玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題及分析

謝東恒，姜宏1,*

（1.海南大學(xué)，海南省特種玻璃重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?70228；2.特種玻璃國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 澄邁571924）

0 引 言

眾所周知，傳統(tǒng)的玻璃熔窯都是以空氣作為助燃?xì)怏w，采用空氣助燃是導(dǎo)致高污染、高能耗的重要原因[1]。空氣中氧氣含量只有21%，其余約78%的氮?dú)庠诓Ａ刍^(guò)程中被無(wú)效加熱，并在高溫下排出窯體，造成了很大的能源浪費(fèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這部分熱量損失占能耗的30%以上。為了解決空氣助燃所帶來(lái)的這些問(wèn)題，全氧燃燒技術(shù)逐漸引起各國(guó)的關(guān)注和重視。

全氧燃燒就是將傳統(tǒng)的空氣—燃料燃燒系統(tǒng)改為氧氣—燃料燃燒系統(tǒng)。全氧燃燒即把燃料與純氧按預(yù)定比例混合，比空氣助燃更精確的燃燒技術(shù)[2]。全氧燃燒的煙氣成分主要為CO2和H2O，煙氣中二氧化碳和水蒸氣濃度的提高能大幅提高不發(fā)光火焰的黑度，增加火焰和窯墻輻射給玻璃液面的熱量[3]；除了能提高火焰熱效率外，相對(duì)于傳統(tǒng)空氣助燃熔窯的煙氣量，全氧燃燒熔窯產(chǎn)生的煙氣排放量大幅減少，從而，燃燒熱效率也會(huì)大幅提高。作為制造業(yè)大國(guó)，我國(guó)政府于2015年發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，標(biāo)志這新一輪的工業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)的開(kāi)始[4]。發(fā)展節(jié)能、環(huán)保、高效的工業(yè)生產(chǎn)為必然的選擇[5]。

全氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯上應(yīng)用存在著諸多的優(yōu)越性，但凡事都有利弊兩面，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)峻的問(wèn)題制約著其發(fā)展。主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)，有賴(lài)于具有較低的制氧成本、運(yùn)行可靠的純氧氣體制備技術(shù)和設(shè)備的成熟和完善[6]；二是全氧燃燒工藝?yán)眉冄跞〈丝諝庵?，使熔窯內(nèi)的燃燒氣氛和燃燒產(chǎn)物發(fā)生了顯著變化，這些變化對(duì)玻璃液的熔化和澄清亦產(chǎn)生了顯著的影響[7]。除此之外，包括配置優(yōu)質(zhì)熔窯耐火材料、優(yōu)化熔窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，都是較為容易解決的，本文著重討論上述的制氧與工藝控制這兩方面的問(wèn)題，并提出有效的解決措施。

1 玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)

1.1 玻璃熔窯全氧燃燒與空氣助燃實(shí)際煙氣量對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某公司600T/D浮法玻璃熔窯采用全氧與另一條600T/D浮法玻璃熔窯采用空氣助燃的實(shí)際煙氣生成量對(duì)比，全氧燃燒的煙氣量約為空氣助燃煙氣量的三分之一，遠(yuǎn)小于空氣助燃時(shí)的空氣需要量和煙氣生成量；全氧燃燒煙氣中SO2的含量?jī)H為空氣助燃的53%，NOx含量?jī)H為空氣助燃的26%，大大減少了廢氣的排放尤其是NOx的排放；詳見(jiàn)表1。

表1 全氧燃燒與空氣助燃排放指標(biāo)對(duì)比(600T/D浮法)Tab.1 Oxy-fuel combustion and air combustion combustion emissions targets compared (600T/D float)

1.2 玻璃熔窯全氧燃燒與空氣助燃能耗對(duì)比分析

在空氣助燃作業(yè)中，必須把大量對(duì)加熱過(guò)程無(wú)益的氮?dú)饧訜岬饺鄹G操作溫度而浪費(fèi)大量能量。以甲烷天然氣燃料燃燒為例：

