玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

段佳輝

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術(shù)中心 秦皇島 066001）

0 引言

傳統(tǒng)的玻璃熔窯使用空氣助燃熔化玻璃。眾所周知，空氣中含有約21%的氧氣和78%的氮氣，而氮氣在燃燒過程中不起助燃作用，并在高溫下會產(chǎn)生NOX。如果使用純氧代替空氣，因無需加熱氮氣可以減少燃料的消耗，大幅度降低了煙氣中NOX的 形成，減少燃燒產(chǎn)物CO2的排放。本文就玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)作簡要的分析。

1 玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)發(fā)展概況

玻璃熔窯中燃料的助氧燃燒試驗可以追溯到上世紀40年代，助氧燃燒可以提高熔窯的有效利用系數(shù)和生產(chǎn)率，但由于當時難以獲取足量的氧，使得試驗未能得到發(fā)展。上世紀60年代末和70年代，美國Aicro Industrial Gsses公司繼續(xù)進行了該試驗，并獲得成功。

1952年，法國開始在玻璃熔窯上采用富氧燃燒技術(shù)的試驗，并取得成功，之后英國、德國、日本等成功在玻璃熔窯上應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)。我國輕工玻璃廠1990年開始試驗， 1991年已經(jīng)有幾家玻璃廠成功地在燃油的馬蹄焰玻璃熔窯上應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)。1997年6月，法國圣戈班在其法國52 t/d玻璃瓶熔窯和美國分公司120 t/d玻璃纖維熔窯啟動富氧燃燒爐。

玻璃熔窯完全采用氧氣-燃料燃燒系統(tǒng)的全氧燃燒技術(shù)從上世紀80年代初開始。1983年美國康寧公司率先開發(fā)成功，并建成第一座天然氣全氧燃燒玻璃池窯，之后一些小型的特種玻璃窯開始向全氧燃燒轉(zhuǎn)化。1990年美國能源部提供大約100萬美元，用于支持大型玻璃熔窯的全氧燃料熔化過程的實際應(yīng)用，以取代使用天然氣或重油及預熱空氣的傳統(tǒng)熔窯，在馬里蘭州Carr-Lowrey公司80 t/d玻璃熔窯應(yīng)用成功。1991年對加利福尼亞州Gallo玻璃公司的燃天然氣橫火焰350 t/d玻璃酒瓶熔窯進行全氧燃燒改造，由于該窯已處于窯齡晚期，改造后能耗只降低了13.5%；1996年再次進行改造，加之使用配合料和碎玻璃預熱技術(shù)，能耗比全氧改造前共降低43.8%，NOX降低80%，CO2減少80%，煙塵降低30%以上。

1993年日本電氣硝子株式會社將全氧燃燒技術(shù)用于生產(chǎn)電子玻璃（LCD蓋板玻璃等）的熔窯上，2001年旭硝子株式會社京濱玻璃廠將全氧燃燒技術(shù)用于生產(chǎn)浮法玻璃的熔窯上。

2010年10月，彩虹新能源在咸陽基地第一座250 t/d全氧燃燒窯爐投入運行；2011年1月，由蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院利用安徽華光光電材料科技集團原500 t/d浮法線上改造的中國第一條浮法玻璃熔窯全氧燃燒生產(chǎn)線余熱發(fā)電工程一次發(fā)電成功，當年11月，由南玻集團在河北廊坊投產(chǎn)的國內(nèi)首座150 t/d全氧燃燒超薄電子玻璃窯爐成功打破技術(shù)壟斷，在國內(nèi)率先實現(xiàn)0.7 mm、0.55 mm超薄鈉鈣玻璃的量產(chǎn)。2015年，由秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院設(shè)計的合肥彩虹光伏有限公司一線750 t/d全氧燃燒窯爐，生產(chǎn)超白高透太陽能光伏玻璃。

