摘要：簡要介紹了玻璃纖維行業(yè)的基本情況和純氧燃燒技術(shù)，對變壓吸附制氧的發(fā)展、工藝原理以及特點(diǎn)作了簡單分析，變壓吸附制氧由于其工藝較為簡單，能耗較低，操作靈活，安全性較高，維護(hù)方便等優(yōu)勢使其在玻纖池窯純氧燃燒方面逐漸占有重要地位。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；變壓吸附制氧；池窯拉絲法；純氧燃燒

前言

玻璃纖維一般指硅酸鹽熔體制成的玻璃態(tài)纖維以及絲狀物，是一種具備良好性能的無機(jī)非金屬材料。隨著行業(yè)研究的深入與發(fā)展，工藝水平逐漸提升，產(chǎn)品種類也逐漸增多，玻璃纖維成為金屬材料非常好的替代材料，具備很多優(yōu)點(diǎn)，如較高的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)良的耐熱性，隔音效果好，抗腐蝕性強(qiáng)，吸水性小，價格較為便宜等，因此在建筑材料、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、電子、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

玻璃纖維的主要生產(chǎn)工藝包括坩堝拉絲法和池窯拉絲法。坩堝拉絲法是將玻璃原料熔化制成玻璃球，然后通過電加熱再次融化進(jìn)行拉絲，該工藝能耗較高、工藝相對復(fù)雜、產(chǎn)品品質(zhì)不好控制，生產(chǎn)率較低。目前大型玻纖企業(yè)基本不再使用此工藝。池窯拉絲法是將所需礦石原料在池窯中熔制成玻璃溶液，送至多孔漏板進(jìn)行高速拉絲，該工藝較為簡單，產(chǎn)量大，易于大規(guī)模自動化生產(chǎn)，該工藝目前是玻璃纖維生產(chǎn)的主流工藝。

玻璃纖維生產(chǎn)上熔化所需要的熱量是通過燃料燃燒來提供，傳統(tǒng)燃燒利用空氣中21%的氧氣作為助燃?xì)?，空氣?/span>78%的氮?dú)獠粎⑴c燃燒，但是會被加熱造成能源浪費(fèi)，且高溫氮?dú)庖着c氧氣反應(yīng)生產(chǎn)NOx氮氧化物，會對大氣造成嚴(yán)重污染。所以為了減少環(huán)境污染，提高燃燒效率，利用高純度氧氣（≥90%）作為助燃?xì)獾募冄跞紵夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生，同時通過空氣分離獲得高純度氧氣的生產(chǎn)技術(shù)也在玻纖行業(yè)得到了廣泛運(yùn)用。下面我們會重點(diǎn)介紹純氧燃燒技術(shù)，以及提供高純氧氣的變壓吸附制氧技術(shù)在窯爐燃燒中的利用。

1. 純氧燃燒技術(shù)

一般來說純氧燃燒技術(shù)是指采用純度≥90%的氧氣作為助燃?xì)?，與燃料按照比例混合燃燒的技術(shù)。相較于空氣作為助燃?xì)?，純氧燃燒的火焰溫度更高，池窯能達(dá)到溫度也更高，氮?dú)饬康褪沟脽醾鲗?dǎo)效率提高，NOx排放量顯著減少，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，建設(shè)成本降低等，純氧燃燒憑借其在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢已經(jīng)引得廣泛關(guān)注，正在逐漸普及^[1]。目前西方國家玻纖生產(chǎn)已普遍使用純氧燃燒技術(shù)，據(jù)資料顯示目前有超過200座純氧燃燒池窯投入使用。我國純氧燃燒處于國家大力推廣階段，國內(nèi)如巨石集團(tuán)、中建材、四川玻纖、泰山玻纖等行業(yè)頭部企業(yè)都已建設(shè)純氧燃燒池窯。下圖為純氧燃燒和傳統(tǒng)空氣助燃技術(shù)的比較。實(shí)例表明，純氧燃燒可節(jié)約池窯燃料40%左右，燃燒的廢氣排放量下降60%以上，其中氮氧化物排放量下降80%以上，SO₂排放量下降20%左右，粉塵量也大大降低，原料夾帶降低，節(jié)約大量成本，也降低了尾氣處理難度。

純氧燃燒和傳統(tǒng)空氣助燃技術(shù)的比較

截至2019年底我國玻纖產(chǎn)能已達(dá)到520多萬噸，占世界的60%以上。從下圖中也可以明確看出國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)量巨大，且近五年還在逐漸上升。如此高的產(chǎn)量和占比說明國內(nèi)玻纖發(fā)展十分迅猛，國家也肯定會提高環(huán)保要求，最新的工信部《玻璃纖維行業(yè)規(guī)范條件》中寫到玻璃纖維池窯法拉絲生產(chǎn)線，鼓勵采用純氧燃燒，這對于純氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)普及是十分利好的。

