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2024/10/28
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0 引言
传统的玻璃熔窑使用空气助燃熔化玻璃。众所周知，空气中含有约21%的氧气和78%的氮气，而氮气在燃烧过程中不起助燃作用，并在高温下会产生NOx。如果使用纯氧代替空气，因无需加热氮气可以减少燃料的消耗，大幅度降低了烟气中NOx的形成，减少燃烧产物CO2的排放。本文就玻璃熔窑全氧燃烧技术作简要的分析。
1 玻璃熔窑全氧燃烧技术发展概况
玻璃熔窑中燃料的助氧燃烧试验可以追溯到上世纪40年代，助氧燃烧可以提高熔窑的有效利用系数和生产率，但由于当时难以获取足量的氧，使得试验未能得到发展。上世纪60年代末和70年代，美国AicroIndustrial Gsses公司继续进行了该试验，并获得成功。
1952年，法国开始在玻璃熔窑上采用富氧燃烧技术的试验，并取得成功，之后英国、德国、日本等成功在玻璃熔窑上应用富氧燃烧技术。我国轻工玻璃厂1990年开始试验，1991年已经有几家玻璃厂成功地在燃油的马蹄焰玻璃熔窑上应用富氧燃烧技术。1997年6月，法国圣戈班在其法国52t/d玻璃瓶熔窑和美国分公司120t/d玻璃纤维熔窑启动富氧燃烧炉。
玻璃熔窑完全采用氧气-燃料燃烧系统的全氧燃烧技术从上世纪80年代初开始。1983年美国康宁公司率先开发成功，并建成第一座天然气全氧燃烧玻璃池窑，之后一些小型的特种玻璃窑开始向全氧燃烧转化。1990年美国能源部提供大约100万美元，用于支持大型玻璃熔窑的全氧燃料熔化过程的实际应用，以取代使用天然气或重油及预热空气的传统熔窑，在马里兰州Carr-Lowrey公司80t/d玻璃熔窑应用成功。1991年对加利福尼亚州Gallo玻璃公司的燃天然气横火焰350t/d玻璃酒瓶熔窑进行全氧燃烧改造，由于该窑已处于窑龄晚期，改造后能耗只降低了13.5%；1996年再次进行改造，加之使用配合料和碎玻璃预热技术，能耗比全氧改造前共降低43.8%，NOx降低80%， CO2减少80%，烟尘降低30%以上。
1993年日本电气硝子株式会社将全氧燃烧技术用于生产电子玻璃（LCD盖板玻璃等）的熔窑上，2001年旭硝子株式会社京滨玻璃厂将全氧燃烧技术用于生产浮法玻璃的熔窑上。2010年10月，彩虹新能源在咸阳基地第一座250t/d全氧燃烧窑炉投入运行；2011年1月，由蚌埠玻璃工业设计研究院利用安徽华光光电材料科技集团原500t/d浮法线上改造的中国第一条浮法玻璃熔窑全氧燃烧生产线余热发电工程一次发电成功，当年11月，由南玻集团在河北廊坊投产的国内首座150t/d全氧燃烧超薄电子玻璃窑炉成功打破技术垄断，在国内率先实现0.7mm、0.55mm超薄钠钙玻璃的量产。2015年，由秦皇岛玻璃工业研究设计院设计的合肥彩虹光伏有限公司一线750t/d全氧燃烧窑炉，生产超白高透太阳能光伏玻璃。
资料显示，目前全球已有300多座玻璃熔窑成功转换为全氧燃烧，大多用于电子玻璃、太阳能光伏玻璃、硼硅酸盐玻璃、器皿玻璃和玻璃纤维等玻璃熔窑上。其中大型钠钙玻璃熔窑的全氧燃料转化应用约60座容器玻璃熔窑和10座浮法/平板玻璃熔窑。
