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富氧燃烧技术及工业应用实例分析-2014.2


一.膜法富氧燃烧技术简介

富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集,使收集后气体中的富氧含量 ≥21%。 现有的富氧方式主要有:

(1)增压增氧方式

增压增氧主要用在飞机上 ,通过增加机舱内的压力 ,使空气密度增加 ,由于空气中含氧量的比 例是一定的 (氧在空气中的体积比为 20 95%), 空气密度增加后

,空气中氧的绝对质量也增加 , 从而达到增加氧的目的。

(2)制氧机制氧方式

制氧机制氧广泛用在各个领域 ,制氧机有 3 大类 : 第一是利用空气为原料 ,通过物理的方 法 ,把氧气从空气里分离出来。在 1 个大气压下 ,液态氧的沸点是 - 183℃,而液态氮的沸点是 - 196℃,当控制液态空气的沸点在 -183℃以下高于 -196℃时 ,液态氮首先蒸发 ,留下来的是 液态氧 ,这种方法可制得纯度很高的氧气 ,再用很大的压力 (一般 150 个大气压 )压入钢瓶贮 存起来 ,供工厂、医院使用 ,贮存在钢瓶的氧气还可向氧气袋充氧 , 供个人或旅行者使用。平 时我们所见的氧气瓶供氧、氧气袋供氧都是使用这种方法制出的氧气。第二种是常压 (或叫 低压 )制氧方法 ,所需压缩空气的压力在 1MPa以内 ,这是近十几年发展起来的制氧方法 , 也 叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可参见文献。第三种是PSA分子筛制氧方法 , PSA分 子筛制氧是使用一种变压吸附制氧设备 ,这种设备主要由空气净化系统 , PSA氧氮分离系 统 ,氧气缓冲、检测系统等组成。

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(3)化学制氧方式

化学制氧是利用含氧化合物为原料 ,通过与催化剂的反应 ,制出氧气。 使用的含氧化合物 必须具备两个条件 : 一是这种含氧化合物是较不稳定的 ,在加热时容易分解放出氧气 ; 二是这 种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的 ,能分解放出较多的氧气。 一般用氯酸钾 (分子式是 KClO 3),它含氧的百分比达 40%, 在氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰 ( MnO 2)粉末 , 氯 酸钾会迅速分解 ,有多量的氧气放出。 氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”收集 ,供试 验、呼吸等使用。氧立得就是利用这种原理制氧的。 二.富氧燃烧

用比通常空气(含氧 21% )含氧浓度高的富氧空气进行燃烧,称为富氧燃烧。它 是一项高效节能的燃烧技术,在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用 与用普通空气燃烧有以下优点: 1.高火焰温度和黑度 2.加快燃烧速度,促进燃烧安全。 3.降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。 4.降低过量空气系数,减少燃烧后的烟气量。 富氧燃烧 : oxygen enriched combustion 变压吸附制氧设备在富氧助燃特点 : ①节能效果显著 应用于各个燃烧领域均能大幅提高燃烧热效率,如在玻璃行业中平均节油(气)为 20%-40%,在工业锅炉、加热炉、炼铁断和水泥厂机立窑等应用节能量为 20%-50%,显 著提高热能使用效率。

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②有效延长炉龄 燃烧环境的优化使得炉内温度分布更加合理,有效延长窑炉、锅炉的使用寿命。 ③有利于提高产品产量、质量 在玻璃行业燃烧状况的改善使得熔化率提高、升温时间缩短、产量提高;次品率降低、 成品率提高。 ④环保效果突出 烟气中携带的固体未燃尽物充分燃烧,排烟黑度降低,燃烧分解和形成的可燃有害气 体充分燃烧,减少有害气体的产生。排烟量明显降低,减少热污染。

三.膜法制氧系统

膜分离空分技术是八十年代国外新兴的高科技技术,属高分子材料科学,工业发达国家 称膜法富氧技术为资源性的创造性技术,它是第三代最具发展应用前景的气体分离技术。 许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术,日本曾在以气、油、煤为燃 料的不同场合进行了富氧应用试验 ,

得出如下结论 :

用 23 %的富氧助燃可节能 10-25 % ;

用 25%的富氧助燃可节能 20-40% ;

用 27%的富氧助燃则节能高达 30-50 %等。

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气体膜分离原理

膜分离制氧设备是利用具有特殊选择分离性的高分子聚合纤维材料作为分离元件,在一 定驱动力作用下,使双元或多元组份因透过膜的速率不同而达到分离或特定组份富集的目 的。 当混合气体在一定的驱动力(膜两侧的压力差或压力比)作用下,渗透速率相当快的气 体如水汽、氧气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而 渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在 膜的滞留侧被富集从而 达到混合气体分离的目的。

膜法制氧性能指标:

富氧浓度: 27-30% 制氧规模: 10-15000 m 3 /h 设备能耗: 0.1-0.15 kw/h / 立方

设备组成:

1 、离心风机

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2 、过滤系统

3 、真空泵

4 、膜分离系统

5 、汽水分离系统

6 、控制系统

7、 稳压系统

膜法制氧、富氧助燃节能装置型号规格

占 型号 规格 MZYR25 MZYR45 MZYR70 富氧量 m3/h 总配电 kw 配锅 炉 t/h 地 面 积 m2 30 60 90 3.1 5.1 9 1 2 4 4 4 4 MZYR-400 MZYR-450 MZYR-550 400±40 450±40 550±40 56 56 66 30 35 40 型号规格 m3/h 富氧量 总配电 kw 配锅炉 t/h

占地 面积 m2 7 7 7.5

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MZYR80 MZYR100 MZYR120 MZYR200 MZYR250 MZYR300

120 150 180 200± 20 250± 20 300± 40

13.2 13.2 17.2 26 35.5 44.5

6 8 10 15 20 25

4 4.5 4.5 5 5.5 6

MZYR-600 MZYR-700 MZYR-850 MZYR-900 MZYR-1500 MZYR-2500

600±45 700±50 850±50 900±50 1500± 50 2500± 50

66 90 93.5 93 160 250

45 50 65 75 130 220

7.5 8 8.5 9 12 17

膜法制氧系统特点:

