玻璃熔窑全氧燃烧技术应用过程中存在的问题及分析

谢东恒，姜宏1,*

（1.海南大学，海南省特种玻璃重点实验室，海南 海口570228；2.特种玻璃国家重点实验室，海南 澄迈571924）

0 引 言

众所周知，传统的玻璃熔窑都是以空气作为助燃气体，采用空气助燃是导致高污染、高能耗的重要原因[1]。空气中氧气含量只有21%，其余约78%的氮气在玻璃熔化过程中被无效加热，并在高温下排出窑体，造成了很大的能源浪费，据统计，这部分热量损失占能耗的30%以上。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各国的关注和重视。

全氧燃烧就是将传统的空气—燃料燃烧系统改为氧气—燃料燃烧系统。全氧燃烧即把燃料与纯氧按预定比例混合，比空气助燃更精确的燃烧技术[2]。全氧燃烧的烟气成分主要为CO2和H2O，烟气中二氧化碳和水蒸气浓度的提高能大幅提高不发光火焰的黑度，增加火焰和窑墙辐射给玻璃液面的热量[3]；除了能提高火焰热效率外，相对于传统空气助燃熔窑的烟气量，全氧燃烧熔窑产生的烟气排放量大幅减少，从而，燃烧热效率也会大幅提高。作为制造业大国，我国政府于2015年发布了《中国制造2025》，标志这新一轮的工业转型与升级的开始[4]。发展节能、环保、高效的工业生产为必然的选择[5]。

全氧燃烧技术在玻璃熔窑上应用存在着诸多的优越性，但凡事都有利弊两面，在实际生产过程中发现了较为严峻的问题制约着其发展。主要存在两个方面的问题：一是玻璃熔窑全氧燃烧技术的开发，有赖于具有较低的制氧成本、运行可靠的纯氧气体制备技术和设备的成熟和完善[6]；二是全氧燃烧工艺利用纯氧取代了空气助燃，使熔窑内的燃烧气氛和燃烧产物发生了显著变化，这些变化对玻璃液的熔化和澄清亦产生了显著的影响[7]。除此之外，包括配置优质熔窑耐火材料、优化熔窑结构设计等问题，都是较为容易解决的，本文着重讨论上述的制氧与工艺控制这两方面的问题，并提出有效的解决措施。

1 玻璃熔窑全氧燃烧技术特点

1.1 玻璃熔窑全氧燃烧与空气助燃实际烟气量对比分析

通过对国内某公司600T/D浮法玻璃熔窑采用全氧与另一条600T/D浮法玻璃熔窑采用空气助燃的实际烟气生成量对比，全氧燃烧的烟气量约为空气助燃烟气量的三分之一，远小于空气助燃时的空气需要量和烟气生成量；全氧燃烧烟气中SO2的含量仅为空气助燃的53%，NOx含量仅为空气助燃的26%，大大减少了废气的排放尤其是NOx的排放；详见表1。

表1 全氧燃烧与空气助燃排放指标对比(600T/D浮法)Tab.1 Oxy-fuel combustion and air combustion combustion emissions targets compared (600T/D float)

1.2 玻璃熔窑全氧燃烧与空气助燃能耗对比分析

在空气助燃作业中，必须把大量对加热过程无益的氮气加热到熔窑操作温度而浪费大量能量。以甲烷天然气燃料燃烧为例：

空气助燃:CH4+ 2O2+ 7. 5N2= CO2+ 2H2O + 7. 5N2

全氧燃烧:CH4+ 2O2= CO2+ 2H2O

通常的空气燃烧只有占空气总量21%的氧气参与燃烧，其余约占78% 的氮气非但不助燃，反而要带走大量热量，从烟气中排出。在使用全氧燃烧的情况下，燃料燃烧所需空气量减少，废气带走的热量下降；燃烧完全充分，无小炉、蓄热室，向外散热少，节能效果明显。

国内某公司600T/D浮法熔窑采用全氧与另一条600T/D浮法熔窑采用空气助燃的能耗指标见表2，从表2中数据可见，全氧燃烧的节能率达到18.4%。

从以上对比分析可以看出，玻璃熔窑全氧燃烧技术具有节约玻璃熔化能耗和降低温室气体排放的显著特点。

表2 全氧燃烧与空气助燃能耗指标对比(600T/D浮法)Tab.2 Comparison of Total Oxygen Combustion and Air Combustion Energy Consumption Indicators (600T/D Float)