近五年國內(nèi)和世界玻璃纖維產(chǎn)能圖

2. 純氧燃燒氧氣主要來源

當(dāng)玻璃纖維池窯法生產(chǎn)線采用純氧燃燒技術(shù)時，所需助燃?xì)庋鯕獾膩碓礊楣I(yè)制氧氣，目前制取工業(yè)氧氣最常見的兩種方法是深冷法和變壓吸附制氧法，都是利用空氣分離制氧的方式獲得高純度氧氣。變壓吸附制氧是除塵空氣被吸入鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)過換熱器進(jìn)入吸附塔（分子篩），在一定壓力下，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣被吸附的比較少，氣相中氧氣富集后進(jìn)入緩沖罐，塔內(nèi)氮?dú)馕浇咏柡秃筮M(jìn)行解析，分子篩再生后重復(fù)利用。一般是多塔切換吸附、解析等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氧，變壓吸附最高可獲得純度94%左右的氧氣。深冷法是根據(jù)空氣組分中氣體沸點(diǎn)不同，空氣經(jīng)過壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)然后完成氣體凈化后，再經(jīng)過透平系統(tǒng)、分餾以及換熱器實(shí)現(xiàn)氧氣、氮?dú)?、氬氣的分離^[2]，可以得到純度99%以上的氧氣。目前國內(nèi)市場兩種技術(shù)發(fā)展都比較成熟，深冷技術(shù)氧氣純度高，副產(chǎn)品也多，規(guī)模較大，適合大量用氧的情況；變壓吸附制氧氧氣純度相對低一些，但是其具備能耗低，靈活性高，成本低，工藝簡單等特點(diǎn)，在用氧規(guī)模不是特別大，純度不高于94%的生產(chǎn)情況下，變壓吸附制氧具有較大優(yōu)勢。

玻璃纖維池窯法生產(chǎn)采用純氧燃燒技術(shù)時氧氣純度大于91%即可^[3]，而且氧氣消耗量并沒有特別大，一般單條生產(chǎn)線用氣量不會超過3500Nm³/h，即使有多條生產(chǎn)線且位置不集中的情況下，變壓吸附制氧也都可以滿足要求?？紤]以上條件以及經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)保等情況變壓吸附制氧十分適合為玻纖池窯純氧燃燒供氧氣。

2.1變壓吸附制氧技術(shù)

二十世紀(jì)以來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速穩(wěn)定發(fā)展，生產(chǎn)制造業(yè)不斷擴(kuò)大規(guī)模、發(fā)展革新，工藝的改進(jìn)和產(chǎn)能提升促使其對于工業(yè)氧氣的需求日益增加。巨大的用氧需求帶動了國內(nèi)工業(yè)制氧技術(shù)的進(jìn)步，變壓吸附制氧技術(shù)在新型Li基吸附劑國產(chǎn)化以及吸附塔技術(shù)改進(jìn)后取得突破性進(jìn)展，使得其在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。

2.1.1國內(nèi)外變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)展

上世紀(jì)六十年代變壓吸附制氧技術(shù)開始出現(xiàn)，到了八十年代初美國和日本相繼開始工業(yè)化。上世紀(jì)九十年代初美國普萊克斯公司開研發(fā)出鋰型分子篩制氧吸附劑，變壓吸附制氧工藝得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國變壓吸附制氧技術(shù)開始于二十世紀(jì)八十年代末期，直到九十年代初才有了小型工業(yè)化裝置^[4]，早期的制氧裝置采用的吸附劑為5A分子篩吸附劑，最大規(guī)模也只有1000Nm³/h，純氧電耗在0.5 kW·h/ Nm³以上，與同期先進(jìn)國家和企業(yè)差距很大。2000年初，隨著北大先鋒科技有限公司高效鋰基吸附劑的正式生產(chǎn)以及VPSA制氧裝置大規(guī)模的工業(yè)化，國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)得到快速發(fā)展和推廣。近些年，變壓吸附制氧技術(shù)一些關(guān)鍵性問題得以解決，國內(nèi)變壓吸附制氧的產(chǎn)氧能力逐漸增大、電耗逐漸降低、裝置的穩(wěn)定性逐漸提升。單套兩塔制氧裝置的規(guī)模可以提升到6000Nm³/h，多塔并聯(lián)工藝后產(chǎn)氧量可以達(dá)到35000Nm³/h以上，單位制氧所需電耗降低到0.32 kW·h/ Nm³以下，滿足98%以上的年開工率。

隨著變壓吸附技術(shù)的逐漸改進(jìn)和發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)由于其具有的操作靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便、制氧電耗低、建設(shè)周期短、安全性高以及運(yùn)維陳本較低等優(yōu)點(diǎn)，對于想要靈活使用工業(yè)高純氧氣的行業(yè)，變壓吸附制氧技術(shù)占比逐漸增加。如今，變壓吸附制氧工藝在鋼鐵、玻璃纖維、有色金屬、化工生產(chǎn)、爐窯節(jié)能、環(huán)保、造紙等行業(yè)得到了推廣應(yīng)用。

2.1.2 變壓吸附制氧技術(shù)的特點(diǎn)