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1 、采用进口膜组件,产气量高,富氧浓度稳定,完全适用于高原环境,在零下 30 度 的环境中仍然可以正常运行。

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2. 系统的使用寿命时间长达 10 年。 3. 所有压力容器和管件均选用 304 不锈钢材质。 4. 控制系统根据需要可采用德国西门子 PLC 全自动控制方式,无需专人看护,并配有 液晶显示屏,能够使操作人员直观地看到各项运行参数。

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5. 整体布局合理,结构紧凑,占地面积小;膜系统为柜式结构,重量轻,无需地基 , 现场方便与其它设备外连管线。

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6. 启动时间很短,开机后马上就可以生产合格的富氧空气。

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系统流程:

富氧助燃技术及装置介绍

富氧助燃技术是用于各种工业锅炉、 窑炉的节能集成技术。 富氧技术是采用高分子膜法制取 27-30%的富氧空气,即利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同,在压力差驱动 下,使空气中的氧气优先通过,获得氧气浓度和流量均十分稳定的富氧空气。膜法富氧技术 为资源的创造性技术,它是第三代最具发展应用前景的气体分离技术。 膜法富氧技术的主要优点:流程简单、体积小、无相变、能耗低、操作方便和安全、灵活性 高、膜组件寿命长且免维护。当富氧浓度在 30%左右、流量 50,000 NM3/H 以下时,投 资、运行及维护等费用远远低于深冷法或 PSA 法。
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助燃技术是采用独特的喷嘴喷射技术, 确保不与普通空气混合的条件下, 使富氧空气高速进 入燃料燃烧区这一局部,获得与整体增氧基本相同的效果,而没有任何副作用,如同好钢要 加在刀刃上一样, 富氧应加在最需氧的地方, 使燃料在此能用最少的氧气来充分及时完全地 燃烧。对于各种类型的燃料锅炉,采用专用的富氧喷嘴,选用梯度燃烧、对称燃烧、α 型燃 烧、S 型燃烧、四角燃烧、分级燃烧和独特的射流技术等助燃技术,达到局部增氧助燃的节 能目的。 富氧助燃技术的主要优点: 1.提高燃烧区的火焰温度、火焰黑度、辐射热并降低排烟黑度; 2.加快燃烧速度,促进燃烧完全,从而根治污染; 3.降低燃料的燃点温度和燃尽时间; 4.减少燃烧后的烟气量; 5.增加热量利用率,节能效果明显; 6.降低空气过剩系数,从而达到节能降耗、稳定炉况等目的。

四.工业锅炉富氧燃烧应用
锅炉类型众多,如链条炉、往复炉、抛煤机锅炉、煤粉炉、循环流化床锅炉、沸腾炉、 加热炉、热媒炉、燃油炉、燃气炉、快装炉等,对于锅炉是利用局部增氧助燃技术来 强化原有锅炉的火焰特性,既要使燃料在炉膛的停留时间更长,又要使燃料在尽可能 少的助燃风下更充分、更完全地燃烧。节能率一般在 5%-18%之间,约一年时间可以 收回投资。

锅炉热效率分析

1、锅炉热效率提高:
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公式: η 2=100-∑q=〔 q 2+q 3+q 4 +q 5+q 6〕

式中: η 2—锅炉反平衡热效率

%

q 2—排烟热损失

%

q 3—气体不完全燃烧热损失

%

q 4—固体不完全燃烧热损失

%

q 5—散热损失

%

q6—灰渣物理热损失

%

从锅炉热平衡热效率公式中可看出,锅炉热效率的高低取决于它的五种热损失的大 小,分别是 1、排烟损失 q 2, 2、气体不完全燃烧热损失 q3, 3、固体不完全燃烧热损 失 q 4, 4、散热损失 q 5, 5、灰渣物理热损失 q6。其中排烟损失 q2 和固体不完全燃烧 热损失 q4, 是正转链条锅炉热损失的最大两项,它们之和占总损失的 80%以上。

2、排烟热损失 q2

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从公式中可看出,排烟热损失 q2 的大小,取决于排烟温度的高低和排出烟气量的大 小,改造后的富氧燃烧锅炉,可减少一次风的风量,使过剩空气系数合理,这样就能 减少烟气的大量排出。烟气带走的热量就大大的降低,排烟热损失就小。

3、气体不完全燃烧热损失 q3

气体不完全燃烧损失 q 3, 从公式中可看出, 主要取决于排烟处烟气容积和可燃气体, 改造后的富氧燃烧锅炉,可燃气体得到充分燃烧,炉膛温度高,用普通空气助燃,约 五分之四的氮气不但不参与助燃,还要带走大量的热量。一般氧浓度每增加 1%,烟气 量约下降 2~ 4.5%,所以气体不完全燃烧损失 q3 也就小。从而能提高燃烧效率。

4、固体不完全燃烧热损失 q4

固体不完全燃烧损失 q 4,取决于炉渣、漏煤、飞灰的量和含碳量。

燃油或燃气锅炉(助汽炉、加热炉、热媒炉等) 局部增氧助燃技术用于燃油或燃气的锅炉加热炉、注气炉,其特点差不多,一般均

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采用对称燃烧技术。每支油枪或气枪对称配 2 、4、6 或 8 支富氧喷嘴。富氧喷嘴的位 置在某一同心园上,距离和角度一般主要根据火焰中心的长短及大小确定,,采用对 称燃烧技术使燃料在炉膛中心强化燃烧,提高火焰温度,且由于辐射热与火焰温度和 水冷壁管温度的四次方之差成正比,使得辐射热显著增加,而富氧量、线速和富氧喷 嘴的尺寸等则需要根据燃料量和燃料特性通过系统综合优化来定。

对称燃烧对富氧喷嘴的要求:不改变火焰形状、强化火焰、提高温度。

链条锅炉、煤粉锅炉

采用 s 型燃烧技术或 α 型燃烧技术及四角燃烧,富氧喷嘴一般可以加在炉排底下、后 拱、前拱、侧墙或四角等。目的是强化原有锅炉的火焰特性,使燃料和烟气在炉膛中

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的停留时间更长,从而充分彻底完全地燃烧,放出更多的有效热量。然后通过现场整 体调节优化达到节能目的。

