天然气锅炉窑炉节能技术

   1.工业窑炉、锅炉一体化节能方案核心技术----天然气增效剂
节 能增效技术主要原理基于天然气增效剂的强效增效作用，其核心技术是天然气增效剂中催化剂的催化氧化作用。天然气增效剂由能释放大量热值的高能物质组成，具 有降低燃气活化能，进而催化氧化反应、助氧燃烧、促混作用、提高热值等多种功效，能有效促进天然气氧化反应速率，改善燃烧反应活性，提高热能利用率，进而 达到充分燃烧节省能源的目的。节能加剂装置根据天然气的流量按照0.5%的比例自动添加增效剂，使天然气与增效剂有机混合起来，使增效剂的分子均匀分散在 天然气中，加快燃烧速度、提高燃烧温度、缩短燃烧 时间，有效的节省天然气。

天然气增效剂的增效原理

(一) 增效剂中的催化剂降低燃气活化能作用。天然气在空气或氧气中燃烧放热反应的实质是天然气分子与氧气分子发生氧化反应。由于增效剂的存在，使得C-H 键的键能降低，从而起到催化天然气分子与氧气分子发生氧化反应的反应速率，改善化学反应速度，实现有效的催化燃烧。

(二) 提高热值作用。增效剂组分中大部分成份是能燃烧并释放高热量的物质。因此，增效剂会起到氧化燃烧提高燃气的总热值。

(三) 助燃作用。增效剂中的助燃剂分子可以促进天然气分子与氧气分子的相互接触（碰撞）的作用，从而促进天然气的氧化燃烧反应。

(四) 促混作用。增效剂中的气体扩散剂能够提高燃气的扩散掺混性能，改善天然气与氧的混合速度和混合率。

(五) 通过适度添加辐射改进剂，改变燃烧时火焰频率及波长、激活燃气, 抑制火焰的热辐射。使燃气在燃烧过程能放出更多的能量。

增效剂节能的工艺说明

一、节能装置根据天然气的流量按照0.5%的比例自动添加增效剂，使天然气与增效剂有机混合起来，使增效剂的分子均匀分散在天然气中，加快燃烧速度、提高燃烧温度、缩短燃烧时间，有效的节省天然气。

二、天然气增效剂主要技术参数

  1. 弹筒热值：43.42mJ/kg

  2. 铜片腐蚀：la级。机械杂质：无

  3. 尾气硫含量：0.06%

  4. 爆炸极限：2.3%-12.5%

  5. 燃烧后一氧化碳含量：TWA:0.13mg/m³.STEL:0.32 mg/m³

  6. 燃烧后二氧化碳含量：TWA:625mg/m³.STEL:1274 mg/m³

  7. 燃烧后二氧化硫含量：TWA:<0.13mg/m³.STEL:<0.13 mg/m³

  8. 燃烧后磷化氢含量：MAC:<0.10

2.工业窑炉一体化节能方案的主要技术——富氧助燃   

通常空气中的氧的体积含量为21 ％、氮为79％及少量的惰性气体等，富氧助燃是将空气中的氧气浓度通过富氧设备提高到30%左右，减少热损失和提高燃烧效率。理论和实践也充分证明富氧助燃具有明显的节能与环保效应。