資料顯示，目前全球已有300多座玻璃熔窯成功轉(zhuǎn)換為全氧燃燒，大多用于電子玻璃、太陽能光伏玻璃、硼硅酸鹽玻璃、器皿玻璃和玻璃纖維等玻璃熔窯上。其中大型鈉鈣玻璃熔窯的全氧燃料轉(zhuǎn)化應(yīng)用約60座容器玻璃熔窯和10座浮法/平板玻璃熔窯。

2 玻璃熔窯全氧燃燒的三種方式

燃燒過程都需要氧氣，空氣中的氮氣不僅不參與燃燒，反而抑制燃料與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導致火焰溫度低于純氧可達到的溫度。富氧或全氧，增加燃燒空氣中的氧含量，以此改善整體燃燒過程，從而使產(chǎn)生的熱傳遞提高火焰溫度和可用熱量。玻璃熔窯全氧燃燒主要有三種方式，即純氧助燃、富氧燃燒和全氧燃燒。

2.1 純氧助燃

純氧助燃，通常是將一對助燃氧燃料裝置放置在熔窯的側(cè)壁或頂部，向空氣燃燒玻璃熔窯中未熔化的料區(qū)域加熱，以加速熔化和澄清速率。對于大型的橫火焰浮法玻璃熔窯來說，一般安置在1#小爐前，所以也稱為0#小爐純氧助燃燃燒器，或俗稱0#氧槍。

在熔窯熱點溫度保持不變的條件下，純氧助燃具有以下優(yōu)點：由于提高了投料口處溫度，增強了投料循環(huán)液流的對流，強化了配合料的預熔，使得配合料熔化加快；在配合料表面形成“釉層”，減少配合料的飛料；改善熔化區(qū)域液面上的配合料分布及料堆形狀，提高了料堆的熱均勻性；減少助燃，減少氮氧化物等廢氣及粉塵的排放量，節(jié)約環(huán)保成本；擴大熔化部的澄清區(qū)，有利于玻璃液的澄清；改善窯爐的熱效率和改善玻璃質(zhì)量；純氧輔助燃燒系統(tǒng)與原有空氣燃燒系統(tǒng)相互獨立，操作靈活。

2.2 富氧燃燒

富氧燃燒是指在燃燒過程中，通過對燃料供氧進行控制，使氧氣的濃度高于空氣中21%的標準（通常氧氣濃度在24%以上），從而實現(xiàn)高效、清潔的燃燒方式。

目前，玻璃熔窯富氧燃燒主要有三種方式：①增加助燃風的氧含量；②增加霧化介質(zhì)的氧含量；③將純氧或富氧空氣直接噴在燃燒器和玻璃液面之間。實際應(yīng)用證明，第三種為局部增氧，其效果最好，但裝置較復雜。第一種和第二種為整體增氧，操作方便、簡單，但效果較差。

玻璃熔窯使用空氣助燃時，上層為空氣的富積層，氧含量高，燃料完全燃燒，溫度高；下層為燃料的富積層，氧含量低，燃料燃燒不完全，溫度較低。而當采用第三種富氧燃燒方式時，燃燒最佳狀態(tài)是將火焰分為三個區(qū)域：火焰上部為缺氧區(qū)，可以防止大碹過熱；中部為普通燃燒區(qū)；下部盡量形成高溫區(qū)。這種燃燒狀態(tài)，會使得火焰特性得到改善，火焰對玻璃液的輻射傳熱得到強化，從而提高熔化能力。同時也有利于延長大碹和胸墻的使用壽命，減少散熱損失，提高熔窯的熱效率。