(图 1)

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(图 2)

(图 3)

五.水泥窑炉富氧燃烧应用
水泥窑主要分立窑和回转窑两大类。将富氧助燃技术用于水泥窑,其意义正如武汉 工业大学硅酸盐研究中心的李娟等老师等所介绍:富氧燃烧不仅能使燃料的燃烧时间 大大缩短 ,有利于提高燃料的完全燃烧程度 ,而且还能提高火焰温度和黑度 ,从而改善窑 内的传热条件 ,使窑的产量提高 ,热耗下降。这一措施经计算在技术上是可行的;山东建 材学院的陈绍龙和周庆明老师在机械立窑上通过初步试验也证明:富氧燃烧对燃料的 燃烧速度和燃尽度的提高作用十分明显,为缩短烧成时间,提高煅烧产质量提供了必
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要保证和可能;上海焦化厂设计院的计虎掌高工则对采用富氧空气助燃煤矸石生产水 泥进行了简要的技术经济分析;我们通过多年的调研和分析后也认为,富氧助燃技术, 用于水泥窑的节能减排同样意义重大。 1 富氧燃烧缩短燃料完全燃烧所需的时间 随着富氧浓度的提高,煤粉的燃烧时间缩短。如富氧的浓度提高到 25%时,煤粉 的燃烧时间可缩短 16%左右。在空间尺寸不变的情况下,由于煤粉燃尽时间的缩短, 煤粉燃尽的程度自然提高,这就减少了煤粉的不完全燃烧所造成的热量损失,达到节 能的目的。另外 CO、 NOx 等有害气体生成量也相应减少,有利于环保。 2 富氧燃烧提高了窑内气流对物料的辐射传热速率 在水泥回转窑内火焰向物料传热的主要方式是辐射传热,而窑内气流对物料的辐 射传热速率又主要取决于气流的温度和气流的黑度,二者越高,辐射传热量就越多, 这可以通过富氧燃烧来达到此目的。由于空气中氧气的浓度提高,相应可减少空气量, 使得进入燃烧室的 N2 量下降,火焰的总体积下降 (即火焰的体积流量下降 )。在燃料 的加入量不变的情况下,火焰的温度相应提高,提高的程度主要取决于空气中氧气的 浓度。 如某厂水泥回转窑的台时产量为 26t/ h。煤耗为 0.25kg/ kg 熟料,每小时烧煤 量 6500kg,燃烧带的过剩空气系数为 1.1。燃煤的理论空气量为 6Nm3/kg(煤 )。 由此看出,需含 O2 为 21%的空气量: V =26000×0.25×6×1. 1 =42900 Nm 3/ h 在此空气中的含氧量 =42900×21%=9009Nm 3 / h。当空气中氧气的浓度提高至 25%时,所需的空气量则减少了 16%。进入燃烧室的 N2 量相应下降 2 0 %,使得火 焰的总体积下降,在燃料的加入量不变的情况下,火焰温度提高,提高的程度主要取

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决于空气中氧的浓度,当空气中氧气的浓度达到 25%时,经计算,火焰温度可提高 100℃左右。另外因入窑空气量减少,使得火焰中 CO2 与 H2O 的体积百分比浓度升 高。火焰的黑度也相应增大。 根据计算得知, 当助燃空气中氧含量为 25%时, CO2 的体积百分浓度提高 17.5%, 水蒸汽的体积百分浓度相应提高 17.7%,由于 CO 2 与 H 2O 的浓度均增加许多,火焰 的黑度相应增大,当空气中氧气的浓度为 21%时,火焰的黑度经计算为 0.2104 ,当 空气中氧气的浓度为 25%时,火焰的黑度经计算为 0.2245,增加的程度约 6.7%。火 焰对物料的辐射传热量提高的程度经计算应为 20.4%, 回转窑其他各带的辐射传热量 都相应提高,提高的幅度不会相差很大。 3. 稳定火焰形状,提高火焰温度

研究表明火焰形状和长度影响到熟料中 C3S 矿物的晶粒发育大小和活性,因此,在烧 高强优质熟料时,必须调整火焰长度适中,且要求火焰形状稳定。通入富氧以后,燃 料燃烧更加稳定,所以火焰的稳定性能得到加强。干法窑窑头火焰温度控制,视窑型 大小而异,对于 2000t/d 以下的窑型一般控制在 1650~ 1850 ℃之间,对于大型窑如 5000t/d 以上窑型,火焰温度控制在 1750~ 1950 ℃的较高范围内比较有利,采用高 温烧成有利于熟料质量的提高和碱分的充分挥发,可获得低碱熟料。采用富氧燃烧技 术,可使燃烧反应更加剧烈,从而提高火焰温度。 4.加快反应速度,提高升温速率 优质熟料形成要求在窑内过渡带升温阶段要求快速升温,促进熟料的矿物形成和烧结, 通入富氧空气以后,可加快燃烧反应速度,提高回转窑内的升温速率。 5. 促进燃料完全燃烧,稳定窑内煅烧温度