2 应用过程中存在的问题

全氧燃烧提高了火焰温度和辐射强度，能耗和环保指标同比空气助燃更优，但也会使得熔窑空间中存在大量的水蒸气，所以在实际应用中便会遇到相应的一些问题，主要体现在以下四点：

1）火焰温度高对耐火材料的要求也高，需采用高质量耐火材料；

2）全氧燃烧窑内气氛容易在玻璃熔体表面发生碱（NaOH）的挥发反应，碱蒸汽（NaOH）浓度增加数倍，造成对耐火材料侵蚀加剧；

3）全氧燃烧易在窑内玻璃液表面形成泡沫层，减少火焰对玻璃液面的传热，影响玻璃液澄清质量；

4）需要增加制氧设备投资及制氧成本。

玻璃制造综合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困难等质量问题是全氧燃烧在玻璃熔窑应用中遇到的两大核心问题。

3 问题分析及解决措施

为了达到对耐火材料最经济与合理的使用效果，在一个生产周期结束时，熔窑各部位的耐火材料侵蚀情况应该相差不大，使耐火材料近乎同步侵蚀。而碹顶、池壁和胸墙等关键部位的耐火材料的选择将直接关系到熔窑的使用寿命及玻璃企业的整体效益[8]。

玻璃熔窑因采用全氧燃烧技术后，水蒸汽较之空气助燃高了3.5倍，水蒸汽被吸附在耐火材料的表面；全氧燃烧玻璃窑炉气体中碱蒸气浓度高；碹顶内表面温度比空气助燃时升高了25~50 ℃，都会加剧对耐火材料的侵蚀[9]。因此，熔窑关键部位耐火材料的质量应更优于空气助燃熔窑，才能应用于全氧燃烧熔窑。

除了耐火材料的质量选择更优之外，还要从氧源选择、氧枪的设计、熔窑结构尺寸设计等方面来综合考虑，从而使得熔窑耐火材料在窑龄期内保持良好使用的状态。

以上熔窑的耐火材料的选择、氧枪选择设计、窑炉结构的优化等方面，已经在行业内研究得较为成熟，在此就不再赘述。本文着重于玻璃制造综合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困难等质量问题，通过对玻璃制造综合成本的测算和研究这些问题产生的机理，提出行之有效的解决措施，已经在玻璃质量问题上取得了突破。

3.1 玻璃制造运营成本对比

全氧燃烧与空气助燃相比，燃料燃烧完全，火焰温度高，辐射能力强，火焰辐射玻璃液温度可提高100 ℃左右，水蒸汽浓度较高使得配合料熔融速度加快，提高熔化率10%以上，从而使熔窑产量得以提高[10]。然而，全氧燃烧制氧需增加运营成本，运行成本涉及燃料品种、当地的燃料价格、电价（直接决定氧气成本）、氧气的来源、玻璃的熔化难度（越是难以熔制的玻璃节能效果越明显，改为全氧燃烧后的运行费用也会越低）、设计节能率[11]。

对于熔窑投资而言，全氧燃烧减少了蓄热室但提高了耐火材料配置，基本相当。以600T/D浮法玻璃生产线为例，计算基础数据如下：

用氧：9000 m3/h；氧气成本：0.45元/m3（自建氧站）；节能：20%；燃料用量：4400 m3/h；燃料热值：8500 Kcal/kg；燃料价格：2.2元/m3；N2气用量1800 m3/h，独立制气成本：0.28元/m3，联合制气：0.1元/m3。

运营成本计算：

(1)制氧成本增加：

9000 m3/h×0.45元/m3×24 h×365天=3548万元/年

(2)节能成本减少：

4400 m3/h×20%×2.2元/m3×24 h×365天=1696万元/年

(3) N2气成本减少：

1800 m3/h×（0.28-0.10）元/m3×24 h×365天=284万元/年

(4)环保成本减少：600万/年

则全氧成本增加：

（3548-1696-284-600）万元/年=968万元/年

(5)全氧燃烧技术节能效率由20% 提高为25%

则燃料节约成本：

4400 m3/h×5%×2.2元/m3×24 h×365天=424万元/年

则氧气减少节约成本：

9000 m3/h×5%×0.45元/m3×24 h×365天=177万元/年

总节约成本：424 +237万元/年=661万元/年

根据测算的结果显示，虽然全氧燃烧成本略有增加，但是差别每年不到1000万元。如果随着全氧燃烧节能效果的进一步提高，按照节能率25%节能率计算，每年成本的差别将在300万元左右，基本持平的状态表明玻璃熔窑采用全氧燃烧技术经济上是可行的。

