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大連普瑞科爾制造有限公司作者
膜分離富氧技術(shù)在拋煤機(jī)爐上的應(yīng)用
李卓
（大連普瑞科爾制造有限公司，遼寧大連 ）
（大連普瑞科爾制造有限公司，遼寧大連 ）
摘 要：本文對(duì)膜法富氧助燃技術(shù)的節(jié)能機(jī)理作了簡(jiǎn)要闡述，并介紹了膜法富氧技術(shù)及裝置在拋煤機(jī)爐的運(yùn)行情況，實(shí)際應(yīng)用表明，拋煤機(jī)爐使用膜法富氧技術(shù)將助燃空氣含氧量提高后，排煙的林格曼黑度達(dá)到1級(jí)以下，節(jié)煤率達(dá)到10.14%，獲得顯著的綜合效益，半年即可收回投資。
關(guān)鍵詞：膜法富氧；富氧助燃；拋煤機(jī)爐；林格曼黑度；節(jié)煤率
關(guān)鍵詞：膜法富氧；富氧助燃；拋煤機(jī)爐；林格曼黑度；節(jié)煤率
Application of Membrane Oxygen-enriched Combustion Technology
in cast coal stove
LI Zhuo
（Dalian Puricle Products Co.Ltd. Dalian 116025, China）
Abstract: Introducing membrane’s principle of making oxygen-enriched air, osmotic membrane and oxygen-enriched technology is used in cast coal stove, developing the enriched-oxygen burning technology. Industrial application show that when the oxygen content of air has been increased with the osmotic membrane and enriched-oxygen technology Ringelmann numbers have been below one grade , the saving coal ratio has been reached 10.14% and the investments has been taken back only in half a year.
Key words: osmotic membrane and oxygen-enriched; oxygen-enriched burning technology; cast coal stove; Ringelmann numbers; saving coal ratio
Key words: osmotic membrane and oxygen-enriched; oxygen-enriched burning technology; cast coal stove; Ringelmann numbers; saving coal ratio
1、概述
膜富氧技術(shù)是上七十年代興起的用高分子膜將濃度為20.9%的空氣制成氧濃度較高的富氧空氣的新技術(shù)。
普通空氣只含氧20.9%，在燃燒過(guò)程中，近80%的不助燃的氮?dú)馕樟舜罅康臒崮懿⒂趶U氣中排掉，同時(shí)在高溫下生成氮氧化物，造成環(huán)境污染。采用富氧空氣助燃能克服或減輕這些問(wèn)題。如燃燒一公斤重油需要12.2Nm3普通空氣，如果采用30%濃度的富氧空氣則只需要8.5Nm3，所產(chǎn)生的氮氧化物減少40%。因此大大提高了燃燒效率，減輕了污染；同時(shí)，在高溫熔爐中使用富氧空氣，火焰溫度升高，燃燒速度加快，火焰強(qiáng)度加大，提高了火焰輻射和對(duì)流傳導(dǎo)，提高了燃燒質(zhì)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。
氣體膜分離技術(shù)的原理[1]是在壓力驅(qū)動(dòng)下，借助氣體中各組分在高分子膜表面的吸附能力以及在膜內(nèi)溶解-擴(kuò)散上的差異來(lái)進(jìn)行分離的?，F(xiàn)在作為成熟的工藝技術(shù)，廣泛用于許多氣體的分離、提濃工藝。它的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)相變，能耗低，裝置規(guī)模根據(jù)處理量的要求可大可小，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行可靠性高，膜的壽命可達(dá)數(shù)年，無(wú)噪聲，清潔生產(chǎn)。
