郭勇

（河南奧克金泰窯爐技術(shù)有限公司 安陽 455000）

0 引言

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒、Oxy-Fuel combustion）技術(shù)的燃燒模式為燃料+氧氣，與傳統(tǒng)的空氣助燃技術(shù)相比，助燃介質(zhì)由空氣變?yōu)檠鯕猓瑴p少了燃燒過程中約78%的氮氣帶入和帶出，與傳統(tǒng)燃燒方式有著根本的區(qū)別。

隨著制氧技術(shù)的迅猛發(fā)展及電力成本降低，由氧氣+燃料組成的純氧燃燒技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中成為取代由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒方式的更好的選擇方案，因為純氧燃燒在環(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量、質(zhì)量、減少設(shè)備投資和節(jié)省廠房場地等諸多方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)。目前國內(nèi)在冶金、電力、化工、建材和熱加工（金屬加熱爐、玻璃加熱爐等）等行業(yè)，全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

在玻璃行業(yè)中全氧燃燒技術(shù)最早主要被應(yīng)用于窯齡較長的玻璃窯上助熔以維持產(chǎn)量或延長窯的壽命，解決蓄熱室或換熱室的故障或臨時滿足高出料率的要求。同時，產(chǎn)品質(zhì)量訴求也成為推動純氧燃燒技術(shù)廣泛應(yīng)用的動力之一。

盡管純氧燃燒最強的推動力源自美國，但是由于純氧燃燒在玻璃窯上應(yīng)用的優(yōu)勢日益明顯，對純氧燃燒技術(shù)研究和應(yīng)用已逐步在國際范圍展開。在中國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、能源和環(huán)境保護的問題將更加突出，純氧燃燒技術(shù)被認為是最經(jīng)濟有效的替代方法。

1 全氧燃燒技術(shù)在中國

全氧燃燒技術(shù)由于其環(huán)保、節(jié)能、高效、可靠、易于操控等特點，在國內(nèi)玻璃行業(yè)應(yīng)用范圍不斷擴大，被越來越多的企業(yè)所接受。其應(yīng)用涵蓋了建材玻璃（浮法）、微晶玻璃、低硼硅藥用玻管、高硼硅浮法玻璃、陶瓷釉料、照明玻璃、太陽能光伏玻璃、玻璃微珠、瓶罐、器皿玻璃、高鋁玻璃、含氟玻璃、玻璃棉、玻璃纖維和光學(xué)玻璃等大多數(shù)玻璃領(lǐng)域。從十幾年前的顯示器件（CRT-Glass 玻殼）行業(yè)開始使用全氧燃燒技術(shù)，玻璃行業(yè)的從業(yè)者就沒有停止過對其應(yīng)用技術(shù)的探索。

圖1為2001—2019年國內(nèi)全氧燃燒玻璃窯爐的不完全統(tǒng)計（不含玻纖窯爐）。通過柱形圖可以清晰地看出全氧燃燒技術(shù)進入我國以來的發(fā)展趨勢。

玻璃行業(yè)運用全氧燃燒技術(shù)優(yōu)勢有：

（1）節(jié)能降耗（提高企業(yè)經(jīng)濟效益）；

（2）環(huán)保，特別是NOX的高效解決方案（由于沒有助燃空氣中大量氮氣的引入，燃燒后的尾氣中的NOX處理變得異常容易）；

2 全氧燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)的應(yīng)用

（3）提高產(chǎn)量（相同情況下，全氧燃燒窯爐在熔化率方面有較為明顯的優(yōu)勢）；

（4）提高產(chǎn)品質(zhì)量（特別是部分產(chǎn)品，傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐很難生產(chǎn)出接近國外先進水平的產(chǎn)品）；

