全氧燃燒玻璃窯爐的壽命淺析

郭勇 , 樊慶彬

（1. 河南奧克金泰窯爐技術(shù)有限公司 安陽(yáng) 455000；2. 江蘇奧克金泰科技有限公司 無(wú)錫 214000；3. 重慶市遠(yuǎn)鈴玻璃有限公司 重慶 401532）

1 全氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒，英文：oxygenfuel combustion）技術(shù)的燃燒模式為燃料+氧氣，相比傳統(tǒng)的空氣助燃的玻璃窯爐，由于燃燒時(shí)沒有助燃空氣中大量的氮?dú)鈪⑴c，使節(jié)能變得更加容易，且NOX的排放初始值更低，治理更加容易且結(jié)果更加可預(yù)期。

伴隨著國(guó)內(nèi)制氧技術(shù)的迅猛發(fā)展及電力成本的降低，由氧氣+燃料組成的全氧燃燒技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中成為取代由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒方式的更好的選擇方案，這是因?yàn)槿跞紵夹g(shù)在環(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量、質(zhì)量、減少設(shè)備投資和節(jié)省廠房場(chǎng)地等諸多方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)在冶金、電力、化工、建材、加工等行業(yè)，全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

2 全氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用

在我國(guó)，全氧燃燒窯爐2001年首先被運(yùn)用在顯示器件（CRT）上，并且?guī)缀跛械募夹g(shù)初期都是引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)。但是，該技術(shù)被真正推廣的還是在電子微晶玻璃，目前全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于包括微晶玻璃、高硼硅器皿玻璃、高鋁玻璃（COVER GLASS）、藥用玻璃的低硼硅玻璃、中硼硅玻璃、鈉鈣黃料、光學(xué)玻璃、太陽(yáng)能光伏玻璃、電子材料、低熔點(diǎn)玻璃、無(wú)鉛玻璃（照明）、玻璃棉、高鉛玻璃、玻璃微珠、玻纖、陶瓷釉料、搪瓷釉料、日用瓶罐及器皿、水玻璃、玄武巖等生產(chǎn)中。

全氧燃燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)：

（1）節(jié)能降耗（提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益）；

（2）提高產(chǎn)品質(zhì)量（特別是部分對(duì)燃燒有特殊要求的產(chǎn)品，如高溫、氣氛、顏色等方面，傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐很難生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品時(shí)）；

（3）NOX的高效解決方案；

（4）基于碳排放指標(biāo)的限制或區(qū)域性環(huán)保壓力的要求，部分地區(qū)對(duì)新增產(chǎn)能項(xiàng)目的審批要求。

2.1 全氧燃燒玻璃窯爐的壽命

2.1.1 常見窯爐的壽命統(tǒng)計(jì)

常見窯爐壽命統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 常見窯爐壽命統(tǒng)計(jì)

2.1.2 正常窯爐的壽命

行內(nèi)對(duì)窯爐的壽命有一個(gè)約定俗成的認(rèn)知，達(dá)到這一指標(biāo)窯爐被認(rèn)為是符合預(yù)期的，比如乳白料玻璃的窯爐壽命業(yè)內(nèi)認(rèn)可的是18個(gè)月。對(duì)于玻璃窯爐的使用，無(wú)論是空氣助燃窯爐還是全電爐，國(guó)際并沒有強(qiáng)制性的規(guī)定或指導(dǎo)性意見。隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的運(yùn)用，窯爐平均壽命正在逐步加長(zhǎng)，全氧燃燒窯爐亦是如此。

不能達(dá)到或接近達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的正常壽命的窯爐，或者只有不到一個(gè)月或者幾個(gè)月的窯爐壽命，通?？梢哉J(rèn)定為非正常停爐或故障。常見全氧燃燒窯爐正產(chǎn)壽命統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 常見全氧燃燒窯爐正產(chǎn)壽命

2.1.3 影響窯爐壽命的主要因素

（1）設(shè)計(jì)

一個(gè)好的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目成功的一半。

窯爐設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，牽涉到力學(xué)計(jì)算、熱工計(jì)算、流體力學(xué)、耐火材料、材料力學(xué)、熱工儀表等諸多學(xué)科，隨著環(huán)保政策的不斷加碼，對(duì)尾氣處理方面提出了更高的要求，要求設(shè)計(jì)單位在環(huán)保方面也應(yīng)有自己完整的體系。

