作者：唐宇，唐秀鳳 （中材科技股份有限公司，南京 210000）

摘  要：介紹了純氧燃燒技術在玻纖池窯上的應用，通過理論分析研究來闡述純氧燃燒技術的先進性，通過實際應用案例來驗證該技術良好的經(jīng)濟性和社會效益性。指出純氧燃燒技術是先進的玻璃熔化技術，能夠廣泛應用于熔制各種成分玻璃配合料，使玻纖生產(chǎn)能夠實現(xiàn)高質量、低排放、降能耗的目標。

關鍵字：純氧燃燒；玻璃纖維；單元窯；節(jié)能減排

1.概述

純氧燃燒是一種氧化反應，即燃料（天然氣、液化氣、柴油、重油等）與氧氣在高溫下發(fā)生劇烈的氧化反應而發(fā)光發(fā)熱。任何燃燒過程都包括三個要素——燃料、氧氣及高溫，傳統(tǒng)空氣燃燒就是利用空氣中21%的氧氣來進行助燃，但是空氣中約79%的氮氣在高溫下也會部分與氧氣發(fā)生氧化反應產(chǎn)生大量有害物質NOx，空氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量較大，79%的氮氣也會加熱至高溫，帶走部分熱量，因此空氣燃燒的熱效率較低，且浪費能源污染大氣[1]。由此可見提高助燃氣體中氧氣的濃度是提高燃燒效率的關鍵措施。隨著工業(yè)化的技術進步，從空氣中分離氧氣的技術日漸成熟，不但制得氧氣的濃度越來越高，而且制氧的成本也在不斷降低，這就為純氧燃燒創(chuàng)造了有利的工業(yè)化基礎。使用純度大于91%的氧氣，按照一定的氧/燃比與燃料混合燃燒，產(chǎn)生低動量火焰的純氧燃燒技術應運而生。相比空氣助燃技術，純氧燃燒技術具有火焰溫度高、熱量傳導快、燃燒效率高、廢氣排放少等節(jié)能環(huán)保的優(yōu)良特點。

隨著工業(yè)化的持續(xù)高速發(fā)展，我國對燃料的需求越來越多，同時隨著環(huán)境污染導致的問題不斷惡化，對環(huán)保的要求也越來越高，因此高耗能低排放的玻纖生產(chǎn)線采用純氧燃燒技術成為了一種必然的趨勢。我國工信部在2012年8月1日起宣布開始實施的新玻璃纖維行業(yè)準入條件中，明確指出新建玻璃纖維池窯拉絲生產(chǎn)線必須采用純氧燃燒技術，這將大大推動我國純氧燃燒技術的發(fā)展，同時也將為我國的節(jié)能減排事業(yè)做出巨大的貢獻。

2.純氧燃燒在玻纖池窯上的應用

隨著環(huán)保要求的不斷提高，玻纖生產(chǎn)尾氣中的硼酸及氟化物的污染問題也日漸突出，同時由于硼鈣石與硼鎂石價格較高，減少硼含量也是玻纖降低成本的一個有效途徑，因此出現(xiàn)了不含硼和氟的無堿料方，其熔制溫度以及成型溫度也相應提高了，所以要求玻璃纖維的熔制技術也需要隨之提高，純氧燃燒技術的出現(xiàn)既滿足了玻璃對熔制溫度的要求，又滿足了節(jié)能減排的環(huán)保要求[2]。同時在中堿與普通無堿玻纖窯爐上采用純氧燃燒技術，可提高玻璃液的溫度使澄清均化效果更佳，這樣可以進一步提高玻璃纖維的質量，并能一定程度擴大窯爐的生產(chǎn)能力。

2.1玻纖純氧燃燒的特點

   根據(jù)純氧燃燒技術的發(fā)展和實際應用情況，玻璃纖維池窯上純氧燃燒一般值采用純度≥91%的氧氣為助燃介質的燃燒，它相對于傳統(tǒng)空氣助燃主要有以下燃燒特點：

2.1.1熱效率高，提高熔化率

純氧燃燒因氮氣含量少，比空氣助燃時煙氣的黑度大得多，且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，火焰溫度高（焰芯溫度可達2800℃），輻射系數(shù)大，對玻璃液輻射加強，對玻璃液的傳熱量增加，熱效率高，熔化率增大[3]。