空氣助燃:CH4+ 2O2+ 7. 5N2= CO2+ 2H2O + 7. 5N2

全氧燃燒:CH4+ 2O2= CO2+ 2H2O

通常的空氣燃燒只有占空氣總量21%的氧氣參與燃燒，其余約占78% 的氮?dú)夥堑恢迹炊獛ё叽罅繜崃?，從煙氣中排出。在使用全氧燃燒的情況下，燃料燃燒所需空氣量減少，廢氣帶走的熱量下降；燃燒完全充分，無(wú)小爐、蓄熱室，向外散熱少，節(jié)能效果明顯。

國(guó)內(nèi)某公司600T/D浮法熔窯采用全氧與另一條600T/D浮法熔窯采用空氣助燃的能耗指標(biāo)見(jiàn)表2，從表2中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，全氧燃燒的節(jié)能率達(dá)到18.4%。

從以上對(duì)比分析可以看出，玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)具有節(jié)約玻璃熔化能耗和降低溫室氣體排放的顯著特點(diǎn)。

表2 全氧燃燒與空氣助燃能耗指標(biāo)對(duì)比(600T/D浮法)Tab.2 Comparison of Total Oxygen Combustion and Air Combustion Energy Consumption Indicators (600T/D Float)

2 應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

全氧燃燒提高了火焰溫度和輻射強(qiáng)度，能耗和環(huán)保指標(biāo)同比空氣助燃更優(yōu)，但也會(huì)使得熔窯空間中存在大量的水蒸氣，所以在實(shí)際應(yīng)用中便會(huì)遇到相應(yīng)的一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：

1）火焰溫度高對(duì)耐火材料的要求也高，需采用高質(zhì)量耐火材料；

2）全氧燃燒窯內(nèi)氣氛容易在玻璃熔體表面發(fā)生堿（NaOH）的揮發(fā)反應(yīng)，堿蒸汽（NaOH）濃度增加數(shù)倍，造成對(duì)耐火材料侵蝕加?。?/p>

3）全氧燃燒易在窯內(nèi)玻璃液表面形成泡沫層，減少火焰對(duì)玻璃液面的傳熱，影響玻璃液澄清質(zhì)量；

4）需要增加制氧設(shè)備投資及制氧成本。

玻璃制造綜合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困難等質(zhì)量問(wèn)題是全氧燃燒在玻璃熔窯應(yīng)用中遇到的兩大核心問(wèn)題。

3 問(wèn)題分析及解決措施

為了達(dá)到對(duì)耐火材料最經(jīng)濟(jì)與合理的使用效果，在一個(gè)生產(chǎn)周期結(jié)束時(shí)，熔窯各部位的耐火材料侵蝕情況應(yīng)該相差不大，使耐火材料近乎同步侵蝕。而碹頂、池壁和胸墻等關(guān)鍵部位的耐火材料的選擇將直接關(guān)系到熔窯的使用壽命及玻璃企業(yè)的整體效益[8]。

玻璃熔窯因采用全氧燃燒技術(shù)后，水蒸汽較之空氣助燃高了3.5倍，水蒸汽被吸附在耐火材料的表面；全氧燃燒玻璃窯爐氣體中堿蒸氣濃度高；碹頂內(nèi)表面溫度比空氣助燃時(shí)升高了25~50 ℃，都會(huì)加劇對(duì)耐火材料的侵蝕[9]。因此，熔窯關(guān)鍵部位耐火材料的質(zhì)量應(yīng)更優(yōu)于空氣助燃熔窯，才能應(yīng)用于全氧燃燒熔窯。

除了耐火材料的質(zhì)量選擇更優(yōu)之外，還要從氧源選擇、氧槍的設(shè)計(jì)、熔窯結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)等方面來(lái)綜合考慮，從而使得熔窯耐火材料在窯齡期內(nèi)保持良好使用的狀態(tài)。

以上熔窯的耐火材料的選擇、氧槍選擇設(shè)計(jì)、窯爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等方面，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)研究得較為成熟，在此就不再贅述。本文著重于玻璃制造綜合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困難等質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)對(duì)玻璃制造綜合成本的測(cè)算和研究這些問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，提出行之有效的解決措施，已經(jīng)在玻璃質(zhì)量問(wèn)題上取得了突破。