采用富氧燃燒技術(shù)后，熔窯結(jié)構(gòu)要做適當?shù)恼{(diào)整，例如小爐口的尺寸、蓄熱室的高度以及密封、保溫等。

2.3 全氧燃燒

全氧燃燒是利用純度＞90%的氧氣代替空氣與燃料進行燃燒，如以天然氣為燃料的全氧燃燒，燃燒產(chǎn)物成分中只有CO2和 H2O，極大地減少了包括NOX、粉塵等污染物的排放量；由于全氧燃燒提高了燃燒效率和玻璃液熔化率，使得燃料用量減少，從而減少了CO2的排放。全氧燃燒技術(shù)是玻璃行業(yè)未來發(fā)展的重要方向之一，進行全氧燃燒節(jié)能環(huán)保技術(shù)改造是引領(lǐng)玻璃工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

3 玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)的發(fā)展方向

玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)主要包括燃燒器、控制系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)和耐火材料四個方面。

3.1 燃燒器

全氧燃燒技術(shù)的關(guān)鍵在于燃燒器，燃燒器的工作特性對燃燒、火焰穩(wěn)定性、傳熱、溫度均勻性、熱點位置和耐火材料壽命等都是至關(guān)重要的。全氧燃燒器與傳統(tǒng)的空氣助燃燃燒器相比，由于多出了氧氣的通路，所以相對更復雜。作為完成燃料最終燃燒的設(shè)備，燃燒器的優(yōu)劣及對燃料的適應(yīng)程度直接決定全氧燃燒熔窯的能耗、安全及穩(wěn)定性。

目前，全氧燃燒器種類眾多，仍以氣體燃燒器為主流，液體燃燒器和固體燃燒器也有較大進步。2015年第76屆玻璃問題會議上美國陶瓷學會推出一種以石油焦為燃料的固體燃料燃燒器，不僅解決了固體燃料揮發(fā)分低難以點燃的問題，也解決了石油焦中難熔氧化物以及硫、釩、鎳等有害物質(zhì)的問題。美國Honeywell公司的OXYTHERM?300系列燃油燃料燃燒器，燃油通過噴嘴進入，與壓縮空氣一起霧化，然后與氧氣結(jié)合燃燒。2018年大陽日酸株式會社開發(fā)了一種氧氣燃燒器“Innova”，該燃燒器利用自激振蕩現(xiàn)象，從噴嘴噴射的流體沿著附近的壁流動。通過將這種現(xiàn)象應(yīng)用到燃燒器中，可以周期性地改變火焰的方向，從而擴大火焰加熱的區(qū)域。

3.2 控制系統(tǒng)

全氧燃燒玻璃熔窯具有以下特點：熱點位置的玻璃液溫度、整個澄清均化區(qū)域的玻璃液溫度均較高；熱點位置沿熔化部長度方向相對位置靠后，將導致熔窯澄清均化前區(qū)長度變短，使得氣泡澄清困難和玻璃液均化不良；全氧燃燒會產(chǎn)生大量的水蒸氣，由于全氧燃燒火焰相比于空氣燃燒火焰長度短，不能很好地消除熱點區(qū)域熔化產(chǎn)生的大量泡沫，會導致氣泡澄清困難和玻璃液均化不良。針對全氧燃燒的特點，在熱點區(qū)域使用消泡劑，設(shè)置鼓泡裝置，加強玻璃液的對流和均化；調(diào)整熱負荷分配、溫度分布、氧氣/燃料比例；減少泡界線外泡沫、加強澄清；調(diào)整火焰長度、火焰角度，通過壓低噴槍角度、下調(diào)火焰噴出角度，降低火焰與玻璃液表面的距離，提高火焰對玻璃液表面的熱輻射，這些措施有利于玻璃液對熱量的利用和消除泡沫。

3.3 氧氣供應(yīng)

對于具有空分設(shè)備的浮法玻璃廠而言，空分制備氮氣時所產(chǎn)生副產(chǎn)品氧氣，可以用做富氧燃燒的氧氣來源。但對于眾多的玻璃企業(yè)，氧氣需要單獨的制備或購買。目前氧氣制備方法主要有以下幾種。

