纯氧燃烧技术在焦炉煤气玻璃窑炉中的应用及效果

金信实业有限公司 刘东昕

空气产品公司（AP） 黃胜训

空气产品公司（AP） 阎金荣

摘要：本文主要阐述了纯氧燃烧技术在以焦炉煤气为燃料的玻璃窑炉中的 应用及运行效果

关键词：纯氧燃烧焦炉煤气玻璃窑炉纯氧燃烧喷枪节能减排效果

前言：

近年来，中国玻璃行业正在经历一场艰难的变革。国内玻璃生产企业众多， 企业间技术发展差异较大；同时，国家不断收紧的环境政策更是众多中小型玻璃 生产企业所面临的一大挑战：能否达到环保排放标准，将攸关企业的生死存亡。

对于金信实业有限公司（以下简称金信玻璃），作为药用硼硅玻璃产品的专业 生产企业，同时面临着双重挑战，因为河南省在建材工业节能“十二五”专项规 划中，对玻璃行业的发展提岀了新的要求，强调需要通过提高能源效率、转变经 济发展方式、加快技术进步来加快构建资源节约和环境友好型生产。根据相关规 定，截至2015年底，河南省全省玻璃行业企业必须100%满足污染物排放限制指标。 而金信玻璃拥有两台空气燃烧熔炉，均釆用焦炉煤气作为主要燃料。虽然焦炉煤 气在一定程度上降低了燃料成本，但其热值较低，仅为天然气的40%左右；由于釆 用传统的空气燃烧方式，造成燃烧效率低下，污染排放大。

因此，自新规划岀台后，金信玻璃就开始多方联系考察，希望能够尽快找到 一个适用于焦炉煤气、且经济有效的环保型燃烧解决方案，帮助企业渡过难关。 一次偶然的机会，金信公司接触到了 AP公司，看到了关于AP公司纯氧燃烧技术 的介绍及事例，对纯氧燃烧产生了兴趣；于是计划利用纯氧燃烧技术改造其窑炉。 一.纯氧燃烧技术在以焦炉煤气为燃料的玻璃窑炉中的应用

近年来，国内的玻璃企业对纯氧燃烧已不再陌生，已有不少玻璃行业，特别 是玻纤行业和微晶玻璃行业基本都已采用纯氧燃烧技术改造了窑炉，并取得了很 好的效果；但是这些企业均釆用的是高热值燃料，如：重油，天然气等。此前， 没有任何一家玻璃生产企业尝试以焦炉煤气为燃料，将其空气窑炉改造成纯氧燃 烧窑炉，主要原因是焦炉煤气自身的特性决定的。

1. 1焦炉煤气的燃烧特性

焦炉煤气的主要成分为氢气（55%~60%）和甲烷（23%~27%）,另外还含有少 量的一氧化碳（5%~8%）及二氧化碳、氮冬、氧气和其他炷类等，由此可见焦炉煤 气的主要可燃成分为氢气，这就造成焦炉煤气的燃烧速度快，火焰较短；且焦炉

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煤气热值仅为天然气的40%左右；

焦炉煤气直接用氧气助燃，其火焰长短，热力分布会如何变化都无资料可查, 且AP公司的Cleanfire® HRi™燃烧器是否适用于焦炉煤气，都需要数据及事实的 证明。

1. 2实验室试验

据此，AP公司技术人员现场收集了金信用于实际生产的焦炉煤气的成分数据, 送往空气产品公司美国清洁能源燃烧实验室进行分析。AP公司专门成立了研究小 组，根据金信的焦炉煤气成分数据模拟混合焦炉煤气，在模拟纯氧玻璃窑炉环境 中对Cleanfire® HRY™燃烧器进行反复试验，测试并分析各种解决方案下的热效率, 并对可能面临的问题进行预判。

通过对一系列试验结果的分析，AP公司最终确认了 CleanfireSRi嘅氧燃烧 器适用于焦炉煤气玻璃熔炉。

1. 3确定方案

根据实验室试验结果，结合AP公司技术人员的实际经验，AP公司本土的服务 团队随即根据金信玻璃当时的实际生产条件与要求，制定了一套经济可行的纯氧 燃烧熔炉技术改造整体方案，包括：

a） Cleanfire* HRY»系列纯氧燃烧器型号选择及其布置方案；

b） 对全氧窑炉设计建造提出相关的建议与意见；

c） 提供经济可靠的小型现场制取氧气的Prism®真空变压吸附（VSA）系统；

d） 现场启动与培训；

e） 生产过程中的工艺优化建议及调整；

f） 长期咨询与现场服务； 窑炉布置简图:

Batch Charger

1.4电脑CFD模拟

在确认了空气产品公司的Cleanfire®HR1嘅氧燃烧器可适用于焦炉煤气 熔炉及确认了纯氧喷枪布置方案后，空气产品公司还专门为金信玻璃的项目建立

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了计算热力系统模型（CFD）,用以科学计算各纯氧喷枪不同燃料分配的热分布。

下图为CFD模拟部分结果*：

Temp (K)

2.60S+03

2.49e+03

237色十03

2.26&+03

2.146+03

2.036+03

1.918+03

1.806+03

1.689+03

1.570+03

1.45e+03

1 34e+03

1.22e+03

1.116+03

9.90e+02

8.75e+02

7.606+02

6.458+02

5.30e+02

4.15e+02

3.008+02

Temp (K)