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提高氧浓度可使化学反应更加彻底,缩短了燃料燃尽时间,促进燃料完全燃烧,同时 还能稳定窑内的煅烧温度,以保证熟料矿物的烧结。 6. 降低过量空气系数,保持窑内微氧化气氛研究表明窑尾废气中氧浓度控制在 2%~ 3%左右为较好, 即保持微氧化气氛操作, 若过剩空气系数控制过低, 二次风不足, 易导致还原气氛产生, 窑内的还原气氛会将熟料中的某些矿物质还原 (例如 Fe2O3 成 分被 CO 还原成 FeO)影响熟料液相成分和黏度,影响熟料烧结,易产生大量黄心 熟料,影响到熟料质量的提高。提高氧浓度可降低过量空气系数,同时保持窑内的微 氧化氛围,为优质熟料的生产创造条件。 总之,富氧燃烧用于水泥窑,可改善煤的燃烧条件,缩短燃烧所需的时间,实现 燃料的完全燃烧,同时也可使传热速率大幅度提高,因此有利于水泥生产。此外,采 用富氧燃烧,可使废气排放量及 CO、NOx 等有害气体的产生量下降,有利于节能减 排。但富氧空气的引入不可避免地会改变水泥的原有工况条件,因而在操作及设备方 面必须作相应的调整,以满足水泥回转窑生产中所要求的火焰及温度场要求。 ( 1)分解炉系统增加富氧 分解炉系统是新型干法水泥生产工艺的重要组成部分,它承担预分解系统中繁重 的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。这些任务能否在高效状态下顺利完成,主要取决于 生料与燃料能否在炉内很好的分散、混合和均布;燃料能否在炉内迅速的完全燃烧, 并把燃烧热及时的传递给物料;生料中的碳酸盐组分能否迅速的吸热、分解,逸出的 二氧化碳能否及时排除等。在分解炉内生料与高温气流之间传热快,物料在炉系统内 停留时问短,化学反应迅速,对热工制度的波动较为敏感。热工制度不稳定,轻者会 打乱正常的生产秩序,严重时则会造成预热器系统的粘结堵塞,甚至威胁设备安全。 碳酸盐分解是一个强吸热反应,耗量为:碳酸镁为 815kJ/kg,碳酸钙为 1656kJ/kg,

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由于生料中含有大量的碳酸盐,因此分解窑系统就需要大量热,应用富氧燃烧技术有 利于提高分解炉系统的热效率,稳定分解炉热工制度,提高碳酸盐的分解效率和质量。 ① 降低燃料着火温度和燃尽温度,提高着火速度理论上,着火是由缓慢的氧化状 态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程,相对应的温度称为着火温度, 它反映了煤粉着火的难易程度。燃尽温度是煤粉基本燃尽时的温度,燃尽温度越低, 表明燃尽时间越短,煤粉就越容易燃尽,残炭中的可燃剩余量就越少。 从图 1 可以 看出,随着氧的体积分数的增加,煤粉燃烧的着火温度 Ti 和燃尽温度 Th 均呈下降趋 势,因此可以说明,富氧可使煤粉的着火提前并燃烧充分。从图 2 可以看出在氧的体 积分数较低时,随着氧的体积分数的增加,煤粉着火时刻的燃烧速度增加较快,因此, 在氧的体积分数较低时,增加氧的体积分数,会使煤粉的燃烧强度得到加强,提高煤 粉的着火速度。 ② 加快反应速度,缩短燃料燃烧时间煤粉被加热后,挥发份在 300-400℃时即迅速 析出并点燃、燃烧,且能在很短时间内燃尽。而煤粒中残留焦炭的燃烧最为缓慢,占 据了整个燃煤反应的绝大部分时间。分解炉内, 由于碳酸钙分解速度快,其吸热反应 控制了分解炉炉温;炉内煤粉燃烧大多在 850-900℃较低温度下进行。反应动力学研 究表明,水泥分解炉内煤粉燃烧属动力控制的一级反应,反应速度方程为: ω =Aexp (- E/ RT)·PO2 式中: A——频率因子 E/R——活化能 PO2 ——O2 分压 T——温 度即燃烧速度取决于化学反应能力,并与燃料性质、温度等有很大关系,与燃烧气体 氧气分压成正比,而和气流相对速度关系较小。增加氧浓度,提高炉内温度能够加快 化学反应速度。燃料的燃烧时间与氧浓度的关系如图 4-3 所示。增加空气中氧气的浓 度,如氧的浓度能提高到 25 %,则煤粉的燃烧时间可大大缩短,为此,按无灰碳粒燃 烧的计算公式进行估算。设: τ 1 为当空气中氧气的浓度为 21%时,碳粒完全燃烧所

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需的时间; τ 2 为空气中氧气的浓度为 25%时,碳粒完全燃烧所需的时间。 τ 1= ρ xδ 2/(8mD×0.21×1.428) τ 2=ρ x/δ 2/(8mD×0.25×1.428)(1) (2)式中 ,ρ x 为碳粒的密度 (kg/ m),δ 为碳粒的颗粒直径 (m);D 为氧气的扩散系 数 (m/s); m 为碳与氧的化学当量比 (0.375); 1.428 为氧气在标准状态下的密度 (kg/ Nm3)。由 (1)/(2),得 τ 2=0.84 τ 1 由此得出结论,如氧气的浓度提高至 25%时,煤粉的燃烧时间可缩短 16%。 ③ 加快火焰传播速度, 提高火焰温增加氧浓度可以加快化学反应速度,从而加快 了火焰的传播速度,增强火焰稳定性,提高了火焰温度。 ④ 促进燃料完全燃烧, 提高炉膛温度,强化炉内传热提高氧浓度可使化学反应更 加彻底,缩短了燃料燃尽时间,促进燃料完全燃烧,减少了不完全燃烧所造成的热量 损失,达到节能的目的。图 4 为燃料燃尽率与氧浓度的关系。由于燃料的燃烧工况得 到了良好的改善,提高了炉膛温度,同时强化了物料与气流的热传递,使得分解炉系 统的热工制度更加稳定。 ⑤ 降低过量空气系数,减少烟气排放量和排烟损失由于空气中含 79%氮,阻碍氧分 子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出,且氮分子不可能与 燃料中可燃物反应,以及空气通过燃料层阻力等诸多因素。因此,必须以过剩空气使 燃料燃烧获得足够的氧量,而使煤充分燃烧,这样就必须加大 3 次风量,但是在水泥 生产工艺中若风速过大,系统阻力加大并且缩短燃料、物料及气流在系统各部位的停 留时间,影响整个系统的热效率和热工制度。采用富氧空气以后,氮气的浓度降低, 阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能力必然 减弱,所以所需得过量空气必然减少,因而降低过量空气系数,同时减少烟气排放量 和排烟损失。