富氧助燃技术的节能机理

（1）因富氧助燃而强化了燃料的燃烧，使燃料充分释放了所有的热量，提高燃料的燃烬率，从而节能。

（2）因富氧环境而减少燃料的热损失，提高了燃烧系统的升温速率，从而节能；

（3）因富氧环境，对于可适当提高工艺火焰温度的燃烧系统来说，如锅炉、窑炉因富氧环境可有效的提高炉内火焰温度，有效的改善了炉内火焰的热传递效率，从而节能；

（4）因富氧环境可有效的提高火焰黑度，改善传热效率，提高热量利用率，从而节能。

（5）因富氧环境可有效的减少炉内过剩空气系数，减少燃烧后的烟气排放量，减少排气热损失，提高热效率，从而节能。

（6）因富氧环境可降低燃料燃点温度，提高火焰强和增加释放热量等，从而获得更宽泛的燃料选择范围，同等条件下可利用更加劣质的燃料或者替代燃料。

富氧燃烧技术的发展和应用

国外发达国家早在上个世纪60年代就已开始了应用低浓度富氧气体的工业窑炉富氧燃烧（OEC）的研究，近代工业窑炉的富氧燃烧技术也有了新突破，他们将这 项技术称之为”资源创新技术”。今天这项技术已经在发达国家的工业燃烧的各个领域开始应用，取得了明显的节能、环保效果。在国外富氧助燃技术不仅取得了良 好的效果和普遍应用，同时也成为改善工业炉燃烧条件、增加产品产量、提高产品质量、改善工艺条件等的的最佳选择。例如在玻璃熔化炉、石灰窑、冲天炉、锻造 加热炉、水泥生产窑、耐火材料生产窑、砖瓦窑以及其它各种工业窑炉、锅炉应用等。 

应用高浓度氧气助燃已经在国内外钢铁冶炼等领域得到了普遍应用。但高浓度富氧气体应用在普通的工业窑炉（金属热处理、陶瓷窑炉、锻造加热炉等）时因其制氧 成本太高，应用方式受到了限制等，使得这一技术一直没有得到很好的应用和推广。国外一些知名企业虽然瞄准中国节能市场，但所承接的富氧助燃技术项目多是以 建立氧气站，后续租赁或购买氧气为前题。例如少数玻璃厂等。 

但是至今为止，低浓度富氧助燃技术国外的相关技术的应用对我国还是采取不转让政策，致使我国对这一技术的“应用”步伐远远落后与发达国家。国内虽然早已有 人在研究， 但报道及实践还是限于研究和不深入当中，虽然近期国内富氧燃烧技术项目应用开始得到了更多的关注，但因设备制造，特别是窑炉应用技术因素制 约，富氧技术推广和应用的产业化进程并不理想。

富氧助燃技术及设备系统

1.为研究和实践富氧应用技术，我公司特在企业内专门自建了一台工业加热窑炉,以用于各种气体燃料在增效和富氧助燃技术分别进行在梭式窑和隧道窑的模拟实践。

2.在这台专用窑炉上，可以实践各类气体各类燃烧器应用增效剂和富氧技术在不同工况条件下的特性。这正是同类企业所不具备的优势。

3.自建的窑炉帮我们在研究和实践过程中收集和整理了如增效剂的添加比例、富氧气体浓度、富氧气体配比流量、富氧气体专用燃烧器（烧嘴）结构、富氧烧嘴对炉壁温度的影响、烟气流量变化、烟气成分、烟气温度等对节效果及窑炉烧结工艺的的影响等大量各种数据。

帮助我们验证和总结出了如下体会：

（1）在不同的富氧气体浓度和流量情况下，每增加1%的富氧气体浓度，烟气排放量会明显减少（＞4%）。特别是在增加10%左右的理论助燃风量的富氧气体之后，实际减少了大约30%的实际排烟量及排烟热损失。

