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【玻璃】从产生氮氧化物的源头遏制氮氧化物的生成

2016/07/18 来源:玻璃容器委员会

燃天然气玻璃窑炉采用分段供氧减少氮氧化物排放量的试验报告

 

玻璃容器委员会技术专家 陈兴孝 高级工程师

重庆莱弗窑炉技术有限公司 代晓桥、胡猛腾

随着人们生活水平的逐年提高,老百姓对环境生存质量要求也越来越高,国家领导人顺应民心,出台了更加严格的工业炉排放标准。

如何使玻璃窑炉的排放指数既达到国家标准,又不致于使生产成本过高,是我们玻璃企业生产经营管理者及工程技术人员的责任。要解决氮氧化物的排放数量必须搞清理氮氧化物的生成机理,目前国内外的科技工作者把氮氧化物的生成机理(方式)归纳为以下三种方式:

1.热力型产生NOx

关于热力NOx的生成机理是高温下空气的N2氧化形成NO;,其主成速度与燃烧温度有很大关系,当燃烧温度低于1400℃时热力NOx生成速度较慢,当温度高于1400℃反应明显加快,根据阿累尼乌斯定律,反应速度按指数规律增加。这说明,在实际炉内温度分别不均匀的情况下,局部高温的地方会生成很多的NOx;并会对整个炉内的NOx生成量起决定性影响。热力NOx的生成量则与空气过剩系数有很大关系,氧浓度增加,NOx生成量也增加。当出现15%的过量空气时,NOx生成量达到最大:当过量空气超过15%时。由于NOx被稀释,燃烧温度下降,反而会导致NOx生成减少。热力NOx的生成还与烟气在高温区的停留时间有关,停留时间越长,NOx越多。这是因为窑炉燃烧温度下,NOx的生成反应还未达到平衡,因而NOx的生成量将随烟气在高温区的停留时间增长而增加。

 2.快速型产生NOx   

快速NOx是1971年Fenimore(费尼莫尔)根据碳氢燃料预混火焰的轴向NOx分布实验结果提出的,是燃料在燃烧过程中碳氢化合物分解的中间产物N2反应生成的氮氧化合物,其生成速度极快,主要在火焰面上形成,且生成量较小,一般在5%以下,其主要反应如下: 在温度低于2000K(1727℃)时,NOx主成主要通过CH一N2反应;在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时,需重点考虑快速NOX的生成。

3.燃料型产生NOx

“燃料”NOx是由化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解,并与氧化合而生成的NOx,其生成量与燃料中氮的含量有很大关系,当燃烧中氮的含量超过0.1%时,结合在燃料的氮转化为NOx的量占主要地位,如煤的含氮量一般为0.5~2.5%;燃料NOx的形成可占生成总量的60%以上,燃料氮转化为NOx量主要取决于空气过剩系数,空气过剩系数降低,NOx的生成量也降低,这是因为在缺氧状态下,燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧,由于氮缺乏竞争能力,而减少了NOx的形成。其主要反应途径如下。(1)氮化物大量转化为HCN和NH3,(2)HCN和NH3被氧化。

从上述三种方式可以看出,产生氮氧化物有两方面的条件,一是内因,燃烧物或燃烧产物中有氧分子及氮分子,而氮气在常温常压下,活性极低;二是外因,火焰温度高。内因要通过外因而产生作用

天然气作为清洁能原,它不但热值高,而且有害杂质低。根据国标GB17820-2012《天然气》规定:天然气热值≥36MJ/m3,二氧化碳≤2.0%,总硫≤60mg/m3,硫化氢≤6 mg/m3。因此燃天然气玻璃窑炉,粉尘(烟色、格林曼指数)、硫化物都容易达标,而氮氧化物极易超标,因为经过蓄热室预热的助燃空气温,与燃料燃烧产生很高的温度,一般在加料口附近产生很高的温度,火焰辐射温度可达1670℃以上,尾部火焰温度在1520℃左右。根据上述分析,燃天然气玻璃窑炉产生氮氧化物的机理属热力型,我们如何控制燃烧产物中氧的含量以及如何将最高温度点降低,即内因要通过外因而产生作用,从内、外因中同时着手,即让燃烧产物中氧的含量不足,并且把局部范围(加料口附近、火根处)的温度降低,而澄清部处的温度不但不升,还略有升高,即达到遏制氮氧化物产生而又不影响玻璃的熔化(产量、质量不受影响),我们认为,控制空气过剩系数,让火焰呈还原焰,它即不完全燃烧,燃烧产物中没有游离的氧,从而控制氮氧化物的生成。

