富氧助燃技术在马蹄焰玻璃窑炉上的应用

一、膜法富氧原理：
　　 膜法富氧技术是利用高分子材料的一些本征特性，如对不同气体分子具有不同的选择渗透性能，以及高分子材料的特殊加工性能，科技人员将一些特殊的高分子材料研究加工成为具有工业应用价值的气体分离膜和膜原件。
选用高分子材料，经特殊工艺加工成复合膜和膜原件，可以将空气中的氧从21%富集到30%，且具有超高气体透量（与玻璃态高分子膜相比），单位面积/单位时间/单位压力可产富氧（30%）4Nm3/m2 •h•bar,与深冷法制氧和变压吸附法制氧（折合成相同浓度）相比，膜法的制氧成本最低。
　　　　
二、富氧燃烧原理：
　　 富氧燃烧目的就在于使燃料充分燃烧，并有效地充分利用燃烧生成的数量。燃烧的工艺与炉窑效率有着至关重要的关系。燃烧是由于燃料中可燃分子与氧分子之间发生高能碰撞而引起的，所以氧的供给情况决定了燃烧过程完成的是否充分。在常规空气助燃的燃烧系统中，这种高能碰撞作用受到占空气成份近五分之四不助燃的氮分子阻碍，减少了氧分子与燃料可燃分子之间的碰撞机会，直接影响燃烧效率的提高，不仅如此，氮还在炉窑中吸收大量的热量在废气中排掉造成热损失，浪费能源。采用比常规空气含氧量高的空气助燃称富氧燃烧，它有提高火焰温度、加快燃烧速度、降低燃料燃点温度、增加热量利用率的特点。
三、马蹄焰玻璃窑炉描述：
　　马蹄焰玻璃窑炉以价格低廉的发生炉煤气（油或天燃气）为燃料，不但提高了熔化质量，且大大节约了燃料成本。该炉型设有合理的蓄热室结构，提高了热能利用率和工作效率。在蓄热室设计时，是让烟气直接通过蓄热室进入烟道，而蓄热室是一个用耐火材料砌成的空心格子的加热室。当发生炉煤气和空气通过蓄热室时预热空气和煤气，一起进入小炉内相互混合和预燃。使燃料释放出更多的热量。烟气在蓄热室反复上升与下沉的过程中，热量被格子砖充分吸收并蓄积，有部分热量被废气所带走，大部分热量被充分利用到工作中去。
四、富氧燃烧技术在发生炉煤气马蹄焰璃熔窑炉上的应用
　　马蹄焰玻璃窑炉局部富氧助燃是很有必要的，也是可行的。在一般的玻璃熔窑火焰空间中，火焰下部总是最缺氧的部位，燃烧不完全，温度较低。如果富氧喷管以一定的角度和速度将氧气引入窑炉空间，冲击火焰底部，这样就会在靠近玻璃液面一侧形成一个含未燃烧碳粒较少的富氧层，使之燃烧充分，温度提高较大。这种不对称火焰，可靠垂直的温度梯度，在靠近玻璃料液的一侧形成一个高温带，使火焰底部增加向玻璃料液内部的热辐射和热对流。而在靠近窑碹的一侧温度并不升高，使窑顶免受由此带来的侵蚀加重。同时由于火焰强度增加，火焰变短，有助于控制熔窑内温度分布。此外，可防止在蓄热室内燃烧。这对蓄热式熔窑来说，格子砖的寿命也可以得到改善。
　　由于马蹄焰窑是侧面加料，正面喷火，因此其料层长度相对来说比较短，为了加强熔化，火焰长度也要求短些，一般宜采用短焰燃烧。只有这样，火焰热量才会集中于配合料熔化区，起到增强熔化部位熔化能力的作用。火焰长短，也可通过控制氧流量来调节。当氧流量增至100m3/h时，火焰长度将有明显的缩短。
　　在马蹄焰窑火焰空间内，富氧助燃同样可造成不均衡的火焰辐射，使热流离开碹顶向下移动，窑顶附近空间温度显著下降。结果导致澄清区液面附近的冷气层基本上被消除，玻璃液内部热均匀性有所提高，最终使成形制品质量得到改善。
（一）、燃发生炉煤气马蹄焰玻璃窑炉富氧助燃系统的设计：
为了使池炉内的火焰能形成梯度燃烧，即使近玻璃液面处的火焰温度比上部的高，若赶上停炉维修，可以将富氧喷嘴直接设计在小炉底唇砖上，这样不但先择了富氧最佳使用位置，而且彻底解决了中途更换富氧喷管的难题。富氧空气随火焰下部平行喷出，并在池内与火焰下部混合，使火焰在熔化池靠近加料处形成高温的底层火焰，从而加速化料，提高熔化率，克服跑料堆现象，且能保证马蹄焰的回火不致带料粉进入蓄热室，利于格子砖延长寿命。
　　我们在运用富氧助燃时，一般都是在不停产状态下进行施工的，利用换向时间，将富氧喷嘴分别在两小炉预混室的外恻打孔插入，并贴近小炉底面，喷嘴角度应随煤气走向。两喷嘴的富氧空气随火焰下部平行喷出，同样使富氧空气在池内与火焰下部混合，而形成富氧助燃的效果。