由于煙氣量的減少，窯爐火焰空間熱點向投料口方向移動，可以加速配合料熔化。同時純氧燃燒火焰波長短，對E玻璃的穿透性很好，池深方向溫度梯度小，可提高窯爐熔化率，加強玻璃液的澄清均化，提高玻璃液的產(chǎn)量和質量，最大可提高窯爐熔化能力20%左右。

2.1.2 煙氣量小，節(jié)能減排

純氧燃燒廢氣排放量減少60%以上，既減少了氮氣進入的動力，又大大減少了廢氣帶出的熱量。廢氣中NOx也下降80%～90%，相應減少了原料揮發(fā)，所以SO2和F2排量可下降20%，粉塵含量也可降低50%以上，減少了原料的飛揚，節(jié)省了配合料。

同時由于煙氣量大幅減少，燃燒產(chǎn)生的煙氣在窯爐中停留的時間也有所增加，這就延長了熱交換的時間，提高了熱傳導的效率，因此純氧燃燒帶來了明顯的節(jié)能減排的效果。

2.2純氧燃燒應用實例

以采用天然氣作為主燃料的年產(chǎn)3萬噸的無堿玻璃纖維池窯為例，窯爐可以節(jié)省燃料35%～40%，通路則可以節(jié)省燃料50%～60%。

表1.國內(nèi)一座年產(chǎn)2.5萬噸無堿玻纖池窯生產(chǎn)線純氧改造前后的數(shù)據(jù)對比（無電助熔）

從上表中可以看出在熔化部和通路原有空氣燃燒系統(tǒng)改為純氧燃燒系統(tǒng)后，窯爐玻璃液產(chǎn)量提高了8.8%，熔化部能耗降低了39.9%，通路能耗更是降低了55%。

由于純氧燃燒后煙氣量減少，廢氣處理量也相應減少，因此可以減少廢氣處理設備的投入，同時降低廢氣處理原料的用量及動力的消耗量。

   因此純氧燃燒在玻璃纖維池窯上應用，在經(jīng)濟效益上能夠切實降低燃料耗量，提高產(chǎn)品質量，減少建設及運行投資；在社會效益上又能大大減少對環(huán)境的污染，滿足國家提出的關于可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.3玻璃纖維池窯純氧燃燒的主要技術環(huán)節(jié)

2.3.1 玻纖純氧燃燒窯爐

由于纖維玻璃相對普通平板、器皿玻璃而言，熔化溫度較高，玻璃液的熔化質量和穩(wěn)定性要求較高，因此熔制均采用具有較大長寬比的單元窯窯型，燃料多采用重油、天然氣等優(yōu)質燃料，同時對耐火材料的要求也較高。由于采用純氧燃燒技術后，窯爐的空間溫度提高，火焰的熱輻射能力增加，因此選用窯爐及通路的耐火材料時應注意這一特點。窯爐及通路中與玻璃液接觸的池壁池底耐火材料與采用空氣燃燒的窯爐相差不多，但是窯爐的碹頂磚、胸墻磚以及通路的蓋板磚需要選擇具有優(yōu)良抗高溫蠕變性和耐熱震性好的電熔莫來石磚，垂直煙道選用電熔鋯剛玉磚；同時全窯采用良好的保溫層，以提高保溫節(jié)能效果。

為了更好的發(fā)揮純氧燃燒技術的特點，提高玻璃纖維的生產(chǎn)質量，純氧燃燒窯爐一般還會配套設置其他技術手段來達到最佳的綜合熔制狀態(tài)。如采用電助熔進一步提高熱效率，采用鼓泡器促進窯內(nèi)玻璃液更加合理的流動，獲取更高質量的玻璃液等。當前綜合先進的燃燒熔制技術可使E纖維玻璃熔化熱效率超過40%。

2.3.2氧氣的來源

純氧燃燒對氧氣的濃度要求需要達到91%以上，由于使用液氧的成本較高，因此大部分玻纖生產(chǎn)線都是采用自建氧站或者購買管道氧氣來解決氧氣來源問題，同時在廠區(qū)設置液氧儲罐儲存液氧作為備用，這樣就可以實現(xiàn)在制氧站檢修或者故障時仍然能夠向窯爐供應助燃氧氣。