（2）在不改变原烧结工艺的条件下（温度、时间及升温曲线），应用富氧助燃技术可以实现以加快燃烧速度、促进燃料燃烧完全、减少排烟热损失目的。

（3）运用对富氧助燃技术分别在梭式窑和隧道窑（台车窑）的模拟实践，取得了节能10—15%以上的节能综合效益。

（4）以天然气、液化气为燃料加热炉实施富氧技术后，火焰强度增加，热传递速度加快，实际火焰长度有所变化——加长。

（5）专利燃烧器烧嘴的结构对火焰长度，强度、色泽等对富氧助燃影 响效果十分明显。（作为配套改造的另一项关机技术改造为——专利燃烧器技术改造。）

（6）在这座实验窑炉上，也让我们掌握了增效剂添加量和富氧量与各种燃气配置的最佳性价比范围。

（7）在这座窑炉上可以实现对各种工况条件的模拟，同时在我们实际改造过程中可以根据用户使用不同烧嘴工艺特点，改进或配装更适应用户窑炉工艺需求的富 氧烧嘴。

（8）我公司负责人及富氧研究技术带头人对各种工业窑炉的设计、制造、调试有独到技术和实践优势。在工作中勇于探索，精益求精，是技术成功的最佳保障。

 膜法富氧燃烧技术简介：

• 所有薄膜对气体都是可以渗透的，只不过渗透的程度不同而已。

• 气体膜分离技 术也是利用渗透的原理,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“膜两侧的该气体分压差”，利用混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，从而达到气体分离、回收、提纯（氧气）气体的目的。

板框式膜组件的特点：

分别以卷式膜组件与板框式膜组件对比说明：

板框式膜组件的特点：

膜法富氧技术的关键技术之一是膜组件的生产和组装。企业生产膜组件结 构为板框式结构，与通常所用的 卷式膜结构最大的区别就是：

（1）有较大的空气流道，更适合在空气质量环境较为恶劣的工业生产现场使用。

（2）卷式膜组件为了克服空气流阻力， 需整体设置高压风机，而板框式膜组件自配排废风机，运行能耗较低；

（3）容易实现撬块式组装，可根据企业实际需要和场地空间，实现现场堆积、扩展化改造模式。

富氧膜及配套技术

（1）富集富氧的关键技术——富氧膜采用的是国外技术和材料；关键配套辅料采用全进口材料或外资独资企业生产的品牌，保证系统整体质量优良和使用寿命。

（2）板式膜组件为目前国内唯一的在用生产工艺，适用于工业生产环境使用。

（3）配套实施专利技术——燃烧器改造。

（4）配套使用的是西门子公司生产的水环真空泵。

（5）设备系统使用为一键式启动，系统配套PLC控制及显示，全自动控制。

（6）设备除定期更换空气过滤网外，基本没有易损原件；运行中除正常定期保养巡视外，可实现无人值守。

（7）设备系统为撬块式组装，可满足实现局部改造、扩展性改造需要。

（8）系统改造周期短，见效快，回收期短。

与同行、同类技术改造优势对比

（1）我们重视与高等院校——清华大学、东北大学等顶尖人才交流。

（2）我们生产的的富氧设备解决了众多的诸如富氧气体分离平衡、降低设备整体功耗、解决动力设备升温、解决设备噪音、燃烧器喷嘴配套等同行企业没有克服的难题。

（3）我们专有的富氧板式膜结构更适用于各种恶劣的工业环境条件下使用。

（4）我们独有的富氧燃烧技术使得所承接的节能技改项目——富氧设备系统电耗最小（功耗为同类设备功耗的40%左右）。

（5）拥有技术理念先进、熟悉工业炉窑结构及运行特点，敢于创新的科学领头人和实践者。

在富氧助燃技术方面所取得的成果和关键技术包括：

•富氧设备模块化、系列化生产专利技术；

•富氧空气流的配送专利技术；

•专用（专利）富氧燃烧器——喷嘴的设计制作技术；

 根据制品热加工工艺对火焰形状、燃烧工艺气氛等要求，设计燃烧器烧嘴等；

 根据制品热加工工艺气氛要求，调节助燃气体流量、压力等；

•富氧制取动力设备冷却专利技术；系统供氧压力控制、浓度控制、安全保障、专利技术等。

3.工业窑炉、锅炉一体化节能方案的主要技术——烟气余热回收

    例 如：井口加热炉的排烟温度一般为150°左右，大量的热量随烟气排放，烟气排放是加热炉热损失的主要部分，约占整体燃烧发热量的20-30%左右，也是造 成加热炉热效率不高的主要原因。为此，余热利用有着很大的空间。我们应用的余热回收技术是热管换热器技术。结合油田井口加热炉的实际工况特点，要求余热回 收装置满足下述条件：