3.1 玻璃制造運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

全氧燃燒與空氣助燃相比，燃料燃燒完全，火焰溫度高，輻射能力強(qiáng)，火焰輻射玻璃液溫度可提高100 ℃左右，水蒸汽濃度較高使得配合料熔融速度加快，提高熔化率10%以上，從而使熔窯產(chǎn)量得以提高[10]。然而，全氧燃燒制氧需增加運(yùn)營(yíng)成本，運(yùn)行成本涉及燃料品種、當(dāng)?shù)氐娜剂蟽r(jià)格、電價(jià)（直接決定氧氣成本）、氧氣的來(lái)源、玻璃的熔化難度（越是難以熔制的玻璃節(jié)能效果越明顯，改為全氧燃燒后的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)越低）、設(shè)計(jì)節(jié)能率[11]。

對(duì)于熔窯投資而言，全氧燃燒減少了蓄熱室但提高了耐火材料配置，基本相當(dāng)。以600T/D浮法玻璃生產(chǎn)線為例，計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

用氧：9000 m3/h；氧氣成本：0.45元/m3（自建氧站）；節(jié)能：20%；燃料用量：4400 m3/h；燃料熱值：8500 Kcal/kg；燃料價(jià)格：2.2元/m3；N2氣用量1800 m3/h，獨(dú)立制氣成本：0.28元/m3，聯(lián)合制氣：0.1元/m3。

運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算：

(1)制氧成本增加：

9000 m3/h×0.45元/m3×24 h×365天=3548萬(wàn)元/年

(2)節(jié)能成本減少：

4400 m3/h×20%×2.2元/m3×24 h×365天=1696萬(wàn)元/年

(3) N2氣成本減少：

1800 m3/h×（0.28-0.10）元/m3×24 h×365天=284萬(wàn)元/年

(4)環(huán)保成本減少：600萬(wàn)/年

則全氧成本增加：

（3548-1696-284-600）萬(wàn)元/年=968萬(wàn)元/年

(5)全氧燃燒技術(shù)節(jié)能效率由20% 提高為25%

則燃料節(jié)約成本：

4400 m3/h×5%×2.2元/m3×24 h×365天=424萬(wàn)元/年

則氧氣減少節(jié)約成本：

9000 m3/h×5%×0.45元/m3×24 h×365天=177萬(wàn)元/年

總節(jié)約成本：424 +237萬(wàn)元/年=661萬(wàn)元/年

根據(jù)測(cè)算的結(jié)果顯示，雖然全氧燃燒成本略有增加，但是差別每年不到1000萬(wàn)元。如果隨著全氧燃燒節(jié)能效果的進(jìn)一步提高，按照節(jié)能率25%節(jié)能率計(jì)算，每年成本的差別將在300萬(wàn)元左右，基本持平的狀態(tài)表明玻璃熔窯采用全氧燃燒技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3.2 玻璃液表面泡沫多和澄清困難

玻璃的制備過(guò)程包括一系列物理、化學(xué)及物理化學(xué)的現(xiàn)象和反應(yīng)，全氧燃燒與空氣助燃相比，熔化空間氣氛發(fā)生了很大的變化，特別是空間水分的大幅增加，對(duì)其熔化工藝制度影響巨大。本文針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題源頭，并提出可行的幾點(diǎn)解決措施。

3.2.1 玻璃液表面泡沫多的問(wèn)題分析及解決方法

全氧燃燒環(huán)境下玻璃含水量達(dá)400~600 ppm ，水在硅酸鹽玻璃中，使Si-O-Si 鍵斷裂，相當(dāng)于解聚作用，從而顯著降低玻璃的黏度。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)玻璃中羥基含量越高，澄清越好。由于玻璃熔體吸收水汽的能力特別強(qiáng)，結(jié)果形成-OH，使玻璃液的黏度降低，上升速度受黏度影響較大的微小氣泡便可更容易地從熔體中排出。

在全氧燃燒環(huán)境下玻璃的澄清發(fā)生如下反應(yīng):

全氧燃燒熔窯中除了依然存在式（1）和（2）的反應(yīng)外，由于熔窯中存在大量的水汽與玻璃熔體發(fā)生如式（3）反應(yīng)，使更多的硫酸鹽分解成SO2排放到熔窯空間中。經(jīng)分析泡沫中氣體的主要成分為SO2，是芒硝分解的產(chǎn)物。