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8.总结 综上所述,富氧燃烧用于水泥生产工艺,可改善燃料的燃烧工况,提高火焰温度 及黑度,缩短燃烧所需的时间,实现燃料的完全燃烧,从而加大火焰对物料的辐射传 热能力提高整个系统的热效率,减少废气及 CO、NOx 等有害气体的排放量,有利于 节能减排,同时还能够稳定整个窑系统的热工制度,提高水泥的生产效率和质量。因 此,富氧燃烧技术在水泥工艺上的应用可以取得良好的经济效益,社会效益和环保效 益,山西省节能监测中心探讨了富氧助燃技术用于水泥工业的节能机理 ,工艺流程 ,效益 分析 ,论证了该技术既节能、环保 ,又有利于提高水泥质量。

六.典型案例

应用单位 制氧设备应用 南阳油田 江苏阜宁化肥厂 白象食品集团 四川美丰集团 湖南经化集团 桂林啤酒集团 广州博能 营口造纸厂 南平嘉闽化工集团

备注

(4 吨燃煤) (20T 燃煤) (10T 燃煤) (16T 燃气) (10T 燃气) (20T 燃煤) (20T 燃烧) 400Nm?/h 纯度 93±2%

40m3 燃油马蹄焰窑

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无锡鑫运来微晶 濮阳阳晨玻璃公司 彩虹集团 温州康尔微晶器皿公司 承德玻璃厂 云南易达陶瓷 冠军陶瓷 齐鲁石化晴伦厂 唐山三友化工集团 制氮设备应用

43m3 燃油马蹄焰窑 16m3 燃天燃气双煊窑 650Nm?/h 纯度 93±2%

43m3 燃油马蹄焰窑 38m3 燃煤气玻璃窑 辊道窑 辊道窑 燃重油焚烧炉

平煤集团汝州电化有限公司 (电石项目) 1500m3/h×3 套

99.5% 99.5%

保护用 保护用 生产用 保护用 保护用 生产用 保护用 保护用 生产用 生产用 保护用 生产用

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100m3/h×2 套 88m3/h 120m3/h 100m3/h 100m3/h×2 套 100m3/h 100m3/h 50 m3/h 100 m3/h 80 m3/h 100m3/h×3 套
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99.99% 99.9% 99.99% 99.99% 99.9% 99.5% 99.9% 99% 99.5% 99.99%

膜法富氧设备

膜法富氧设备

膜法富氧设备

膜法富氧设备

膜法富氧设备

膜法富氧设备

变压吸附制氮照片

变压吸附制氮照片

变压吸附制氮照片

变压吸附制氧照片

变压吸附制氧照片

变压吸附制氧照片

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八 . 富 氧 助 燃 所 需 抛 煤 机 /链 条 炉 调 查 表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 锅炉型号: 平均/最大/最小耗煤量 低发热量: 煤进炉价: 电 价: 生产厂: / / 炉使用时间 吨/时、 煤种: 天/年、 年平均耗煤量 煤中水含量: w% w% w% w% mm Pa、 ℃ KW、 mm、 Pa、 T w%

千卡/公斤、挥发物: 元/吨、 元/度 % (实测) 年 风量:

w% 、 灰 分 : 小于 6 mm 6-13 mm 13-19 mm 最大 标方/时、风压: Pa、风温

煤颗粒分布

热 效 率: 炉龄(使用年限): 鼓风机型号: 配电:

KW、一次风量:

标方/时、风压: 风量:

10 引风机型号: 二次风量: 喷嘴中心距: 风温 ℃ 标方/时、风压

标方/时、 风压: ℃、喷嘴数量

Pa、 配电: 、内径:

Pa、风温

mm、离炉排高:

mm、抛煤风量

标方/时、风压:

11 炉膛温度: 12 排烟温度: 13 空气过剩系数:

℃、炉压:

Pa、灰渣含碳量 /

w% v% 级 Pa、

℃、烟气中氧/一氧化碳含量: 、空气预热温度:

℃, 林格曼黑度: 标方/时、风压:

14 负荷是否稳定? 飞灰回收的风量: 15 操作是自动、半自动还是手动? 16 煤及蒸汽计量是否准确? 抛煤风量:

抛煤风喷口四周是否结渣? 标方/时、风压: Pa

22

17 蒸汽流量:最大

最小

平均 最小

T/h;温度: ℃;压力: 平均 T/h;压力:

MPa;给水温 ;排污

度:
率:

℃;给水量:最大 %

MPa;排污方式:

18 是否改动? 加拱数量、位置、名称(最好附图) 19 前后拱详细尺寸(最好附图) : 20 锅炉运行是否正常? 安装时需停炉 1-6 天。 根据上述数据,我们可以进行综合评估,以便提供最佳的技改方案 。 主要存在问题:

九.回转窑富氧数据调查表
1、型号规格: 2、燃烧方式: 炉膛负压: 窑尾温度: 3、燃料种类: 窑炉容积: 炉膛温度: 排烟温度: 空气过剩系数: 低位发热量: 千卡/kg(立方) 窑尾实际负压: 使用时间: 天/年。

实际吨产品耗燃料量: 燃料消耗量: 4、排烟气量: 5、烧嘴规格: 6、一次风机风量: 7、引风机风量: 8、二次风机风量: 标方/h

kg(立方)/t, 吨(立方) / / v%、

吨(立方)/h,年耗量

立方, 烟气中 O2/CO/CO2 含量: 相关参数 风压 风压 kpa kpa kpa
23

配电 配电

kw kw 配电 kw

标方/h

标方/h, 风压

9、窑头温度:

窑尾温度:

十 .锅炉节能改造必要性

煤是我国目前可利用能源形式中的主要能源,在我国一次能源消费结构中占 70%以上 的份额。 全国目前约有 54 万台燃煤锅炉, 量大面广, 不仅是污染大户, 而且也是耗能大户。

