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玻璃熔窑的纯氧燃烧技术
详细说明:
玻璃熔窑的纯氧燃烧技术
赵克明
(北京诺瑞达科技有限公司  北京市 100097)
 
内容提要:本文从纯氧燃烧的机理论述了纯氧燃烧的特点。从可操作的层面论述了0号小炉及纯氧枪的使用。对目前降低成本、节省能源、提高玻璃产质量具有很重要的意义。
词:纯氧燃烧  0号小炉  纯氧喷枪  节能  玻璃质量  玻璃产量
 
1 前言
 
玻璃熔窑的全窑纯氧燃烧和部分纯氧燃烧越来越引起人们的兴趣。纯氧燃烧作为一种新的熔化工艺用于玻璃行业已有20多年的历史,国外已用于玻璃生产的全行业,国内仅用于较少的玻壳等特种玻璃行业。在国内平板玻璃行业仅有二家使用过辅助纯氧燃烧熔化工艺(0号小炉技术)。另有几家对辅助纯氧燃烧熔化工艺(0号小炉技术)感兴趣,并在窑上做了预留。本文的目的是介绍空气-燃料燃烧和纯氧-燃料燃烧在熔化工艺上的区别,并重点介绍0号小炉方案。
 
2 空气助燃与氧气助燃的区别
 
随着燃料成本的上升和环保压力的加大,人们越来越关注降低燃料成本和减少有害气体的排放。在降低燃料成本方面玻璃行业的专家已经采取了一些办法,如:煤焦油的使用,焦炉煤气的使用,油焦浆、水焦浆的使用等。其中有些方法完全是屈服于成本的压力,以牺牲产品质量为代价。而在减少有害气体排放方面,人们还没有感受到像降低成本那么大的压力,只是被动式地享受着改用天然气给人们所带来的好处。燃烧1吨重油约产生12.3Kg的NOX, 燃烧1吨天然气约产生6.85Kg的NOX
传统的空气助燃,仅使用了引入空气量中的21%的氧气,其余79%的气体被加热后排入大气中,热量虽经回收利用,但仍有大量的热量被浪费掉。另外约79%的氮气在高温下与氧气发生反应生成有害的NOX排入大气造成空气污染。为进行废热回收而建造的蓄热室、余热锅炉;为减少空气污染而建造的有害气体处理设备;为高空排放减少污染物对人们的直接影响而建造的烟道、烟囱等设备增加了固定资产投入。大量的粉尘性、腐蚀性气体的通过,又减少了这些设备的使用寿命。
纯氧燃烧是将助燃空气换成氧气,减少了78%以上的气体供给量,减少了60%左右的废气排放量,所带来的好处是:
全窑纯氧燃烧:1.减少废热回收设备投资;
              2.减少有害气体处理设备投资;
                  3.减少高空排放设备投资;
4.减少上述设备维修费用及设备损坏给生产带来的影响
                  5.降低燃料消耗量
                  6.提高产量,提高质量
7.大幅度减少有害气体排放
部分纯氧燃烧:1.提高产量,提高质量
2.降低燃料消耗量
3.减少蓄热室维修
4.减少有害气体排放
全窑纯氧燃烧是否被采用取决于环保压力与成本压力的平衡,而局部纯氧燃烧则取决于工厂的不同需求。0号小炉辅助燃烧有助于增加产量、质量和难熔料的熔化;热点辅助燃烧有助于难熔玻璃的熔化和提高质量;替代辅助燃烧有助于减少设备维修和减少有害气体排放。
3  0号小炉辅助燃烧
0号小炉辅助燃烧是在1号小炉与前脸墙之间安装一对纯氧喷枪,利用此时配合料吸热能力最强、反射能力最弱、硅酸盐反应随温度升高反应速度急剧增加的特点来提高热效率加快熔化。图1是SiO2+NaO2+CaO系统在各种温度下形成硅酸盐的反应速度。
同样,玻璃的形成也于温度密切相关。索林诺夫提出的熔融体温度与反应时间的关系为:
τ=αe-bt
式中    τ:玻璃形成时间;
t:熔融体温度;
e:自然对数;
a、b:与玻璃成份和原料颗粒度有关的常数。
假设采用辅助燃烧前前脸吊墙处的温度为1400,采用辅助燃烧后的温度为1460,则玻璃形成时间缩短为:
τ12=αe-bt1/αe-bt2=0.613
时间缩短近一倍。上述时间不一定准确,但在同一条件下可作为参考。表1是不同温度下玻璃形成的时间。
 
表1  不同温度下玻璃形成时间
玻璃熔化温度℃
1400
1450
1500
1550
1600
1650
1700
熔化时间min
53.7
36.4
20.9
10
4.0
2.4
1.6
 
玻璃液的澄清也是玻璃熔化过程中的重要一环,根据斯托克定律,经简化后气泡的上升速度为:
                 ν=k·r2
式中    K:常数;
        r: 气泡直径;
       η: 玻璃粘度。
由上式可知,气泡的上升速度与粘度成反比,即澄清速度与玻璃液的温度成正比。
玻璃液的均化取决于各相的扩散系数和各扩散相的接触面积与各相的浓度差,其中扩散系数D是温度T和粘度η的函数,其式如下:
 