（二）、燃油（或天燃气）马蹄焰玻璃窑炉富氧助燃设计：
　　由于熔窑采用重油作为燃烧，而重油粘度较大、燃点高，在燃烧过程中需要通过加温、雾化助燃等手段才能使重油充分燃烧。局部增氧技术主要是增加空气中的氧浓度，减少助燃空气，降低烟气生成量（既减少烟气带走的热量）从而降低NO2生成物，改善了环境；在熔窑内局部增氧可以相应使火焰温度增高，燃烧速度加快，增加配合料，玻璃液辐射传热和对流传热，提高熔化率；局部增氧助燃使燃料在火焰区域燃烧完全，大碹温度降低，大碹向外散热热量减小，单位玻璃液能耗降低。在设计富氧助燃时，它与燃发生炉煤气马蹄焰玻璃窑炉不同的是将富氧喷嘴设计在每支油枪下部。

　　我公司自主研发、设计、生产的富氧燃烧全套设备，于2008年5月在青岛荣泰玻璃制品有限公司一号马蹄焰玻璃窑炉上运用，节能效果显著，随即又在二号炉进行使用，且节能效果更佳，并分别对二个炉能耗情况进行了二个月考核，结果如下：
一号炉：99m2，富氧前产量190T/日，燃煤45T/日
　　　　　　　　富氧后产量198T/日，燃煤40T/日（单耗202kg）
二号炉：104m2 富氧前产量200T/日，燃煤46T/日
　　　　　　　　富氧后产量218T/日，燃煤41T/日（单耗188kg）
　　这二套装置完全是由我公司从富氧膜、富氧组件生产、富氧设备制造、设计安装为一体的系列工程。综合测定，该富氧燃烧技术及装置不但节能效果可观，空气过剩系数降低，而且改变了窑炉工况，我们在运行中发现，当氧气输入后，火焰长度明显缩短，火焰底部增亮，前墙温度下降，炉顶温度降低，煤气和二次空气相应下调，节约原煤达10%以上。产量和质量均有所提高5%左右。
五、节能、环保等特点：
　　1.提高火焰温度：
　　由于富氧空气的参与，氮气含量相对减少，相应减少废气吸热量。据有关资料介绍，火焰温度随空气中氧气含量的增加而显著提高，当使用一般空气炉膛加热温度为1300℃时，可以利用的热量仅为42%，而用28%最佳经济浓度的富氧空气进行助燃时，可利用的热量高达56%，热量利用率提高了33%。给炉膛局部增加富氧空气，目的就是集中提高该燃烧区空气中氧气浓度百分比，达到提高炉膛火焰温度和热量利用率的目的。

　　火焰温度随着助燃空气中的氧含量增加而迅速上升，从图一可以看出，火焰温度随着空气中氧的提高而提高；随着富氧空气浓度逐渐提高，火焰温度增加的幅度逐渐下降。因此为了有效地利用富氧空气，其浓度不宜选得过高。按过剩系数a=1.1-1.5组织燃料时，富氧浓度取25-27为宜，且以空气含量从21-25时效果最明显。

　　2.加快燃烧速度
　　燃料在富氧空气中燃烧速度加快的原因：是由于增加氧含量后，使火焰温度提高所致，如天然气在氧气中的燃烧速度比在普通空气中的燃烧速度能提高10倍。燃烧速度的提高，导致燃料在炉膛内迅速完全燃烧。2