2 玻璃熔窑全氧燃烧的三种方式
燃烧过程都需要氧气，空气中的氮气不仅不参与燃烧，反而抑制燃料与氧气发生反应，导致火焰温度低于纯氧可达到的温度。富氧或全氧，增加燃烧空气中的氧含量，以此改善整体燃烧过程，从而使产生的热传递提高火焰温度和可用热量。玻璃熔窑全氧燃烧主要有三种方式，即纯氧助燃、富氧燃烧和全氧燃烧。
2.1 纯氧助燃
纯氧助燃，通常是将一对助燃氧燃料装置放置在熔窑的侧壁或顶部，向空气燃烧玻璃熔窑中未熔化的料区域加热，以加速熔化和澄清速率。对于大型的横火焰浮法玻璃熔窑来说，一般安置在1#小炉前，所以也称为0#小炉纯氧助燃燃烧器，或俗称0#氧枪。在熔窑热点温度保持不变的条件下，纯氧助燃具有以下优点：由于提高了投料口处温度，增强了投料循环液流的对流，强化了配合料的预熔，使得配合料熔化加快；在配合料表面形成“釉层”，减少配合料的飞料；改善熔化区域液面上的配合料分布及料堆形状，提高了料堆的热均匀性；减少助燃，减少氮氧化物等废气及粉尘的排放量，节约环保成本；扩大熔化部的澄清区，有利于玻璃液的澄清；改善窑炉的热效率和改善玻璃质量；纯氧辅助燃烧系统与原有空气燃烧系统相互独立，操作灵活。
2.2 富氧燃烧
富氧燃烧是指在燃烧过程中，通过对燃料供氧进行控制，使氧气的浓度高于空气中21%的标准（通常氧气浓度在24%以上），从而实现高效、清洁的燃烧方式。
目前，玻璃熔窑富氧燃烧主要有三种方式：①增加助燃风的氧含量；②增加雾化介质的氧含量；③将纯氧或富氧空气直接喷在燃烧器和玻璃液面之间。实际应用证明，第三种为局部增氧，其效果最好，但装置较复杂。第一种和第二种为整体增氧，操作方便、简单，但效果较差。
玻璃熔窑使用空气助燃时，上层为空气的富积层，氧含量高，燃料完全燃烧，温度高；下层为燃料的富积层，氧含量低，燃料燃烧不完全，温度较低。而当采用第三种富氧燃烧方式时，燃烧最佳状态是将火焰分为三个区域：火焰上部为缺氧区，可以防止大碹过热；中部为普通燃烧区；下部尽量形成高温区。这种燃烧状态，会使得火焰特性得到改善，火焰对玻璃液的辐射传热得到强化，从而提高熔化能力。同时也有利于延长大碹和胸墙的使用寿命，减少散热损失，提高熔窑的热效率。
采用富氧燃烧技术后，熔窑结构要做适当的调整，例如小炉口的尺寸、蓄热室的高度以及密封、保温等。
2.3 全氧燃烧
全氧燃烧是利用纯度＞90%的氧气代替空气与燃料进行燃烧，如以天然气为燃料的全氧燃烧，燃烧产物成分中只有CO2和H2O，极大地减少了包括NOx、粉尘等污染物的排放量；由于全氧燃烧提高了燃烧效率和玻璃液熔化率，使得燃料用量减少，从而减少了CO2的排放。全氧燃烧技术是玻璃行业未来发展的重要方向之一，进行全氧燃烧节能环保技术改造是引领玻璃工业实现节能减排、提高产品质量的有效途径。
3 玻璃熔窑全氧燃烧技术的发展方向
玻璃熔窑全氧燃烧技术主要包括燃烧器、控制系统、氧气供应和耐火材料四个方面。
3.1 燃烧器
全氧燃烧技术的关键在于燃烧器，燃烧器的工作特性对燃烧、火焰稳定性、传热、温度均匀性、热点位置和耐火材料寿命等都是至关重要的。全氧燃烧器与传统的空气助燃燃烧器相比，由于多出了氧气的通路，所以相对更复杂。作为完成燃料最终燃烧的设备，燃烧器的优劣及对燃料的适应程度直接决定全氧燃烧熔窑的能耗、安全及稳定性。