一個(gè)完整的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括：工藝布置、窯爐尺寸、能量分配、火焰空間、長(zhǎng)寬比、液流和氣流速度、耐火材料的尺寸及品種數(shù)量、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)（DCS）、燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型、電器部分的選型、工藝控制點(diǎn)、工藝調(diào)整預(yù)案、窯爐的砌筑、安裝、烤窯、熱保、環(huán)保系統(tǒng)，以及前期項(xiàng)目立項(xiàng)、可行性報(bào)告、環(huán)評(píng)、安評(píng)的相關(guān)技術(shù)支持，后期的技術(shù)支持及跟進(jìn)，工藝優(yōu)化等。

目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)不太重視設(shè)計(jì)，習(xí)慣拿別人的圖紙過(guò)來(lái)直接拷貝。一些行業(yè)會(huì)逐步走上原來(lái)傳統(tǒng)玻璃的老路，這樣不利于行業(yè)的發(fā)展和自身的提高。

（2）材料的選擇

耐火材料的選擇是一個(gè)系統(tǒng)化的工作，設(shè)計(jì)單位需要熟知各種耐火材料的特性，根據(jù)窯爐生產(chǎn)產(chǎn)品的特點(diǎn)選用不同材質(zhì)的耐材；根據(jù)客戶及產(chǎn)品的特點(diǎn)，選用不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，這需要考慮供應(yīng)商的質(zhì)量控制水平、價(jià)格等因素。

鑒于全氧燃燒玻璃窯爐的空間溫度、熔化率、煙氣中水蒸氣濃度方面有別于傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐，電熔材料的選擇應(yīng)以正規(guī)廠家為主。其關(guān)鍵部位，如流液洞、鼓泡、電極磚、加料口拐角、泄料磚、大碹等部位應(yīng)重點(diǎn)考慮。

（3）施工

施工質(zhì)量的好壞也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

規(guī)范的施工應(yīng)該包括安全、環(huán)境、工程統(tǒng)籌等諸多因素，正規(guī)的施工單位雖然價(jià)格略貴但是施工質(zhì)量有保障，對(duì)窯爐的壽命有很大的幫助。

（4）運(yùn)行

一個(gè)好的窯爐，要想獲得較長(zhǎng)的窯齡，除了以上因素外，正確的操作與使用同樣是非常重要的。

熔化率：熔化率作為玻璃窯爐生產(chǎn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，為各設(shè)計(jì)單位和客戶所重視。一個(gè)窯爐熔化率的確定，需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)、配方、碎玻璃引入量、窯爐結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)量要求、耐火材料、主要配套裝備的選擇等多方因素綜合考慮。

設(shè)計(jì)單位會(huì)提出一個(gè)合理或相對(duì)保守的指標(biāo)，但是隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈個(gè)別設(shè)計(jì)單位也出現(xiàn)了虛報(bào)指標(biāo)的現(xiàn)象。

窯爐使用單位在日常生產(chǎn)中，業(yè)主迫于市場(chǎng)壓力或?yàn)榱双@得較好的經(jīng)濟(jì)效益多數(shù)會(huì)有隨意提高出料量的現(xiàn)象，在窯爐尺寸和燃燒技術(shù)沒有變化的情況下，提高熔化率通常會(huì)采用更改料方或提高熔化溫度的方式，這一點(diǎn)無(wú)論對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和窯爐壽命都是不利的。

（5）工藝制度

一個(gè)好的工藝制度的確立，不僅可以確保穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量、合理的能耗指標(biāo)及環(huán)保預(yù)期，更是延長(zhǎng)窯爐壽命的重要環(huán)節(jié)。

不同的窯爐、不同的產(chǎn)品以及不同的出料量，都需要有一個(gè)科學(xué)、合理的工藝制度來(lái)保證。工藝制度包括：溫度制度、能量分配、液位及窯壓管理、料山管理、鼓泡或電加熱的調(diào)整、攪拌技術(shù)、溢流或泄料技術(shù)等。

一個(gè)好的設(shè)計(jì)單位，在窯爐設(shè)計(jì)時(shí)就需要對(duì)新窯爐的工藝制度有一個(gè)初步的預(yù)案，并需要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)調(diào)整、完善，直至將這一工藝制度固化。

（6）換料

部分企業(yè)由于市場(chǎng)的原因會(huì)在一個(gè)窯期內(nèi)多次換料，即更換配方、甚至是更換完全不同的產(chǎn)品。這對(duì)窯爐的壽命影響也是很大的，尤其是在窯爐后期還會(huì)有其它風(fēng)險(xiǎn)，需特別關(guān)注。

