石油焦在玻璃熔窯中的應(yīng)用

石油焦在玻璃熔窯中的應(yīng)用

0石油焦替油燃料近年來，世界原油價格一直很高，許多大型能源公司的能源成本繼續(xù)增加，有利空間不斷被壓縮。我國平板玻璃行業(yè)近年來發(fā)展較快,燃用重油的蓄熱式浮法玻璃熔窯得到大量的應(yīng)用,2005年平板玻璃產(chǎn)量達(dá)到3.87億重量箱,已連續(xù)17年居世界第1,其中浮法玻璃占平板玻璃比例85%,絕大多數(shù)以重油為燃料,燃料成本已經(jīng)占到了其生產(chǎn)成本的40%以上,燃料成本過大已經(jīng)成為制約平板玻璃企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。為降低燃料成本,部分玻璃企業(yè)紛紛尋找廉價替代燃料,如煤焦油、發(fā)生爐煤氣等。隨著近年對石油焦利用研究的發(fā)展,石油焦由于在替油燃料方面的優(yōu)越性進(jìn)入了玻璃企業(yè)的研究視野。石油焦是煉油廠延遲焦化的產(chǎn)物,具有熱值高、揮發(fā)分低等特點(diǎn),其灰分一般僅為0.1%~0.3%,在火焰的清潔度和燃料熱值方面能夠很好地接近重油燃燒的效果,更為重要的是燃料級石油焦價格目前僅為重油價格的1/4~1/3,是一種相對廉價的替油燃料。近年來國內(nèi)石油焦產(chǎn)量逐年增長,2002年全國石油焦總產(chǎn)量452萬t,到2005年全國石油焦總產(chǎn)量達(dá)到了964萬t,平均每年以20%的比例增長,其中近75%為含硫量較高的燃料級石油焦。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長和對能源需求的增加,以及原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化和原油深度加工技術(shù)的發(fā)展,燃料級石油焦產(chǎn)量增長的情況將進(jìn)一步持續(xù),這為石油焦應(yīng)用于玻璃熔窯提供了一種潛在的能源儲備。目前高硫石油焦的利用方式主要有與煤混燒,在循環(huán)流化床、小規(guī)模立式水泥窯中燃燒,制成油焦?jié){或水焦?jié){間接燃燒等方式,而對于石油焦粉直接燃燒應(yīng)用于玻璃熔窯中的方式,國內(nèi)相關(guān)的研究報(bào)道較少。本文在充分考慮石油焦特性的基礎(chǔ)上,提出了玻璃熔窯中采用石油焦粉直接燃燒代替重油燃燒的建議,并對其應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)難題提供了參考方案,為玻璃行業(yè)尋找替油燃料進(jìn)行了一種積極的探索。1在玻璃熔備區(qū)直接燃燒石油焦粉的適用性1.1重油燃燒玻璃熔窯玻璃熔窯對窯內(nèi)溫度、火焰長度、火焰清潔度等有較為嚴(yán)格的工藝要求,熔窯內(nèi)溫度一般維持在1500℃左右的范圍內(nèi)。為了保證玻璃液的清潔和玻璃的白度,玻璃熔窯大多以低灰、高熱值的重油作為主要加熱燃料;且重油燃燒采用高效霧化噴嘴,燃料可充分細(xì)化并和空氣接觸,這既提高了燃料燃燒效率,又減少了黑煙現(xiàn)象的產(chǎn)生,其燃燒調(diào)整也較為靈活。因此可應(yīng)用于玻璃熔窯中的替油燃料必須滿足高熱值、低灰分、易點(diǎn)燃、高燃盡率和調(diào)整靈活等技術(shù)和工藝要求。1.2原料組成對灰灰熱值的影響石油焦熱值較高,約為30~36MJ/kg,灰分極低,一般僅為0.1%~0.3%,揮發(fā)分為10%左右,碳含量占90%左右,燃料的活化能為151~167kJ/mol。表1所示為高硫石油焦和重油、煤粉、木粉等燃料的元素分析和工業(yè)分析對比,其中石油焦、煤粉及木粉數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)室采集的樣品,重油則采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。