                  KT                          
D=———
          6πrη
式中    K:玻尔兹曼常数;
        T:绝对温度;
        r: 分子半径;
       η: 玻璃粘度。
所以熔体温度的提高和粘度的下降,必然会提高扩散系数,从而有利于玻璃液的均化。
同时,前脸墙处回流的玻璃液使深层玻璃液温度大幅提高,这一温度的提高使有用流的厚度增加,流速减慢,反应时间增加,有利于玻璃熔化,提高产品产量和质量。深层玻璃液温度提高使玻璃液带到热点处的热量增加,为保证热点处温度不变而使热点处燃料耗量下降,或者保持热点处燃料不变而使热点处温度增加。即使是保持热点处碹顶温度不变,由于玻璃液带来热量增加使得深层玻璃液温度增加,有用流的厚度增加,流速减慢,反应时间增加,有利于澄清、均化,从而使玻璃液质量提高,对减少微缺陷尤为明显。
综上所在,熔化温度和时间是熔制合格玻璃液的最重要因素,温度越高,硅酸盐反应越强烈,石英颗粒溶解越快,玻璃液的去泡、均化也越容易。时间越长石英颗粒溶解、玻璃液的去泡、均化也越彻底。试验表明,在1450—1650℃范围内,温度每升高10℃可使熔化能力增加5—10%。因此,提高温度是强化玻璃熔融、提高生产能力的有效措施。但受到耐火材料的限制,热点处的熔化温度很难提高,所以增加0号小炉温度是提高热效率、加快玻璃熔化行之有效的手段。表2是不同温度下的熔化率。
                     
表2  不同温度下的熔化率
玻璃熔化温度℃
1370
1420
1470
1500
1530
1600
 
熔化率Kg/m2.d
350
700
1050
1300
1800
3000
 
 
4 纯氧燃烧设备
 
4.1纯氧喷枪
纯氧喷枪是纯氧燃烧的关键设备,它对火焰状况、温度分布、传热效果、窑炉寿命起着至关重要的作用。对于纯氧枪的总体要求是:火焰有足够的覆盖面积;可以控制火焰的黑度、增加辐射能力;NOX排量低;热负荷调节比大;维修量小、喷嘴砖寿命长;可兼顾液体(重油、煤焦油、油焦浆等)和气体燃料(液化气、天然气等);可采用低压氧气、低压燃料等。用于浮法线的纯氧枪还应满足如下的技术要求(以重油为例):
燃料种类:重油
燃料用量:25-450L/H
燃料粘度:3-5°E
燃料压力:0.2-0.4Mpa
燃料温度:20-160℃
雾化介质压力:0.21-0.45MPa
火焰长度:2-8M
火焰锥角:15-30°
氧气压力:0.01-0.03MPa
纯氧枪的安装要根据窑炉的结构进行适当的调整。由于纯氧枪的火焰较短、温度甚高,要严格控制火焰上扬或下冲,避免造成局部过热,防止烧喧或冲击玻璃液面影响玻璃质量。氧枪有交错或并排两种安装形式,根据不同的窑型做不同的选择。
4.2制氧设备
氧气的来源一般有三种形式,1、真空变压吸附法。纯度>90%,适于10-200t/d的中等用量;2、深冷法。纯度>98%,产量可大可小,可同时制氮,浮法玻璃厂采用此法最为经济,改造旧有的空分塔投资也很少。3、罐装法。适于使用量较小的工厂,运输成本较高。另外,如离气体制造厂较近,也可采用管道输送的方式供氧。
4.3 控制系统
    大多数浮法线的控制系统在设计时都没有考虑到0号小炉辅助燃烧,所以提供一套独立的控制系统比改造原系统来得更容易,也更容易让人们接受。其控制系统应包括:燃料流量控制,氧气流量比例控制、安全控制,雾化介质流量或压力控制、安全控制,等等。更完善的控制还应加入火焰探测、熄火、回火保护等功能。
4.4 0号小炉辅助燃烧的实现
0号小炉辅助燃烧能加快配合料熔化,提高产品产量和产品质量,减轻1、2号小炉蓄热室堵塞。据资料介绍,增加0号小炉辅助燃烧后产量可提高5-10%,质量提高5%,燃料消耗下降5%。图2是一般性的0号小炉辅助燃烧布置图。
根据0号小炉喷枪使用目的不同,燃料使用量也不一样。以提高质量、减少1、2号小炉蓄热室堵塞为目的,燃料的使用量较小;以增加产量、提高质量为目的,燃料使用量较大。0号小炉喷枪燃料使用量一般在50-150L/h·支的范围内变化。
5 结束语
现在纯氧燃烧用于玻璃窑炉己经超越实验阶段,有很多的经验可以借鉴。氧气成本依然是影响纯氧燃烧经济上是否可行的一个重要因素。在环保压力不是很大时,全窑纯氧燃烧增加大量的运行成本,变得经济上不可取。而0号小炉辅助燃烧只需在现有的空分设备上加以改造即可满足要求,投资很小,是现阶段提高质量、提高产量、降低成本的行之有效的办法。(2007年9月)
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