擬實驗:第一組:甲烷在不同摻氫體積比下燃燒,熔制氣氛對玻璃中羥基含量與結(jié)構(gòu)的影響;第二組:玻璃熔窯中甲烷摻氫燃燒的模擬研究。

        通過第一組實驗得出:玻璃熔制過程中,煙氣所含有的水蒸氣能夠溶于玻璃熔體中,并與玻璃熔體發(fā)生反應(yīng)。隨著燃料中摻氫比例的提高,玻璃中溶解羥基的量也隨之增加。通過第二組實驗得出:玻璃熔窯中甲烷摻氫燃燒后,燃燒反應(yīng)速率加快,反應(yīng)過程加快,隨著摻氫比增大,燃燒火焰的溫度峰值升高、峰值溫度出現(xiàn)的位置更靠近燃料入口。

        在熔窯所需熱量一定的情況下,摻氫比越大,碳氧化物和氮氧化物產(chǎn)量越小。經(jīng)過對比,最終設(shè)計氫氣總體積流量為熔窯熔化玻璃時所需天然氣總體積流量的30%,即燃料中氫氣與天然氣的體積比為3:7。根據(jù)試驗線要求,熔窯設(shè)7對小爐。經(jīng)計算,在燃燒產(chǎn)生相同熱量的情況下,天然氣燃燒需氧量約是氫氣燃燒的1.45倍,氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣量約是天然氣燃燒的1.38倍。因此,熔窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生相同熱量情況下,當摻氫體積比為30%時,氫氣燃燒比天然氣燃燒碳氧化物產(chǎn)量減少約13.4%,氮氧化物產(chǎn)量減少約4%,水蒸氣產(chǎn)量增加約5%。

        2.1 天然氣摻氫方案一

        將所需氫氣經(jīng)主管流量計和調(diào)節(jié)閥后,全部摻入經(jīng)主管流量計計量后的天然氣主管道中,天然氣和氫氣混合均勻后,分成7根支管,全部供給各個小爐。此方案混合工藝簡單,熔窯內(nèi)燃料成分比較均勻,制造成本低,易操作;缺點是各個小爐內(nèi)氫氣含量相同,不能分別控制。

        通過對天然氣和氫氣的熱值用量計算,體積比為30%摻氫比例下各管路的管徑計算結(jié)果見表1。天然氣摻氫系統(tǒng)原理(方案一)見圖1。

        圖1 天然氣摻氫系統(tǒng)原理(方案一)

        表1 天然氣、氫氣總管參數(shù)

        2.2 天然氣摻氫方案二

        一定量的天然氣和氫氣分別通過主管各分成7根支管,分別經(jīng)支管流量計和流量調(diào)節(jié)閥后,混合均勻供給各個小爐。根據(jù)熔窯各個部位對燃燒氣氛的不同需求,每對小爐的天然氣支管中可分別摻入不同比例的氫氣,以達到精準控制的目的。此方案混合工藝相對復(fù)雜,制造成本較高,操作繁瑣,但可達到各對小爐氫氣比例靈活精準控制,適合各種工況下生產(chǎn)。

        通過對天然氣和氫氣的熱值用量計算,體積比為30%總摻氫比例下各管路的管徑計算結(jié)果見表2、表3。

        表2 天然氣、氫氣各小爐支管參數(shù)

        表3 天然氣摻氫后各小爐支管管道參數(shù)

        2.3 天然氣摻氫方案三

        一定量的天然氣和氫氣分別通過主管各分成3根支管,經(jīng)支管流量計和流量調(diào)節(jié)閥后,在天然氣支管中分別摻入不同比例的氫氣,以達到更好的熔化效果。前3對小爐為還原焰區(qū),摻氫比例設(shè)為30%~37%;4#、 5#小爐為中性焰區(qū),摻氫比例約為30%;6#、 7#小爐為氧化焰區(qū),摻氫比例設(shè)為0~30%。天然氣和氫氣混合均勻,第1根支管供給1#~ 3#小 爐,第2根支管 供 給4#、5#小爐,最后1根支管供給6#、 7#小爐。此方案介于方案一和方案二之間,混合工藝難度為中等,制造成本適中,操作難度一般,可分區(qū)控制熔窯內(nèi)摻氫比例和燃燒氣氛,是個不錯的選擇。

        通過對天然氣和氫氣的熱值用量計算,各管路的管徑計算結(jié)果見表4、表5。

        表4 天然氣、氫氣各小爐支管參數(shù)

        表5 天然氣摻氫后各小爐支管參數(shù)

        3 結(jié)論

        根據(jù)實驗結(jié)論及理論研究,針對氫能燃燒玻璃熔制工藝的特點和熔制要求,認為采用方案三更優(yōu),按照玻璃熔化工藝特點,在玻璃熔窯三種燃燒氣氛(還原、中性、氧化)中分別摻入不同比例的氫氣,還原焰區(qū)摻氫比例設(shè)為30%~37%;中性火焰區(qū)域摻氫比例約為30%;氧化火焰區(qū)域摻氫比例為0~30%。天然氣和氫氣分區(qū)混合后,按不同比例分小爐供給熔窯各噴槍,按照合理的流速設(shè)計相應(yīng)壓力、管徑大小。該方案可以在更加精準地分配熱量、節(jié)約天然氣用量的同時,還能大幅降低熔窯煙氣中的碳氧化物和氮氧化物含量,并有利于玻璃熔窯燃燒氣氛穩(wěn)定,對熔窯耐火材料的侵蝕和玻璃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小,可以為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排提供一種新的解決方案。

        該方案符合我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的要求,完全符合國家產(chǎn)業(yè)政策和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。玻璃企業(yè)摻氫燃燒替代純天然氣等能源無論是對增強企業(yè)綜合競爭力,還是對玻璃行業(yè)節(jié)能減碳技術(shù)應(yīng)用,推進我國玻璃產(chǎn)業(yè)能耗減低至國家標桿水平和基準水平,節(jié)約資源、促進綠色經(jīng)濟高速發(fā)展都是十分必要的,具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著國內(nèi)綠氫項目研究的深入,制氫成本不斷下降,摻氫燃料也必定會在玻璃生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。

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