通過表1的數(shù)據(jù)可以看出,石油焦和重油的碳?xì)湓睾渴纸咏?而碳?xì)湓卦谌剂现械谋戎貨Q定了燃料的熱值等級。相對于煤、生物質(zhì)燃料、水煤漿等燃料來講,石油焦熱值非常接近重油的熱值;另一方面石油焦和重油都屬于低灰分燃料,表中石油焦灰分約為0.18%,而重油灰分約為0.001%,比較煤粉等燃料,石油焦在灰分方面更容易滿足玻璃熔窯的工藝要求。從表中還可看出,重油主要以揮發(fā)分的燃燒為主,因而著火迅速,容易點(diǎn)燃;而石油焦主要以固定碳的燃燒為主,石油焦固定碳占到了87.1%,其燃燒特性類似于無煙煤,在常溫下難以點(diǎn)燃,因此在采用石油焦粉直接噴燃時,必須采用特殊的技術(shù)措施使固定碳顆粒充分加熱和熱解,經(jīng)過合理配風(fēng),使石油焦粉快速點(diǎn)燃和燃盡。與石油焦粉直接燃燒應(yīng)用于玻璃熔窯相比,煤、生物質(zhì)燃料、水煤漿或油焦?jié){等燃料在應(yīng)用于玻璃熔窯時存在很大的限制。煤含灰分較多,熱值相對石油焦來說也較低,對于玻璃熔窯中低灰的工藝要求難以滿足,其主要應(yīng)用在鍋爐、加熱爐等燃料潔凈度要求較低的領(lǐng)域中。生物質(zhì)燃料熱值低,而且燃料分布密度低、具有季節(jié)性特點(diǎn),收集困難,在量上很難保證供應(yīng),因此難以在玻璃熔窯上代替重油。有文獻(xiàn)報(bào)道水煤漿應(yīng)用于陶瓷窯爐代替重油,但主要局限于噴霧干燥塔來干燥物料,玻璃熔窯應(yīng)用水煤漿替油仍然存在一些限制,如水煤漿制備需要揮發(fā)分較高的優(yōu)質(zhì)煤種,其灰分隨煤種的不同而變化,但都較高,而且燃燒溫度低,難以滿足玻璃熔窯中低灰、高溫的工藝要求。相對于其他替油燃料,石油焦粉和重油在化學(xué)特性和燃燒特性方面更具有接近度,作為重油的替代燃料是較為合適的。2助燃空氣技術(shù)石油焦粉雖然存在很多優(yōu)點(diǎn),但在玻璃熔窯中代替重油燃燒時,有著一定的問題。主要有:(1)石油焦燃燒特性與無煙煤類似,常溫下難以點(diǎn)燃和燃盡,常規(guī)燃燒會帶來很多不完全燃燒物,造成未燃焦炭含量過高而影響玻璃液白度;(2)石油焦含硫、氮量較高,產(chǎn)生的二氧化硫和氮氧化物如不處理會對環(huán)境產(chǎn)生酸雨等危害;(3)石油焦資源主要集中在石油煉化企業(yè),其產(chǎn)量難以完全滿足替油市場巨大的需求量,因而在應(yīng)用于玻璃熔窯時不能一擁而上,否則燃料的穩(wěn)定供應(yīng)和儲備問題將直接影響其生產(chǎn)。上述問題必須在玻璃熔窯替油改造中予以考慮和解決。2.1石油焦快速著火、燃盡的技術(shù)措施2.1.1高溫空氣燃燒技術(shù)。石油焦的燃燒特性接近無煙煤,在常溫下難以點(diǎn)燃和燃盡,無穩(wěn)定熱源時容易熄火,采用石油焦粉高溫空氣燃燒技術(shù)可以有效解決這個技術(shù)難題。石油焦高溫空氣燃燒的主要原理是通過提高二次風(fēng)溫度,也即助燃風(fēng)的溫度,通過合理配風(fēng)和對燃燒器的優(yōu)化,縮短石油焦的著火時間,提高焦炭顆粒的燃燒速率,使石油焦粉快速點(diǎn)燃并燃盡,并保持穩(wěn)定的燃燒。文獻(xiàn)進(jìn)行了石油焦燃燒特性的熱重分析后發(fā)現(xiàn),隨著石油焦升溫速率的增大,石油焦達(dá)到著火溫度和燃盡溫度的時間大大縮短,因而石油焦采用高溫空氣燃燒技術(shù)對其快速著火和燃盡是非常有利的。目前在浮法玻璃制造工藝中,為了使燃料著火迅速,很多都配置了蓄熱室以提高助燃空氣的溫度,助燃空氣溫度可以達(dá)到800℃以上,這為石油焦粉高溫空氣燃燒提供了可靠的熱源保證。2.1.2富氧燃燒技術(shù)。增加助燃空氣中的氧含量是另外一個解決措施。