介绍
容器玻璃的生产依赖于高温熔炉将原材料熔化成瓶子、罐子和其他玻璃容器。现代玻璃熔炉运行的关键因素之一是高纯度氧气的供应，以支持燃烧。传统上，熔炉从大气中抽取燃烧空气，而大气中的主要成分是氮气。然而，氮气不利于燃烧，还会带走热量，降低效率。为了克服这一问题，许多容器玻璃厂正在转向采用低温空气分离装置（ASU）技术进行现场氧气供应。低温空气分离装置（ASU）是一种工业气体系统，它能在极低温度下从空气中提取氧气，从而持续提供近乎纯净的氧气流。通过将高纯度氧气直接输送到熔炉，低温ASU能够实现更高效、更清洁的熔炼工艺。本文将探讨低温ASU在容器玻璃制造中的工作原理、其对玻璃熔炉操作的优势，以及与其他制氧方法的比较，重点关注技术参数和能源性能。
氧气在容器玻璃熔炉操作中的作用
感谢提醒，以下是经过调整后的翻译，保留了代码部分： 氧气对于燃料燃烧至关重要，提升玻璃熔炉中的氧气浓度可显著提高效率。在传统的空气燃烧熔炉中，空气的78%氮气含量基本上充当了热量的负载——它吸收热量后通过烟道排出，而对燃烧没有贡献。通过使用富氧或氧燃料燃烧工艺，容器玻璃厂可以消除大部分氮气。在全氧燃烧熔炉中，燃烧器使用来自空分装置（ASU）的天然气（或其他燃料）和几乎纯氧，而不是空气。没有多余的氮气，火焰燃烧得更热、更稳定，从而实现更快、更均匀的玻璃批料加热。这种氧气供应策略具有多个经过验证的优势：燃料消耗大约减少20-25%，能源效率显著提高，熔炉废气量减少超过一半。较低的烟气量和更高的热传递效率意味着玻璃熔炉操作中的整体能耗降低。排放也显著减少——尤其是氮氧化物（NOx），由于NOx的形成是在高温火焰温度下由空气中的氮气驱动的，NOx的排放可减少70-90%。许多容器玻璃制造商报告称，碳 dioxide排放也减少了约20%，这是由于燃料使用减少和燃烧更完全所致。除了效率和排放外，富氧燃烧还能改善玻璃质量和熔化控制。通过氧燃料技术获得的更稳定、更高温的火焰可以最小化熔体中的温度波动，减少批料残留（未熔化颗粒），甚至通过降低高温火焰对耐火材料的影响来延长熔炉使用寿命。总体而言，集成专用的氧气源从根本上提高了容器玻璃的生产效率，深冷ASU是提供所需规模和纯度氧气的主要解决方案。
工业气体系统中低温空分装置的工作原理
一个深冷空分装置（ASU）是一个大规模的工业气体系统，设计用于将空气分离为其主要成分：氧气、氮气，有时还包括氩气。它基于深冷蒸馏原理，利用气体在极低温度下的不同沸点。下面是它的工作原理：首先，环境空气被引入ASU，并通过空气压缩机压缩至高压。压缩后的空气接着被冷却，并通过净化装置去除水分、二氧化碳和烃类——这些杂质在随后的低温中会结冰。接下来，清洁、干燥的空气被引导进入换热器，并冷却至低于零的深冷温度（约-300°F / -185°C），直到液化。液化的空气进入一个高绝缘冷箱内的蒸馏塔系统。在这个双塔（低压和高压）蒸馏装置中，氧气和氮气根据其沸点分离：氧气（沸点约为-183°C）在比氮气（沸点约为-196°C）较高的温度下液化。当混合气体在塔内的托盘上蒸发和再液化时，氧气在塔的下部以液态集中，而氮气则作为蒸气上升。结果是两种主要的产品流——一种是高纯度的氧气，另一种是高纯度的氮气。氧气流可以作为气体或液体提取。在玻璃厂的典型现场配置中，气态氧气（通常为95–99.5%的氧气纯度）通过管道从ASU冷箱输送到炉子，达到所需的压力。ASU持续不断地生产氧气，以满足炉子的需求。另一条流是氮气，它的产量是过剩的（因为空气中氮气的体积是氧气的四倍）。通过深冷ASU回收氮气提供可用于工厂其他地方或存储为液态的氮气。一些ASU设计还增加了一个额外的塔，用来提取氩气（空气中约1%），但玻璃生产通常不需要氩气，只有在较大的工厂中才可能捕获或排放氩气。