玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)及發(fā)展方向

趙恩錄

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066004）

“十四五”期間，對(duì)我國(guó)玻璃行業(yè)來(lái)說(shuō)，面臨著如何將“玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)”成果進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化并為行業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和碳達(dá)峰碳中和，尋找可靠技術(shù)措施的重大工程技術(shù)問(wèn)題。玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)最顯著的特點(diǎn)一是節(jié)能減排，二是提高玻璃質(zhì)量，目前只有使用重油、天然氣等高熱值燃料，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃的企業(yè)才有動(dòng)力和需求采用全氧燃燒技術(shù)。通過(guò)近年的科研設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐，玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)在光伏玻璃、玻璃纖維、玻璃器皿、微晶玻璃等生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，其優(yōu)異的提高玻璃質(zhì)量、節(jié)能減排效果得到了充分驗(yàn)證，但廣泛實(shí)施浮法玻璃全氧燃燒技術(shù)仍然面臨著一些重大工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)主要需要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新：

1 優(yōu)化全氧熔窯三維仿真模擬體系

通過(guò)研究全氧燃燒玻璃熔窯火焰空間和玻璃液流場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)界面友好、操作方便、參數(shù)設(shè)置容易的全氧燃燒浮法玻璃熔窯三維仿真系統(tǒng)，使參與玻璃熔窯設(shè)計(jì)和仿真的工程技術(shù)人員只要輸入熔窯結(jié)構(gòu)、燃?xì)獠贾煤拖嚓P(guān)邊界條件等參數(shù)，玻璃熔窯三維仿真系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)使用者提供的設(shè)計(jì)要求，完成CFD建模、求解和后處理三個(gè)步驟。圖1為全氧燃燒數(shù)學(xué)模擬火焰空間溫度分布圖。

圖1 全氧燃燒數(shù)學(xué)模擬火焰空間溫度分布圖

進(jìn)一步形成玻璃原料COD值的快速測(cè)定、玻璃的Redox控制、熔體性能、澄清新工藝、火焰空間的數(shù)值模擬等理論與關(guān)鍵技術(shù)，為全氧燃燒條件下排除玻璃液中的微氣泡，保證優(yōu)質(zhì)玻璃的熔制提供工藝指導(dǎo)。

2 全氧浮法熔窯耐火材料國(guó)產(chǎn)化

大型全氧浮法熔窯池寬超過(guò)11 m，比國(guó)內(nèi)最大的全氧玻殼、玻璃纖維窯池寬30%以上。到目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成了600 t/d、800 t/d規(guī)模的全氧燃燒平板玻璃生產(chǎn)線，主要耐火材料也都是國(guó)內(nèi)配套，但要使窯爐達(dá)到高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命，對(duì)大型全氧熔窯的結(jié)構(gòu)安全、關(guān)鍵部位耐火材料的國(guó)產(chǎn)化還需要深入研究。通過(guò)總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，克服存在的不足，持續(xù)改進(jìn)、不斷推進(jìn)全氧玻璃熔窯關(guān)鍵耐火材料的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

全氧窯的長(zhǎng)寬比是一項(xiàng)重要指標(biāo)。大中型全氧窯的長(zhǎng)寬比有兩個(gè)指標(biāo)，即熔化區(qū)長(zhǎng)寬比和熔化部的長(zhǎng)寬比。熔化區(qū)也可稱之為熔化面積，其長(zhǎng)度通常計(jì)算到末只噴槍中心線外1 m。熔化區(qū)長(zhǎng)度加上澄清帶長(zhǎng)度就是熔化部的長(zhǎng)度。全氧窯的澄清帶長(zhǎng)度較橫焰窯短，這是由于純氧燃燒的火焰產(chǎn)生的煙氣水汽含量較高，使玻璃液中OH-含量較大，因而玻璃液黏度變小導(dǎo)致澄清速度加快。

大型全氧窯的排煙口可以設(shè)置2對(duì)或多對(duì)，具體位置、數(shù)量由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)合仿真軟件模擬結(jié)果予以確定。通過(guò)對(duì)600 t/d浮法玻璃熔窯的分析對(duì)比，玻璃熔窯采用全氧燃燒技術(shù)后，建設(shè)投資略有下降。