（7）熱保

熱保，部分窯爐公司稱之為熱處理，這是對(duì)窯爐公司綜合能力的考驗(yàn)。由于全氧燃燒火焰空間多使用干砌的手法，如果熱保不合理或不到位，后期穿火的幾率就會(huì)很大。

熱處理需要施工人員在火候的把握、材料的選用、處理的手法及應(yīng)急處置上有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（8）冷卻

國(guó)內(nèi)部分企業(yè)對(duì)窯爐冷卻的認(rèn)識(shí)不到位，更有甚者，認(rèn)為窯爐冷卻會(huì)增加能耗而拒絕使用池壁冷卻，這樣無(wú)疑會(huì)加劇耐火材料的侵蝕，對(duì)窯爐的壽命很不利。

其實(shí)，作為窯爐設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，窯爐冷卻系統(tǒng)的計(jì)算、設(shè)備選型、安裝調(diào)試及使用有一套科學(xué)的體系，正確的掌握并使用是延長(zhǎng)窯爐壽命的重要手段。

（9）日常維保

同樣配置的窯爐，要想獲得較長(zhǎng)的窯爐壽命，日常的維保尤為重要。日常維保是指窯爐投入使用后，對(duì)窯爐的點(diǎn)檢、維護(hù)工作，應(yīng)遵循早發(fā)現(xiàn)早處理的原則，對(duì)重點(diǎn)部位、異常部位特別關(guān)注，并結(jié)合日常點(diǎn)檢記錄總結(jié)規(guī)律性的經(jīng)驗(yàn)，做到有的放矢。

出現(xiàn)穿火、擠料、透紅的不良苗頭，第一時(shí)間采取應(yīng)對(duì)措施把問(wèn)題解決在萌芽狀態(tài)，以延長(zhǎng)窯爐的壽命。

2.1.4 延長(zhǎng)窯爐壽命的系統(tǒng)化思維

科學(xué)理性地對(duì)待窯爐壽命，樹立噸玻璃耐材耗量的理念。在一定的條件下，所有人都會(huì)認(rèn)為窯爐的壽命越長(zhǎng)越好，但是窯爐壽命的設(shè)計(jì)與把握，是一套科學(xué)的系統(tǒng)工程，如果不考慮建造成本、產(chǎn)品的特性、經(jīng)濟(jì)效益以及使用者的訴求，一味地追求長(zhǎng)壽命窯爐可能會(huì)得不償失，不被市場(chǎng)接收。

（1）制定合理的熔化率

熔化率不是越高越好，窯爐熔化率的設(shè)定要考慮產(chǎn)品的特點(diǎn)、工藝制度、甲方投資意愿等多種因素，制定合理的指標(biāo)并確保達(dá)到即為最佳。

（2）根據(jù)窯爐及生產(chǎn)狀況及時(shí)調(diào)整熔化率指標(biāo)

熔化率指標(biāo)不是一成不變的，需要生產(chǎn)管理者根據(jù)具體情況做出適當(dāng)調(diào)整，特別在窯爐后期耐火材料侵蝕嚴(yán)重，窯爐存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)降低熔化率尤為重要。

（3）強(qiáng)制熔化的危害

部分設(shè)計(jì)單位為了追求不切實(shí)際的熔化率，通過(guò)升高預(yù)熔區(qū)的溫度強(qiáng)制熔化以達(dá)到提升產(chǎn)量的目標(biāo)，這對(duì)窯爐的能耗、有效成分揮發(fā)及窯爐壽命均會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。

2.2 非正常停爐及常見故障

2.2.1 漏料

漏料是全氧燃燒窯爐非正常停窯的最主要因素。漏料的部位多集中在池壁、流液洞、池底、加料口。其中，以流液洞漏料最多。這是因?yàn)榱饕憾词钦G玻璃液流動(dòng)性最高的部位，也是侵蝕最為嚴(yán)重的，這一點(diǎn)與其它窯爐基本一致。全氧燃燒窯爐一般熔化率會(huì)高于傳統(tǒng)的空氣助燃的窯爐，所以流液洞的侵蝕也會(huì)較傳統(tǒng)窯爐更厲害，這一點(diǎn)需要通過(guò)改善流液洞結(jié)構(gòu)、使用更高級(jí)的耐火材料、更加科學(xué)的冷卻方式等措施減緩玻璃液對(duì)耐材的侵蝕，以延長(zhǎng)窯爐壽命。

