摘要：簡要介紹了玻璃纖維行業的基本情況和純氧燃燒技術，對變壓吸附制氧的發展、工藝原理以及特點作了簡單分析，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，維護方便等優勢使其在玻纖池窯純氧燃燒方面逐漸占有重要地位。

關鍵詞：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纖維以及絲狀物，是一種具備良好性能的無機非金屬材料。隨著行業研究的深入與發展，工藝水平逐漸提升，產品種類也逐漸增多，玻璃纖維成為金屬材料非常好的替代材料，具備很多優點，如較高的機械強度，優良的耐熱性，隔音效果好，抗腐蝕性強，吸水性小，價格較為便宜等，因此在建筑材料、環境保護、醫學、電子、交通等領域得到廣泛應用。

玻璃纖維的主要生產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行拉絲，該工藝能耗較高、工藝相對復雜、產品品質不好控制，生產率較低。目前大型玻纖企業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，送至多孔漏板進行高速拉絲，該工藝較為簡單，產量大，易于大規模自動化生產，該工藝目前是玻璃纖維生產的主流工藝。

玻璃纖維生產上熔化所需要的熱量是通過燃料燃燒來提供，傳統燃燒利用空氣中21%的氧氣作為助燃氣，空氣中78%的氮氣不參與燃燒，但是會被加熱造成能源浪費，且高溫氮氣易與氧氣反應生產NOx氮氧化物，會對大氣造成嚴重污染。所以為了減少環境污染，提高燃燒效率，利用高純度氧氣（≥90%）作為助燃氣的純氧燃燒技術應運而生，同時通過空氣分離獲得高純度氧氣的生產技術也在玻纖行業得到了廣泛運用。下面我們會重點介紹純氧燃燒技術，以及提供高純氧氣的變壓吸附制氧技術在窯爐燃燒中的利用。

1. 純氧燃燒技術

一般來說純氧燃燒技術是指采用純度≥90%的氧氣作為助燃氣，與燃料按照比例混合燃燒的技術。相較于空氣作為助燃氣，純氧燃燒的火焰溫度更高，池窯能達到溫度也更高，氮氣量低使得熱傳導效率提高，NOx排放量顯著減少，提高產品質量和產量，建設成本降低等，純氧燃燒憑借其在節能環保和經濟效益方面的優勢已經引得廣泛關注，正在逐漸普及^[1]。目前西方國家玻纖生產已普遍使用純氧燃燒技術，據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，國內如巨石集團、中建材、四川玻纖、泰山玻纖等行業頭部企業都已建設純氧燃燒池窯。下圖為純氧燃燒和傳統空氣助燃技術的比較。實例表明，純氧燃燒可節約池窯燃料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，節約大量成本，也降低了尾氣處理難度。

純氧燃燒和傳統空氣助燃技術的比較

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

近五年國內和世界玻璃纖維產能圖

2. 純氧燃燒氧氣主要來源

當玻璃纖維池窯法生產線采用純氧燃燒技術時，所需助燃氣氧氣的來源為工業制氧氣，目前制取工業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機，經過換熱器進入吸附塔（分子篩），在一定壓力下，氮氣被分子篩吸附，氧氣被吸附的比較少，氣相中氧氣富集后進入緩沖罐，塔內氮氣吸附接近飽和后進行解析，分子篩再生后重復利用。一般是多塔切換吸附、解析等環節，實現連續供氧，變壓吸附最高可獲得純度94%左右的氧氣。深冷法是根據空氣組分中氣體沸點不同，空氣經過壓縮系統、冷卻系統然后完成氣體凈化后，再經過透平系統、分餾以及換熱器實現氧氣、氮氣、氬氣的分離^[2]，可以得到純度99%以上的氧氣。目前國內市場兩種技術發展都比較成熟，深冷技術氧氣純度高，副產品也多，規模較大，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，在用氧規模不是特別大，純度不高于94%的生產情況下，變壓吸附制氧具有較大優勢。

玻璃纖維池窯法生產采用純氧燃燒技術時氧氣純度大于91%即可^[3]，而且氧氣消耗量并沒有特別大，一般單條生產線用氣量不會超過3500Nm³/h，即使有多條生產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。考慮以上條件以及經濟成本、環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