3.2 玻璃液表面泡沫多和澄清困难

玻璃的制备过程包括一系列物理、化学及物理化学的现象和反应，全氧燃烧与空气助燃相比，熔化空间气氛发生了很大的变化，特别是空间水分的大幅增加，对其熔化工艺制度影响巨大。本文针对这两个问题做了深入的研究，发现问题源头，并提出可行的几点解决措施。

3.2.1 玻璃液表面泡沫多的问题分析及解决方法

全氧燃烧环境下玻璃含水量达400~600 ppm ，水在硅酸盐玻璃中，使Si-O-Si 键断裂，相当于解聚作用，从而显著降低玻璃的黏度。实验研究发现当玻璃中羟基含量越高，澄清越好。由于玻璃熔体吸收水汽的能力特别强，结果形成-OH，使玻璃液的黏度降低，上升速度受黏度影响较大的微小气泡便可更容易地从熔体中排出。

在全氧燃烧环境下玻璃的澄清发生如下反应:

全氧燃烧熔窑中除了依然存在式（1）和（2）的反应外，由于熔窑中存在大量的水汽与玻璃熔体发生如式（3）反应，使更多的硫酸盐分解成SO2排放到熔窑空间中。经分析泡沫中气体的主要成分为SO2，是芒硝分解的产物。

从上述的分析中可知玻璃液表面泡沫多的产生原因为：因全氧燃烧玻璃熔窑中的澄清机理依然遵循空气助燃熔窑的硫澄清机理，芒硝含率高，因此，全氧燃烧熔窑沿用空气助燃熔窑芒硝含率的用量会导致窑内的泡沫增加很多。

泡沫在熔体表面会导致窑内辐射传热的降低，泡沫表面气泡的反射作用，亦会降低了熔窑能量的有效利用和增加对熔窑温度制度控制的难度，从而影响产品质量。

泡沫多是全氧燃烧在浮法玻璃熔化的突出问题，可通过结合全氧燃烧的特性相应调整芒硝含率、火焰气氛、喷洒消泡剂[12]等方法来解决。

3.2.2 玻璃液澄清困难的问题分析及解决方法

研究发现少量的二氧化碳和水蒸汽将使澄清的起始温度降低10～40 ℃，因而对于全氧燃烧熔窑，传统的升温降粘度澄清工艺某种程度上显得过于浪费能源，甚至会给澄清带来不利影响。

随着计算机技术的发展，利用计算机来模拟玻璃窑内温度场、速度场、气体及玻璃液流动规律，为优化玻璃熔窑设计提供一条新途径[13]。该类型熔窑玻璃液池底热点温度高，热点三维位置相对后移上浮，玻璃液中心线附近层流在卡脖冷却水包前后出现紊乱，三者的共同作用导致熔窑澄清均化区缩小，玻璃液层流以及各环流稳定性差。

针对上述研究分析的情况，提出如下几点的解决方法：

（1）熔制温度的控制

有研究表明：水在硅酸盐玻璃种，使Si-O-Si键断裂，相当于于解聚作用，从而显著降低了玻璃液的黏度[14]。因而，适当降低热点之后各燃烧枪的燃烧温度，降低澄清区域的温度，气体排放剧烈强度的降低，泡沫的减少，一定程度上会提高热效率，同时也可以减缓玻璃液在水平方向上的前进速度，相对延长澄清时间。

（2）氧气/燃料比的优化

全氧燃烧熔窑的气氛控制仍然应符合还原性澄清硫的澄清机理，后区仍应保证一定的氧化性，便于三氧化硫的吸收，合理的氧气/燃料比可以控制熔窑内的气氛，使澄清剂发挥较好的澄清作用。

（3）玻璃液流的改善

调整卡脖冷却水包深度和冷却强度，增加熔化部生产流玻璃液回流量，增大玻璃液层流之间的温差，使玻璃液池底热点从原来的位置前移下沉，提高玻璃液层流以及各环流的稳定性[15]。

4 结论

1）通过对比玻璃熔窑全氧燃烧和传统空气助燃的烟气量与能耗，可见，全氧燃烧技术在玻璃熔窑上应用的前景非常良好，将会取代空气助燃熔窑成为主要趋势。

2）从经济性角度来看，通过对投资成本与运营成本的测算，论证了全氧燃烧技术在玻璃熔窑中应用是可行的。

3）针对国内某玻璃熔窑采用全氧燃烧后存在的窑内玻璃液表面泡沫多和澄清困难这两项核心问题，进行了研究分析，并提出行之有效的解决方法。

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