（5）生產(chǎn)需要（如對氧化還原氣氛要求，可以更容易保證）。

近年來，伴隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國全氧燃燒技術(shù)的運用也達到了一個新的高度。眾多國際知名的公司，如：空氣產(chǎn)品（AP）、法液空（Air Liquide）、林德氣體（Linde）、梅塞爾（Messer）、霍尼韋爾（Honeywell）、邁克森（MAXON）、天時、索爾格（SORG）、霍恩（HORN）等相繼在中國加大力度并擴大份額，這也使得該行業(yè)達到充分競爭的水平。

2.1 全氧燃燒玻璃窯爐結(jié)構(gòu)

2.1.1 熔制玻璃的加熱方式

根據(jù)熔制玻璃的加熱方式可分為：全氧燃燒火焰空間和熱頂電加熱。

目前多數(shù)全氧燃燒窯爐采用純粹的火焰空間燃燒方式熔化玻璃。根據(jù)生產(chǎn)需要選定燒槍的型號及數(shù)量，可以是單只燒槍也可是多只燒槍。通常情況下燒槍按照燃料每小時流量標(biāo)定或按照功率（kW、MMBTU標(biāo)定）。

部分窯爐由于產(chǎn)品性質(zhì)決定，會使用火焰空間全氧燃燒+底部電加熱的形式，習(xí)慣稱之為熱頂電加熱模式。其用電加熱的功率通常會超過窯爐總功率的30%以上，電極擺布可以是底插、側(cè)插，電極的材料為鉬電極、氧化錫電極、鉑金電極等。其玻璃熔化、澄清、均化的機理與單純的火焰空間加熱熔化玻璃的方式有很大的區(qū)別。液晶玻璃、高鋁玻璃、中硼硅玻璃、光學(xué)玻璃、玄武巖和玻纖等常使用這種形式。

2.1.2 布槍方式

根據(jù)布槍的方式可分為:頂部燃燒（頂燒）、水平燃燒。其中水平方式布槍時，又分橫火焰和豎火焰模式。

頂燒技術(shù)源于美國，在日本將這種技術(shù)得到快速應(yīng)用推廣。在我國，大多數(shù)的玻纖窯爐均采用頂燒技術(shù)。相比傳統(tǒng)的側(cè)燒技術(shù)，采用頂燒技術(shù)可以提高10%以上的熔化率、節(jié)約4%～8%的燃料，優(yōu)勢明顯。

由于頂燒的燒槍安裝在窯爐的碹頂上，火焰直接對著玻璃液面加熱，所以熱效率相對較高。目前多用于無堿玻纖窯爐上，日用玻璃行業(yè)應(yīng)用相對較少，使用頂燒噴槍窯爐內(nèi)部燃燒狀況如圖2所示。

圖2 窯爐內(nèi)部燃燒情況

2.2 玻璃行業(yè)全氧燃燒技術(shù)裝備

2.2.1 窯爐控制系統(tǒng)

全氧燃燒技術(shù)對于燃燒額控制精度、安全等方面有著較高的要求。通常采用工控機+PLC控制柜或PLC控制柜+觸摸屏人機交互方式，完成對窯爐燃燒閥組的調(diào)整、安全控制、必備的閉環(huán)控制（液位、窯壓等）、環(huán)保設(shè)備以及窯爐運行數(shù)據(jù)的存儲、相關(guān)性分析等功能。部分窯爐根據(jù)生產(chǎn)需要可選用高溫工業(yè)電視，用以監(jiān)控窯爐內(nèi)部情況。

2.2.2 燃燒設(shè)備

燃燒設(shè)備是用于全氧燃燒玻璃窯爐燃料和氧氣流量控制的主要設(shè)備。常見的燃料為：天然氣、液化天然氣、焦?fàn)t煤氣、巖層氣、沼氣、煤焦油、重油和石油焦等。氧氣以液氧或氣氧為主。

燃燒設(shè)備通常由主路閥組和支路閥組兩部分組成。

（1）主路閥組主要作用

安全切斷（遇有緊急情況或安全隱患時會自動切斷）；

穩(wěn)壓減壓（將來氣穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，為穩(wěn)定燃燒創(chuàng)造條件）；

