瑞气PSA制氧设备在玻璃熔制行业中的应用

1、玻璃熔制中用氧气助燃有何好处？

改革开放20多年以来, 国民经济迅速发展举世瞩目。玻璃工业相应得到迅速发展，仅以浮法玻璃为例，截止2005年底，已建成投产140多条浮法线，还有40多条线在建、拟建。玻璃熔窑大部分采用重油做燃料，目前我国熔化一公斤玻璃液平均指标在1500-1800大卡。当今世界石油价格上涨，因此，对于玻璃工业来说，从节能、成本考虑采用新燃烧技术已是当务之急。

到目前为止，大量的玻璃熔窑仍然以空气作为助燃介质。经过对现有燃烧系统的分析研究，认为采用空气助燃是导致高能耗、高污染、温室效应高的重要因素。空气中只有21%的氧气参与助燃，78%的氧气不仅不参与燃烧，还携带大量的热量排入大气。通过长期反复的试验研究认为，采用纯度≥85%的氧气作为助燃介质，对于节约能源，改善环境效果十分显著：能耗可降低25 % ～30%，废气排放量减少60%以上，废气中“NO_x”下降了80-90%、烟尘也降低50%以上。

这种采用纯度≥85%的氧气参与燃烧的系统，我们称之为全氧燃烧、玻璃熔窑中，部分设置全氧燃烧系统（浮法玻璃熔窑俗称的“0”号小炉助熔）称之谓全氧助燃。由于燃烧系统的改变，引起玻璃熔窑结构的变革，全氧燃烧窑炉取消了蓄热室、小炉、换火系统，如同单元窑。就采用横火焰窑炉的玻璃厂而言，熔化部厂房跨度可缩小2/5，主生产线投资减少30%左右。鉴于采用全氧燃烧的熔窑，无需“传统换火工艺” 使得玻璃熔化更加稳定，近乎达到理想境界。熔化过程飞料大幅度降低，澄清区气泡释放非常彻底，玻璃熔化质量显著提高。

表一：空气 + 燃料、氧气 + 燃料传热过程差异

以一种更直观的比较方式，从两种喷嘴的火焰温度(如图1)比较可知，火焰高度100mm、长度900mm处，空气助燃时的温度为1300℃，而全氧燃烧时的温度达1800℃，同时全氧燃烧由于含N₂量极少，所以仅为CO₂及H₂O形成红外区辐射，加之废气量减少，因而使其热效率大大提高。

2、应如何计算用氧量？

a、根据重油消耗量来计算

重油燃烧用空气助燃时，理论空气需要量为10m3／L重油，但空气中约含80%的氧气，大量的氧气会影响雾化好的重油与氧气均匀混合，从而造成重油的不完全燃烧。雾化重油需l～2m3空气，实际消耗的空气约为11～12m3。采用全氧燃烧时，重油约需2m3／L的氧气，此时仅需提高重油压力至l～2.5MPa使之雾化，而不需提高氧气的压力，氧气用量按理论助燃所需氧气用量加入即可。

       b、根据窑炉处理能力来计算

       全氧助燃窑炉工作时，每吨玻璃处理能力平均约需氧气13～15m³/h，如一个每日处理10吨玻璃的窑炉，平均每小时所需要消耗氧气约130～150m3。

全氧助燃“0号小炉”的氧气用量：氧气用量可按全窑助燃氧气用量≧15%或按增加玻璃产量计算。

3、各种供氧方式在玻璃熔窑中的费用对比及经济性分析？

1、对于全氧助燃“0号小炉”来说，投入成本低，日用氧气量少，效果明显。在浮法窑炉投运的中、后期可增加产量、提高玻璃质量、无需再支付蓄热室等热修费用，其经济效益十分明显，所以在这里不再进行费用对比。

2、全氧燃烧时各种供氧方式的技术经济比较（见表二）

浮法技术在电子信息玻璃、光学玻璃和其他特种玻璃等领域应用，由于玻璃性能的特殊性，与普通浮法玻璃相比生产难度很大，同时考虑市场需求因素，一般浮法生产线的规模都较小，日熔化量约5-50t。一般称熔化量≤20t/d的生产线为微型浮法生产线，熔化量＞20t/d而≤100t/d的生产线为小型浮法生产线。下面我们就以一条10t/d的微型浮法生产线为例作出比较。

表二：“空气+燃料 ”、“氧气+燃料”的可比成本比较

注： a.本表以10吨/天浮法玻璃窑为例

b.重油按4000元/吨；

c.普通型PSA制氧机氧气按0.55元/标立方米计，瑞气节能型按PSA制氧机氧气按0.4元/标立方米计，液氧汽化氧气按0.65元/标立方米计，深冷空分或VPSA制氧按0.27元/标立方米计；

d.未列入“空气+燃料”窑炉维修支出；

e.“氧气+燃料”土建、换向工艺设备节省的投资未列入。

从简略的测算可以看出，由于能源(重油)价格上涨，全氧燃烧与空气助燃可比成本差21～135元/吨，如果再考虑“氧气+燃料”熔化玻璃的质量提高，售价可增加的因素，同时国家对新的环保、节能技术的应用实施政策倾斜，采用全氧燃烧势在必行。而对于微型浮法线来说，采用节能型PSA制氧设备是最经济的选择。

