国内外浮法玻璃全氧燃烧调研报告

全氧燃烧技术在浮法玻璃生产中应用的调研报告国内浮法玻璃行业能耗过高、污染排放量大等问题正随着国家对低碳节能要求的增加而日益受到重视。

技术革新正在成为本行业继续健康发展的强劲动力。

为了改善浮法玻璃行业能源消耗过高的现状，也为了提升本院的科学技术水平提高自身竞争力，我院于2010年10月成立了全氧燃烧课题研究小组。

目前，研究小组已经完成了为期三个月的前期调研工作。

调研目的在于收集国内外关于玻璃熔窑全氧燃烧的应用情况的相关资料，并整理资料提取有用信息，为全氧燃烧课题研究小组提供全氧窑方案设计依据。

调研期间，研究小组检索查阅了近十年来国内核心玻璃期刊上有关全氧玻璃熔窑应用的大部分学术论文及优秀硕士毕业论文，并咨询了巨石集团、秦皇岛玻璃研究设计院、蚌埠玻璃工业设计研究院、杭州杭氧集团、美国普莱克斯公司等相关企业。

为了丰富信息资料，研究小组还与多位玻璃行业的技术专家进行了交流，并出席了由中国硅酸盐学会玻璃分会主办的2010全国玻璃技术交流研讨会，从中获得了许多有价值的信息。

为使接下去的研究工作能够更顺利的进行，现就本次调研工作做一个详细的总结。

一、玻璃熔窑全氧燃烧技术的必要性我国玻璃工业产能已经高居世界首位，到2009年末，全国已建成投产的浮法玻璃生产线208条，平均熔化能力约540t/d。

在2009年投产的19条浮法玻璃生产线熔化能力都在500t/d以上。

与上世纪相比，我国平板玻璃熔窑的大型化水平和单位产品能耗有了显著的提高，一定程度上降低了污染物和二氧化碳的排放水平，并且大大提高了玻璃行业的产品质量。

尽管如此，我国的平板玻璃行业依然存在着能耗大、成品率低（85%左右）、NO x排放量高等问题，和国外先进水平仍有一定的差距。

而且随着重油价格的走高，燃料在玻璃制造成本中所占的比例也越来越大，严重影响了行业的经济效益。

因此，节约能耗缓解能源短缺、提高成品率以及降低污染物排放依然是平板玻璃行业需要继续努力的课题。

长久以来，玻璃熔窑一直使用空气作为助燃介质。

由于空气中氧气含量只有21%，其余约占4/5的氮气被无谓的加热，并在高温下排出窑体，造成了很大的能源浪费。

这部分的热量损失约占能耗的30%左右。

同时，氮气在高温下还与氧气反应生成NO x气体，NO x气体排入大气层极易形成酸雨造成环境污染。

另外，大量的含氮烟气流过小炉、蓄热室、烟道、烟囱等设备也缩短了窑炉的使用寿命。

根据传统的工艺，空气助燃时还需要通过定时换火进行烟气与助燃空气的热交换，这样可以回收部分热能减少加热空气所需的能耗。

但换火过程中窑内会瞬间失去火焰，导致窑温与窑压的波动，这样必然会影响产品的质量。

为了解决空气助燃所带来的这些问题，全氧燃烧技术逐渐引起了各国的重视。

所谓全氧燃烧技术就是将空气—燃料燃烧系统改为氧气—燃料燃烧系统，燃烧产物以CO2和H2O为主，产物量大大减少，NO x比例显著降低。

其工艺原理和产物成分等方面与空气助燃的燃烧系统间存在的显著区别，使得全氧燃烧无论在窑炉投资上还是在节能减排上或是在产品质量上都较之空气助燃有着相当大的优势。

1998年在美国召开的第18届国际玻璃会议上，全氧燃烧技术被誉为玻璃熔化技术发展历史上的第二次革命[1]。

二、全氧燃烧技术的国内外发展现状美国康宁公司早在20世纪40年代便在玻璃熔窑上试用天然气全氧燃烧技术，开创了玻璃熔窑全氧燃烧技术的先河。

但是在上世纪80年代前，全氧燃烧技术在玻璃熔制上一直只是起辅助作用。

进入80年代后，欧美发达国家对环境保护及节能的要求日趋严格，全氧燃烧技术也因此逐渐引起了人们越来越多的重视并得到了更快的发展。

康宁公司于1982~1991年间将其分布于世界各国的34座玻璃熔窑改造成了全氧燃烧系统。

当时，美国有许多换热式的熔窑都改造成了全氧燃烧。

到2002年，美国全氧燃烧熔窑分布情况如表1所示：表1 美国的全氧燃烧玻璃熔窑分布情况（统计到2002年）注：“其他”包括电视用玻璃、液晶显示器玻璃、照明灯管玻璃、医用玻璃、建筑装饰用玻璃等。