目前已經(jīng)建成的大型浮法玻璃和光伏壓延玻璃全氧燃燒熔窯的最大熔化能力為800 t/d。由于大碹耐火材料的重量比普通硅磚碹頂大得多，設(shè)計(jì)建設(shè)更大噸位的全氧熔窯面臨著結(jié)構(gòu)安全性論證的重大工程問(wèn)題。需要進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和安全性模擬。

全氧窯投料口根據(jù)窯爐規(guī)模設(shè)置在熔化池端面或兩側(cè)面。設(shè)置在前端時(shí)與浮法窯相似。設(shè)置在兩側(cè)時(shí)與馬蹄焰窯相似，可考慮采用螺旋式、弧毯式、擺桿式等加料方式，同時(shí)對(duì)投料口進(jìn)行合理密封。圖2為全氧窯內(nèi)部圖片。

圖2 全氧窯內(nèi)部

3 全面開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化全氧燃燒噴槍、噴嘴磚系列產(chǎn)品

全氧燃燒噴槍是玻璃熔窯全氧燃燒或全氧助燃技術(shù)的基礎(chǔ)，是擁有全氧燃燒技術(shù)的標(biāo)志之一，秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院成功開(kāi)發(fā)出高效扁平式天然氣全氧噴槍和高輻射圓形重油、天然氣及石油焦粉全氧噴槍，滿足了火焰覆蓋面大、火焰短而亮、NOx排放少、溫度高、維修少、可用低壓氧等條件。解決了火焰長(zhǎng)短和剛度調(diào)整問(wèn)題以及噴嘴磚的使用壽命、更換和耐堿液沖刷等問(wèn)題，在玻璃熔窯上應(yīng)用后，性能穩(wěn)定。

（1）圓形氧槍系統(tǒng)

圓形氧槍系統(tǒng)發(fā)展的比較早，也較為成熟，從事全氧燃燒技術(shù)研發(fā)的幾家主要公司都能提供，它適用的燃料種類比較廣泛，可以是天然氣、重油、煤焦油、石油焦粉等。國(guó)產(chǎn)圓形天然氣、重油兩用純氧燃燒噴槍經(jīng)過(guò)試用，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，能夠滿足燃燒使用要求。

（2）扁平式梯度燃燒氧槍

此系統(tǒng)具有燃燒充分、火焰覆蓋面大、火焰黑度大、NOx生成少、梯度燃燒、溫度高、維修少、可用低壓氧等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適用于天然氣、重油等氣體或液體燃料。國(guó)外主要有美國(guó)Air Products公司、美國(guó)天時(shí)公司、法國(guó)液空公司等在研制生產(chǎn)，其產(chǎn)品各有特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院等也研制成功了扁平式梯度燃燒純氧噴槍系統(tǒng)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。

世界上其他氣體或裝備公司也都分別推出了各種類型的氧槍，雖結(jié)構(gòu)各異，但工作原理基本相同。

隨著全氧燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，需要研究開(kāi)發(fā)新型全氧燃燒噴槍以滿足不同的要求：如能應(yīng)用超小流量的微型全氧噴槍、高火焰覆蓋面積的扇形噴槍等。隨著焦?fàn)t煤氣尤其是新型煤制氣在玻璃行業(yè)的大量使用，研究開(kāi)發(fā)煤制氣全氧燃燒噴槍已經(jīng)迫在眉睫。這就需要建立相應(yīng)的噴槍研究仿真模擬體系，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)完成。要大力開(kāi)展噴嘴磚材料和成型工藝的研究，加快優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽命噴嘴磚的研發(fā)和生產(chǎn)，為提高全氧燃燒熔窯的使用壽命、保證全氧燃燒節(jié)能減排指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)。

4 全氧燃燒煙氣余熱回收利用技術(shù)

研究開(kāi)發(fā)適宜的全氧燃燒煙氣余熱回收技術(shù)是玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。如果通過(guò)余熱利用能夠回收占熔窯總能耗約8%的熱量，與傳統(tǒng)熔窯相比，全氧燃燒玻璃熔窯的節(jié)能效果將從約26%提高到34%，這將從根本上降低全氧燃燒技術(shù)的生產(chǎn)成本。主要包含以下措施：

4.1 天然氣/氧氣預(yù)熱技術(shù)

可以通過(guò)利用廢氣余熱把天然氣和氧氣預(yù)熱到400 ℃以上進(jìn)行燃燒，在普通全氧窯爐的基礎(chǔ)上還能再節(jié)約5%～10%能耗。