在助燃風(fēng)的氧濃度增加時,燃料的著火溫度降低,火焰溫度會迅速上升,燃燒區(qū)整體溫度的升高將會加速石油焦粉的燃燒過程,對熱效率的提高非常有利。但是富氧燃燒會導(dǎo)致火焰尺寸的減小和火焰結(jié)構(gòu)的改變,需要優(yōu)化設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化配風(fēng),保證其滿足玻璃熔窯的加熱長度等工藝要求。目前平板玻璃熔窯生產(chǎn)工藝中有一部分從空氣中分離出來的氧被排空,這部分氧氣正好可加以利用,而且已經(jīng)有比較成熟、廉價的膜富氧分離等技術(shù),富氧空氣的來源也將得到保證,同時成本不會太高。富氧燃燒技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)多家燃油熔窯上進(jìn)行了應(yīng)用嘗試,取得了較好的節(jié)能效果。但目前還沒有比較成熟的石油焦粉燃燒器,參考國內(nèi)外對無煙煤燃燒器的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用于玻璃熔窯的焦粉燃燒器可參考多通道煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu),同時根據(jù)燃料燃燒特性優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.2石油焦粉燃燒的污染物排放治理燃料級高硫石油焦中的硫分一般在3%~3.5%,直接燃燒會產(chǎn)生大量的硫氧化物。對于硫氧化物的處理,目前在煤燃燒領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的技術(shù)有:(1)燃燒前脫硫,如洗選、磁選等物理處理技術(shù),燃煤洗選可將含硫量降低40%;(2)燃燒中脫硫,主要是在燃料中添加石灰石、生石灰等固硫劑,從而在燃燒中形成硫酸鹽實(shí)現(xiàn)固硫;(3)燃燒后的煙氣脫硫技術(shù),包括石灰石-石膏脫硫、旋轉(zhuǎn)噴霧半干法、海水煙氣脫硫、活性炭煙氣脫硫、電子束照射煙氣脫硫等技術(shù)。通過燃料中元素賦存形態(tài)的分析,煤中的硫主要以硫鐵礦等無機(jī)硫的形態(tài)存在,石油焦中大部分硫與碳鍵結(jié)合,存在于噻吩等高穩(wěn)定性的有機(jī)化合物中,如采用燃燒前脫硫方法,常規(guī)的分選、浮選等物理方法難以脫除,目前處于研究階段的化學(xué)脫硫法和生物脫硫法可將有機(jī)硫和無機(jī)硫同時脫除,但其成本較高,還需要進(jìn)一步研究;燃燒中添加脫硫劑的方法由于會產(chǎn)生較多的硫酸鹽類灰渣,單獨(dú)使用也不太適用于玻璃熔窯;燃燒后的煙氣脫硫技術(shù)可在不影響玻璃熔窯生產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)較高的脫硫率,可以應(yīng)用在玻璃熔窯中。綜合考慮脫硫成本和脫硫效果,采用多種脫硫技術(shù)相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)石油焦的高效脫硫是比較合適的。對于氮氧化物,如采用高溫助燃空氣,必須對燃燒場進(jìn)行合理組織和優(yōu)化,造成局部的高溫低氧燃燒氣氛,從而可以起到減少氮氧化物排放的效果;如采用富氧燃燒技術(shù),可通過優(yōu)化配風(fēng)、協(xié)調(diào)助燃劑和燃料噴入速度差等方式進(jìn)行改進(jìn),必要時還可聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氮氧化物的綜合治理和減排。2.3石油焦粉代替重油燃燒的供應(yīng)、輸送等其他問題石油焦粉代替重油燃燒在部分地區(qū)可能會存在穩(wěn)定供應(yīng)、輸送等其他問題。