目前主要制氧技術有變壓吸附與深冷兩種。變壓吸附制氧就是空氣經(jīng)除塵后，由鼓風機鼓入盛有多種專用吸附劑（分子篩等）的吸附塔底部，絕大部分CO2、N2、SO2、H2O及少量O2在塔內(nèi)被吸附劑吸咐，而大部分O2則透過床層從塔頂排出，得到氧含量約93%左右的純氧。深冷制氧設備主要由空氣壓縮機組（包括過濾器、壓縮機、供油系統(tǒng)等）、空氣冷卻系統(tǒng)（空氣冷卻塔、水冷卻塔、氟里昂冷凍機組、水泵、水過濾器等）、分子篩凈化系統(tǒng)（凈化器、加熱器等）、透平膨脹機、分餾塔（上塔、下塔、過冷器等）、換熱器等組成，空氣經(jīng)過制氧機組分離后，可獲得純氧（含氧量99%）、純氮及各種純凈的稀有氣體。

從工藝過程來看深冷法比變壓吸附法工藝過程長，工藝較復雜，需用設備的種類和臺數(shù)較多，且需耐受高壓或超低溫，投資成本高，同時制氧量越低單位耗電量也越高，但裝置能力可達到較大規(guī)模，所以一般用氧量超過10000Nm3/h時采用深冷法比較合適。變壓吸附制氧法具有基建投資小、水電消耗少、經(jīng)營成本低、安全性能好、操作維修簡單、啟動供氧特快、自動化程度高、用工少等許多優(yōu)點，缺點是不能制得氧含量95%以上純氧，且制氧量不大，一般適用于10000Nm3/h以下規(guī)模[4]。

而玻纖生產(chǎn)線對氧氣的消耗量較低，單線一般不超3000Nm3/h，且玻纖窯爐純氧濃度達到91%以上即可，所以綜合考慮技術經(jīng)濟成本，年產(chǎn)3萬t玻纖生產(chǎn)線一般均采用變壓吸附法生產(chǎn)氧氣。

目前，國內(nèi)已有優(yōu)秀的變壓吸附廠家的裝置工藝水平達到了國際先進水平。例如，河南林州光遠新材料有限公司選用北京北大先鋒科技有限公司生產(chǎn)的變壓吸附制氧設備，產(chǎn)氧量為1600 Nm3/h，產(chǎn)品純度91%，投產(chǎn)兩年多以來，設備運行一直保持穩(wěn)定，100%純氧電耗保持在0.40kwh/m3左右（含壓氧），優(yōu)秀的能耗指標進一步降低了生產(chǎn)成本。

近年來多數(shù)變壓吸附廠家將制氧設備由軸向床改為徑向床工藝，經(jīng)此優(yōu)化后，采用徑向床工藝的變壓吸附制氧設備比軸向床裝置的電耗水平更低，工藝指標也隨之提升。北京北大先鋒科技有限公司在工藝的升級與改進上做出了多方努力，是我國變壓吸附制氧技術的典型代表。

2.3.3純氧燃燒系統(tǒng)的組成

由于純氧燃燒是氧氣與燃氣直接混合燃燒，燃燒速度快，火焰溫度高，因此要實現(xiàn)最佳穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)就需要完善的系統(tǒng)和精密的控制來分別調(diào)節(jié)燃氣與氧氣的壓力與流量。

符合要求的燃氣、氧氣進入池窯車間，經(jīng)過濾、調(diào)壓后，按燃燒工藝要求，分別供給窯爐兩側的燃燒器，混合后進行燃燒。燃氣量與窯內(nèi)火焰空間控制點的溫度聯(lián)鎖，隨著溫度的變化，由精密流量調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)窯爐每支槍的燃氣量，相應的氧氣量也由精密流量調(diào)節(jié)閥按比例調(diào)節(jié)，保證燃燒充分。在燃氣系統(tǒng)中需設置流量計、調(diào)壓穩(wěn)壓閥、快速切斷閥、精密流量調(diào)節(jié)閥以及各參量變送器等，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定供氣及燃燒完整。

3玻纖純氧燃燒帶來的問題及解決方法

玻纖池窯采用純氧燃燒后帶來好處的同時也會帶來一些問題，這些問題如果不引起我們的重視也會影響玻纖生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。

3.1泡沫問題

   由于采用純氧燃燒，如控制不好極易造成窯爐內(nèi)氧化性氣氛過高，殘氧含量約有3.5%～5%。玻纖窯爐生產(chǎn)需要弱氧化性氣氛來保證玻璃液不會產(chǎn)生還原性物質以致影響拉絲作業(yè)，但是氧化性氣氛過強就會快速與配合料中的C和S反應，產(chǎn)生大量CO2、SO2氣體，在玻璃液表面形成較厚的泡沫層，泡沫層既影響了火焰輻射熱對玻璃液的傳導，又會使氣泡隨玻璃液流入通路中影響拉絲作業(yè)。因此采用純氧燃燒技術后，如何消除泡沫就成了首要問題。降低玻璃液表面泡沫至合理厚度需要注意以下幾點：