3.3.1 真空變壓吸收法（VPSA）

VPSA制氧是利用分子篩對空氣中的氧、氮組分進行選擇性吸收，分離空氣中的氧氣和氮氣而獲得氧氣。該工藝又分為單床吸附式和多床吸附式兩種，其工藝裝置結(jié)構(gòu)緊湊而簡單，設(shè)備運行可靠，維護操作簡便，產(chǎn)量可調(diào)性好。適用于中等用量的窯爐，其氧氣純度＜95%，氧氣壓力低。

3.3.2 低溫（深冷）氧氣分離法

低溫（深冷）氧氣分離法制氧是將空氣壓縮，再降溫、冷卻后液化，然后利用專用設(shè)備精餾塔得以實現(xiàn)將空氣分離為氧和氮。低溫氧氣分離法可生產(chǎn)純度達98%及以上的氧氣，但壓力較低，同時還可生產(chǎn)氮氣。其設(shè)備噪聲低、安全性好，但裝置系統(tǒng)較為復雜，維護較困難，適用于大規(guī)模制氧。

3.3.3 改進型深冷制氧器（ICO）

ICO制氧是利用先進的深冷技術(shù)，主要工藝步驟是將空氣壓縮、預純化和分離?；谶B續(xù)的深冷工藝，ICO制氧器采用分餾技術(shù)來分離空氣所含的成分。ICO制氧可同時產(chǎn)生氣態(tài)氧、氣態(tài)氮、干壓縮空氣和液態(tài)氧。該方法產(chǎn)生的氧氣純度為90%～98%，是中型至大型全氧窯普遍采用的制氧方法。

3.3.4 膜法富氧法

膜法富氧是利用空氣中各組分透過高分子富氧膜時的滲透速率不同，在壓力差作用下，使空氣中氧氣優(yōu)先通過富氧膜，所以透過的氣體中氧含量增加，形成富氧空氣。膜法富氧可使富氧空氣中氧濃度達到28%～31%。此法設(shè)備簡單，操作方便，只能用于富氧燃燒玻璃熔窯。

3.3.5 罐裝液態(tài)氧

罐裝液態(tài)氧適用于現(xiàn)場制造氧源有困難的企業(yè)，罐裝的液態(tài)氧是純度高達99.5%的液氧，但生產(chǎn)成本高。一般用于規(guī)模較小的特種及輕工日用玻璃熔窯、小型玻璃纖維熔窯以及富氧燃燒玻璃熔窯。

3.4 耐火材料

在全氧燃燒玻璃熔窯中，由于助燃氣體的減少和水蒸氣濃度的增加，鈉鈣玻璃熔窯氣體中的NaOH濃度提高至原來的2倍；硼硅酸鹽玻璃熔窯氣體中的HBO2被提高至3倍；顯像管鉛玻璃熔窯氣體中的PbO增加至2.5倍；顯像管無鉛玻璃熔窯氣體中的KOH濃度也增至2倍。同時，水蒸氣濃度也增高了3倍。所以全氧燃燒玻璃熔窯對耐火材料的要求較高，總體要求是：對堿蒸氣及水蒸氣具有高抵抗性，高溫下的機械穩(wěn)定性，較低密度和低導熱性。

全氧燃燒玻璃熔窯的大碹、池壁、胸墻為關(guān)鍵部位，其選材的優(yōu)劣將直接影響到熔窯的壽命及玻璃企業(yè)的整體利益。目前，全氧燃燒玻璃窯爐上部結(jié)構(gòu)使用較多的耐火材料以熔鑄材料為主，如電熔AZS系列、電熔氧化鋁系列、電熔鉻剛玉系列或燒結(jié)鉻剛玉系列等。

4 結(jié)語

玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)，不僅在燃燒中減少NOX和 CO2排放，實現(xiàn)行業(yè)綠色生產(chǎn)和低碳生產(chǎn)，還可以很大程度上提高燃燒效率，節(jié)約能源，為氫能等新型燃料窯爐提供理論和實踐基礎(chǔ)。切實對玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)進行深入的研究、應(yīng)用是非常必要的。