1、所设计制造的余热回收装置要简单可靠，耐用性强。为了减少现场工作量，要求余热回收装置能垂直安装在烟囱出口位置，直接将烟囱法兰拆卸后安装余热回收装置，然后再恢复烟囱安装。

2、由于回收的余 热除加热炉本体外无其它用途，所设计制造的烟气余热回收装置要求直接用来加热现场的油、水混合物。就是说，现场井口来的油、水混合物先进入余热回收装置加 热，然后再进入加热炉盘管进行加热，需要注意的是，油气水混合物为易燃物质，在设计制造余热回收装置时，要充分考虑到安全。

3、要求将加热炉的排烟温度降低到60℃左右，以便利用烟气中水蒸气的汽化潜热来加热被加热介质。

4、要求余热回收 装置考虑到烟气温度降低后，烟气中具有腐蚀性的冷凝水对烟道和加热炉本体的腐蚀性问题。因此，热管余热回收器采用防腐级别较高的不锈钢制作，做到设备本身 的防腐和耐用性，且在设计余热装置时已经预留了冷凝水排出口，烟气降温后产生的冷凝水实时排放，很好地解决了腐蚀问题。下图为设计图：

对应图中标号：

1、被加热介质出口

2、被加热介质加热罐

3、热管放热端

4、被加热介质进口

5、烟气出口

6、烟气通道

7、热管吸热端

8、烟气进口

9，冷凝水自动排放阀

余热回收装置通过 热管技术，将烟气通道和被加热介质通道完全隔开，避免了安全隐患。如图所示，余热回收装置的被加热介质加热罐2 通径很大，完全可以实现将加热炉被加热介 质先进入被加热介质加热罐2 加热后再进加热炉原来盘管进行加热，突破了常规烟气余热回收装置只能用于采暖的技术瓶颈。右图为热管余热回收器的安装流程：

如上图所示，烟气节能器安装在加热炉烟囱出口位置，对加热炉本体不做任何改动。安装好烟气余热回收装置之后，再将被加热介质（原油、污水或则油气水混合 物）引入烟气余热回收装置进行加热，被加热介质在烟气余热回收装置中加热之后，再进入加热炉中盘管进行加热。通过这一流程，被加热介质已经预先被烟气余热 加热到一定的温度（升温10—20°），有效的利用了烟气余热，提高了加热炉热效率。该装置可普遍用于各式加热炉，适用性强，节能效果明显，玉门油田已经 应用25套，经检测，节能率为8%以上，非常具有推广价值。

4.工业窑炉、锅炉一体化节能方案的主要技术——超导涂层

高发射 率 高温环境下辐射传热效率与发射率的关系密切,发射率是决定辐射传热效率高低的关键指标，同时高发射率又是高吸收率。通常用表现出具有高发射率的物品， 处在低温时吸热较快，处在高温下散热 很快，一般材质的发射率为了0.5左右，而热超导陶瓷涂层为了0.94。

高热导率 高温下的钢铁在吸收热量后需要传递到介质当中去，而这个传递的速度决定于材质的热导率，由于高温下钢铁氧化，产生氧化层，氧化层热导率通常为0.035W.M/K,而热超导陶瓷涂层热导率为9-12W.M/K,这大大加快了热量的传导。

    抗氧化和抗沾污结渣 化石能源在燃烧过程中产生热量的同时也会有灰渣，灰渣附在钢铁表面会阻止热量传递，而热超导陶瓷涂层既防止氧化腐蚀也防止结渣。将热 超导陶瓷涂料涂在以钢铁换热的向火面可综合性实现热超导,大大减少了在传热过程中的损耗,这个技术可从源头实现节能,同时也节能减排的关键共性技术。

