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窑炉纯氧顶部燃烧与电助熔技术在日用玻璃企业应用的推广

王新强  刘  琦

   纯氧燃烧是指用工业氧气代替空气来燃烧燃料,可以使燃料燃烧更加完全。

纯氧燃烧技术的方式为具有93%~99.6%浓度的氧气与燃料在燃烧器出口混合燃烧来加热熔解玻璃,纯氧燃烧技术在玻璃熔窑中成为取代空气燃烧方式的最好的选择,这是因为纯氧燃烧在环保、节能、质量、产能扩充等方面有非常好的表现,并带来了巨大的经济效益。窑炉顶部纯氧燃烧电助熔技术的应运而生,是当今最有效的玻璃熔化的加热方法,已经成为玻璃窑炉目前最先进的燃烧技术。

   純氧燃烧分为两种形式:一种是现在国内公司采用的胸墙纯氧平烧。其方式为若干对燃烧器沿窑炉的纵向在胸墙上等距离分布,分别调节燃烧器的燃气用量,就能实现熔窑的纵向温度分布,满足玻璃熔化工艺的要求,有效地控制玻璃液在池窑内的熔化对流和澄清。平烧方案又细分为两种,扁平火焰燃烧器与圆形火焰燃烧器,总结我们项目设计及使用情况,建议设计或改造时要根据窑炉宽度及胸墙高度,根据燃烧器的特点有针对性的选择燃烧器,或者两者进行结合,区分部位选用不同燃烧器。 另一种则是窑炉顶部纯氧燃烧与电助熔技术的应用。

 

图1  胸墙侧烧扁平火焰

图2  碹顶安装純氧顶烧燃烧器

 

   下面重点介绍图2纯氧顶部燃烧与电助熔技术

   一、纯氧顶部燃烧+电助熔方式介绍

   美国公司于2000年成功利用了碹顶純氧燃烧技术投入生产,节能效果非常优异,比现有的纯氧平烧燃烧方式还要节能8%~15%,热能利用率可达到50%以上。随着纯氧顶部燃烧技术在玻璃纤维窑炉上应用的普及,我们作为将碹顶純氧燃烧技术引入中国的开创者,正逐步将此项技术推广至所有玻璃生产窑炉,涉及玻璃纤维之外的浮法玻璃、日用玻璃、特种玻璃生产线等。全氧顶部燃烧与电助熔技术特点主要体现在以下几个方面:

   1、纯氧顶烧不同于传统的胸墙纯氧平烧,差别是平烧依赖于热辐射为主的能量交换,而纯氧顶烧基于垂直、定向直接加热原理,有效降低原料的挥发量,同时提高了配合料的传热率,从而提高了熔融速率。采用胸墙平烧方案如果火焰长度、刚度控制不好,火焰会发飘上扬,不稳定,严重时会将碹顶烧损,影响窑炉使用寿命,这是非常严重的问题。另一种情况如果燃烧器选型或在两侧胸墙上的排布不合理,会导致工艺温度制度不容易调整,有时还会将对面胸墙烧蚀。

   2、顶烧的燃烧器位于碹顶,可以克服空间限制,满足熔化部燃烧器数量要求。在顶部垂直向下燃烧,免于了传统平烧火焰对于碹顶的侵蚀,同时降低了碹顶温度,窑炉寿命得以延长。提高热传递效率,能使热量到达平烧燃烧器无法触及的窑炉区域,让热量到达未熔融的配合料,通过改变传热方式提高玻璃质量、流量。

   3、电助熔是电极把电能直接送入用燃料加热的玻璃窑炉中,直接通电补充熔化所需的一部分热量,通入的电能以95%以上的效率作用于熔化。

   4、玻璃窑炉在没有大功率电助熔的应用时,能够改变玻璃质量及节能的方式有两种途径,一种是采用鼓泡,一种是设置窑坎结构。事实证明这两种方式在一定的阶段都起到了很大作用。

   5、通过我们的数学模拟得出:与鼓泡相比电极产生的垂直方向液流的流速低,对池底耐火材料侵蚀小,玻璃没有气泡存在。

   6、多排电极产生向投料口方向的回流有助于增强配合料的熔化,增加玻璃液在熔解池滞留时间。通过调整每排电极的功率分布,可以得到合适的流液洞出口温度。

 