過濾（通過Y型過濾器或錐型過濾器過濾來氣中的雜質(zhì)）；

壓力及溫度檢測（為溫壓補償提供依據(jù)）。

（2）支路閥組

根據(jù)窯爐燃燒單元的數(shù)量設(shè)置，原則上每個燃燒單元對應(yīng)一個支路閥組。每個閥組上有用于調(diào)整流量的執(zhí)行機構(gòu)、用于測量流量的流量計、旁通、壓力表、手閥等。每個支路均為燃料和氧氣各一路配置，通過DCS可以對每一路進行自動或手動控制。

作為一個成熟的工業(yè)品，目前在設(shè)計和零部件選型上已經(jīng)相對固化。選用不同檔次的元器件，對于系統(tǒng)的可靠性、靈敏度、精確性、可操控性有較大的影響。

2.2.3 燒槍

全氧燃燒燒槍與傳統(tǒng)的空氣助燃燒槍比，由于多出了氧氣的通路，所以相對復(fù)雜一些。作為完成燃燒的設(shè)備，燒槍的優(yōu)劣直接決定全氧燃燒項目的能耗、安全及穩(wěn)定性。

目前常見的燒槍來源主要有：

（1）國外專業(yè)燃燒技術(shù)及裝備供應(yīng)商

國際上著名的燃燒設(shè)備供應(yīng)商大多提供全氧燃燒燒槍，且各家均有自己獨到的見解和處理技巧。國內(nèi)常見的供應(yīng)商有：邁克森、天時、霍尼韋爾、日本正英等。

（2）氣體公司

氣體公司為了更好地服務(wù)用氣客戶，均有自己的技術(shù)研發(fā)機構(gòu)和服務(wù)團隊，并根據(jù)自己的理解研發(fā)用于全氧燃燒的燒槍。常見的有AP、法液空、林德（普萊克斯）、贏德、梅塞爾等。

（3）國內(nèi)科研院校及企業(yè)

國內(nèi)部分高等院校、燃燒設(shè)備供應(yīng)商通過研發(fā)，也提供用于全氧燃燒的燒槍。常見的有：北航、安德森熱能、震旦等。

（4）國內(nèi)仿制

由于部分國際品牌的燒槍近年來已過專利保護期，所以國內(nèi)部分廠家也采用仿制的手段提供燒槍，使用效果也不錯。

2.2.4 全氧燃燒消泡技術(shù)

消泡技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，它針對全氧燃燒過程中玻璃表面產(chǎn)生的泡沫，通過噴射霧化的消泡液消除或減輕泡沫層，達到穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約能源的效果。該技術(shù)一經(jīng)推出就很快在多數(shù)全氧燃燒窯爐上得到了應(yīng)用。

由于全氧燃有別于空氣助燃窯爐，其燃燒后的尾氣中水蒸氣濃度會達到50%～60%。玻璃吸收水的能力特別強，容易形成OH-，使玻璃液的黏度降低，微小氣泡更容易地從熔體中排出，同時水也使更多硫酸鹽分解出SO2排放到火焰空間中。特別是部分全氧燃燒窯爐使用芒硝作為澄清劑時，熔窯中產(chǎn)生大量SO2小氣泡與尾氣中的水反應(yīng)，生成硅羥團Si-OH，相鄰的兩個Si-OH之間有時還會產(chǎn)生氫鍵，Si-OH還可以吸附H2O，玻璃表面富集的硅羥團能牢固的吸附大量氣體。

消泡系統(tǒng)通過消泡槍將消泡液以霧狀噴入至窯爐內(nèi)，通過正鈦酸丁酯與表面泡沫的化學(xué)反應(yīng)作用，減小異質(zhì)玻璃液膜表面張力，破壞硅羥團，刺破氣泡，消除玻璃液表層的泡沫。使用消泡設(shè)備噴射消泡液的成本，在一般情況下與節(jié)約的燃料費用基本相當(dāng)，但是生產(chǎn)的穩(wěn)定性會大大提高。