整个ASU高度自动化，控制系统维持适当的温度、压力和流量，以确保持续的纯度和输出。深冷ASU以其可靠性闻名；一旦启动，它会持续运行数月或数年，停机时间最小。这种可靠性对于容器玻璃厂至关重要，因为玻璃熔炉是24/7运行的，依赖于稳定的氧气供应。在集成方面，ASU成为现场的氧气供应源，通常配备备用系统（如备用液氧罐），以便在ASU需要维护时继续保持熔炉运行。总体而言，深冷ASU是实现大规模按需氧气供应的主力设备，使其成为现代容器玻璃生产设施的基石，旨在提高效率并降低排放。
低温空分装置在容器玻璃生产中的优势
在现场实施深冷空分装置（ASU）为容器玻璃制造商带来了诸多好处。首先，它提供了独立且持续的氧气供应。这种供应安全性意味着工厂不依赖于外购氧气或管道网络，这在偏远地区或需要避免供应中断的情况下尤为重要。现场ASU按需生产氧气，匹配熔炉的消耗，从而保证了稳定的运行。其次，来自深冷ASU的氧气具有高纯度（通常为99%或更高，视需要而定），确保了最佳的燃烧性能。高氧气纯度使熔炉能够在全氧燃烧模式下运行，从而最大化前述的效率提升和排放减少。而相比之下，较低纯度的氧气（如某些非深冷发生器提供的~90-95%氧气）会在火焰中引入一些氮气，略微减少这些好处。因此，深冷ASU通过几乎消除氮气稀释，为玻璃熔炉操作提供了最佳性能。另一个关键优势是可扩展性和产能。深冷ASU可以生产大量氧气，从小型装置的每小时几百Nm³到大型工业厂房的每小时数万Nm³。这使其非常适用于各种规模的容器玻璃熔炉，包括那些每天熔化数百吨玻璃、氧气需求非常高的大型熔炉。像PSA（变压吸附）这类非深冷系统通常仅限于较小规模。使用深冷装置时，随着玻璃生产的增长或新增熔炉，氧气生产可以相应扩展（无论是通过扩展ASU还是增加额外模块）以满足未来需求。现场ASU的存在还意味着可以获得副产品气体。深冷ASU的氮气回收功能可以在玻璃厂中得到利用——例如，氮气可以用于吹扫和惰性化某些工艺。在容器玻璃制造中，氮气通常用于冷却和退火阶段，以防止玻璃或设备的氧化。在退火炉中（用于冷却成品玻璃的缓慢冷却传送带炉），惰性氮气氛围可以帮助避免某些玻璃产品的变色或表面氧化。氮气还可以用于在某些转运点保护熔融玻璃免受环境空气影响，或用于一般的易燃气体吹扫。通过ASU提供的内建氮气源，消除了对单独氮气发生器或外部配送的需求，带来了便利性和成本节省。此外，过剩的氮气可以液化储存，甚至在超过现场需求时出售给其他行业。最后，现场深冷ASU通常还会提高工厂的整体能源效率和可持续性。尽管ASU本身需要消耗电力来生产氧气，但熔炉中的效率提升（每吨玻璃的燃料使用量减少）通常可以抵消这一部分能源成本。在某些情况下，特别是采用废热回收时，尽管增加了电负荷，但玻璃生产过程的净能源效率依然得到改善。从环境角度来看，通过氧燃料燃烧减少NOx和CO₂排放有助于玻璃制造商满足严格的空气质量法规和企业可持续性目标。总之，深冷ASU是一项赋能技术，提供了可靠性、性能和灵活性——确保玻璃厂能够高效地生产高质量玻璃，同时控制排放和运营成本。
能源效率和氧气纯度考量
