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    【玻璃】從產生氮氧化物的源頭遏制氮氧化物的生成

    2016/07/18 來源:玻璃容器委員會

    燃天然氣玻璃窯爐采用分段供氧減少氮氧化物排放量的試驗報告

     

    玻璃容器委員會技術專家 陳興孝 高級工程師

    重慶萊弗窯爐技術有限公司 代曉橋、胡猛騰

    隨著人們生活水平的逐年提高,老百姓對環境生存質量要求也越來越高,國家領導人順應民心,出臺了更加嚴格的工業爐排放標準。

    如何使玻璃窯爐的排放指數既達到國家標準,又不致于使生產成本過高,是我們玻璃企業生產經營管理者及工程技術人員的責任。要解決氮氧化物的排放數量必須搞清理氮氧化物的生成機理,目前國內外的科技工作者把氮氧化物的生成機理(方式)歸納為以下三種方式:

    1.熱力型產生NOx

    關于熱力NOx的生成機理是高溫下空氣的N2氧化形成NO;,其主成速度與燃燒溫度有很大關系,當燃燒溫度低于1400℃時熱力NOx生成速度較慢,當溫度高于1400℃反應明顯加快,根據阿累尼烏斯定律,反應速度按指數規律增加。這說明,在實際爐內溫度分別不均勻的情況下,局部高溫的地方會生成很多的NOx;并會對整個爐內的NOx生成量起決定性影響。熱力NOx的生成量則與空氣過剩系數有很大關系,氧濃度增加,NOx生成量也增加。當出現15%的過量空氣時,NOx生成量達到最大:當過量空氣超過15%時。由于NOx被稀釋,燃燒溫度下降,反而會導致NOx生成減少。熱力NOx的生成還與煙氣在高溫區的停留時間有關,停留時間越長,NOx越多。這是因為窯爐燃燒溫度下,NOx的生成反應還未達到平衡,因而NOx的生成量將隨煙氣在高溫區的停留時間增長而增加。

     2.快速型產生NOx   

    快速NOx是1971年Fenimore(費尼莫爾)根據碳氫燃料預混火焰的軸向NOx分布實驗結果提出的,是燃料在燃燒過程中碳氫化合物分解的中間產物N2反應生成的氮氧化合物,其生成速度極快,主要在火焰面上形成,且生成量較小,一般在5%以下,其主要反應如下: 在溫度低于2000K(1727℃)時,NOx主成主要通過CH一N2反應;在不含氮的碳氫燃料低溫燃燒時,需重點考慮快速NOX的生成。

    3.燃料型產生NOx

    “燃料”NOx是由化學地結合在燃料中的雜環氮化物熱分解,并與氧化合而生成的NOx,其生成量與燃料中氮的含量有很大關系,當燃燒中氮的含量超過0.1%時,結合在燃料的氮轉化為NOx的量占主要地位,如煤的含氮量一般為0.5~2.5%;燃料NOx的形成可占生成總量的60%以上,燃料氮轉化為NOx量主要取決于空氣過剩系數,空氣過剩系數降低,NOx的生成量也降低,這是因為在缺氧狀態下,燃料中揮發出來的氮與碳、氫競爭不足的氧,由于氮缺乏競爭能力,而減少了NOx的形成。其主要反應途徑如下。(1)氮化物大量轉化為HCN和NH3,(2)HCN和NH3被氧化。

    從上述三種方式可以看出,產生氮氧化物有兩方面的條件,一是內因,燃燒物或燃燒產物中有氧分子及氮分子,而氮氣在常溫常壓下,活性極低;二是外因,火焰溫度高。內因要通過外因而產生作用

    天然氣作為清潔能原,它不但熱值高,而且有害雜質低。根據國標GB17820-2012《天然氣》規定:天然氣熱值≥36MJ/m3,二氧化碳≤2.0%,總硫≤60mg/m3,硫化氫≤6 mg/m3。因此燃天然氣玻璃窯爐,粉塵(煙色、格林曼指數)、硫化物都容易達標,而氮氧化物極易超標,因為經過蓄熱室預熱的助燃空氣溫,與燃料燃燒產生很高的溫度,一般在加料口附近產生很高的溫度,火焰輻射溫度可達1670℃以上,尾部火焰溫度在1520℃左右。根據上述分析,燃天然氣玻璃窯爐產生氮氧化物的機理屬熱力型,我們如何控制燃燒產物中氧的含量以及如何將最高溫度點降低,即內因要通過外因而產生作用,從內、外因中同時著手,即讓燃燒產物中氧的含量不足,并且把局部范圍(加料口附近、火根處)的溫度降低,而澄清部處的溫度不但不升,還略有升高,即達到遏制氮氧化物產生而又不影響玻璃的熔化(產量、質量不受影響),我們認為,控制空氣過剩系數,讓火焰呈還原焰,它即不完全燃燒,燃燒產物中沒有游離的氧,從而控制氮氧化物的生成。