2.2.5 尾氣處理和利用

隨著國家的環(huán)保政策越來越嚴格，企業(yè)對于尾氣排放的重視程度也越來越高。采用相應(yīng)方案解決尾氣排放達標(biāo)問題，盡可能有效利用尾氣中較高的熱能，是全氧燃燒窯爐必須正視的一個問題。

（1）NOX排放

由于全氧燃燒窯爐在燃料燃燒時沒有氮氣，燃燒后的尾氣中的初始NOX濃度會比較低。個別窯爐可能會不經(jīng)處理直接達標(biāo)，但是大多數(shù)窯爐還是需要進行簡單的脫硝處理。

燃燒時引入的氮氣來源主要為：天然氣、氧氣中所含的微量氮氣、工業(yè)電視機冷卻空氣帶來的氮氣，窯爐瞬間負壓吸入的空氣中的氮氣，這些氮氣的引入是非常微量的，但是在高溫狀態(tài)下仍然會產(chǎn)生NOX。部分玻璃成分中有使用硝酸鹽的，高溫燃燒時也會產(chǎn)生NOX。

由于全氧燃燒窯爐沒有蓄熱室，而且煙道的溫度相對較高，所以使用SNCR技術(shù)直接在煙道合適的位置噴入尿素或氨水，就能有效地消除尾氣中的NOX，尾氣排放容易到100 mg/Nm3以下，滿足環(huán)保排放標(biāo)準。

（2）硫化物排放

理論上講，全氧燃燒技術(shù)對硫化物的減少和控制基本上是沒有幫助的。但是，由于天然氣中的含硫比例很低，造成尾氣硫化物超標(biāo)的唯一原因來自于澄清劑中的芒硝或其它礦物質(zhì)的硫酸鹽成分，所以全氧燃燒窯爐除了使用石油焦作為燃料的，大多不需要考慮脫硫的設(shè)施。

（3）粉塵排放

由于沒有了空氣助燃窯爐中的換向操作，使用全氧燃燒技術(shù)后尾氣中的粉塵含量會有較大幅度的降低。無論使用袋式、濕式或EP，經(jīng)過處理尾氣中的粉塵濃度均可達到國家標(biāo)準（50 mg/Nm3），大多數(shù)情況下可以達到10 mg/Nm3以下的超低排放指標(biāo)。

（4）尾氣熱能利用

全氧燃燒窯爐的尾氣量只有傳統(tǒng)空氣助燃窯爐的不到30%，并且由于沒有蓄熱室，煙道中大的尾氣溫度很高，合理利用這些熱能也是節(jié)能減排的一個重要舉措。根據(jù)項目的具體情況，通常有余熱發(fā)電點、制冷/取暖、鍋爐蒸汽、通過熱交換器產(chǎn)生熱風(fēng)等手段。

3 發(fā)展與展望

由于全氧燃燒技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保等方面的先進性，使其在玻璃行業(yè)得到較快的發(fā)展，其技術(shù)創(chuàng)新主要集中在以下幾個方面：

3.1 燃料及氧氣預(yù)熱技術(shù)

為節(jié)約能源、降低成本、服務(wù)社會、綠色生產(chǎn)的目標(biāo)下，催生了預(yù)熱技術(shù)，通過利用較高溫度的尾氣將即將進入窯爐燃燒的燃料和氧氣進行預(yù)熱，達到降低能耗的目的。目前已知的公開技術(shù)有：林德的熱化學(xué)蓄熱室技術(shù)和法液空的HEAT-OX 熱態(tài)全氧燃燒技術(shù)。

（1）Optimelt熱化學(xué)蓄熱室系統(tǒng)