從上述的分析中可知玻璃液表面泡沫多的產(chǎn)生原因?yàn)椋阂蛉跞紵Ａ鄹G中的澄清機(jī)理依然遵循空氣助燃熔窯的硫澄清機(jī)理，芒硝含率高，因此，全氧燃燒熔窯沿用空氣助燃熔窯芒硝含率的用量會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)的泡沫增加很多。

泡沫在熔體表面會(huì)導(dǎo)致窯內(nèi)輻射傳熱的降低，泡沫表面氣泡的反射作用，亦會(huì)降低了熔窯能量的有效利用和增加對(duì)熔窯溫度制度控制的難度，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

泡沫多是全氧燃燒在浮法玻璃熔化的突出問(wèn)題，可通過(guò)結(jié)合全氧燃燒的特性相應(yīng)調(diào)整芒硝含率、火焰氣氛、噴灑消泡劑[12]等方法來(lái)解決。

3.2.2 玻璃液澄清困難的問(wèn)題分析及解決方法

研究發(fā)現(xiàn)少量的二氧化碳和水蒸汽將使澄清的起始溫度降低10～40 ℃，因而對(duì)于全氧燃燒熔窯，傳統(tǒng)的升溫降粘度澄清工藝某種程度上顯得過(guò)于浪費(fèi)能源，甚至?xí)o澄清帶來(lái)不利影響。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬玻璃窯內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣體及玻璃液流動(dòng)規(guī)律，為優(yōu)化玻璃熔窯設(shè)計(jì)提供一條新途徑[13]。該類(lèi)型熔窯玻璃液池底熱點(diǎn)溫度高，熱點(diǎn)三維位置相對(duì)后移上浮，玻璃液中心線附近層流在卡脖冷卻水包前后出現(xiàn)紊亂，三者的共同作用導(dǎo)致熔窯澄清均化區(qū)縮小，玻璃液層流以及各環(huán)流穩(wěn)定性差。

針對(duì)上述研究分析的情況，提出如下幾點(diǎn)的解決方法：

（1）熔制溫度的控制

有研究表明：水在硅酸鹽玻璃種，使Si-O-Si鍵斷裂，相當(dāng)于于解聚作用，從而顯著降低了玻璃液的黏度[14]。因而，適當(dāng)降低熱點(diǎn)之后各燃燒槍的燃燒溫度，降低澄清區(qū)域的溫度，氣體排放劇烈強(qiáng)度的降低，泡沫的減少，一定程度上會(huì)提高熱效率，同時(shí)也可以減緩玻璃液在水平方向上的前進(jìn)速度，相對(duì)延長(zhǎng)澄清時(shí)間。

（2）氧氣/燃料比的優(yōu)化

全氧燃燒熔窯的氣氛控制仍然應(yīng)符合還原性澄清硫的澄清機(jī)理，后區(qū)仍應(yīng)保證一定的氧化性，便于三氧化硫的吸收，合理的氧氣/燃料比可以控制熔窯內(nèi)的氣氛，使澄清劑發(fā)揮較好的澄清作用。

（3）玻璃液流的改善

調(diào)整卡脖冷卻水包深度和冷卻強(qiáng)度，增加熔化部生產(chǎn)流玻璃液回流量，增大玻璃液層流之間的溫差，使玻璃液池底熱點(diǎn)從原來(lái)的位置前移下沉，提高玻璃液層流以及各環(huán)流的穩(wěn)定性[15]。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比玻璃熔窯全氧燃燒和傳統(tǒng)空氣助燃的煙氣量與能耗，可見(jiàn)，全氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯上應(yīng)用的前景非常良好，將會(huì)取代空氣助燃熔窯成為主要趨勢(shì)。

2）從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，通過(guò)對(duì)投資成本與運(yùn)營(yíng)成本的測(cè)算，論證了全氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯中應(yīng)用是可行的。

3）針對(duì)國(guó)內(nèi)某玻璃熔窯采用全氧燃燒后存在的窯內(nèi)玻璃液表面泡沫多和澄清困難這兩項(xiàng)核心問(wèn)題，進(jìn)行了研究分析，并提出行之有效的解決方法。

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