使用方法及适用范围：

1.钢铁换热的向火面基材，如锅炉金属炉管，窑炉的耐火炉衬，发热元件表面；

2.锅炉、窑炉的炉膛内受热面及换热面基材；

3.中石油、中石化、电力钢铁、 冶金有色  纺织印染等各行业；

4.所有有锅炉及窑炉的企业均可以适用。

通常使用热超导陶瓷涂层后锅炉的热效率会提高到90%或以上,而一般的中小工业锅炉效率在65%-85%之间.也就是可提升效率至少5%左右。

观测炉膛温度前后变化,通过同一负荷和同一燃料下炉膛温度差值确定节能量.根据燃料类别及测算标准进行节能计量，如炉膛温度每下降5℃节能1%。一般情况下，使用这种涂料的锅炉，炉膛温度下降20°-30°左右，节能率约为5%左右。

喷涂部位演示：

该技术已经在大唐集团、华电集团等全国30余家大型电厂锅炉上得到应用，取得了良好的节能效果；2012年12月中石油辽河油田（SAGD区块），针对稠 油热采注汽（23t/h，18MPa）辐射段加热炉管喷涂陶瓷涂层；应用效果：提高安全性，加强传热，抗沾污结渣，耐腐蚀，减排NOx达15%，节能 8.3%。

5.工业锅炉一体化节能方案的主要技术——加热炉在线清洗

加热炉由于常年运行，且部分地区没有条件加注软化水，致使炉内水套内壁和导热盘管上结垢较厚，严重影响到导热性能，致使锅炉出力下降，热效率不高。据科学 检测得知，炉内壁水套的结垢每增加1mm,锅炉的热效率下降2%，为此，须清除炉内的结垢，并在锅炉水循环管路上加装电磁离子阻垢器，阻止新的结垢产生。

使用锅炉在线除垢剂高分子聚合物产品。除垢是在锅炉的运行中进行的;可分散并溶解积垢,同时阻止新积垢的形成.在炉内不发生化学反应,不分解,只要有足够的浓度,就可以充分发挥作用,分散的积垢随排污排出锅炉,不影响锅炉的运行，做到真正意义上的在线除垢。

电磁离子阻垢器，是利用电磁离子发生装置产生大量的带有电极性的离子，与水中的钙、镁、硅离子发生反应，使之不发生沉聚反应，阻断结垢的形成，保持锅炉常的出力。所以，锅炉的结垢问题彻底解决，对锅炉节能效果起到了有效的辅助作用。

我公司从国外引进的这项技术---防爆复合型防垢仪已经在华北油田、东营油田安装100多个案例，经中国石油大学检测，防垢率超过90%，增加原油产量10%-30%，延长油井热清洗周期5个月以上。

6.工业窑炉一体化节能方案的主要技术——蓄热式烧嘴

蓄热式烧嘴（RCB）蓄热式烧嘴是一种通过蓄热球从窑炉烟气中回收热量来预热空气以此达到交替燃烧均匀加热目的的烧嘴。蓄热式烧嘴主要应用于工业燃气加 热 领域，以低NOx排放，很高的燃烧热效率著称。它是继自身预热式烧嘴后的又一大技术进步。近年来，在英国，西欧，北美，澳洲和日本等地作为节能技术核 心广 泛传播和示范推广，应用于锻造炉，热处理炉，金属熔化炉和玻璃池窑等。

一套蓄热式烧嘴系统至少包括两个烧嘴，两个蓄热器，一个热能回收系统以及相应的控制装置。烧嘴和蓄热器可根据现场实际情况直接连接在一起或选择用耐火材料浇注的管道连接在一起。

当一个烧嘴利用蓄 热器里的热空气进行燃烧时，另一个烧嘴起到一个排烟口的功能，利用抽烟风机抽出炉子里的热空气通过 烧嘴到蓄热器里进行蓄热。当热量蓄足后，蝶阀动作，转 换两个烧嘴的功能。每当一个烧嘴在燃烧时，则另一个在帮助蓄热器蓄热。在热交换中，管道中的废气温度 通常在100-150℃，因而不管是蝶阀还是抽烟风机均能长期安全可靠的工作。正确地安装和选用蓄热式烧嘴可成功地节省能源30%，提高燃烧效率95%