一、燃煤锅炉的现状 煤是我国目前可利用能源形式中的主要能源,在我国一次能源消费结构中占 70%以上 的份额。 全国目前约有 54 万台燃煤锅炉, 量大面广, 不仅是污染大户, 而且也是耗能大户。 燃煤链条锅炉已有 100 多年历史,无论是设计还是运行都积累了比较成熟的经验。建国以 来燃煤链条锅炉进行了膜式水冷壁、增设二次风和炉前分层布煤等几次较大改进,但是就 设计和运行技术总体水平而论提高不快。总而言之我国燃煤链条锅炉总体 热效率较低,设 计热效率在 76— 85% 之间,但实际上一般都在 60 —65% 左右,有的还低于 60% 。锅炉实 际出力不够。 二、燃煤链条锅炉燃烧上存在三大弊病 1、新煤点燃迟缓,煤种适应性差。 2、配风系统纵向供风不合理,横向配风不均,侧串风比较严重。煤层不均匀,形成 “火 沟”,大量冷风串入炉膛,造成蛇型火。纵向主燃区缺氧,无二次风。 3、燃煤在炉膛内部燃烧不充分,大量悬浮可燃物颗粒不能完全燃烧,造成大量烟尘排 放污染 ,灰渣含炭量严重超标。 三、锅炉节能技术 燃煤锅炉节能减排无烟气化燃烧技术, 是以具有强化燃烧功能技术的核心主件——多功 能助燃芯板(见附图多功能助燃芯板)做主体。多功能助燃芯板采用高分子合成技术与高

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介质相匹配,采用高耐火材料为载体固化而成,它具有在常温下耐压强度 40Mpa 以上, 使用温度在 1000℃以上高耐火度。在燃煤燃烧过程中,当炉膛温度上升到 350oC 以上时、 多功能助燃芯板开始起理化反应 ,释放氧增加炉内的热氧化效应,给炉膛内燃煤助燃。燃煤 中的大多数物质着火温度在 500℃左右,硫着着火温度 630℃,碳的着火温度~800℃左 右。含有特殊介质的助燃芯板在充分工作的状态 下,强化新煤燃煤基质,激发燃烧动力场, 优化了主燃区燃煤条件。煤在燃烧过程中产生的混和烟气污染物,大部分被作为燃料 ,被多 功能助燃芯板引射、吸附,形成馈压势漩流循环燃烧。使可燃物在助燃芯板作用下,充分 燃尽在炉膛内,并实现了显著的高效燃烧和洁净排放的效果。 一种锅炉自动化节能控制系统(专利技术): 对锅炉设备中的引风机、鼓风机、炉排、 水泵共四台较大型电动机采用相应容量的能控制改变电机转速的变频器启动控制。并将锅 炉蒸汽输出口的压力表替换成带压力检测传感器的压力表,同时将锅炉原水位表改装成水 位检测传感器装置。并在控制柜中加装可编程序控制器。将压力给定值和水位给定值根据 用户要求提前写入可编程序控制器,由压力传感器和水位传感器检测到的信号回馈给可编 程序控制器后,进行运算、比较,然后输出频率信号,合理控制各个电机的转速,达到引 风、鼓风、炉排、水泵电机的同步调节,进而达到输出恒定的气压值并节约能源的目的 锅炉节能是一种技术。 它可以提高锅炉的热效率, 能够使锅炉的热效率达到 70%-80% , 可以节煤 10%-15%。 基本原理是把高新材料技术、燃烧技术和锅炉综合技术有机结合在一起,通过一系列 物理、化学变化,使燃烧煤达到强化燃烧,充分燃烧,完全燃烧的一种全新的燃烧方式。 这种技术已经得到了国家和用户的认可。 节能效率举例 以 10 吨锅炉 24 小时节煤为例

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一小时每蒸吨设计煤耗量最低为 150 公斤 10 吨炉每小时耗煤为: 150 公斤×10=1500 公斤 =1.5 吨 一昼夜 24 小时耗煤量为: 1.5 吨×24=36 吨 按节煤率 10% 计算: 36 吨×10%=3.6 吨(一昼夜) 生产炉一年运行天数按 300 天计算,另 60 天为停炉修理时间,一年节煤 3.6×300=1080 吨。 以辽、吉、黑东北地区为例煤价取 600 元每吨,节煤 1080 吨×600 元 / 吨 =64.8 万元; 取暖炉一个采暖期按 150 天计算: 50×3.6 吨 =540 吨 540 吨×600 元 / 吨 =32.4 万元 结论:无论是生产炉还是采暖炉,不到一个采暖期就能收回改造投资 。

十一、膜法制氧是锅炉节能的理想选择

统计显示,工业锅炉采用富氧助燃技术,节能率可以达到 5 %- 20%,燃煤锅炉节煤率 可以达到 10%以上,并可提高锅炉出力 10%以上。目前,我国在用工业锅炉的装机总量约 为 55.3 万台,其中近 85% 是燃煤锅炉,每年要“吃掉”全国原煤产量的三分之一。如果 在用的工业锅炉有 50% 采用膜法制氧、富氧助燃节能装置,年可节煤 0.28 亿吨煤(节煤 率按 10%计)年可节资金 140 亿元人民币(煤价按 500 元 /吨计)。

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目前,富氧燃烧作为一种新兴的燃烧技术在世界上受到高度重视,美国、韩国等国要 求其国内新增工业炉窑、工业锅炉不得用普通空气助燃,必须全部采用富氧助燃装置。

打开电源, 3 分钟后氧气就源源而来,有了充足的氧气供应,锅炉内的火苗更加旺盛, 且可实现节能一成以上,达到这一效果的核心技 术竟然就是一张高分子原料膜!