    如果我們一直采用不完全燃燒,雖然氮氧化物的生成量控制下來了,但是不完全燃燒損失了燃料,能源消耗會增高,我們在煙氣離開熔化池進入小爐、蓄熱室前,通入富氧空氣,將過剩的碳及碳氫化合物燃燒盡,這時煙氣溫度己經大幅降低,產生氮氧化物的幾率也大大降低。

    根據上述理論分析,我們在四川某廠一座天然氣窯爐上作了驗證試驗:

    一、窯爐的基本狀況:

    1、爐型:燃天然氣馬蹄焰三通道蓄熱室玻璃池爐

    2、窯爐熔化面積:50m2(長9900mm;寬5150mm;長寬比為1.92

    3、產品種類:高白料酒瓶

    4、出料量:設計出料量是90100/天(碎玻璃比例為10%),因產品結構原因,試驗期生產小品種,每天出料量為70/天。

    5、大爐溫度(碹頂熱點位置控制溫度):1525

    二、實施措施

    1、在距離加料口中心線4200mm(每個窯爐該尺寸不一樣)的地方的胸墻打孔,安裝富氧空氣管道。

    2、安裝一臺鼓風機和液氧供氧站,空氣和液氧在管道內按一定比例混合后,分別送往窯爐熔化池的兩側,每根支管道單獨安裝壓力表和球閥。

    3、控制系統

    在富氧管道上加裝電磁閥,與窯爐燃燒控制系統同步運行,要求在燃燒向的對側通入富氧空氣。

    4、尾氣測量點的選擇:在煙囪上距離零平面+10米的高度有一個專門檢測煙氣成分的預留孔,也是環保部門確定的煙氣成分檢測孔。

    5、系統調試、記錄數據、分析,確定最優方案。

    三、測量結果分析及總結

    1、NOX的含量隨二次風量的減少降低明顯,由較高的1407ppm降低到最低的30ppm(相當于2884mgNOX/m3煙氣和61.5mgNOX/m3煙氣)。

    2、隨著二次風量的減少,火焰亮度降低、變長,窯爐溫度恢復遲緩,甚至溫度上不去,但在配風比例調為9.5時通入,熔化池升溫速度有所提高,在16分鐘左右達到設定溫度。

    3、CO的含量隨二次風量的減少不斷增加,通入后有所減少,CO2含量有所增加。

    4、SO2含量隨著CO的增加有所增加。

    5、該工藝的關鍵點:在第二階段通入必須把第一階段未燃燒完全的CO完全燃燒掉,在高溫廢氣進入噴火口前將燃燒產生的熱量傳遞給配合料或玻璃液,也保證大爐熔制溫度,提高燃料的利用率,降低能耗。

    四、簡要調試步驟:

    第一步:初始狀態測量,空氣配比為12.5;

    第二步:通入,壓力0.02MPa;開1#3#槍;空氣配比為10;

    第三步:通入,壓力0.02MPa;開1#3#槍;空氣配比為9.5;

    第四步:通入,壓力0.02MPa;開1#3#槍;空氣配比為9;

    第五步:空氣配比9.5,關閉;

    第六步:通入,壓力0.02MP;開1#3#槍;

    第七步:通入,壓力0.02MP;關1#槍,開3#槍;

    根據對測量數據的分析和比對比較,空氣配比為9.5時,窯爐運行狀況及NOx排放量比較適合,NOx37.3156.5ppm;SO2322ppm;O27.48%。

    確定空氣配比為9.5,調整富氧壓力和每項燃燒時間

    第八步:通入,壓力0.02MP;開1#、3#槍;保持空氣配比為9.5;25分鐘換向;

    第九步:通入,壓力0.02MP;開1#、3#槍;保持空氣配比為9.5;20分鐘換向;

    第十步:通入,壓力0.015MP;開1#、3#槍;保持空氣配比為9.5;20分鐘換向;

     

    對每一步測量的數據進行詳細記錄,然后分析比較,當空氣配比為9.5,壓力0.015MP;開1#、3#槍;單側燃燒時間為 20分鐘時,窯爐運行狀況、富氧耗量及NOx排放量都比較適合,NOx45151ppm;SO2016.3ppm;O27.18%;耗氧量為85m3/h。

    用氧量統計:

    富氧壓力

    流量

    日用富氧

    備注

    0.02MPa

    105m3/h

    2520m3

     氧含量93%

    0.015MPa

    85m3/h

    2040m3

     氧含量93%

    通過測量的數據分析表明,該項階段增氧燃燒技術能有效降低NOx的生成和排放,但如何更好的滿足生產和環保的要求,兩者兼顧,各玻璃廠還需根據自己窯爐的實際情況進行摸索。

    參考文獻:

    【1】       GABRIEL NOBOA(Eclipse公司拉丁美洲地區經理)),《減少玻璃窯爐的ZOX排放》Architectural&Functional Glass No7 2008。

            

                                                                                                   2016615


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