如果我们一直采用不完全燃烧,虽然氮氧化物的生成量控制下来了,但是不完全燃烧损失了燃料,能源消耗会增高,我们在烟气离开熔化池进入小炉、蓄热室前,通入富氧空气,将过剩的碳及碳氢化合物燃烧尽,这时烟气温度己经大幅降低,产生氮氧化物的几率也大大降低。

根据上述理论分析,我们在四川某厂一座天然气窑炉上作了验证试验:

一、窑炉的基本状况:

1、炉型:燃天然气马蹄焰三通道蓄热室玻璃池炉

2、窑炉熔化面积:50m2(长9900mm;宽5150mm;长宽比为1.92

3、产品种类:高白料酒瓶

4、出料量:设计出料量是90100/天(碎玻璃比例为10%),因产品结构原因,试验期生产小品种,每天出料量为70/天。

5、大炉温度(碹顶热点位置控制温度):1525

二、实施措施

1、在距离加料口中心线4200mm(每个窑炉该尺寸不一样)的地方的胸墙打孔,安装富氧空气管道。

2、安装一台鼓风机和液氧供氧站,空气和液氧在管道内按一定比例混合后,分别送往窑炉熔化池的两侧,每根支管道单独安装压力表和球阀。

3、控制系统

在富氧管道上加装电磁阀,与窑炉燃烧控制系统同步运行,要求在燃烧向的对侧通入富氧空气。

4、尾气测量点的选择:在烟囱上距离零平面+10米的高度有一个专门检测烟气成分的预留孔,也是环保部门确定的烟气成分检测孔。

5、系统调试、记录数据、分析,确定最优方案。

三、测量结果分析及总结

1NOX的含量随二次风量的减少降低明显,由较高的1407ppm降低到最低的30ppm(相当于2884mgNOX/m3烟气和61.5mgNOX/m3烟气)。

2、随着二次风量的减少,火焰亮度降低、变长,窑炉温度恢复迟缓,甚至温度上不去,但在配风比例调为9.5时通入,熔化池升温速度有所提高,在16分钟左右达到设定温度。

3CO的含量随二次风量的减少不断增加,通入后有所减少,CO2含量有所增加。

4SO2含量随着CO的增加有所增加。

5、该工艺的关键点:在第二阶段通入必须把第一阶段未燃烧完全的CO完全燃烧掉,在高温废气进入喷火口前将燃烧产生的热量传递给配合料或玻璃液,也保证大炉熔制温度,提高燃料的利用率,降低能耗。

四、简要调试步骤:

第一步:初始状态测量,空气配比为12.5;

第二步:通入,压力0.02MPa;开1#3#枪;空气配比为10;

第三步:通入,压力0.02MPa;开1#3#枪;空气配比为9.5;

第四步:通入,压力0.02MPa;开1#3#枪;空气配比为9;

第五步:空气配比9.5,关闭;

第六步:通入,压力0.02MP;开1#3#枪;

第七步:通入,压力0.02MP;关1#枪,开3#枪;

根据对测量数据的分析和比对比较,空气配比为9.5时,窑炉运行状况及NOx排放量比较适合,NOx37.3156.5ppmSO2322ppmO27.48%

确定空气配比为9.5,调整富氧压力和每项燃烧时间

第八步:通入,压力0.02MP;开1#3#枪;保持空气配比为9.525分钟换向;

第九步:通入,压力0.02MP;开1#3#枪;保持空气配比为9.520分钟换向;

第十步:通入,压力0.015MP;开1#3#枪;保持空气配比为9.520分钟换向;

 

对每一步测量的数据进行详细记录,然后分析比较,当空气配比为9.5,压力0.015MP;开1#3#枪;单侧燃烧时间为 20分钟时,窑炉运行状况、富氧耗量及NOx排放量都比较适合,NOx45151ppmSO2016.3ppmO27.18%;耗氧量为85m3/h

用氧量统计:

富氧压力

流量

日用富氧

备注

0.02MPa

105m3/h

2520m3

 氧含量93%

0.015MPa

85m3/h

2040m3

 氧含量93%

通过测量的数据分析表明,该项阶段增氧燃烧技术能有效降低NOx的生成和排放,但如何更好的满足生产和环保的要求,两者兼顾,各玻璃厂还需根据自己窑炉的实际情况进行摸索。

参考文献:

【1】       GABRIEL NOBOA(Eclipse公司拉丁美洲地区经理)),《减少玻璃窑炉的ZOX排放》Architectural&Functional Glass No7 2008

        

                                                                                               2016615


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