2、膜富氧技術(shù)
2.1 膜富氧機(jī)理
膜法富氧是利用空氣中各組分透過(guò)高分子有機(jī)膜時(shí)的滲透速率不同，在壓力差驅(qū)動(dòng)下，空氣中氧氣優(yōu)先通過(guò)膜而得到富氧空氣。見(jiàn)圖1：
2.2 膜及膜組件
目前，應(yīng)用在富氧助燃領(lǐng)域的膜分離器主要為螺旋卷式膜組件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。原料氣流過(guò)膜的外表面，容易滲透的氧氣優(yōu)先透過(guò)膜富集在膜的滲透?jìng)?cè)，通過(guò)中心多孔管流出膜分離器，成為富氧空氣（含氧28~30%）。
圖2 大連普瑞科爾制造有限公司產(chǎn)品
2.3 工藝流程
空氣富氧助燃的流程[2]大體相同，主要設(shè)備包括空氣過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、富氧膜分離器、真空泵、空氣脫濕、穩(wěn)壓、預(yù)熱和噴嘴等，其中膜裝置的大小、產(chǎn)氣量和富氧濃度需要根據(jù)不同的爐型設(shè)定。
圖3 富氧助燃技術(shù)工藝流程示意圖
如圖3，流程說(shuō)明：空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)1后，進(jìn)入膜分離裝置，以真空泵提供的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，氧氣優(yōu)先滲透通過(guò)膜組件，得到富氧空氣（含氧28~30%），該富氧空氣經(jīng)過(guò)氣液分離器脫出部分水分，再通過(guò)脫濕器*脫出其中的水蒸氣，經(jīng)風(fēng)機(jī)2穩(wěn)壓后，送到預(yù)熱器預(yù)熱，zui后通過(guò)噴嘴進(jìn)入鍋爐實(shí)現(xiàn)助燃。
利用選擇性滲透膜分離空氣中氧、氮，過(guò)程推動(dòng)力是膜兩側(cè)的組分分壓差，對(duì)于不同場(chǎng)合，可選用正壓操作或負(fù)壓操作，當(dāng)用負(fù)壓操作時(shí)，不需配備壓力容器，真空泵只將產(chǎn)物從一側(cè)抽出，能耗較少；當(dāng)使用正壓操作時(shí)，將進(jìn)料空氣壓縮，一般壓差較大產(chǎn)氣量高，但能耗提高。至于選擇何種工藝路線和方法，要根據(jù)用戶的實(shí)際情況確定。
2.4 膜分離富氧技術(shù)的節(jié)能機(jī)理
(1)提高火焰溫度
因氮?dú)饬繙p少，空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，但富氧濃度不宜過(guò)高，國(guó)內(nèi)外的研究均表明，氧氣的體積分?jǐn)?shù)在28％左右時(shí)*。因?yàn)檠鯘舛仍黾訒r(shí)火焰溫度增加較少，而制氧投資則猛增。
(2)加快燃燒速度，促進(jìn)燃燒*
燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如N2在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，用富氧助燃，不僅提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時(shí)，溫度提高后，有利于燃燒反應(yīng)。
(3)降低燃料的燃點(diǎn)溫度
燃料的燃點(diǎn)溫度不是常數(shù)，如CO在空氣中的燃點(diǎn)為609℃，在純氧中的燃點(diǎn)為388℃，所以用富氧助燃能提高火焰強(qiáng)度，增加釋放熱量等。
(4)減少燃燒后的排氣量
用普通空氣助燃，占體積4/5的N2不參加助燃，且?guī)ё叽罅繜崮堋Ｈ缬酶谎踔?，燃燒后的排氣量減少，從而提高了燃燒效率。
(5)增加熱量利用率