池壁、加料口、池底漏料均為個(gè)案，不具備代表性，本文不再贅述。

2.2.2 大碹垮塌

由于全氧燃燒的特點(diǎn)，尾氣中的水蒸氣濃度是普通空氣助燃窯爐的5～7倍，所以目前大碹材料的選擇不以普通硅質(zhì)材料為主，目前常見的材料有以下幾種：

燒結(jié)材料：無(wú)鈣硅磚；鎂鋁尖晶石；鋯莫來(lái)石。

電熔材料：1681；1851；a-b （M H）。

從國(guó)內(nèi)全氧燃燒技術(shù)投入使用以來(lái)，大碹出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致窯爐非正常停爐，是僅次于窯爐漏料的第二大故障。上述常用的材料中，多數(shù)出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，集中表現(xiàn)為大碹變形、垮塌，見圖1。

圖1 大碹變形、垮塌照片

造成大碹出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因有：材料選擇不合理、耐材質(zhì)量不合規(guī)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、窯爐砌筑烤窯不規(guī)范、業(yè)主使用不當(dāng)?shù)取ＭǔＧ闆r下，大碹出現(xiàn)問(wèn)題一般很難進(jìn)行修補(bǔ)，多以停窯告終。

2.2.3 胸墻燒穿

胸墻燒穿的發(fā)生幾率還是比較高的。這是因?yàn)槿跞紵幕鹧鏈囟容^普通的空氣助燃火焰更高，更硬。所以，由于控制不良、點(diǎn)檢不到位造成的非正常燃燒極易導(dǎo)致胸墻的燒穿甚至垮塌。這里非正常燃燒主要是指回火、火焰過(guò)長(zhǎng)。圖2為胸墻燒損照片。

圖2 胸墻燒損照片

一般情況下，窯爐的火頭磚（BURNER BLOCK）壽命應(yīng)與窯爐一樣，有企業(yè)曾經(jīng)創(chuàng)下一年更換7個(gè)火頭磚的記錄，也有企業(yè)一個(gè)窯期也沒有更換一個(gè)火頭磚，這也充分說(shuō)明日常點(diǎn)檢、維護(hù)的重要性。

2.2.4 燃燒器燒損

燃燒器使用不當(dāng)、未按要求進(jìn)行日常點(diǎn)檢是造成燃燒器燒損的主要原因，一般情況下超過(guò)燃燒器的上下限，較大的燃料、氧氣壓力波動(dòng)、流淌物處理不及時(shí)都是造成燒損的原因，通常情況下燃燒器燒損會(huì)伴隨窯爐耐火材料的燒損，同樣會(huì)大大影響窯爐的壽命。

2.2.5 爆炸

作為一種成熟的燃燒技術(shù)，全氧燃燒技術(shù)的安全性沒有任何問(wèn)題。但是前提是要按照規(guī)范制造和提供設(shè)備，業(yè)主嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行使用和操作設(shè)備。所有非正常、不合規(guī)的情況都可能帶來(lái)危險(xiǎn)，這一點(diǎn)跟其它工業(yè)化生產(chǎn)的要求并沒有不同。燃料、氧氣泄露、燃燒器燒損、管道燒損、甚至系統(tǒng)爆炸的情況在我國(guó)都有出現(xiàn)過(guò)。

雖然爆炸發(fā)生的比例很低，但是一旦發(fā)生，對(duì)玻璃企業(yè)和設(shè)備供應(yīng)商的影響都是巨大的。

2.2.6 運(yùn)行成本

個(gè)別窯爐生產(chǎn)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)差距較大，繼續(xù)生產(chǎn)沒有經(jīng)濟(jì)性，廠家主動(dòng)停爐降低損失。

也有個(gè)別項(xiàng)目投產(chǎn)后無(wú)法生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，主動(dòng)停爐以降低損失的。

以上兩種情況均屬個(gè)例，不具代表性。

3 如何提高窯爐壽命

3.1 規(guī)范化

（1）業(yè)主要想獲得一個(gè)理想的窯爐壽命，首先要選擇有經(jīng)驗(yàn)有業(yè)績(jī)的設(shè)計(jì)單位，堅(jiān)信好的產(chǎn)品是設(shè)計(jì)出來(lái)的理念。