目前世界上大约有200多座玻璃熔窑采用全氧燃烧技术。

其中北美约有140座、欧洲30余座、亚洲20余座。

大多用于显像管玻璃、硼硅酸盐玻璃、器皿玻璃和玻璃纤维等玻璃熔窑上。

相比较而言，在浮法玻璃熔窑上应用全氧燃烧技术还不多见，但最近十几年这方面的研究与开发也取得了不小的进展。

目前世界上大约有10条浮法玻璃熔窑采用了该技术，美国大约有5条，其中PPG玻璃公司2002年投产的300t/d浮法玻璃熔窑用于生产低铁超白太阳能光伏玻璃。

近几年，中国已开始推行全氧燃烧，国内学者已经做了不少的研究，玻璃纤维池窑、玻壳、玻锥电子窑及在浮法窑增设“0号小炉”的全氧助燃已相继建成投运。

例如：玻壳生产应用全氧燃烧技术的有安彩集团、彩虹集团和津京玻壳股份有限公司；玻璃纤维窑炉应用全氧燃烧的有巨石集团以及康宁在余杭的玻纤厂；0＃小炉全氧喷枪助熔的玻璃窑炉有大连浮法玻璃有限公司。

在浮法玻璃的全氧燃烧方面，中航三鑫的海南中航特玻材料有限公司于2009年1月引进了美国PPG公司的全氧燃烧和在线LOW-E镀膜技术，打算在三年内建成世界上第一条同时应用全氧燃烧和LOW-E镀膜两大技术的浮法玻璃生产线。

其中氧气站的建设由美国Praxair公司提供技术服务。

2010年6月，华光玻璃集团的500t/d浮法玻璃生产线节能改造工程启动。

该改造工程由蚌埠玻璃设计院设计，将集合全氧燃烧、余热发电两大最新节能技术，改造后可提高产量5%左右。

秦皇岛玻璃研究设计院设计的沙河600t/d全氧燃烧浮法玻璃生产线目前也正在施工。

美国Maxon、Air Products、Praxair等公司为了开发气体市场，长期进行全氧燃烧技术的开发研究。

十多年来，全氧燃烧技术逐步完善，世界上有燃烧实验室的公司取得了许多成功经验。

诸如：提供包含数学模型等技术软件在内的设计依据资料、全氧燃烧窑炉的结构设计，还包含供氧系统、燃烧器、喷嘴砖、燃烧系统，“氧气+燃料”的自控系统在内的各项装备以及各种不同类型制氧装备等。

以美国为首的发达国家在多年的研究和工程实践中已经形成了一系列全氧燃烧的专利技术。

其中Praxair公司拥有如：硅砖高碹结构设计技术、“氧气+燃料”的燃烧器技术等在内的多项专利；Maxon公司也拥有分段燃烧器等专利。

我国目前在这方面的的申报专利还不多，不过由于该技术已经越来越受到大家的重视，具有中国自主知识产权的全氧燃烧专利技术近年来发展非常迅速[4]。

三、全氧燃烧技术的优越性3.1 降低能耗：因为全氧燃烧使用的助燃介质是纯度≥85%的氧气[4](目前常用的制氧方法已经可以将纯度93%左右的氧气应用于玻璃熔窑全氧燃烧)，相比空气助燃，产生的烟气量及其带走的热量大大减少。

而且窑体无小炉和蓄热室，向外散失的热量也因此减少。

经过长期反复的试验研究，H. Kobayashi等人在2003年提出采用全氧燃烧减少燃料消耗效果显著，能耗有望降低30%以上[2]。

长期的工业实践也表明，目前熔制普通钠钙硅平板玻璃的全氧燃烧熔窑已可达到这一节能效果，而日用、特种高硼料玻璃熔窑节能已经超过了30%。

若以燃重油600t/d全氧燃烧浮法玻璃为研究对象，经热工计算分析可得蓄热式玻璃熔窑玻璃的理论熔化单耗为6634kJ/kg，全氧燃烧玻璃熔窑为4612kJ/kg，每天可节约29.04t重油，节能达30.5%[3]。