3.2 控制系统
全氧燃烧玻璃熔窑具有以下特点：热点位置的玻璃液温度、整个澄清均化区域的玻璃液温度均较高；热点位置沿熔化部长度方向相对位置靠后，将导致熔窑澄清均化前区长度变短，使得气泡澄清困难和玻璃液均化不良；全氧燃烧会产生大量的水蒸气，由于全氧燃烧火焰相比于空气燃烧火焰长度短，不能很好地消除热点区域熔化产生的大量泡沫，会导致气泡澄清困难和玻璃液均化不良。针对全氧燃烧的特点，在热点区域使用消泡剂，设置鼓泡装置，加强玻璃液的对流和均化；调整热负荷分配、温度分布、氧气/燃料比例；减少泡界线外泡沫、加强澄清；调整火焰长度、火焰角度，通过压低喷枪角度、下调火焰喷出角度，降低火焰与玻璃液表面的距离，提高火焰对玻璃液表面的热辐射，这些措施有利于玻璃液对热量的利用和消除泡沫。
3.3 氧气供应
对于具有空分设备的浮法玻璃厂而言，空分制备氮气时所产生副产品氧气，可以用做富氧燃烧的氧气来源。但对于众多的玻璃企业，氧气需要单独的制备或购买。目前氧气制备方法主要有以下几种。
3.3.1 真空变压吸收法（VPSA）
VPSA制氧是利用分子筛对空气中的氧、氮组分进行选择性吸收，分离空气中的氧气和氮气而获得氧气。该工艺又分为单床吸附式和多床吸附式两种，其工艺装置结构紧凑而简单，设备运行可靠，维护操作简便，产量可调性好。适用于中等用量的窑炉，其氧气纯度＜95%，氧气压力低。
3.3.2 低温（深冷）氧气分离法
低温（深冷）氧气分离法制氧是将空气压缩，再降温、冷却后液化，然后利用专用设备精馏塔得以实现将空气分离为氧和氮。低温氧气分离法可生产纯度达98%及以上的氧气，但压力较低，同时还可生产氮气。其设备噪声低、安全性好，但装置系统较为复杂，维护较困难，适用于大规模制氧。
3.3.3 罐装液态氧
罐装液态氧适用于现场制造氧源有困难的企业，罐装的液态氧是纯度高达99.5%的液氧，但生产成本高。一般用于规模较小的特种及轻工日用玻璃熔窑、小型玻璃纤维熔窑以及富氧燃烧玻璃熔窑。
3.4 耐火材料
在全氧燃烧玻璃熔窑中，由于助燃气体的减少和水蒸气浓度的增加，钠钙玻璃熔窑气体中的NaOH浓度提高至原来的2倍；硼硅酸盐玻璃熔窑气体中的HBO2被提高至3倍；显像管铅玻璃熔窑气体中的PbO增加至2.5倍；显像管无铅玻璃熔窑气体中的KOH浓度也增至2倍。同时，水蒸气浓度也增高了3倍。所以全氧燃烧玻璃熔窑对耐火材料的要求较高，总体要求是：对碱蒸气及水蒸气具有高抵抗性，高温下的机械稳定性，较低密度和低导热性。
全氧燃烧玻璃熔窑的大碹、池壁、胸墙为关键部位，其选材的优劣将直接影响到熔窑的寿命及玻璃企业的整体利益。目前，全氧燃烧玻璃窑炉上部结构使用较多的耐火材料以熔铸材料为主，如电熔AZS系列、电熔氧化铝系列、电熔铬刚玉系列或烧结铬刚玉系列等。
4 结语
玻璃熔窑全氧燃烧技术，不仅在燃烧中减少NOx和CO2排放，实现行业绿色生产和低碳生产，还可以很大程度上提高燃烧效率，节约能源，为氢能等新型燃料窑炉提供理论和实践基础。切实对玻璃熔窑全氧燃烧技术进行深入的研究、应用是非常必要的。
本文摘自《玻璃》2024年第2期（部分截选）