OPTIMELTTM系統(tǒng)通過蓄熱室、煙氣再循環(huán)管道、鼓風(fēng)機、氧槍和專用自動化等設(shè)備，將燃料和部分回收煙氣轉(zhuǎn)化為高溫合成氣，利用尾氣和余熱最終實現(xiàn)高效的蓄熱式純氧燃燒。與常規(guī)的空氣燃燒玻璃熔爐相比，OPTIMELTTM系統(tǒng)可以節(jié)省高達30%的燃料消耗，不僅極大地改善了玻璃窯爐的能源效率，還可以有效減少氮氧化物和二氧化碳的排放，實現(xiàn)了經(jīng)濟和環(huán)保的雙重收益。此外，OPTIMELTTM系統(tǒng)只需常規(guī)空氣蓄熱室體積的33%就能實現(xiàn)以上效果，使得生產(chǎn)裝置更加緊湊靈活。

（2）HEAT-OX 熱態(tài)全氧燃燒

法液空的HEAT-OX 熱態(tài)全氧燃燒技術(shù)，是利用交換器把較高溫度的尾氣中的熱能加熱即將進入窯爐的燃料和氧氣，通過預(yù)熱來達到節(jié)能的目的。目前該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)的實體工廠獲得的應(yīng)用。

（3）雙燃料熱氧燃燒器

燃燒器結(jié)合了熱氧燃燒和燃料靈活性來優(yōu)化燃料（天然氣、重油、石油焦、氫氣）切換的運行成本，具備一個優(yōu)秀的適應(yīng)不同功率和反應(yīng)物溫度的操作區(qū)間。這種技術(shù)使客戶有了更多的選擇。

3.2 燒槍的改造

（1）三層槍技術(shù)

在經(jīng)歷了圓槍、扁平槍后，業(yè)內(nèi)迎來了三層燒槍的普及。有別于兩層扁平槍技術(shù)，三層燒槍技術(shù)是兩層燒槍技術(shù)的升級版。通過在原有氧氣、燃料混合腔上方增加專門的氧氣通道，調(diào)整氧氣在燒槍不同管路的流量，達到一槍多能的效果，結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 三層槍技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

其中：

A+B 還原模式；

B 正常燃燒模式；

B+C 節(jié)能模式。

（2）低動能燒槍

低動能燒槍的優(yōu)點在于火焰更佳柔和，對配合料料山和窯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊更輕，對配合料有效成分揮發(fā)和窯爐壽命延長有明顯的效果。低動能燒槍技術(shù)較傳統(tǒng)燒槍要求的系統(tǒng)壓力更低，這也使供氧系統(tǒng)的氧壓成本降低成為可能。

3.3 新型燃燒方式

近年來，隨著玻璃窯爐、耐火材料、控制裝置和熱源技術(shù)的進步，使具有80多年歷史的玻璃熔化底部加熱概念得以復(fù)興，這項技術(shù)業(yè)內(nèi)常稱之為浸沒式燃燒技術(shù)。即噴槍安裝在玻璃窯爐的底部，燃燒的大部分過程均在玻璃窯爐內(nèi)完成。使得燃燒實現(xiàn)高強度傳熱和快速熔體均質(zhì)化。

4 結(jié)語

全氧燃燒技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，技術(shù)已日趨成熟，在玻璃行業(yè)的運用已經(jīng)得到越來越多的認可和支持。隨著我國減能減排、綠色發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動，企業(yè)在發(fā)展的過程中會越來越多的考慮使用全氧燃燒技術(shù)。

耐火材料、制氧技術(shù)、燃燒技術(shù)的不斷進步使得全氧燃燒在工廠運行成本的降低、尾氣排放的達標(biāo)、產(chǎn)品升級換代方面的優(yōu)勢愈加明顯，相信通過業(yè)內(nèi)各位同仁的共同努力，全氧燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)的推廣應(yīng)用必將迎來更快的發(fā)展。