利用高溫?zé)煔饧訜崽烊粴夂脱鯕?，關(guān)鍵設(shè)備為狹縫式金屬換熱器，該設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：

（1）使用煙氣溫度可高達(dá)1200 ℃，換熱系數(shù)大，換熱效率高，使預(yù)熱助燃氧氣的換熱量占煙氣總熱量的40%左右。

（2）氣密性好，能保證助燃氧氣的壓力、溫度的穩(wěn)定以及潔凈度。

（3）換熱器主體部分的用材應(yīng)充分考慮使用的惡劣條件，保證高溫及化學(xué)腐蝕條件下的使用和換熱要求。

（4）換熱器采用特殊的應(yīng)力分部結(jié)構(gòu)，保證一個(gè)窯期的長(zhǎng)期使用。

（5）換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸方便。

4.2 熱化學(xué)蓄熱技術(shù)

利用廢氣中H2O、CO2與燃料CH4發(fā)生水煤氣熱裂解反應(yīng)生成CO和H2，然后再進(jìn)入窯爐內(nèi)燃燒。相當(dāng)于給燃料預(yù)熱，同時(shí)提高火焰輻射能力。

4.3 余熱發(fā)電

我國(guó)玻璃熔窯余熱發(fā)電技術(shù)正在得到大力發(fā)展和成功應(yīng)用，這為大型全氧燃燒玻璃熔窯余熱發(fā)電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)提供了借鑒，和普通余熱發(fā)電技術(shù)相比，主要面臨的技術(shù)問(wèn)題是：煙氣溫度高、煙氣量少（同等規(guī)模浮法窯的30%）、水汽含量高。

4.4 煙氣預(yù)熱配合料

全氧熔窯煙氣的排放位置與加料位置非常吻合，這就為利用煙氣預(yù)熱玻璃配合料創(chuàng)造了有利條件。普通熔窯煙氣離開(kāi)蓄熱室的溫度為500～600 ℃，而全氧熔窯的煙氣溫度約為1200 ℃，因此對(duì)于煙氣必須進(jìn)行余熱利用?？梢詫?shí)施配合料預(yù)熱技術(shù)，將配合料預(yù)熱到300 ℃以上，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。配合料預(yù)熱技術(shù)是首先將配合料進(jìn)行粒化，在進(jìn)入熔窯熔化之前，充分利用煙氣余熱進(jìn)行配合料預(yù)熱，促進(jìn)配合料各組分間的相互反應(yīng)，提高配合料受熱能力，加速玻璃熔制，減少玻璃熔化時(shí)間，從而達(dá)到減少能耗的目的。

秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院針對(duì)玻璃配合料預(yù)熱和全氧燃燒玻璃熔窯的具體特點(diǎn)及要求，研究了兩種配合料預(yù)熱工藝技術(shù)：一種是利用盤(pán)管式換熱器對(duì)窯頭料倉(cāng)中的配合料進(jìn)行加熱的立式預(yù)熱器，另一種為能夠獨(dú)立完成預(yù)熱與投料兩種作業(yè)的篦式加熱器。

5 開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的現(xiàn)場(chǎng)制氧技術(shù)與裝備

造價(jià)低廉、制氧成本較小的現(xiàn)場(chǎng)制氧技術(shù)和設(shè)備是全氧燃燒技術(shù)的基本保證。一方面，針對(duì)不同的玻璃產(chǎn)品和生產(chǎn)規(guī)模，選擇合適的制氧技術(shù)和方案；另一方面，大力推進(jìn)深冷空分技術(shù)和變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展，大力推進(jìn)空分用壓縮機(jī)及變壓吸附制氧用氣動(dòng)蝶閥以及鋰基（LiX）吸附劑等關(guān)鍵設(shè)備和部件的研究開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝備的國(guó)產(chǎn)化，為開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的現(xiàn)場(chǎng)制氧技術(shù)與裝備奠定基礎(chǔ)。

無(wú)論是變壓吸附法還是深冷空分法制氧，其主要成本都是電。目前光伏發(fā)電等新能源技術(shù)日趨成熟，90%以上的光伏玻璃產(chǎn)自中國(guó)，60%以上的光伏組件產(chǎn)自中國(guó)，到2030年中國(guó)風(fēng)光發(fā)電能力將達(dá)1600 GW，價(jià)廉清潔低碳的新能源電力在中國(guó)將普及。如果能夠使用新能源電力實(shí)現(xiàn)制氧，將有效地減少石化燃料的消耗，為碳達(dá)峰起到助力作用。