（2）其次，選擇有全氧燃燒窯爐砌筑及烤窯經(jīng)驗(yàn)的施工單位。全氧燃燒窯爐與傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐有著一定的差別，在窯爐的砌筑、烤窯升溫以及熱處理方面均有獨(dú)特的地方。雖然在砌筑上由于沒有了蓄熱室的燒結(jié)材料的砌筑，工作量有所減少，但是在砌筑質(zhì)量上的要求會(huì)更加嚴(yán)格。烤窯升溫也會(huì)因材料及結(jié)構(gòu)的不同有較大差異，這一點(diǎn)需特別注意。

（3）工藝制度規(guī)范化。避免人為因素的過(guò)多干預(yù)，避免工藝制度特別是出料量、溫度制度的隨意性。

（4）耐火材料，特別是與玻璃接觸的部位、火焰空間以及可能污染玻璃的部位，堅(jiān)持使用符合規(guī)范的材料，避免因使用不合規(guī)材料帶來(lái)的不良影響。

（5）設(shè)備，可能影響到產(chǎn)品質(zhì)量，特別是窯爐壽命、安全的環(huán)節(jié)一定倍加注意，應(yīng)該引起高度的重視。

（6）日常點(diǎn)檢與維護(hù)。全氧燃燒窯爐由于沒有了周期性的換向操作，員工的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，但是責(zé)任心要求更高。對(duì)于窯爐的日常點(diǎn)檢要嚴(yán)格按照規(guī)章制度進(jìn)行，做好點(diǎn)檢、設(shè)備檔案管理，才能做到計(jì)劃維修，確保窯爐壽命。

3.2 科學(xué)化

使用全氧燃燒窯爐時(shí)，首先要擯棄已有的傳統(tǒng)觀念。尊重全氧燃燒技術(shù)內(nèi)在的規(guī)律性、遵守操作規(guī)程。

部分業(yè)主因多年空氣助燃窯爐養(yǎng)成的操作習(xí)慣，不能與全氧燃燒窯爐有機(jī)結(jié)合起來(lái)。不重視對(duì)窯爐數(shù)據(jù)的積累、分析，應(yīng)對(duì)問(wèn)題時(shí)不能做到有的放矢。常見的錯(cuò)誤理念是：玻璃出微泡（也有叫麻料、麻皮）通常是以增加燃料、提高溫度為常用手段，沒有合理的工藝制度、溫度梯度，簡(jiǎn)單的提高溫度不僅增加能耗，對(duì)窯爐的壽命也是不利的。

3.3 系統(tǒng)化

在設(shè)計(jì)理念、材料及設(shè)備選擇、運(yùn)行預(yù)案、工藝控制等方面統(tǒng)籌考慮，均衡分配資源。不能為改善或解決一個(gè)問(wèn)題，簡(jiǎn)單地改變一個(gè)部位的投資密度。

玻璃窯爐作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由諸多環(huán)節(jié)組成。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題都會(huì)影響窯爐的壽命，這就是木桶理論。

3.4 創(chuàng)新

新材料、新技術(shù)、新工藝的運(yùn)用是未來(lái)全氧燃燒窯爐獲得更加廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

低動(dòng)能燃燒技術(shù)、熱氧技術(shù)、氫能源燃燒、浸沒燃燒、混合燃燒技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的方向。其中不少技術(shù)對(duì)延長(zhǎng)窯爐壽命有著革命性的作用，非常值得期待。

4 展望

全氧燃燒技術(shù)在玻璃領(lǐng)域運(yùn)用已經(jīng)有超過(guò)30多年的歷史，在我國(guó)也有20年的積累，特別是近年來(lái)由于產(chǎn)品升級(jí)、環(huán)保政策等原因讓全氧燃燒技術(shù)的推廣應(yīng)用邁上了快車道。為顧客提供穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)、安全的全氧燃燒窯爐是所有從業(yè)者的使命。

在目前的技術(shù)積累過(guò)程中，要想進(jìn)一步提高全氧燃燒玻璃窯爐的壽命，必須在設(shè)計(jì)方案、材料選用、窯爐建造、工藝制度確立、窯爐維保等方面綜合考慮，全方位應(yīng)對(duì)。

在新技術(shù)、新材料、新工藝的運(yùn)用上要堅(jiān)持科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，通過(guò)科技創(chuàng)新來(lái)延長(zhǎng)窯爐的壽命。