4、PSA制氧设备简介

变压吸附是一种物理吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力（范德华力）所引起的。在吸附平衡情况下，吸附剂在吸附吸附质时，吸附量随着压力的升高而增加，随着压力的降低而减少，这种现象就被称作变压吸附。

把吸附剂按一定比例装填压力容器（ 如图（2））中，就称为固定吸附床。单一的固定吸附床操作，由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。依据吸附剂再生的方法，变压吸附可分为常压解吸型和真空解吸型，变压吸附循环过程近似分为下列几个基本工作步骤，如图（3）：

升压过程（A-B）：经解吸再生后的吸附床处于循环过程的最低压力P1，床内杂质吸留量为Q1（A点）。在此条件下用产品组分升压（压缩空气）到吸附压力P3，床内杂质吸留量Q1不变（B点）。

吸附过程（B-C）：在恒定的吸附压力下原料气体不断进入吸附床，同时输出产品组分。吸附床内杂质组分的吸留量逐步增加，当达到规定的吸留量Q3时（C点）停止进入原料气，吸附终止。此时吸附床内仍预留有一部分未吸附杂质的吸附剂（如吸附剂全部被吸附杂质，吸留可达Q4（C′点）。

顺放过程（C-D）：沿着进入原料气输出产品气的方向降低压力，流出的气体仍为产品组分，用于别的吸附床升压（即均压）或冲洗。在此过程中，随着床内压力不断下降，吸附剂上的杂质被不断解吸，但解吸的杂质又继续被未充分吸附杂质的吸附剂吸附，加上此过程时间很短，因此杂质并未离开吸附床，床内杂质吸留量Q3不变，当吸附床降压到D点时，床内吸附剂全部被杂质占用，压力为P2。

逆放过程（D-E）：开始逆则后进入原料气输出产品的方向降低压力（排空），直到变压吸附过程的最低压力P1（通常接近大气压力），床内大部分吸留的杂质随气流排出床层外，床内杂质吸留量Q2。

冲洗过程（E-A）：根据实验测定的吸附等温线，在压力P1下吸附床仍有一部分杂质吸留量，为使这部分杂质尽可能解吸，要求床内压力进一步降低。在此利用别的吸附床顺向降压过程中排出的产品组分，在过程最低压力P1下进行逆向冲洗，不断降低杂质分压使杂质解吸并随冲洗气带出吸附床。经一定程度冲洗后，床内杂质吸留量降低到过程的最低量Q1时，再生终止。至此，吸附床完成了一个吸附→解吸再生过程，再次升压进行下一个循环。

5、瑞气节能型PSA制氧设备的组成及优点

瑞气从70年代末就开始参加中国变压吸附（PSA）技术的研究，并首先使其产业化。从1979年研制出中国第一台变压吸附（常压脱附式）空分制氮设备以来，至今已有1200多套PSA制氧、制氮设备投入工业运行，服务于石化、冶金、电子、国防、医药、玻璃、轻工等行业，产品已获得16项国家专利。经过二十余年的努力，目前，瑞气能生产十多个品种上百种型号的设备，发展成为中国目前规模最大的专业PSA空分设备企业，拥有业内唯一的省级研发中心。瑞气企业在PSA设备的能耗与可靠性上，一直处于行业领先水平。

    瑞气节能型PSA制氧机，都由空压机、压缩空气净化系统（AC）、氧氮分离系统、氧气缓冲系统、电气控制系统五大部分组成。

1、瑞气瑞气节能型PSA制氧机配套的空气压缩机组为阿特拉斯·柯普柯螺杆空压机，为设备提供工作所需的压缩空气。

2、压缩空气净化系统由三级过滤器、冷干机、除油器、空气储罐等组成。三级过滤器由管道过滤器、精过滤器、超精过滤器组成，其作用是除去压缩空气中的尘埃、水和油，为氧氮分离系统提供洁净的压缩空气；冷干机用于除去压缩空气中的大部分水分压，除油器的作用是除去压缩空气中的油，防止分子筛油中毒，延长设备的使用寿命；空气储罐的作用是保证氧氮分离系统用气平稳，部分经处理过的洁净空气被用作仪表气，驱动气动阀工作。

