【2019年整理】玻璃熔窑的全氧燃烧

《玻璃熔窑的全氧燃烧》

本文论述了玻璃熔窑的全氧助燃、全氧燃烧机理，发展趋势以及因助燃介质的改变引起的熔窑结构变革，全氧燃烧还是治理环境；大气污染、温室效应的有效措施，并建议在编制“十一五”规划时，制订相应的指导性政策，试行“全氧燃烧技术”取得经验以利推广。 关键词：全氧燃烧、全氧助燃“0号小炉”、温室效应、“NOx”、硅砖碹顶蚀变、高碹顶技术、节能、大气污染、“京都协议书”、“万象协议”。 本文谨献给编制“十一五”规划、从事玻璃工业的科技工作者。 一、概论 改革开放20多年以来, 国民经济迅速发展举世瞩目。玻璃工业(平板玻璃、电子玻璃、玻璃纤维、日用玻璃、光学玻璃等)相应得到迅速发展，仅以浮法玻璃为例，截止2004年底，已建成投产126条浮法线（总产量已达到3亿重量箱，日熔量52930T），还有51条线在建、拟建。熔化玻璃采用煤、煤焦油、重油、天然气、或电(少量)作燃料。目前我国熔化一公斤玻璃液（平板玻璃）平均指标在1500-1800大卡。按此单位能耗测算，玻璃工业无疑是重要能耗大户之一。当今世界石油价格上涨，我国进口石油逐年增加（中国生产力发展研究报告研究表明；中国石油进口率测算到2010、2015和2020年进口率下限将分别达到55.4%、57.4%、59.7%。大大超过30%理论上控制指标，按国际能源组织今年预测2030年中国石油对外依存度将达到74%的进口率）。玻璃熔窑大部分采用重油做燃料，因此，对于玻璃工业的总量控制，尤其是高能耗玻璃熔窑的能耗限制，从节能、成本考虑采用新燃烧技术已是当务之急。 2005年2月16日“京都协议书”生效、2005年7月27日美国、澳大利亚、中国、印度、韩国在万象签订了亚太地区清洁能源开发及气候变化研究伙伴关系的协议“万象协议”，都在呼吁保护全球环境。 目前中国的温室气体排放量已高居世界第二，并预计将会超过美国升至第一（美国纽约时报10月30日文章：中国下一个剧增的可能是污染空气）。根据粗略统计，中国有1/3的地区受到酸雨侵蚀。中国政府现在必须认识到，在环境方面，它既有国内责任，也有国际责任。 党和国家提出的“十一五”规划纲要，已将节能、环保列为“十一五”规划着重解决的课题。严格控制大气污染、降低温室气体排放的新法规、新技术已是既定方针。 随着玻璃工业的发展，人们对产品质量要求的不断提高，燃料成本的不断增加，使得科技工作者对玻璃生产的核心——“玻璃熔窑”的各个环节进行了不断地探索和改进，燃烧系统也不例外，至今已有了可喜的成效。 人们除了关注全球日益紧缺的能源供应，探索种种节约能源的措施之外，还关注着人类的生存环境，针对熔窑排放的各种废气，采取必要的措施进行处理。除燃烧高硫燃料产生的“SOx”已引起重视外，在以空气助燃的燃烧中所产生的废气含有大量的NOx，它造成光化学大气污染、温室效应，影响全球人类生存环境，其更应予以关注。 有史以来，玻璃熔窑一直都是以空气作为助燃介质。经过对现有燃烧系统的分析研究，认为采用空气助燃是导致高能耗、高污染、温室效应高的重要因素。空气中只有21%的氧气参与助燃，78%的氮气不仅不参与燃烧，还携带大量的热量排入大气。通过长期反复地试验研究认为；采用纯度≥85%的氧气作为助燃介质，对于节约能源，改善环境效果十分显著：能耗可降低12.5% - 22%，未来可望降低30%以上（见图二），废气排放量减少60%以上，废气中“NOx”下降了80-90%、烟尘也降低50%以上。

图一 这种采用纯度≥85%的氧气参与燃烧的系统，我们称之为全氧燃烧、玻璃熔窑中，部分设置全氧燃烧系统（浮法玻璃熔窑俗称的“0”号小炉助熔）称之谓全氧助燃。由于燃烧系统的改变，引起玻璃熔窑结构的变革，全氧燃烧窑炉取消了蓄热室、小炉、换火系统，如同单元窑（见图一）。就采用横火焰窑炉的玻璃厂而言，熔化部厂房跨度可缩小2/5，主生产线投资减少30%左右。鉴于采用全氧燃烧的熔窑，无需“传统换火工艺” 使得玻璃熔化更加稳定，近乎达到理想境界。 熔化过程飞料大幅度降低，澄清区气泡释放非常彻底，玻璃熔化质量显著提高。