富氧助燃對(duì)熱量的利用率有所提高，如用普通空氣助燃，當(dāng)加熱溫度為1300℃時(shí)，其可利用的熱量為42％，而用26％的富氧空氣助燃時(shí)，可利用熱量為56％，且氧濃度越高，加熱溫度越高，所增加的比例越大，因此節(jié)能效果越好。
(6)降低空氣過(guò)剩系數(shù)
富氧助燃可適當(dāng)降低空氣的過(guò)剩系數(shù)，這樣，燃料消耗就相應(yīng)減少，從而節(jié)約能源。[3]
3.膜法富氧在拋煤機(jī)鍋爐的應(yīng)用實(shí)例
3.1拋煤機(jī)鍋爐
拋煤機(jī)鍋爐[4、5]是除了鏈條鍋爐之外的第二大類工業(yè)鍋爐，zui小的10噸/時(shí)，zui大的可達(dá)75噸/時(shí)，由于著火條件好、燃燒強(qiáng)度高、煤種適應(yīng)性廣、起爐產(chǎn)汽快、負(fù)荷調(diào)整迅速和反應(yīng)快等特點(diǎn)，上世紀(jì)九十年代前上的比較多。但它燃燒效率低、煤耗高、煙塵濃度高、特別是黑煙嚴(yán)重，林格曼黑度一般在2-4級(jí)，嚴(yán)重地污染環(huán)境。在人們對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視的今天，排煙黑度超標(biāo)就成為拋煤機(jī)鍋爐zui大的缺點(diǎn)，是亟待解決的核心問(wèn)題，而黑煙是由未燃盡的飛灰中的殘?zhí)己蛽]發(fā)分在缺氧氣氛下生成的游離碳造成的。
造成鍋爐冒黑煙、熱效率偏低等原因主要有以下幾個(gè)方面：
(1) 拋煤機(jī)爐為開式爐膛，由于懸浮燃燒的需要，爐膛結(jié)構(gòu)比較高大，燃煤主要依靠爐膛輻射加熱和引燃，爐膛后半部主燃區(qū)的熱量不能通過(guò)對(duì)流傳到前部，爐膛水冷度相對(duì)較大，造成燃燒熱強(qiáng)度和爐膛溫度偏低，火焰中心溫度一般只有1000 - 1100 ℃。
(2) 二次風(fēng)布置不當(dāng)，煙氣仍有“短路”。二次風(fēng)量前后分配不盡合理(前大后小)，主燃區(qū)二次風(fēng)量偏小；二次風(fēng)(前、后)流速及擴(kuò)散角不合理，難以覆蓋和鎖住煙氣，揮發(fā)分和飛灰在爐內(nèi)不能充分二次燃燒。
(3) 細(xì)煤屑在爐膛內(nèi)懸浮燃燒的效果不好。爐膛內(nèi)很少產(chǎn)生氣流旋渦，擾動(dòng)混合情況較差，煙氣中未燃物在爐內(nèi)停留時(shí)間短，懸浮燃燒條件不足，因此造成大量細(xì)煤屑及揮發(fā)分來(lái)不及燃燒就飛出爐膛。
(4) 爐排層燃燃燒狀況不佳，燃盡段過(guò)短，爐渣含碳量高。
(1) 拋煤機(jī)爐為開式爐膛，由于懸浮燃燒的需要，爐膛結(jié)構(gòu)比較高大，燃煤主要依靠爐膛輻射加熱和引燃，爐膛后半部主燃區(qū)的熱量不能通過(guò)對(duì)流傳到前部，爐膛水冷度相對(duì)較大，造成燃燒熱強(qiáng)度和爐膛溫度偏低，火焰中心溫度一般只有1000 - 1100 ℃。
(2) 二次風(fēng)布置不當(dāng)，煙氣仍有“短路”。二次風(fēng)量前后分配不盡合理(前大后小)，主燃區(qū)二次風(fēng)量偏小；二次風(fēng)(前、后)流速及擴(kuò)散角不合理，難以覆蓋和鎖住煙氣，揮發(fā)分和飛灰在爐內(nèi)不能充分二次燃燒。
(3) 細(xì)煤屑在爐膛內(nèi)懸浮燃燒的效果不好。爐膛內(nèi)很少產(chǎn)生氣流旋渦，擾動(dòng)混合情況較差，煙氣中未燃物在爐內(nèi)停留時(shí)間短，懸浮燃燒條件不足，因此造成大量細(xì)煤屑及揮發(fā)分來(lái)不及燃燒就飛出爐膛。
(4) 爐排層燃燃燒狀況不佳，燃盡段過(guò)短，爐渣含碳量高。
除了鍋爐自身的原因以外，也有運(yùn)行管理方面和煤質(zhì)方面的原因，如煤質(zhì)不好、顆粒度不合適、鍋爐系統(tǒng)漏風(fēng)、當(dāng)煤種變化時(shí)相應(yīng)控制調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)??？傊昂跓煹闹饕蚴侨紵怀浞謱?dǎo)致未燃物逸出爐外，所以要*污染，必須從燃燒方面下功夫，如果燃燒充分了，自然就不冒黑煙，鍋爐效率也隨之提高。
3.2膜富氧用于45t/h拋煤機(jī)爐的運(yùn)行情況