解决深冷空分装置（ASU）的能源需求及其与氧气纯度的关系非常重要。深冷空分是一项高能耗的过程：将空气压缩并冷却到深冷温度，然后进行蒸馏需要消耗大量电力。通常，现代深冷ASU可能每生产1Nm³氧气需要约0.4到0.6千瓦时的电力（kWh/Nm³）。具体数值取决于工厂设计、规模和所需纯度。较大的ASU每单位氧气的能源效率通常更高，如果所需的纯度稍低（例如95%而非99.5%），能耗也可以减少。工厂操作员可以优化氧气纯度与能源使用之间的权衡：例如，如果容器玻璃熔炉可以容忍95% O₂（含5%氩气和氮气杂质）而不影响性能，那么ASU可以调整为更高效地生产该纯度，从而节省电力。然而，在许多情况下，容器玻璃熔炉为了最大化燃烧效率和减少排放，通常最好使用最高纯度的氧气，因此ASU仍会按照全纯度规格运行，尽管这会增加电力消耗。在熔炉端，改进的燃烧效率带来了燃料节省，从而弥补了部分ASU的电力使用。例如，如果氧燃料操作将天然气消耗减少20-25%，节省的燃料成本就可以抵消一部分氧气生产的电力成本。许多工厂发现，在氧燃料+ASU的组合下，每吨玻璃的总体能源成本保持相似，甚至略有提高，但该过程带来了显著的环境效益，并可能改善生产量。先进的玻璃厂还会采取能源效率措施，如热回收系统，用于捕获熔炉废气热量以预热燃烧氧气或产生蒸汽/电力，从而进一步提高净效率。从电力基础设施的角度来看，安装深冷ASU意味着设施必须有足够的电力供应来运行大型压缩机和冷却设备。然而，现代ASU通常配备优化电力使用的功能，如负载调节（在电力非高峰时段生产和储存液氧）和变速驱动，以调整生产速率以匹配需求和电网状况。总之，尽管深冷ASU增加了容器玻璃厂的电力负荷，但这是实现超高熔炉效率和清洁操作的一个充分理解的成本。通过仔细管理氧气纯度并采取节能策略，玻璃制造商可以确保整体操作的能源效率保持有利。
氮回收与利用
一个常被忽视的现场深冷ASU优势是，氧气生产副产品中可以获得高纯度的氮气。每提取一单位空气中的氧气，大约有四个单位的氮气也被分离。在为玻璃熔炉提供氧气的ASU中，这个氮气回收流可以非常有价值。与其将氮气排放到大气中，容器玻璃厂可以将其用于各种辅助工艺。如前所述，氮气通常用于创造惰性气氛。在玻璃制造中，在熔融玻璃被形成容器后，产品必须在退火炉中逐渐冷却以消除内部应力。用氮气冲洗退火炉有助于排除氧气，防止热玻璃及金属组件的氧化或变色。这将改善玻璃的表面质量并保护设备。氮气还可以用于冷却某些工艺部件，或在维护期间用来清除管道和储罐中的可燃气体以确保安全。此外，一些玻璃熔炉或前炉（用于容器形成前保持和调节熔融玻璃）可能会使用少量的氧气/氮气混合物，或者使用氮气遮蔽火焰，这取决于所采用的技术。现场氮气供应使这些操作更具经济性。除了在玻璃工艺中的应用外，深冷ASU生产的过剩氮气还可以为其他厂区公用设施提供服务。例如，工厂的空气系统可以利用氮气进行原材料的气力输送（以避免压缩空气中的水分），或以无水的方式驱动工具。氮气也非常适用于防火和安全系统——它可以被输送到封闭区域或筒仓中，惰性化气氛，减轻火灾或爆炸的风险。在某些情况下，容器玻璃厂可以包装并销售多余的氮气，或通过管道将其供应给邻近行业，从而将其转化为额外的收入来源。深冷蒸馏产生的氮气具有极高的纯度（通常为99.9%或更高），可以满足或超出大多数工业用途的要求。如果生产液氮（例如，如果ASU配有液化装置或在氧气需求低时），它可以存储在现场的深冷储罐中，以便后续用于冷却或作为备用。总之，深冷ASU中氮气的共同生产增强了其对玻璃厂的价值。它将ASU从单一的氧气发生器转变为双用途的公用设施。通过利用氮气回收，容器玻璃制造商不仅避免了浪费有用气体，还改善了各种操作中的过程控制和安全性，进一步证明了在现场ASU投资的合理性。
玻璃厂氧气供应方案的技术比较
为了将深冷ASU置于适当的背景下，将其与另一种常用于小规模需求的氧气生成方法进行比较是很有帮助的：变压吸附（PSA）。PSA工厂（包括真空变压吸附，VPSA）通过将空气通过特殊的吸附材料来捕获氮气，浓缩氧气至约90–95%的纯度。它们在常温下运行（非深冷），体积更小，但具有产能和纯度的限制。下表提供了深冷ASU与PSA制氧机的技术比较，重点突出了与容器玻璃生产相关的关键参数：