3.2 减少大气污染：全氧燃烧炉内火焰空间中氮气的含量很低，废气排放量减少60%以上，废气中“NO x”可减少到0.25kg/t（比空气助燃系统降低80%~90%），烟尘也降低50%以上，粉尘排放量低达150~250mg/Nm3[4]。

由此可见全氧燃烧能使烟气的污染大为减少，环保效果非常明显。

3.3 提高熔化率：气体的辐射能力主要取决于气体中CO2和H2O的含量，而全氧燃烧熔窑内烟气中CO2和H2O的体积浓度和高达99%，比空气助燃时有了很大的提高。

因此，全氧燃烧产生的烟气几乎全部具有辐射能力。

烟气有效辐射力的增大使得玻璃表面透射辐射量增加，再加上火焰黑度显著增加（对于净化天然气，其燃烧火焰可视为不发光火焰，不发光火焰的黑度主要由CO2和H2O的数量决定[5]），大大提高了辐射传热的能力，提高了熔化率[3]。

另外，全氧燃烧时的火焰传播速度W O2比空气助燃时的W a快，[根据经验式：W a= W O2（1-0.01N2-0.012CO2）]，故对玻璃液的传热量增多，熔化率可提高10%~20%[6]。

又因水蒸气的含量增加以及全氧燃烧时玻璃液表面温度提高，使得玻璃液黏度降低，流速增大，这也有利于提高熔窑的产量。

3.4 玻璃熔化质量高：全氧燃烧时，由于实际燃烧温度远大于1600℃，所以氧气无需预热，也不需要换热过程。

因此，熔窑内火焰和窑压更加稳定，燃烧气体在窑内停留时间更长，有利于玻璃的熔化、澄清，减少玻璃的气泡及条纹[3]。

此外，烟气成分中水汽含量可达53%，玻璃液与水汽反应增强，玻璃液中的OH–量增多，导致黏度降低，这也有利于玻璃液的澄清和均化，提高玻璃质量。

全氧燃烧时，烟气辐射发射率在热辐射起作用的波长范围内都比空气助燃时的辐射发射率大。

特别是在波长小于4μm的近红外范围内的发射率显著增大。

在澄清部，因为玻璃液对波长小于5μm的投射热辐射具有高度的透射性，所以传热的效率和温度均匀性得到改善。

在熔化部配合料对处于红外范围的热辐射具有较高的吸收率，因此辐射传热也得到了加强。

这些全氧燃烧窑内的辐射传热变化，也使得玻璃液的质量得到了一定的提高[3]。

3.5 熔窑结构简单，使用寿命增加：由于燃烧系统的改变，引起了玻璃熔窑结构的改变，窑体成一个熔化单体结构，蓄热室的取消大大减少了建筑成本和熔窑体积。

采用全氧燃烧可使火焰分为2个区域，在火焰的下部由于高纯度氧气的喷入克服了缺氧现象，使火焰下部温度提高，而火焰上部的温度有所降低（据测量热点温度可以下降20℃左右），减轻了对大碹的烧损，延长了熔窑的使用寿命。

此外，由于全氧燃烧玻璃液黏度的降低，玻璃液温度的均匀性提高，熔化区和澄清区的面积可以同时减小10%，缩小了窑体的规模。

四、全氧燃烧窑的结构特点全氧燃烧熔窑的氧枪内完成了部分混合燃烧过程，因此取消了小炉。

另外由于氧气无需加热，所以还取消了蓄热室和换向装置。

熔窑结构类似于单元窑，但在胸墙上增加了全氧重油或天然气喷枪。

胸墙和大碹采用电熔耐火材料，碹顶高度比空气助燃时要高，大碹内表面加“纵向突起”，以防止碱液沿碹顶向胸墙流动，减少对耐火材料的侵蚀。

与单元窑相似，全氧燃烧熔窑内料流与气流作逆向运动。

加料口和排烟口可分别布置在窑的正面和侧面。

加料口在侧面时排烟口在正面。

这时烟气热能利用好，但料粉带出多些。

反之，加料口在正面时，排烟口在侧面（两侧）。