二十世紀以來，隨著國內經濟高速穩定發展，生產制造業不斷擴大規模、發展革新，工藝的改進和產能提升促使其對于工業氧氣的需求日益增加。巨大的用氧需求帶動了國內工業制氧技術的進步，變壓吸附制氧技術在新型Li基吸附劑國產化以及吸附塔技術改進后取得突破性進展，使得其在國內工業生產領域得到了廣泛的應用和認可。

2.1.1國內外變壓吸附制氧技術進展

上世紀六十年代變壓吸附制氧技術開始出現，到了八十年代初美國和日本相繼開始工業化。上世紀九十年代初美國普萊克斯公司開研發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的發展。我國變壓吸附制氧技術開始于二十世紀八十年代末期，直到九十年代初才有了小型工業化裝置^[4]，早期的制氧裝置采用的吸附劑為5A分子篩吸附劑，最大規模也只有1000Nm³/h，純氧電耗在0.5 kW·h/ Nm³以上，與同期先進國家和企業差距很大。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以及VPSA制氧裝置大規模的工業化，國內變壓吸附制氧技術得到快速發展和推廣。近些年，變壓吸附制氧技術一些關鍵性問題得以解決，國內變壓吸附制氧的產氧能力逐漸增大、電耗逐漸降低、裝置的穩定性逐漸提升。單套兩塔制氧裝置的規模可以提升到6000Nm³/h，多塔并聯工藝后產氧量可以達到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。

隨著變壓吸附技術的逐漸改進和發展，變壓吸附制氧技術由于其具有的操作靈活、負荷調節方便、制氧電耗低、建設周期短、安全性高以及運維陳本較低等優點，對于想要靈活使用工業高純氧氣的行業，變壓吸附制氧技術占比逐漸增加。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、爐窯節能、環保、造紙等行業得到了推廣應用。

2.1.2 變壓吸附制氧技術的特點

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，主要動力設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵。制氧設備初始開車只需要30分鐘就可產出合格工業氧氣，臨時停車能夠二十分鐘內產氧，而裝置停車則更加簡單，只需要把制氧動力設備和程序關停即可。

2）設備簡單、維修方便

主要設備鼓風機、真空泵、程控閥門、控制柜等全部為國產設備，成本和工期容易掌控，而且設備維護簡單、售后及時，用戶基本不需要投入大量維護資金和人力。

3）制氧能耗較低、運行成本低

   如今變壓吸附制氧的電耗已經降至0.32kW·h/Nm³以下，而即使較大規模深冷制氧的純氧電耗在0.42kW·h/Nm³左右。在企業沒有氮氣需求以及用氧規模不是特別大時，變壓吸附制氧技術具有明顯的成本優勢。

4）建設周期短、占地面積小、投資回報快

變壓吸附建設周期一般可控制在6個月甚至更短的范圍內。因設備簡單且數量相對較少，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氧氣。

4）負荷調節方便^[5]

變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實現產量及純度的快速調節。一般產量可在30%~100%之間調節，純度可在70%~95%之間調節。當多套制氧裝置并聯工作時，負荷調節會更加方便。

5）操作安全性較高

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

3. 玻纖行業純氧燃燒使用變壓吸附制氧技術實例

變壓吸附的特性滿足玻纖行業池窯純氧燃燒特點和要求，近些年隨著國內玻纖企業開始建設或改造純氧燃燒池窯工藝線，變壓吸附制氧技術在我國玻纖主要企業都得了應用，如四川、山東、江蘇等一些生產企業。下面簡要介紹一個VPSA國內應用實例。

四川某玻纖廠項目池窯配套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，也會浪費能源。該套生產線月用氧量在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到96萬元左右，如果使用變壓吸附制氧，所用設備包括VPSA設備、氧壓機、廠房、配電室工作用高低壓電總和折算，用電370000 kW·h，電費0.64元/度，制氧月費用不到24萬，是液氧的25%，考慮到變壓吸附人工和單獨液氧差不多，結合水費、人工費、設備折舊費、維護費等，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。

結語

  隨著純氧燃燒技術的日趨普及，變壓吸附制氧在玻纖領域的使用率會越來越高。變壓吸附制氧憑借其自身優勢，且符合國家節能、環保要求，符合用戶節約成本、穩定用氧的訴求，同時制氧技術也在不斷改進*優化，所以變壓吸附制氧具備巨大的潛力和廣闊的應用前景。

參考文獻

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

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