最大燃烧速度cm/s对比表
燃料 空气（21%O2）范 围 最大可能　　氧气（100%）范围　　 最大可能
氢气 250-360　　　　 280 890-1175
天燃气 33-44　　　　　　 37　　325-480　　　　　　395
丙烷 40-47　　　　　　 42　　360-400　　　　　　375
丁烷 37-46　　　　　　 41　　　　　　 335-390　　　　　　355
乙烷 110-180　　　　 160　　　　　　950-1280　　　　 1130
3.降低燃料的燃点温度
　　燃点温度明显受到反应速率和热损耗的影响。富氧空气比普通空气有助于降低“燃点”温度的特点，并增加火焰单位体积的热释放量。对于劣质燃料效果更为突出。
燃料的燃点温度在一定条件下不是常数。如CO在空气中为609℃，而在纯氧中仅为 388℃。富氧助燃就是利用这一现象，将少量的富氧空气，集中地供给火嘴燃料刚刚雾化（或固体燃料刚刚汽化）喷出点燃部位，使该区氧气量骤然增加，可以起到降低燃料点燃温度，提前点燃，相对延长燃料在炉膛中燃烧时间，增加燃料释放热量的作用。
4.减少燃烧后的排气量
　　使用含氧量为23-24%的富氧空气参加燃烧，与普通空气燃烧比较，当过剩空气系数a=1时，则排气体积减少10-20%，其排烟热损失也减少10-20%，从而提高热效率而节能。
燃料在一般空气与在纯氧中燃烧速度相差甚大，如天然气在纯氧中比在空气中的燃烧速度高达10.7倍，因此富氧助燃，不仅提高燃烧强度，还能加快燃烧速度，更有利于燃烧反应完全，可以改善排烟质量，减少未燃物质对环境的污染。

　　若使用氧浓度为21%的常规空气，按理论空气量燃烧的排气量为1计算时，随着含氧量的增加，排气量有减少的倾向。使用含氧量为27%的富氧空气燃烧与氧浓度为21%的空气燃烧比较，过剩系数a=1时排气体积减少21%，排烟热损失也相应减少而节能。
5.增加热量利用率
　　当加热温度为1300ºC时，用普通空气燃烧。其热利用率为42%，而用含氧量24%的富氧空气燃烧，则利用率增加到30%以上，随着加热温度增加，节能效果更显著。
6.降低空气过剩系数
　　富氧燃烧能有效地降低空气过剩系数，使排烟热能损失大幅度降低，从而提高窑炉的热效率而节能。当a值为1.1时，燃料只增加4%，当a值为1.4时，燃料增加到16%，在高温熔炉中加热温度越高，则a值的增加使热量的损失就越大。
炉膛燃烧完全，降低了空气过剩系数。据有关资料介绍：日本节能中心在工业窑炉节能措施中，着重于降低空气过剩系数的研究，他们在一台热处理炉中经多次试验，将空气过剩系数从1.7降到1.2，降低29.4%,平均节能达13.3%。我们试验炉子的实测结果是烟囱排烟处过剩空气系数，普遍降低12—14%左右。

六、富氧助燃工程的设计与安装：
　　以膜系统为例：为满足高度含尘量的恶劣运行环境，膜组件自带过滤，膜堆也可安装在相对封闭的室内空间，空气经通往室内的预置过滤器初步过滤后进入室内，相对洁净的新鲜空气在膜组件自带的废气排放风机的引导下进入膜分离器进行氧氮分离，其中，富氧空气经真空泵机组抽取输送到用气点，废气则经过废排风机集中排放到室外；

　　为保持系统的稳定、可靠，动力设备——真空泵是系统唯一可能的故障点，可设计采取备机形式以保证系统的可靠性；
　　为最大限度的节约投资以及节约能源消耗，真空泵机组可采用多台套真空泵机组并联使用，备机采用变频，开、停、切换、降负荷使用变频机组，以具备良好的故障策略导向，建议设计采用单台真空泵满足要求。
　　真空泵机组单独安装在泵房，设隔音降噪措施；
　　系统设计以满足用户运行环境极端条件为目标，考虑对高温、低温、海拔条件的校核，以保证系统最终安装地性能指标与运行稳定的达成；
　　控制水平：中央集控/自动控制、无人值守、智能报警、远传接口
七、系统主要技术性能特点（膜系统）
1.工艺简单：负压流程捲式膜制氧工艺，以真空动力自膜堆直接抽取富氧空气；
2.安装简便：膜堆模块化设计，安装简单，连接方便；
3.公用工程集约化：占地面积小巧，对厂房要求低；
a) 系统稳定可靠：任何动力设备均存在一定的故障率，采用备用机形式辅以自动控制系统在故障发生时切换到备机是最安全的解决方案，本系统可选择对多级泵组采用1台备机的配置形式，并采取变频技术，充分考虑到系统的故障策略导向以及最大节约投资与能源消耗；
b) 操作方便：单键开停机，操作简单方便；采用变频技术为基础的过程控制全自动完成；
c) 维护简便：可对故障发生的罗茨真空泵机组进行不停机检修，
d) 可扩展性：膜堆与真空泵组可方便的实现生产的简便扩展