变压吸附制氧(VPSA)技...用玻璃全氧燃烧窑炉中的应用_李战强.pdf

年第 卷第期 ：收稿日期：；收到修改稿日期：作者简介：李战强（），男 ：变压吸附制氧（）技术在日用玻璃全氧燃烧窑炉中的应用李战强（北京北大先锋科技股份有限公司，北京 ）摘要：玻璃熔窑全氧燃烧具有提高产量和质量、节省燃料、提高窑炉寿命、降低排放的优点。介绍了日用玻璃行业的全氧燃烧技术和变压吸附制氧（）装置的工艺原理及特点，分析了 制氧装置在日用玻璃企业的应用案例及相应经济性能。与使用液氧运行方式相比，采用 制氧装置的运行成本和经济效益具有显著优势，不但极大地降低了企业的用氧成本，而且显著增强了日用玻璃企业的市场竞争力。关键词：日用玻璃；全氧燃烧；变压吸附制氧；节能环保中图分类号：文献标志码：文章编号：（）氧气（）的化学性质比较活泼，能与大部分元素发生反应，主要用途是助燃。工业窑炉使用纯氧燃烧可以有效提升窑炉的燃烧效率，升高火焰温度，加快料熔速率，提高生产效率。玻璃窑炉全氧碹顶燃烧可以有效控制火焰长度及水平度，提高火焰稳定性，减少对炉内耐火材料的烧蚀。全氧顶部燃烧可以直接采用垂直和定向加热，减少炉料挥发，增进炉料传热、传质效率。电助熔系统用电辅助加热高效辅助熔化，提高熔池内熔液有序流动、搅拌均化，提高玻璃熔液质量。全氧燃烧玻璃熔窑与传统的空气助燃玻璃熔窑相比，在节能降耗、环境保护、提高产品质量、建设及运营成本方面都具有明显的优势与特点。氧气的制取方法有化学法、水电解法和空气分离法。空气分离法包括深冷分离法、变压吸附法（）和膜分离法，其中 装置具有工艺流程简单、运行可靠、启动时间短和自动化程度高等优点。本工作介绍 在日用玻璃行业的应用，分析变压吸附制氧技术在全氧燃烧窑炉中的经济性，对提升日用玻璃行业生产水平具有重大意义。的优势全氧燃烧技术是指采用纯度高于 的氧气代替空气与燃料按比例混合进行充分燃烧的技术。由于全氧燃烧时氧气纯度高，助燃作用和氧化性能较好，燃料燃烧更为充分，燃烧产物为和，废气量显第 卷第期玻璃搪瓷与眼镜著降低，不仅减少了热量排放损失，而且减少了氮氧化物的排放，节能减排效果良好。日用玻璃窑炉的全氧燃烧技术具有提高燃烧效率、节省燃料、节能减排、提高玻璃产量和质量、延长窑炉寿命、减少建设费用和改善操作环境等优点，市场处于大规模应用阶段。的应用 工艺原理（）吸附某物质的分子在一种多孔固体表面浓聚的现象称之为吸附。固体物质表面具有不饱和力场，其作用范围相当于分子直径大小。因此，固体表面对接触的气体分子具有一定的吸附作用。（）吸附剂吸附剂对各种气体的吸附能力主要取决于吸附剂的组成和结构、气体分子的大小和极性以及吸附条件，常见的吸附剂有沸石分子筛和锂基分子筛等。（）吸附过程气体通过吸附剂时，气流中的吸附质主要经过外扩散、外表面吸附、内表面吸附、孔扩散几个过程（见图）。变压吸附制氧的原理主要是氮和氧都具有四极矩，由于氮的四极矩比氧的四极矩大得多，氮气在分子筛上的吸附能力比氧气强。因此，带有压力的空气通过分子筛吸附床层时，氮气被选择吸附，而氧气富集并流出吸附床层；当氮气吸附饱和后可通过减压降低气体分压，吸附剂解吸附释放氮气，吸附剂可再生重复利用。由于氧气和氩气沸点接近，两种气体分离较为困难。因此，变压吸附制氧装置一般可获得浓度为 的氧气（极限浓度为 ）。图吸附效应原理图 工艺流程 典型的工艺流程为两塔工艺流程（见图），采用两个吸附塔、一台鼓风机、一台真空泵、一台换热器以及其他公辅设备。当一台吸附塔进行吸附产氧状态时，另一台吸附塔处于真空解吸状态。两塔工艺在时序配合下完成连续工艺操作，实现自动化，时序的主要步骤有吸附、均压、解吸和冲洗等（见表）。表两塔工艺时序主要步骤吸收塔主要操作步骤吸附均压降解吸冲洗均压升解吸冲洗均压升吸附均压降 工艺特点变压吸附制氧技术经过几十年的快速发展，应用较为广泛。与传统的深冷空分制氧装置相比，变压吸附制氧装置具有工艺简单、自动化、智能化、操作方便、维护成本低、建设工期短、投资及运营成本低等特点。（）工艺简单、自动化、智能化玻璃搪瓷与眼镜 年月图两塔工艺流程示意图变压吸附制氧设备相比深冷设备较为简单（表），主要设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵。装置开车时间小于 ，并且启停灵活、负荷简便可调，具有高度自动化、智能化，可以做到无人值守。表 与深冷空分设备特点对比名称 设备深冷空分设备配套机组数量少，启停方便数量多，精度较高人员素质普通员工专业技术人员智能化无人值守专人维护（）建设工期短、投资及运营成本低 建设周期相对时间较短，设备安装简单、安装周期短；深冷装置建设周期约 个月，而 建设周期可控制在个月内，不含氧压机的 装置可缩短约个月的工期，快速实现装置效益最大化。（）企业用氧负荷调节灵活 装置产量及纯度可通过时序及编程实现快速调节，氧气负荷可在 之间调节，氧气纯度可控制在 范围内。应用案例安徽某玻璃公司位于安微省淮南市（中国日用玻璃主要生产基地之一），拥有清洁能源玻璃窑炉座，其产品有耐热（高硼）玻璃制品、玻璃餐具及其深加工产品。该企业要求建设氧气产量为 、氧气纯度为 的 制氧装置。制氧系统包含套两塔 型 制氧装置，配套台常压缓冲罐、台氧压机（用备），台低压氧缓冲罐。该企业在没有建成 之前一直使用液氧为助燃气体，年平均采购价 元吨，最高时可达 元吨，并且需要提前很长时间从外省预订。每吨液氧气化约 氧气，年均消耗液氧约 万吨，年均采购成本约 万元。液氧采购价格波动较为明显，企业流动资金承受较大风险，且在市场液氧用量高峰阶段时，采购较为困难。采用的 制氧 型装置，设备包括制氧机组、氧压机、厂房通风照明、配电室和公辅工程等，日均折算总用电量约为 ，电费成本 元（），年均运行成本约 万元，维护与设备折旧成本每年 万。从上述分析结果可以看出，采用 装置经济效益较为明显，相比于液氧年均节省成本 万元以上。同时不受液氧市场供销波动影响，显著减低了企业的财务风险，制氧装置增强了日用玻璃企业的市场竞争力。第 卷第期玻璃搪瓷与眼镜结论日用玻璃窑炉的全氧燃烧技术具有提高燃烧效率、节省燃料、节能减排、提高玻璃产量和质量、延长窑炉寿命、减少建设费用和改善操作环境等优点，对提高日用玻璃行业生产水平、提升行业国际竞争力具有重大意义。制氧装置在日用玻璃窑炉的全氧燃烧技术应用方面具有潜力及较大的市场影响力，具备全面推广的条件。制氧装置运行成本相比于使用液氧方式，经济效益较为显著，极大地降低了企业的用氧成本，显著增强了日用玻璃企业的市场竞争力。制氧装置具有工艺简单、自动化、智能化、操作方便、维护成本低、建设工期短、投资及运营成本低等特点。案例使用的是北大先锋（与北京大学合资组建的高新技术企业）拥有自主知识产权的高效分子筛产品，制氧工程技术处于行业领先地位。参考文献：张佳平，唐伟，耿云峰，等变压吸附空分制氧和 分离在煤化工中的应用现代化工，（）：姜贺，刘世合 变压吸附制氧设备工艺设备选型及设计 变压吸附设备技术交流会论文集 承德：中国通用机械气体分离设备行业协会，：张文涛 制氧在玻璃熔窑全氧燃烧技术中的应用 年全国玻璃窑炉技术研讨交流会论文集 大连：中国硅酸盐学会，：耿云峰，耿晨霞，张文效变压吸附（）空分制氧技术进展煤化工，（）：祝显强，刘应书，杨雄，等中间气两步充压对快速真空变压吸附制氧的影响化工学报，（）：吴迪变压吸附制氧新工艺及吸附剂的应用研究烟台：烟台大学，史怡坤 真空变压吸附制氧径向流吸附器动态模拟 上海：华东理工大学，（上接第 页）（）歪颈（）缺陷 瓶颈倾斜、不直，产生原因是吹气头向外排气不畅，热量未完全排出，钳出后热瓶柔软并变形；（）吹管印（）缺陷 瓶颈内壁有划印，产生原因是吹气前吹气管碰到瓶内壁形成的管印迹；（）瓶身未吹涨（）缺陷 瓶身成型不足，产生原因是正吹气气压不足或时间过短、排气堵塞或排气盘排气孔调节不当；（）瓶肩吹不足（又称塌肩，）缺陷 玻璃瓶没有完全成型，造成瓶肩处变形，产生原因是热瓶内冷却不够，排气堵塞或排气盘排气孔调节不当，热瓶软肩处下垂；（）垂直度不合格（又称瓶歪，）缺陷 瓶口中心线与瓶底中垂线之间的偏差，产生原因是正吹气热瓶内部冷却不够，造成热瓶过软，以至热瓶向一侧倾斜造成偏离中心并变形。参考文献：，：，（）：邓念东 型行列式制瓶机 北京：中国轻工业出版社，：