6 全氧窯爐DCS智能控制與能源管理系統(tǒng)

全氧窯DCS控制系統(tǒng)包括火焰控制、流量控制、溫度控制、窯壓控制、液面控制等多個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)智能控制可以穩(wěn)定生產(chǎn)工藝制度、優(yōu)化燃燒熔制工藝、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，是先進(jìn)工藝、綠色制造和管理提升的重要體現(xiàn)。

合理的玻璃熔制澄清制度是提高玻璃質(zhì)量的重要保證。傳統(tǒng)的玻璃澄清工藝多采用與熔化溫度一致或比熔化溫度更高的澄清溫度，以促進(jìn)氣泡的長(zhǎng)大和玻璃液黏度的降低。降溫澄清工藝是指澄清溫度比熔制溫度低50～100 ℃，由此制得的玻璃中亞鐵含量、氣泡個(gè)數(shù)也相對(duì)較低，玻璃的質(zhì)量更好。全氧燃燒熔制氣氛下采用降溫澄清方式，得到的玻璃中含水量小于恒溫澄清方式，且玻璃中亞鐵含量、氣泡個(gè)數(shù)也相對(duì)較低，但硫含量相對(duì)較高。對(duì)全氧熔制的料性較長(zhǎng)的玻璃，適度降低澄清溫度，對(duì)改善玻璃澄清質(zhì)量更有效。

能源管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在信息分析基礎(chǔ)上的能源監(jiān)控和能源管理的流程優(yōu)化再造，實(shí)現(xiàn)能源質(zhì)量管理、運(yùn)行管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理等自動(dòng)化和無(wú)紙化，有效實(shí)施客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評(píng)價(jià)體系，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及時(shí)了解真實(shí)的能耗情況和提出節(jié)能降耗的技術(shù)和管理措施，向能源管理要效益。

7 原料的氧化還原控制

玻璃熔窯采用全氧燃燒技術(shù)后火焰空間氣體組分發(fā)生了較大變化，玻璃熔窯火焰空間水汽含量高達(dá)50%以上，玻璃含水量將從傳統(tǒng)的（300～400）×10-6上 升到（500～600）×10-6，水分對(duì)玻璃熔體氣氛產(chǎn)生了影響，使玻璃中Fe2+/ Fe3+比例受碳粉含率的影響規(guī)律不如空氣燃燒時(shí)明顯。在熔制普通浮法玻璃時(shí)，如仍采用通常的3.5%、4%的芒硝含率，全氧條件熔制的玻璃中氣泡數(shù)量較空氣熔制時(shí)多，但在玻璃出料成形時(shí)發(fā)現(xiàn)玻璃液的流動(dòng)性變好。與空氣燃燒相比，全氧燃燒氣氛下玻璃的最佳澄清區(qū)向Redox數(shù)減少的方向偏移。因此在全氧燃燒條件下，可以適度降低碳粉含率、芒硝含率，以減少玻璃中的氣泡數(shù)量，提高玻璃質(zhì)量。

如果全氧燃燒條件下玻璃配合料的氧化還原平衡調(diào)整不到位，澄清部的玻璃熔體可能存在微小氣泡，這時(shí)可以采用調(diào)節(jié)火焰氣氛或使用消泡技術(shù)的方法來(lái)解決，消泡技術(shù)是在窯爐火焰空間噴入一種特殊消泡液，它在調(diào)整玻璃液氧化還原特性的同時(shí)，減小玻璃液的表面張力，可以有效消除玻璃液面的浮泡。

8 火電結(jié)合的“混合熔爐”