（1）需要嚴格控制配合料的COD值。由于CO2氣泡受熱后體積變化較大，較易從玻璃液中排出及破裂，因此玻璃液表面泡沫中的主要氣體為SO2，所以如何減少配合料中S的含量成為消泡的關鍵。中堿及普通無堿料方中就需要降低甚至取消芒硝的使用量，同時嚴格控制其他原料中S的含量。

（2）調(diào)節(jié)火焰空間氣氛，盡量降低殘氧量，從而降低較高的氧化性氣氛，同時可以將窯爐澄清均化區(qū)的燃燒器（最后一支或一對）火焰調(diào)節(jié)成弱還原性，進一步減少泡沫；

（3）在配合料中添加碳粉。因產(chǎn)生的CO2氣泡較易排出，所以適當?shù)奶挤劭梢韵囊徊糠謿堁鯗p少泡沫的產(chǎn)生，但是一旦碳粉添加量過多，在玻璃液熔制過程中不能被反應掉，極易造成玻璃液變成還原性，影響拉絲生產(chǎn)線安全，所以此方法不建議采用。[1、5]

3.2煙氣水分含量高

純氧燃燒煙氣中水分的含量能夠高達50%以上，在煙氣降溫過程中極易形成結露產(chǎn)生硼酸與氫氟酸。硼酸腐蝕性較弱，但是粘性強，容易堵塞廢氣管道，且很難清除；氫氟酸有強腐蝕性，一旦管道中氫氟酸含量達到一定濃度，將很快腐蝕掉接觸的管道或設備。要解決此問題需要注意以下幾點：

（1）廢氣管道中需要嚴格控制煙氣溫度在露點溫度以上，防止結露；

（2）在進行煙氣余熱利用時，金屬換熱器或者余熱鍋爐廢氣出口溫度不宜過低，必須高于露點溫度以上；

（3）廢氣管道及設備盡量采用耐腐蝕性較強的材料，如不銹鋼316L、玻璃鋼等[6]。

4結語

進入21世紀以來，我國發(fā)展面對兩大嚴峻的問題：一是能源日益緊張，能源價格不斷攀升；二是工業(yè)污染持續(xù)排放，環(huán)境惡化越發(fā)嚴重。這兩大問題直接影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展與生存環(huán)境的改善，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。同時玻璃纖維生產(chǎn)也是能耗與排放大戶，所以近年來，從國家、行業(yè)到企業(yè)甚至是普通老百姓，都在關注玻璃纖維工業(yè)在節(jié)能減排方面的新舉措，因此純氧燃燒技術的出現(xiàn)讓大家找到了解決問題的有效方法，同時再結合玻璃料方的改進、電助熔技術等新工藝新技術，不僅可以降低配合料成本，提高窯爐產(chǎn)能，改善玻璃質量，節(jié)能降耗，減少投資，為企業(yè)帶來切實的經(jīng)濟效益；同時還可以極大地減少廢氣排放，降低對環(huán)境的污染，有效地保護了我們的生態(tài)環(huán)境。所以無論從企業(yè)經(jīng)濟效益的角度還是從社會責任感的角度來衡量，純氧燃燒技術都是玻纖池窯最理想的熔制方案，也是發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1] 孫承緒，陳潤生，孫晉濤.玻璃窯爐熱工計算及設計.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.

[2] 劉憲琪，張德剛，孫曉宏.環(huán)保節(jié)能型ECR玻璃纖維技術的研究與開發(fā)[J].山東建材，2007(06):45-49.

[3] 孫承緒.全氧燃燒十三問[J].玻璃與搪瓷，2003，31（3）：25-29.

[4] 劉漢釗，王華金，楊書春.變壓吸附制氧法與深冷法的比較[J].冶金動力，2003（2）：26-29.

[5] [英]K.L.洛溫斯坦.The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibres.北京：中國標準出版社，2008

[6] 孫承緒.全氧燃燒池窯中若干技術問題的探討[J].玻璃與搪瓷，2002,30（1）：47-29.