對(duì)于拋煤機(jī)鍋爐采用局部增氧助燃技術(shù)是比較理想的。大連普瑞科爾制造有限公司膜法富氧技術(shù)及裝置居國(guó)內(nèi)乃至世界水平，2005年濟(jì)南鋼鐵股份有限公司*煉鐵廠采用我公司的膜分離產(chǎn)品和膜分離工藝，建成了世界上目前zui大規(guī)模的膜法富氧助燃裝置。我公司膜法富氧技術(shù)及裝置應(yīng)用于黑龍江華潤(rùn)酒精工藝有限公司1#~3#45t/h拋煤機(jī)爐后，運(yùn)行穩(wěn)定，其運(yùn)行期間部分測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1
表1：測(cè)試數(shù)據(jù)
時(shí)間 | 發(fā)熱量 | 噸煤產(chǎn)汽 | 標(biāo)煤產(chǎn)汽 |
富氧前 | 18.830 | 4.270 | 4.939 |
富氧后 | 19.76 | 4.937 | 5.440 |
節(jié)煤率 | 15.63 | 10.14 |
3.3膜富氧用于45t/h拋煤機(jī)爐的綜合效益分析
3.3.1環(huán)保效益
2004年黑龍江華潤(rùn)酒精工藝有限公司采用我公司膜法富氧技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行“增氧助燃”節(jié)能消煙項(xiàng)目改造工程，該技術(shù)用于1#~3#45t/h拋煤機(jī)爐，運(yùn)行至今，在鍋爐負(fù)荷45t/h狀態(tài)下，林格曼黑度可從平均2級(jí)多降到1級(jí)以下，煙塵量可降低三分之一左右，如圖5，原來(lái)的黑煙變成了符合環(huán)保要求的白色輕煙，取得了理想的環(huán)保效果。
3.3.2經(jīng)濟(jì)效益
1. 增加成本
（1） 富氧裝置耗電能費(fèi)用
電機(jī)總功率（KW） | 負(fù)載率 （%） | 小時(shí)耗電量（度） | 電價(jià) （元/度） | 費(fèi)用增加 （元/小時(shí)） |
167.7 | 80 | 131.16 | 0.50 | 67.08 |
裝置年電耗：67.08×24×30×11=531,273.6元
（2） 設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)備折舊按10年）
年折舊：2,100,000.00×10%=210,000.00元
（3） 人員工資、日常維修費(fèi)
年人員工資：4人×12×500.00=24,000.00元
年日常維護(hù)：12×1000=12,000.00元
2. 節(jié)煤效益
（1） 節(jié)煤率（標(biāo)煤）=10.14%
（2） 三臺(tái)爐一年投富氧后鍋爐節(jié)煤費(fèi)用
按照全年三臺(tái)爐消耗原煤191712噸，煤?jiǎn)蝺r(jià)260元/噸。
節(jié)煤費(fèi)用：191712×10.14%×260元=5,054,295.168元
3. 改造效益測(cè)算
三臺(tái)爐一年投富氧后鍋爐節(jié)約費(fèi)用：
5,054,295.168-531,273.6-210,000.00-24,000.00-12,000.00=4,277,021.568元
投資回收期為：
210,000.00（設(shè)備）+77,000.00（設(shè)備、電氣安裝及耗材）+8,200.00（土建）/4,277,021.568=0.51年（186天）
4. 總結(jié)
經(jīng)過(guò)一年的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，大連普瑞科爾制造有限公司的膜法富氧技術(shù)充分顯示出在拋煤機(jī)爐富氧助燃的*性和運(yùn)行穩(wěn)定性，并取得了顯著的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
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[4]方壽奇. 膜法富氧技術(shù)在燃煤鍋爐上的應(yīng)用. [J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，2001，21（3）：46~49.
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