数据显示,研制开发的膜法制氧、富氧助燃节能装置能使燃煤锅炉的效率提高 5%- 19%。 人类缺氧就要呼吸困难甚至窒息,锅炉缺氧则热效率低下。正常情况下,空气中氧气 的含量为 21 %、氮气的含量为 78%,对于人类呼吸来说这样的比例已经足够,但对于锅 炉燃烧来说并非最佳比例。

常规燃烧中空气仅有 21%的氧气参与燃烧,而 78%的氮气则要吸收大量燃烧反应放出 的热量,并作为烟气排出,造成环境污染和能源浪费。试验结果表明,只有当空气中氧气 的含量达到 28%- 30%的时候,锅炉才可以达到最佳的燃烧效率。这种情况下,增加空气 中的氧气含量来助燃即富氧燃烧是提高锅炉效率的有效途径。 膜法制氧、富氧助燃节能装置正是为锅炉提供一种富氧燃烧的环境。这种装置就像在 锅炉和外部空气之间树了一个“筛子”(高分子原料膜),在压力差的作用下使空气 中的 氧气优先通过,从而提高锅炉内氧气的含量,可以加快燃烧速度与促进燃烧完全、减少燃 烧后的排气量、增加热量利用率,大幅提高锅炉燃烧的效率。

十二、膜法富氧技术在燃煤锅炉上的应用
气体膜分离技术是利用渗透的原理,即分子通过膜向化学势降低的方向运动. 首先运动 至膜的外表面层上,并溶解于膜中,然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸. 其推动力为膜

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两侧的该气体分压差. 由于混合气体中不同组分的气体通过薄膜时的速度不同,从而达到气 体分离,回收提纯气体的目的. 目前,国内已成功地将膜法富氧助燃节能技术应用于有色金属 冶炼、玻璃池炉节能、化铁炉和铸造炉节能等方面,并取得了提高产品质量、节约能源、改 善环境的效果. 其节能率一般在10 %~16 %[1 ,2 ] . 1 膜法富氧技术的节能机理

提高火焰温度 因氮气量减少,空气量及烟气量均显著减少,故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显 著提高,但富氧浓度不宜过高,国内外的研究均表明,氧气的体积分数在28 %左右时最佳. 因 为氧浓度增加时火焰温度增加较少,而制氧投资则猛增。 加快燃烧速度与促进燃烧完全 燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大,如H2 在纯氧中的燃烧速度是在空气中的412 倍,用富氧助燃,不仅提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导. 同时,温度提高后,有利 于燃烧反应,促进燃烧完全。 降低燃料的燃点温度 燃料的燃点温度不是常数,如CO 在空气中的燃点为609 ℃,而在纯氧中的燃点仅为388 ℃, 所以用富氧助燃能提高火焰强度和增加释放热量等。 减少燃烧后的排气量 用普通空气助燃,占体积4/ 5 的N2 不参加助燃,且带走大量热能. 如用富氧助燃,燃烧后的排 气量减少,从而提高了燃烧效率。 增加热量利用率 富氧助燃对热量的利用率有所提高,如用普通空气助燃,当加热温度为1 300 ℃时,其可利用 的热量为42 % ,而用26 %的富氧空气助燃时,可利用热量为56 % ,且氧浓度越高,加热温度越

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高,所增加的比例越大,因此节能效果就越好。 降低空气过剩系数 富氧助燃可适当降低空气的过剩系数,这样,燃料消耗就相应减少,从而节约能源。 2 工艺流程及主要设备 工艺流程 膜法富氧助燃装置工艺流程,如图1所示 空气→空气净化器→通风机→富氧发生器→富氧空气 真空泵→汽水分离器→脱湿罐→稳压罐→增压风机→ 富氧预热器→二、三风室→富氧均化 →喷入炉内富氧燃烧区 空气经空气净化器除去大于10μ m的灰尘后由通风机送至富氧发生器,形成含氧体积分 数为28 %~30 %的富氧空气,由水环式真空泵抽取后经汽水分离器、脱湿罐和稳压罐,脱除 气体中的水分,由增压风机将富氧空气增压至3000~4500 Pa ,进入富氧预热器,该预热器安 装于锅炉空预器和省煤器之间的烟道内富氧空气加热至大于80℃后分为两路:一路通入炉排 下面的二、三风室,由导风器、富氧均化喷头在横向均匀地高速喷入炉内煤层进入炉膛,使该 燃烧区内的火焰温度升高,并增强火焰刚性;另一路富氧空气由后拱前端,通过具有扩散角的 “富氧高温喷嘴”喷入火焰上部,使火焰中的未完全燃烧物达到完全燃烧,可获得消烟除尘、 提高火焰温度的效果. 上述两路富氧空气均由阀门加以适当控制[3 ] . 技术指标和参数 富氧浓度 28 %~30 % 富氧流量 150~200 m3/ h % 循环水量 < 50 L/ min 系统阻力 < 800 Pa

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耗 0. 07~0. 12 kW·h/ Nm3 (富氧空气)

主要设备
1) 膜装置

由空气均配箱、卷式膜组件、真空均分器和外壳等组成. L TV - PS 型富氧膜,结

构为直径200 mm ×1 000 mm 卷式组件。
2) 设备型号与技术指标

见表1.

表1

设备型号与技术指标

设备名称型 号风量/ (m3·h - 1) 风压/ Pa 转速/ (r·min - 1) 功率/ kW 电机型号 通风机DWT- 512A 2800 4900 2900 增压风机DWT- 419A 200 4606 2840 515 Y132S1 - 2 1.5 Y90S - 2

水环式真空泵SK-12720 8000 970 1. 85 Y200L1 - 6
3) 空气净化器 4) 富氧预热器

直径500 mm ,阻力< 300 Pa , 除去大于10μ m的灰尘。 直径500 mm ,厚度50 mm ,共6 组.