1）工藝簡單、操作靈活、開停車方便

   變壓吸附制氧工藝比較簡單，主要動力設(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵。制氧設(shè)備初始開車只需要30分鐘就可產(chǎn)出合格工業(yè)氧氣，臨時停車能夠二十分鐘內(nèi)產(chǎn)氧，而裝置停車則更加簡單，只需要把制氧動力設(shè)備和程序關(guān)停即可。

2）設(shè)備簡單、維修方便

主要設(shè)備鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、程控閥門、控制柜等全部為國產(chǎn)設(shè)備，成本和工期容易掌控，而且設(shè)備維護(hù)簡單、售后及時，用戶基本不需要投入大量維護(hù)資金和人力。

3）制氧能耗較低、運(yùn)行成本低

   如今變壓吸附制氧的電耗已經(jīng)降至0.32kW·h/Nm³以下，而即使較大規(guī)模深冷制氧的純氧電耗在0.42kW·h/Nm³左右。在企業(yè)沒有氮?dú)庑枨笠约坝醚跻?guī)模不是特別大時，變壓吸附制氧技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢。

4）建設(shè)周期短、占地面積小、投資回報(bào)快

變壓吸附建設(shè)周期一般可控制在6個月甚至更短的范圍內(nèi)。因設(shè)備簡單且數(shù)量相對較少，所以占地面積相比深冷也要小很多。用戶在少投資、低成本的條件下，較短時間就可使用變壓吸附制得的工業(yè)氧氣。

4）負(fù)荷調(diào)節(jié)方便^[5]

變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量及純度的快速調(diào)節(jié)。一般產(chǎn)量可在30%~100%之間調(diào)節(jié)，純度可在70%~95%之間調(diào)節(jié)。當(dāng)多套制氧裝置并聯(lián)工作時，負(fù)荷調(diào)節(jié)會更加方便。

5）操作安全性較高

   由于變壓吸附制氧屬于低壓操作，且不會出現(xiàn)低溫、乙炔富集等現(xiàn)象，相對于深冷法制氧操作安全性更高。

3. 玻纖行業(yè)純氧燃燒使用變壓吸附制氧技術(shù)實(shí)例

變壓吸附的特性滿足玻纖行業(yè)池窯純氧燃燒特點(diǎn)和要求，近些年隨著國內(nèi)玻纖企業(yè)開始建設(shè)或改造純氧燃燒池窯工藝線，變壓吸附制氧技術(shù)在我國玻纖主要企業(yè)都得了應(yīng)用，如四川、山東、江蘇等一些生產(chǎn)企業(yè)。下面簡要介紹一個VPSA國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例。

四川某玻纖廠項(xiàng)目池窯配套1500 Nm³、純度93%的變壓吸附裝置，目前該套裝置已穩(wěn)定使用6年。因玻纖池窯用氧量相對一般鋼廠比較少，不適合大型深冷設(shè)備也不適合長期使用液氧作為氣源，否則成本會很高，也會浪費(fèi)能源。該套生產(chǎn)線月用氧量在750000 Nm³左右，如果全部使用液氧供給按照目前液氧900元/噸且每噸液氧可氣化得到700 Nm³純氧，一個月液氧消耗就達(dá)到96萬元左右，如果使用變壓吸附制氧，所用設(shè)備包括VPSA設(shè)備、氧壓機(jī)、廠房、配電室工作用高低壓電總和折算，用電370000 kW·h，電費(fèi)0.64元/度，制氧月費(fèi)用不到24萬，是液氧的25%，考慮到變壓吸附人工和單獨(dú)液氧差不多，結(jié)合水費(fèi)、人工費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等，月總消耗也不超過42%。由此可見，變壓吸附制氧十分適合玻纖池窯純氧燃燒技術(shù)。

結(jié)語

  隨著純氧燃燒技術(shù)的日趨普及，變壓吸附制氧在玻纖領(lǐng)域的使用率會越來越高。變壓吸附制氧憑借其自身優(yōu)勢，且符合國家節(jié)能、環(huán)保要求，符合用戶節(jié)約成本、穩(wěn)定用氧的訴求，同時制氧技術(shù)也在不斷改進(jìn)完善優(yōu)化，所以變壓吸附制氧具備巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張文濤. VPSA制氧在玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)中的應(yīng)用[C]. 2018年全國玻璃窯爐技術(shù)研討交流會論文匯編, 2018: 117-124.

[2] 陳宗蓬等. 空氣分離技術(shù)回顧與展望[J]. 醫(yī)用氣體工程, 2016, 1(1): 14-18.

[3] 唐宇等. 玻纖池窯純氧燃燒技術(shù)研究[J]. 玻璃纖維, 2015(2): 5-11．

[4] 耿云峰，耿晨霞，張文效．變壓吸附(PSA)空分制氧技術(shù)進(jìn)展[J]．煤化工, 2003, (2): 33-36．

[5] 姜賀. 變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展[J]. 中國有色冶金, 2014(2), 64-66.