對于燃料供應(yīng)而言,國內(nèi)高硫石油焦主要集中在采用延遲焦化裝置的石油煉化企業(yè),具有一定的區(qū)域性。考慮到燃料的產(chǎn)量和運(yùn)輸成本的問題,平板玻璃企業(yè)如果一擁而上地采用石油焦代替重油,會產(chǎn)生成本過高、燃料難以穩(wěn)定供應(yīng)和短缺等問題,建議靠近高硫石油焦產(chǎn)地附近的部分玻璃企業(yè)可以和石化企業(yè)簽訂供應(yīng)合同,采用就地取材的方式減少運(yùn)輸成本,同時可以考慮積極進(jìn)口國外低價高硫石油焦,以保證石油焦燃料的穩(wěn)定供應(yīng)問題。在采用石油焦粉直接噴燃的方式組織燃燒時,需要將石油焦制備成石油焦粉,石油焦常溫可磨系數(shù)(哈德格羅夫硬度指標(biāo))約為73.6,屬易破碎和磨細(xì)燃料。與煤粉相比,其灰分、金屬含量極少,含碳量在90%左右,因而不易造成磨損。文獻(xiàn)對武漢石化100~200目石油焦粉進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),粒徑越大,會造成顆粒比表面積縮小,從而降低燃料的最大燃燒速率和燃盡溫度,因而石油焦粉的粒徑越小對燃燒越有利。但是制粉電耗會隨著粒度的減小而增大,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)采用優(yōu)化措施,在保證石油焦粉粒徑滿足燃燒工藝和經(jīng)濟(jì)性的條件下,越細(xì)越好。對于石油焦粉的穩(wěn)定輸送問題,可以參考燃煤電廠中煤粉的輸送技術(shù)解決,采用合適的輸送工藝后也不易造成堵塞。圖1所示為石油焦粉制備和輸送裝置原理圖,可作為參考方案實(shí)施。3燃料成本節(jié)約應(yīng)用石油焦粉直接燃燒代替重油燃燒帶來的經(jīng)濟(jì)效益是較為可觀的。石油焦價格目前約為重油價格的1/4~1/3,以某平板玻璃企業(yè)一條日熔化量900t的玻璃熔窯生產(chǎn)線為例,重油消耗量為136t/d,年消耗重油達(dá)49640t,按2006年2200元/t重油保守價估計(jì),每年的單條生產(chǎn)線燃料費(fèi)用達(dá)到10920.8萬元;相比較而言,2006年高硫燃料型石油焦價格約為700元/t。以前面比較的石油焦和重油樣本為例,理論上1t石油焦可代替約0.8t重油。對某平板玻璃企業(yè)日熔化量900t的玻璃熔窯生產(chǎn)線來說,每年消耗的重油如完全采用石油焦替代,燃料成本可降低約60%,產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益6500萬元以上,剔除投入的脫硫等污染治理費(fèi)用,其生產(chǎn)成本仍然可以節(jié)約30%以上。玻璃行業(yè)2004年全國運(yùn)行中的生產(chǎn)線約有124條之多,240t至900t的有118條,絕大多數(shù)以重油為其燃料,隨著平板玻璃行業(yè)的不斷發(fā)展,大容量的生產(chǎn)線比例將進(jìn)一步增加,在能源價格不斷上漲的形勢下,其能源成本將非常嚴(yán)峻。若部分玻璃熔窯能采用石油焦直接燃燒代替重油,則會對玻璃企業(yè)節(jié)能降耗產(chǎn)生積極的意義,因而石油焦作為重油的替代燃料在經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。4解決石油焦燃燒和燃燒的問題石油焦是一種可以應(yīng)用在平板玻璃熔窯中的替油燃料,可以滿足平板玻璃熔窯的加熱工藝要求,對我國玻璃行業(yè)的節(jié)能降耗工作有著十分積極的作用。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中,需要考慮以下問題:(1)建議采用石油焦粉高溫空氣燃燒