| 范围 | 低温空分装置（现场制氧装置） | PSA制氧机 |
|---|---|---|
| 氧气纯度 | 95–99.5%（高纯度，可选） | 纯度约为90-95%（较低纯度） |
| 典型氧气容量范围 | 大型——流量范围从约 1,000 至 20,000+ Nm³/h | 中等——每单位每小时数十至数百立方米。 |
| 氧气输送模式 | 持续产气；也可生产液体备用气体 | 连续但循环；仅限气体（需要缓冲罐） |
| 单位能耗 | ~0.4–0.6 kWh/Nm³ O₂（高纯度） | 每立方米氧气消耗量约为 0.2–0.4 千瓦时（纯度越低，能源效率越高） |
| 氮副产品 | 是的——可提供高纯度氮气（使用或销售） | 无可用副产品（废弃氮气排放） |
| 占地面积和设备 | 大型装置（高耸的蒸馏塔、压缩机、冷却系统） | 紧凑型撬装模块（压缩机和吸附罐） |
| 最佳使用场景 | 大氧气需求（大型炉子、完全富氧燃烧） | 低至中等需求（小型炉或富氧） |
表 1：容器玻璃厂低温空分装置和 PSA 制氧机的比较。
如表所示，当需要非常高的纯度和大容量氧气时，深冷空分装置（ASU）表现突出，适用于大规模容器玻璃窑炉运行氧燃料系统。虽然它每单位氧气的能耗高于PSA系统，但它能够提供所需的性能（纯度和规模），最大限度地提高炉子的效率。另一方面，PSA系统在小规模氧气需求下更具能效，安装成本较低——它们可能适用于仅需要氧气富集（而非全氧燃料）的较小玻璃厂，或作为过渡解决方案。然而，PSA系统难以达到深冷装置的纯度水平，且其处理量有限；单个PSA设备的产量可能仅为几百Nm³/h，因此需要多个设备才能接近一个ASU的输出。此外，PSA的较低纯度（通常为93% O₂）意味着炉子会吸入一些残余的氮气和氩气，稍微降低效率和减排效果。相比之下，深冷ASU提供符合规格的氧气，并同时为工厂提供有用的氮气供应。因此，许多大型玻璃制造商在氧气需求超过一定阈值后，选择深冷ASU，因为从经济角度来看，超出这一点后，现场制氧比运输液氧或使用多个小型PSA单元更具优势。总之，每种技术都有其特定应用领域：深冷ASU适用于大规模和最高纯度（大多数容器玻璃作业选择这一技术，旨在实现最先进的性能），而工业气体吸附系统则适用于小规模或备用用途。
结论
深冷空分装置（ASU）已经成为容器玻璃制造中提高效率和可持续性的关键。通过在现场提供可靠的高纯度氧气流，深冷ASU使得氧气燃料玻璃窑炉操作成为可能，从而显著提高了玻璃生产的能效并减少了排放。实施氧燃料技术并配备专用ASU的容器玻璃厂，受益于每吨玻璃的燃料成本降低、炉子生产率提高，以及由于NOx和CO₂排放的大幅减少而符合严格的环保法规。此外，深冷ASU的氮气双重生产为多种用途提供了惰性气体，提升了过程控制和安全性。尽管ASU会增加额外的电力消耗，但现代设计和操作策略有助于优化这一方面，从而使整体能源和成本平衡保持有利。从工程角度看，深冷ASU的工业气体系统集成是一种成熟且经过验证的方法——世界各地许多大型玻璃厂都采用现场ASU，确保了超过99%的正常运行时间，并且全年表现稳定。随着容器玻璃行业继续追求更高的能源效率和更低的环境影响，深冷ASU将在未来发挥更为关键的作用。它们不仅仅是氧气发生器，还推动了先进的燃烧技术和未来创新（例如，通过提供氧气支持氢气燃烧试验或CO₂捕获）。总之，针对容器玻璃厂量身定制的深冷ASU是对长期生产力、质量和可持续性的投资。通过确保高纯度的氧气供应和相关的氮气公用设施，玻璃制造商可以自信地运营高效的氧燃料炉，并在工业脱碳的前沿保持领先地位，同时生产社会每天所依赖的玻璃容器。