3、氧氮分离系统是制氧机的主要部分，由两个交替工作的吸附塔（塔内装填分子筛）和气动阀、减压阀、调节阀、消声器等组成。根据分子筛对空气中主要成分氧的选择吸附特性，在加压吸附和降压脱附过程中实现氮氧分离。而加压吸附与降压脱附过程由可编程序控制器（PLC）按一定程序控制电磁阀，并由电磁阀控制相应的气动阀自动运行来实现。

4、氧气缓冲系统主要由缓冲罐、流量计、调压阀、节流阀、电磁阀、氧气纯度分析仪等组成。其主要作用是使输出的产品氧气压力、纯度和流量保持平稳。同时，在吸附塔开始升压吸附时，缓冲罐中的一部分气体回充到吸附塔中，迅速提高吸附塔压力。并将未经完全吸附的污氧赶到床层下部，经过进一步吸附后再注入缓冲罐。氧气纯度分析仪用来测试氧气纯度，并将信号输入PLC。

5、电气控制系统包括触摸屏、可编程控制器、气源三联件、仪表气管路、报警装置等，相当于整部机器的大脑和神经系统。用于监测设备的运行情况并采取相应措施。

瑞气节能型PSA制氧设备有如下优点：

瑞气节能型PSA制氧设备能耗低。瑞气节能型PSA制氧设备能耗仅为0.75kw/m³O₂，远远低于行业平均能耗水平1.05kw/m³O₂，能做到这一点，瑞气采用了如下措施：

    一、不等势均压流程的应用

不等势均压流程在一只吸附塔结束吸附时，其内部氮气纯度存在一定的梯度，如图（4）所示，越接近吸附塔顶部，氧气纯度就越高。RL-VI流程是指将原来顶          顶底       底均压工艺，调整为顶    底的均压方式，均压后污氮的纯度梯度如图（5）所示，这样就保证了床层对污氧按纯度高低逐步吸附的延续性，不但充分利用了污氧，也使床层的吸附结构不被打乱，在相同的条件下，采用RL-VI流程和原有流程相比。分子筛的产氧率和氧气回收率都更高，从而降低了单位体积的产品气能耗。 

二、吸附塔结构和管路设计经过严密的计算分析，阻力小气体流通、死空间少。使均压时间和排空时间都降到最低，也最大限度地利用了分子筛和压缩空气。

三、碳分子筛的再生清洗气20%以上。我们知道。分子筛再生的深度决定了产品氮气能达到的纯度，再生的时间决定了设备运行的周期，直接影响到设备的产气率和回收率。由于吸附塔结构和管路的优化设计，吸附塔内气压由于工作压力降至常压所需时间（即排空时间）只有2～3秒。这对分子筛再生十分有利。加上对分子筛特性的准确把握，瑞气节能型PSA制氧设备所需的再生气量仅为同类设备的70%左右，从而提高了氧气回收率，节约了能耗。

    瑞气节能型PSA制氧设备的另一个优点就是使用寿命长，维护费用低，使用8～10年无需更换分子筛，无需大修，通过以下措施来保证：

    一、可靠的空气净化系统

油及水是PSA设备的大敌，因为PSA设备的关键在于分子筛，而分子筛最怕的就是受到油及水的污染，一旦被污染必需更换。压缩空气在经过三级过滤、冷干机与高效除油器之后，常压露点达到-20℃，油含量仅有0.003mg/m³，可以充分保护分子筛不受影响，达到设计的使用寿命。

    二、分子筛压紧装置

氧氮分离装置吸附塔上安装的压紧气缸是瑞气专利产品，。它由缸体、活塞、导向杆、行程开关等组成，利吸附塔本身的气压用将分子筛压紧，使分子筛不会因在受到气流冲击时互相摩擦碰撞而导致粉化。气缸压紧相对于棕垫压紧或弹簧压紧，压力更加均匀，行程更长，其效果是棕垫或弹簧不能比的。

    三、调压装置

    氧氮分离装置入口处设有压力调节阀，使吸附压力保持在设计范围之内。对于PSA设备来说，虽然更高吸附压力可以使分子筛产气率增加，从而降低制造成本，但过高的吸附压力往往会缩短分子筛的使用寿命。加装调压装置后，使分子筛可以在最适合的压力范围内工作。而且瑞气在吸附塔进出口管路上均使用多目不锈钢丝网结构，减少气流对分子筛的冲击，保证分子筛使用寿命达到8～10年不粉化。

    四、在线监测与报警

       控制系统对设备的工作状况随时保持监测，当设备纯度、压力、分子筛位置不正常时，会以声光报警的方式提醒用户，用户到现场排查检修，如果出现严重故障，设备会自动停机以减小损失。另外，控制系统也可以将信号传至用户中心控制室，方便集中管理。

       瑞气节能型PSA制氧设备在推向市场以来，以其能耗低、高稳定性得到了广大用户的认可，作为一名研发人员，我十分欣慰，同时也感到了更大的压力，因为对于PSA制氧设备来说，没有最好、只有更好！