2.00503 1 92e+03 1.83x03 1.74e+03 1 66e+03 1 58e+D3 1 49e+03 1 40e+03 1 32e+03 154e+03 1.15e+O3 1 06e+03 9 80e+02 8.95e+02 810s02 7N5W2 640502 5 666+02 470e+02 385e+02 3 00e₊02

图（二）玻璃液表面温度分布

*： CFD模拟及结果为AP公司亚洲燃烧专家王晶红博士提供

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二.实际应用

纯氧改造方案确定后，金信玻璃就开始按计划逐步实施：从窑炉设计，耐火 材料选择釆购，到窑炉的建造安装，空气产品公司（AP）相关技术人员则协助进 行，提供相关的建议和意见，工程部门按计划进行VSA的安装。

2.1生产调试

经多方的共同努力，2012年6月，金信玻璃的窑炉纯氧燃烧改造项目完成现 场安装，并点火生产；且在窑炉放料一周之内就生产出合格的产品。

此后，在近一个月的时间里，空气产品公司的项目团队在金信现场，针对燃烧 器操控、燃料流量分布，以及工艺参数的优化调整等各方面给予专业建议，帮助 金信玻璃对新系统进行持续优化，以达到最佳的改造效果。特别是生产过程中出 现的且以前空气燃烧时从未遇见的问题，如：窑炉澄清区泡沫层增厚，玻璃特性 变化等问题。

2.2废气检测

在整个全氧窑炉各方面调试完成，且窑炉稳定运行一个月后，对窑炉进行了 废气检测；

同时对同一厂区的另外一台空气燃烧窑炉进行对比检测；

2.2.1检测仪器：

Testo 350-S 便携式废气分析仪；可检测成分：02、CO、NO、NO2、SO2

2.2.2两台窑炉信息：

2. 2. 3取样点：

A. 空气窑炉：蓄热室下方扒灰孔

B, 全氧窑炉：垂直烟道上部

2. 2.4测试结果：

2. 2. 4.1每立方米废气中氮氧化物的排放浓度*:

#2和#1窑炉的氮氧化物（NOx）按其规定进行计算后浓度 为：

♦在全氧燃烧窑炉中，氮氧化物（NOx）的排放浓度有大量减 少；

•全氧燃烧窑炉中NOx的排放浓度远低于有关国家规定， 即 <1200 mg/m3；

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2. 2.4.2,每吨玻璃中氮氧化物的排放量*： 每吨玻璃液下污染物排放量为:

*：以上结果均根据《日用玻璃工业污染物排放标准＞＞中规定的污染物排放限

制换算成基准排放浓度；

检测和数据分析为AP公司中国区玻璃技术支持工程师钟龙祥协助提供。

2. 3数据收集

焦炉煤气全氧窑炉运行8个月后的数据对比

经过数据收集与分析，金信玻璃与空气产品公司共同见证了振奋人心的改造 成果：氮氧化物排放量大幅减少，达89.6%；焦炉煤气用量减少42.7%；单 位能耗降低41.4%。同时产品质量亦得到大幅提升(与同期运行的空气窑炉产 品相比；目前此空气窑炉已在改造中)。

三.结论

针对金信玻璃公司焦炉煤气窑炉全氧技术改造的顺利进行和超出预期的改造 效果，金信公司和空气产品公司共同分析认为主要有以下原因：

1. 纯氧燃烧器：空气产品公司的Cleanfire®HR产纯氧燃烧器在业界久负盛 誉。该系列纯氧燃烧器不仅能提高燃烧效率，安装、清洗、维护也更为简便，此 外还具有低动量、高火焰辐射数值、受热更均匀、火焰覆盖范围更广，以及污染

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此前此类型纯氧喷枪一直只应用在使用高热值燃料的玻璃窑炉，此次在焦炉 煤气窑炉上的成功应用，更是扩大了此型纯氧喷枪的应用范围。

另外，由于Cleanfire® HRi™纯氧燃烧器是扁平火焰，且火焰平稳；加之，取 消了小炉，使得窑炉胸墙降低，也相应减少了窑炉炉体的散热。

2. 双方相互信任，相互协作的长期合作关系：

在此次整个项目的进展过程中，从项目开始，双方的了解；到项目实施过程 中，双方都表现出了完全的信任与理解，相互协作，使项目得以顺利成功进行。 目前，另外一台空气窑炉的改造也在顺利进行中，预计今年7月可点火生产。

3、 值得一提的是，金信玻璃此次釆用的VSA现场制氧系统是空气产品公司的T系 列紧凑型VSA现场制氧设备；

该制氧系统可提供最高每天24吨的气态氧，高度集成化的集装箱式设计使得设备更具灵 活性，同时占地面积更小，制气成本与液态气体相比也大幅降低。使得企业无需投入大量的 初始资金和运营成本，就能获得可靠的氧气供应，非常适合金信玻璃这类对灵活度要求较高, 成本敏感的中小型企业应用。

结束语

金信公司成功运行的纯氧窑炉是国内首座焦炉煤气纯氧窑炉，在此总结改造 成果，以供同行参考。

另外，需要提出的是，截止2010年，在我国的各类玻璃窑炉中，熔化面积在 80m，以下的中小型炉数量大约占总量的80%左右，大多数的生产企业囿于技术壁垒 与成本压力的限制，迟迟未能完成熔炉环保改造。如何能以经济的成本实现低排 放、低能耗的生产，同时提高产量和产品质量，是中小型玻璃制造商急需解决的 问题；而此次金信公司焦炉煤气纯氧燃烧项目的成功则展示了一种新的可能性： 焦炉煤气纯氧燃烧是更具成本效益的绿色燃烧解决方案。

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