图3  碹顶安装的純氧燃烧器

 

图4 熔化部池底安装的多排电极

 

二、纯氧顶烧与电助熔结合熔化举例

序号

名 称

年产6万吨

1

熔窑形式

单元窑+“H”型通路

2

玻璃出料量(t/d)

195

3

熔化面积(㎡)

81㎡

4

熔化率(t/㎡d)

≥2.4

5

产品品种(或玻璃料类型)

无硼无氟玻纤玻璃

6

熔化部能耗

<980Kcal /kg玻璃液

7

熔化部天然气耗量

760Nm³/h

8

电助熔用量

1850千瓦(20%比例)

1、纯氧平烧+电助熔,国内现在六万吨窑炉能耗1150Kcal/Kg玻璃。

2、顶烧方式+电助熔,采用恒成公司设计的窑炉降低至980Kcal/Kg玻璃以下(无硼无氟玻璃配方,无碎玻璃加入,不增加产能)。

3、使用顶烧方案,玻璃工厂每小时节省166m³天然气,氧气340m³。

4、胸墙純氧平烧改造为純氧顶烧实际案例

国内某玻纤大型公司,2010年投产生产线,熔化面积127㎡,采用胸墙天然气纯氧平烧加电助熔加热方式窑炉运行,2016年由我们进行产能扩充升级改造,改造前每天的玻璃出料量最大270吨,通过顶烧改造及电助熔调整,出料量增加至316吨/天。

生产运行参数

生产线

平烧状态 

热态更改为顶烧状态 

熔化率(t/㎡d)

2.12

2.48

成品收得率

97%

97%

玻璃流量(t/d)

270

316

电助熔(kW/h)

2878

3850

天然气用(m3/h)

1165

1190

氧气用量(m3/h)

2329

2380

天然气热值(Kcal)/m3 

8500

8500

单位能耗(Kcal/Kg)

1100

1020

电占比 

20%

25%

已经运行时间

10.5年

三、设计

1、设计窑炉为单元窑形式,具有较大的长宽比,使玻璃在炉内的流动距离更加的长,使用純氧顶烧及高功率电助熔,窑炉融化率能够达到2.43.2 t/㎡.d以上。复合冷却下潜式流液洞、水冷可更换式鼓泡、密封投料、炉内监视系统、窑压及玻璃液位自动控制系统、残氧在线监测等多项技术措施为客户做出规范、标准化的工程。

2、设计会将窑炉燃烧产生的1350℃—1410℃高温废气通过金属换热器进行再利用,将洁净符合要求的热空气送至退火炉,减少天然气或电力的需求。热风温度波动保持±2℃之内。换热后的洁净热空气温度可达650℃并长期运行,根据玻璃品种的不同,可通过风机风量的变化对热风温度进行调节,调节范围300℃—650℃。推出新的电助熔控制方式IGBT控制系统,完全不同于现在的SCR控制,结合新型的水冷变压器使用,功率因数达到98%,为客户节省更多的运行费用。

3、根据玻璃性质选择合适的耐火材料,保证窑炉的运行寿命。在窑炉安装、烤窑、投料过程全程进行监督、指导。生产过程中对于原料配方、熔制工艺进行指导。出具符合窑炉运行的作业指导书、窑炉维护手册。

4、设计范围涵盖原料配料均化系统,窑炉耐火材料及钢结构设计,純氧燃烧系统设计制造,电助熔系统设计制造,电气自控、自动化物流系统等。同时可根据客户需求进行项目总包,交钥匙工程。

近年来,随着窑炉向大型化、绿色环保、节能、高质高效方向发展,窑炉顶部纯氧燃烧技术在玻纤行业应用成熟且广泛。日用玻璃行业还处在初级应用探讨阶段,持续降低生产成本、提高玻璃液质量是日用玻璃行业提高竞争力的有效手段,纯氧燃烧与电助熔技术的引入,是日用玻璃企业生产高质量品质产品的技术保障的一种应用创新。愿为中国日用玻璃行业企业提供设计与服务,为行业从业人员在窑炉顶部纯氧燃烧技术改造和使用方面提供有力的技术支撑与服务。

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