隨著水電、光伏、風(fēng)電等清潔能源的發(fā)展，現(xiàn)在很多省份實(shí)行優(yōu)惠（或階梯優(yōu)惠）電價(jià)，如某地最低谷電0.35元/kWh，最高尖電1.04元/kWh，電熔較天然氣熔化能源效率節(jié)約40%，為了充分利用谷電，盡可能多的使用綠色電能代替石化能源，從而實(shí)現(xiàn)玻璃生產(chǎn)的低碳排放。德國(guó)Horn公司推出了“混合熔爐”（hybrid furnace）的理念，混合熔爐是需要兩種形式的能源（電力和化石燃料）才能充分運(yùn)行的窯爐。秦皇島院也積極地提出了開(kāi)發(fā)“火電復(fù)合玻璃熔窯”的課題，以期實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)低碳排放的目的。如果采用電熔和全氧燃燒結(jié)合的熔化方式，無(wú)需蓄熱室、脫硫脫硝設(shè)施，在生產(chǎn)過(guò)程中降低能耗，減少污染物的生成，提高玻璃質(zhì)量，從而達(dá)到玻璃熔窯的高效節(jié)能和低碳排放。與現(xiàn)有技術(shù)相比，投產(chǎn)后可以實(shí)現(xiàn)能耗降低20%～30%，產(chǎn)量提高15%，高性能玻璃優(yōu)等品達(dá)到95%，煙氣中NOx和SO2濃度直接達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)每噸玻璃減少CO2排放0.2 t，無(wú)需末端治理的目的。

8.1 石化燃料減少時(shí)全氧窯爐在設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

（1）如果使用更多的電能，就需要更多的電極。如果這些電極廣泛地放置在窯底上方，則會(huì)破壞熔爐中的典型對(duì)流。必須有特別設(shè)計(jì)的電極和電極位置，以盡量減少干擾并盡可能保留典型的玻璃液對(duì)流。

（2）無(wú)論使用哪種燃燒方式，石化能源份額的下降都會(huì)降低碹頂和火焰空間的溫度。必須根據(jù)燃燒空間的變化和氣氛，合理選擇耐火材料。

（3）在燃燒空間中，多個(gè)全氧噴槍沿側(cè)壁的位置排列?？梢酝ㄟ^(guò)相應(yīng)地調(diào)整燃燒空間的氣流分布來(lái)精確地調(diào)節(jié)溫度分布。例如，對(duì)于高份額電力的混合熔爐，燃燒分布可以更多地向澄清區(qū)轉(zhuǎn)移，而熔化區(qū)的能量主要通過(guò)電極提供。該爐可以以高達(dá)50% 的電力運(yùn)行，最低約為20%。與完全石化全氧窯爐相比，與熔化有關(guān)的二氧化碳排放量最多可減少50%。

（4）通過(guò)引入分隔墻將燃燒空間分隔開(kāi)，從而阻止從較熱的澄清區(qū)到較冷的熔化輻射，從而有可能使用更多電力（高達(dá)80%）。來(lái)自澄清區(qū)燃燒的熱煙氣仍將（部分）通過(guò)配合料上方被引導(dǎo)至廢氣口（即設(shè)置靠近投料口的前排煙口）。當(dāng)高溫?zé)煔庠谂浜狭蠈禹敳苛鲃?dòng)時(shí)，熱氣體通過(guò)輻射和對(duì)流向冷配合料散發(fā)熱量，從而形成熱回收區(qū)。這降低了廢氣的溫度，并略微降低了熔化配合料所需的能量。

8.2 “混合熔爐”的優(yōu)勢(shì)

（1）實(shí)現(xiàn)火電能源比例的相對(duì)靈活調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的最低或碳減排效果的最佳。

（2）由于混合熔窯這項(xiàng)技術(shù)的靈活性，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以選擇不同的能源配比。這意味著整體電力份額可以從20% 變化到最高40% ，同時(shí)還保持火焰爐的基本原理。這將使生產(chǎn)企業(yè)在選擇使用能源上有了更大的靈活性。

（3）與完全使用化石燃料的縱火焰爐相比，與熔化相關(guān)的CO2排放（不包括配合料氣體中產(chǎn)生的CO2）最多可減少45%。是玻璃行業(yè)低碳技術(shù)的重要發(fā)展方向。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)玻璃行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和要求和規(guī)范的逐漸落實(shí)，玻璃行業(yè)普遍使用天然氣、煤制氣和清潔電能的時(shí)代即將到來(lái)?；诮档蜕a(chǎn)成本和減少CO2排放的雙層考慮，實(shí)施并完善配合料預(yù)熱工藝，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)煤制氣全氧燃燒技術(shù)、火電混合全氧燃燒窯爐直至超級(jí)混合全氧窯爐（電能在玻璃熔化過(guò)程中的使用范圍為20% ～ 80%）對(duì)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。