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?dú)?，而氮?dú)庠谌紵^程中不起助燃作用，并在高溫下會(huì)產(chǎn)生NOx。如果使用純氧代替空氣，因無需加熱氮?dú)饪梢詼p少燃料的消耗，大幅度降低了煙氣中NO_x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(yàn)可以追溯到上世紀(jì)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(dāng)時(shí)難以獲取足量的氧，使得試驗(yàn)未能得到發(fā)展。上世紀(jì)60年代末和70年代，美國AicroIndustrial Gsses公司繼續(xù)進(jìn)行了該試驗(yàn)，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(yàn)，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(yàn)，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52t/d玻璃瓶熔窯和美國分公司120t/d玻璃纖維熔窯啟動(dòng)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(jì)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(shí)際應(yīng)用，以取代使用天然氣或重油及預(yù)熱空氣的傳統(tǒng)熔窯，在馬里蘭州Carr-Lowrey公司80t/d玻璃熔窯應(yīng)用成功。1991年對(duì)加利福尼亞州Gallo玻璃公司的燃天然氣橫火焰350t/d玻璃酒瓶熔窯進(jìn)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(jìn)行改造，加之使用配合料和碎玻璃預(yù)熱技術(shù)，能耗比全氧改造前共降低43.8%，NO_x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(huì)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(huì)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250t/d全氧燃燒窯爐投入運(yùn)行；2011年1月，由蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院利用安徽華光光電材料科技集團(tuán)原500t/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(dāng)年11月，由南玻集團(tuán)在河北廊坊投產(chǎn)的國內(nèi)首座150t/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(shí)現(xiàn)0.7mm、0.55mm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(jì)院設(shè)計(jì)的合肥彩虹光伏有限公司一線750t/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?dú)獠粌H不參與燃燒，反而抑制燃料與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致火焰溫度低于純氧可達(dá)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(duì)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(duì)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(diǎn)溫度保持不變的條件下，純氧助燃具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于提高了投料口處溫度，增強(qiáng)了投料循環(huán)液流的對(duì)流，強(qiáng)化了配合料的預(yù)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(kuò)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(dú)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(duì)燃料供氧進(jìn)行控制，使氧氣的濃度高于空氣中21%的標(biāo)準(zhǔn)（通常氧氣濃度在24%以上），從而實(shí)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(fēng)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(shí)際應(yīng)用證明，第三種為局部增氧，其效果最好，但裝置較復(fù)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(shí)，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(dāng)采用第三種富氧燃燒方式時(shí)，燃燒最佳狀態(tài)是將火焰分為三個(gè)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(huì)使得火焰特性得到改善，火焰對(duì)玻璃液的輻射傳熱得到強(qiáng)化，從而提高熔化能力。同時(shí)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(dāng)?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(jìn)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(jìn)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(shí)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(gè)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(duì)燃燒、火焰穩(wěn)定性、傳熱、溫度均勻性、熱點(diǎn)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(duì)更復(fù)雜。作為完成燃料最終燃燒的設(shè)備，燃燒器的優(yōu)劣及對(duì)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。

3.2 控制系統(tǒng)

全氧燃燒玻璃熔窯具有以下特點(diǎn)：熱點(diǎn)位置的玻璃液溫度、整個(gè)澄清均化區(qū)域的玻璃液溫度均較高；熱點(diǎn)位置沿熔化部長度方向相對(duì)位置靠后，將導(dǎo)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(huì)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(diǎn)區(qū)域熔化產(chǎn)生的大量泡沫，會(huì)導(dǎo)致氣泡澄清困難和玻璃液均化不良。針對(duì)全氧燃燒的特點(diǎn)，在熱點(diǎn)區(qū)域使用消泡劑，設(shè)置鼓泡裝置，加強(qiáng)玻璃液的對(duì)流和均化；調(diào)整熱負(fù)荷分配、溫度分布、氧氣/燃料比例；減少泡界線外泡沫、加強(qiáng)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(duì)玻璃液表面的熱輻射，這些措施有利于玻璃液對(duì)熱量的利用和消除泡沫。

3.3 氧氣供應(yīng)

對(duì)于具有空分設(shè)備的浮法玻璃廠而言，空分制備氮?dú)鈺r(shí)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(duì)于眾多的玻璃企業(yè)，氧氣需要單獨(dú)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(duì)空氣中的氧、氮組分進(jìn)行選擇性吸收，分離空氣中的氧氣和氮?dú)舛@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(yùn)行可靠，維護(hù)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(shí)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(dá)98%及以上的氧氣，但壓力較低，同時(shí)還可生產(chǎn)氮?dú)?。其設(shè)備噪聲低、安全性好，但裝置系統(tǒng)較為復(fù)雜，維護(hù)較困難，適用于大規(guī)模制氧。

3.3.3 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(dá)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?xì)怏w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(shí)，水蒸氣濃度也增高了3倍。所以全氧燃燒玻璃熔窯對(duì)耐火材料的要求較高，總體要求是：對(duì)堿蒸氣及水蒸氣具有高抵抗性，高溫下的機(jī)械穩(wěn)定性，較低密度和低導(dǎo)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NO_x和CO₂排放，實(shí)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(shí)踐基礎(chǔ)。切實(shí)對(duì)玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)進(jìn)行深入的研究、應(yīng)用是非常必要的。

本文摘自《玻璃》2024年第2期（部分截選）