图二：全氧燃烧的能耗比较 采用空气或全氧作为助燃介质，其传热过程差异很大(见表一)。

传统的空气助燃，需要通过定时换火进行烟气与助燃空气的热交换，回收部分热能。但是，换火过程窑内瞬间失去火焰，玻璃液必然失去热源，导致窑温波动，受到换火过程的冲击，窑压瞬间波动也是必然的结果。 通常空气助燃，因为小炉结构的需要，必须占据沿池壁长度方向较宽的位置，因此，喷枪的合理布置受到限制。采用全氧燃烧，由于燃烧器不同于小炉，外形结构尺寸相对较小，它可以按照熔化温度曲线合理分布，“燃烧器”或对烧、或交叉燃烧。完全可以按照熔化温度曲线自动控制窑内温度，不致烧坏窑体。就浮法窑而言，一般反而使热点温度下降，原料预熔区温度上升，其结果是预熔区的原料受高温气体传热很快形成薄壳，从而阻止了粉料的飞扬。用于浮法玻璃熔窑的全氧助燃，俗称“0号小炉”，是在“1号小炉”与前脸墙之间两侧胸墙上各安装一支“氧+燃料”燃烧器，用于熔窑的中、后期以及生产特种深色玻璃时投运，以提高预熔区的温度，将泡界线前移，减少飞料，可提高产量约10-15%，并大幅度减少玻璃中的气泡，提高产品质量，以便恢复熔窑前期功能，而无需进行蓄热室热修，节约了人力、物力、热修费用。

二、“全氧 + 燃料”燃烧的技术成果 到本世纪初，全世界已有200多座全氧燃烧窑炉，北美拥有的550座包括小型特种玻璃窑在内, 其中约有140座为全氧燃烧窑炉，欧洲现有的350座窑炉中已有30余座为全氧燃烧窑（不包括玻璃棉及特种玻璃窑），亚洲已有20多座全氧燃烧窑炉。近几年在中国已开始推行全氧燃烧，如玻璃纤维池窑、薄壳、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，（见图三、图四）。 图三：全氧燃烧窑在北美的分布图 图四：全氧燃烧窑在欧洲的分布图

美国Praxair 、Air Product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。十五年来，全氧燃烧技术逐步完善,世界上有燃烧试验装置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、支撑燃烧器的耐火砖材、燃料（重油、煤焦油、天然气）自供系统、“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。 美国Praxair公司在这方面还拥有多项专利，如硅砖高碹结构设计技术、“氧气 + 燃料”的燃烧器专利等。到目前为止，全氧燃烧已经是一项成效显著的成熟的科技成果。 三、全氧燃烧的有关问题 在此仅就玻璃窑全氧燃烧氧气纯度（富氧、全氧）、浮法窑内温度场、窑内气氛、全氧助燃“0号小炉”的氧气用量、高碹等的有关问题进行讨论。 1、氧气纯度：空气中只有21%的氧气，氧气大于21%，如22%就是富氧，所以，通常提到的“富氧燃烧”没有定量，易混淆含义。试验证明，含氧量≥85%作为助燃介质，燃烧效果才显著，一般全氧燃烧含氧量≥91-92%，含氧量< 85%燃烧效果不好，因此将供给一条浮法线锡槽用氮所采用的空分设备产出的含氧尾气，作为助燃介质是不够的，燃烧效果甚微。 2、浮法窑内温度场：由于燃烧器外形结构尺寸相对较小，“氧气 图五 +燃料燃烧器”可以按照熔化温度曲线合理分布，与空气助燃相比，一般浮法窑预熔区温度（投料口至一号小炉间），上升65℃，热点温度下降20℃（见图五），实践证明这对玻璃熔化过程：预熔、熔化、澄清及调节窑内气氛，减缓对耐火材料的侵蚀是有利的。 3、窑内气氛：全氧燃烧窑内气氛变化较大，在玻璃熔体表面碱（NaOH）的挥发反应，碱蒸气（NaOH）浓度增加数倍，造成碹顶硅砖侵蚀加剧（见图六）。 图六 4、全氧助燃“0号小炉”的氧气用量：氧气用量可按全窑助燃氧气用量≧15%或按增加玻璃产量计算。 5、高碹：为了防止硫酸钠（Na2SO4）等物质造成碹顶硅砖侵蚀，美国Praxair公司采取了高碹顶技术，提高碹顶高度、将加料段温度升高、抬高燃烧器，降低了碱蒸气（NaOH）挥发浓度，减低了对碹顶硅砖的侵蚀，延长了窑龄，实际效果很好（见图六、图五、图七）。 图七

四、全氧燃烧技术经济分析 1、全氧助燃“0号小炉”投入成本低，日用氧气量少，效果明显。在浮法窑炉投运的中、后期可增加产量、提高玻璃质量、无需再支付蓄热室等热修费用，其经济效益十分明显。 2、全氧燃烧的技术经济比较（见表二） 表二：“空气+燃料 ”、“氧气+燃料”的可比成本比较 注： a.本表以700T/d浮法玻璃窑为例 b.熟料(碎玻璃)占配合料比例为15%； c.重油按3000元/吨； d.氧气按0.35元/标立方米 e.未考虑“环保”要求支付、奖励的收支； f.未列入“空气+燃料”窑炉维修支出； g. “氧气+燃料”土建、换向工艺设备节省的投资未列入。 上述700T/d浮法生产线氧气供应站投资，由供气方投资。氧气价格为含电价。 从简略的测算可以看出，由于能源(重油)价格上涨，两者可比成本仅差1.85元/箱，如果考虑“氧气+燃料”熔化玻璃的质量提高，使得质量从建筑级提高到汽车级，则5毫米玻璃每平米售价可增加1-1.5元的因素，同时国家对新的环保、节能技术的应用实施政策倾斜，采用全氧燃烧的经济效益是好的。

五、如何应用全氧助燃、全氧燃烧 应用“氧气 + 燃料”的方案实际上有两种选