一体化节能改造案例应用改造前提和条件

本技术改造尽量减少对企业现有生产的影响。安装增效剂加剂机停炉时间短，一般不超过4个小时；配置的富氧设备及系统为撬块式结构，可与增效剂加剂机分开施工，设备安装过程中不影响企业正常生产，不需停炉。

改造仅为系统助燃风局部富氧配风系统，不改变窑炉主体结构。改造中涉及的燃烧器改造需要在整体管路系统安装完成后，在得到企业对节能效果初步认可的前提下逐一、按顺序的对燃烧器烧嘴实施更换或改装。

改造所需的专用加剂和供风系统与控制系统相对独立，系统启动或停运都不给原生产工艺带来影响或造成生产损失，不影响产量和产品质量；

改造中以促进燃料燃烧完全、减少系统整体排烟量、减少系统热损失为目的。

保证原生产工艺温度、工艺时间、工艺曲线、生产产量、加工件产品质量不受影响。

改造效果：

●项目实施前后，企业窑炉系统配置的燃气流量表做了标定和记录。

●按照历年同期生产情况记录，实施增效富氧节能技术改造后，节能效果显著，单台窑炉平均每天节省燃气1000立方米以上。

●改造实施前后，聘请了北京市节能环保中心对窑炉运行状态进行监测，同时也对本项目做了评估。

●经过检测，项目综合节能效果：12.21%。

●企业根据历年数据考核：节能效果14.4%。

工业窑炉、锅炉一体化节能方案市场前景

中国的工业窑炉、锅炉节能环保技术产品在近几年已经有了很大的发展，但能力利用总水平不高，仅相当于发达国家20世纪五六十年代的水平。工业窑炉的热效率平均不到30%，而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。

根据国家有关资料记载，我国现有各种工业窑炉、锅炉数量达60多万台，大部分用能企业都面临着节能减排技术改造的任务，对于我们节能行业可谓市场潜力巨大，风险机会并存。

目前在全国各地的 工业蒸汽、热水、供暖锅炉以及玻璃、陶瓷、水泥、建材、回火、加热等工业窑炉，现在大部分已经在使用天然气，因为工业耗气量大，已成为企业产品成本中的主 要费用，降低天然气费用是每个企业都关心的事情。因此，我们面对一个基本空白的天然气节能市场，需要整合资源，携手有志人士，共同开发，互惠双赢共创辉 煌。  

国家有关部门统计资料显示：

• 我国工业窑炉数量约有14万台，其中陶瓷窑炉15000余条生产线（并每年新增500条生产线）；玻璃窑5000余座；金属热处理窑炉10000座（天然气窑炉每年新增500座）；耐火材料生产窑炉5000余座。

• 拥有工业窑炉的耗能企业，其工业窑炉耗能量约占到本企业耗能量的50％以上，有的企业甚至更多。陶瓷、玻璃生产企业其工业窑炉耗能量，有的企业甚至占到80％以上。

• 在能源短缺和环境污染的双重压力下，中国的工业窑炉节能环保技术产品在近几年虽然有了很大的发展，但工业窑炉能源力利用总水平不高，仅相当于发达国家20世纪五六十年代的水平。工业窑炉的热效率平均不到30%，而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。

• 实施富氧节能技术改造的窑炉节能效果显著，将成为未来最具发展前途的节能技术项目，他的成功开发将为社会带来可观的效益。

应用范围

用于以气体燃料为主的工业窑炉，如：

•  用于陶瓷生产企业的梭式窑、隧道窑、辊道窑等；

•  用于玻璃工业窑炉的横焰窑、马蹄焰窑、纵焰窑等；

•  用于耐火材料生产的隧道窑、梭式窑、倒焰窑等；

•  用于工业热处理企业的隧道窑、台车炉、辊底炉、链式炉、井式炉、振底炉 ；

•  用于金属热加工工艺的锻造炉、加热炉、均热炉等；

•  各种燃气工业锅炉。