3 锅炉简介 膜分离富氧助燃节能装置首次应用于我厂WGC20/ 3182 - Ⅰ型燃煤蒸汽锅炉,其结构系SHL 型双锅筒横置式,采用自然循环,上下锅筒之间布置锅炉管束,炉膛出口与管束之间布置过热 器,尾部竖井布置省煤器和空气预热器,燃烧设备采用加煤斗配正转的鳞式炉蓖. 锅炉主要技 术指标列于表2. 锅炉辅机规范见表3. 表2 锅炉主要技术指标

额定蒸发量20 t/ h 炉蓖有效面积2415m2 出口压力3182 MPa 燃烧室容积8812m2 出口温度450 ℃ 费斯顿管1715m2

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给水温度104 ℃ 水冷壁管面积82m2 排烟温度158 ℃ 过热器换热面积216m2 空气预热温度116 ℃ 省煤气换热面积243m2 水压试验压力514 MPa 空预器换热面积343m2 使用燃料烟煤燃烧方式加煤斗链条炉 额定效率80% 燃料低位发热量19904 kJ / kg 表3 锅炉辅机规范

辅机名称型号风量/ (m3·h - 1) 风压/ Pa 转速/ (r·min - 1) 功率/ kW 电机型号 通风机G4 - 73 - 11 9D 24 000~32 900 2 619~2 472 1 450 30 Y200L - 4 引风机Y4 - 73 - 11 11D 60 100~81 800 2 344~1 716 1 450 75 Y280S - 4 给水泵DG25 - 50 ×11 25 (流量) 550 (扬程m) 2 900 90 Y280M - 2 4 安装调试 富氧发生站 富氧发生站由通风机、富氧发生器、真空泵、汽水分离器组成. 通风机和真空泵装在混凝土 基础上,静止设备可安装于18 # 槽钢制作的支架,使整个发生站形成双层布置,达到结构紧凑 的效果,同时也便于维护、检修. 为防止灰尘吸入鼓风机,在富氧发生站区域内搞了一个简易 建筑,使该系统自成一体. 增压风机 稳压罐和增压风机体积较小,将其布置于锅炉二层楼面,靠近富氧预热器,减少压头损失,也便 于 富氧预热器 富氧预热器装于锅炉空预器上方,省煤器下方的烟道内,6 组平行竖向布置. 安装时将盘状预

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热板尽量向里伸出,外面接管留10~15 cm 长度,同时对该区间烟道内的积灰进行一次清理. 富氧喷嘴的安装 位于二、三风室的富氧喷嘴装于炉排下方的L60 角钢上,其方向正朝炉排上方,与水平方向成 90°直角,安装时需注意喷嘴位于炉排正下方,与两端炉墙的距离相等. 位于后拱前端的富氧 喷嘴因位于高温区域,故喷嘴伸入炉膛内不得大于15 cm ,其分布角与水平方向成30°~40° 角.出富氧预热器的管路用厚2~3 cm 的保温材料保温. 试运行 该装置于1998 年4 月开始安装,5 月30 日利用小修机会接入系统,6 月23 日开始试运行. 由于膜法富氧助燃节能装置首次用于燃煤锅炉,我们分别就富氧浓度控制、富氧流量和通、 引风机风量调节、前拱区和二、三风室富氧空气量分配等10 多个参数进行了反复调试,取得 了大量第一手资料,在此基础上,制定了该装置达到最佳运行状态的工艺指标,并统一了各班 次的操作方法. 试运行于6 月26日16 时结束,整个装置投入正常运行. 5 运行小结 1) 该装置工艺简单,设备运行平稳可靠,生产中仅两台风机,一台真空泵需正常的维护保养,不 必配备专职操作人员. 从投运到现在,该系统尚未出现过设备问题,维修费用几乎为零. 2) 该工艺的安装不改变锅炉原有结构和工作状态,仅预热系统和富氧喷嘴与锅炉接触,对锅 炉的 性能和安全无任何影响. 由于提高了燃烧效率,烟气中的烟尘量明显下降,从而大大降低了除 尘器的负荷,同时也减少了对环境的污染程度. 3) 富氧空气加入区,火焰亮度增强,炉温显著 上升,一般可使富氧燃烧区温度升高150 ℃左右,整个炉膛温度升高50 ℃左右,促进完全燃 烧. 使整个炉膛的传热系数、 炉膛容积热负荷、 炉排热负荷都达到了新的水准,也降低了空气

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过剩系数 4) 膜法富氧助燃节能装置属静态操作,富氧空气量仅在锅炉蒸发量大幅度波动时加以适当 调节正常情况下每4 h 根据炉温、压力等参数微调一次即可. 5) 我厂因规模扩大较快,锅炉负荷一直偏重以往曾多次发生过因蒸汽不够用而影响生产的 情况,而且一旦负荷大于20 t/ h ,即需人工搂火,提高炉排转速,出现烟囱冒黑烟、炉膛正压, 对锅炉的安全稳定运行威胁很大. 在富氧技术上马后,由于大大改善了炉内燃烧状况,锅炉的 负荷能力有较大提高.目前我厂20 t/ h 锅炉蒸发量一般在19~23 t/ h 运行,这对保证全厂 对蒸汽的需求发挥了重要作用.

6 效益分析
经过两年多的运行表明,膜法富氧助燃节能装置起到了提高吨煤产汽量,节煤、节电,提高锅炉 出率的效果. 节煤效果 我厂1998 年上半年平均吨煤产汽量为7138 t ,下半年平均吨煤产汽量为8129 t . 1999 年 平均吨煤产汽量为8127 t .节能率=8. 29 - 7. 388. 29 ×100 % = 10. 98 %按产汽量20 t/ h 计,每天可节煤7114 t ,年节煤2 142 t ,年度经济效益达60 万元(煤价按280 元/ t计) . 节电效果 以往锅炉满负荷运行时引风机电流一般为120~130 A ,通风机电流一般为45~50 A ,该装 置投运后引风机电流一般为110 A ,通风机电流一般为40A ,节电率大于10 % ,全年节电712 万kW·h ,按我厂平均电价0144 元/ (kW·h) 计,年效益达3117 万元. 锅炉产率提高 利用富氧技术可提高锅炉产率10 %左右,这对稳定全厂生产工况作用显著. 统计表明,全厂因 蒸汽波动影响生产台时,1998 年下半年比上半年减少了186 个,多产氨5518 t ,效益11116

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万元.综上所述,膜法富氧助燃技术在20 t/ h 锅炉上的应用,直接取得了年节电712 万kW·h , 节煤2 142 t ,经济效益74133 万元的效果,扣除运行成本 (含每年维修费112万元/ a ,设备 折旧费4万元/ a ,电费8万元/ a) ,其经济效益61113 万元/ a ,还具有稳定锅炉工况,减少大气 污染、延长锅炉寿命等效果,综合效益十分显著。

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