玻璃熔窯全氧燃燒技術應用過程中存在的問題及分析

謝東恒，姜宏1,*

（1.海南大學，海南省特種玻璃重點實驗室，海南 海口570228；2.特種玻璃國家重點實驗室，海南 澄邁571924）

0 引 言

眾所周知，傳統的玻璃熔窯都是以空氣作為助燃氣體，采用空氣助燃是導致高污染、高能耗的重要原因[1]。空氣中氧氣含量只有21%，其余約78%的氮氣在玻璃熔化過程中被無效加熱，并在高溫下排出窯體，造成了很大的能源浪費，據統計，這部分熱量損失占能耗的30%以上。為了解決空氣助燃所帶來的這些問題，全氧燃燒技術逐漸引起各國的關注和重視。

全氧燃燒就是將傳統的空氣—燃料燃燒系統改為氧氣—燃料燃燒系統。全氧燃燒即把燃料與純氧按預定比例混合，比空氣助燃更精確的燃燒技術[2]。全氧燃燒的煙氣成分主要為CO2和H2O，煙氣中二氧化碳和水蒸氣濃度的提高能大幅提高不發光火焰的黑度，增加火焰和窯墻輻射給玻璃液面的熱量[3]；除了能提高火焰熱效率外，相對于傳統空氣助燃熔窯的煙氣量，全氧燃燒熔窯產生的煙氣排放量大幅減少，從而，燃燒熱效率也會大幅提高。作為制造業大國，我國政府于2015年發布了《中國制造2025》，標志這新一輪的工業轉型與升級的開始[4]。發展節能、環保、高效的工業生產為必然的選擇[5]。

全氧燃燒技術在玻璃熔窯上應用存在著諸多的優越性，但凡事都有利弊兩面，在實際生產過程中發現了較為嚴峻的問題制約著其發展。主要存在兩個方面的問題：一是玻璃熔窯全氧燃燒技術的開發，有賴于具有較低的制氧成本、運行可靠的純氧氣體制備技術和設備的成熟和完善[6]；二是全氧燃燒工藝利用純氧取代了空氣助燃，使熔窯內的燃燒氣氛和燃燒產物發生了顯著變化，這些變化對玻璃液的熔化和澄清亦產生了顯著的影響[7]。除此之外，包括配置優質熔窯耐火材料、優化熔窯結構設計等問題，都是較為容易解決的，本文著重討論上述的制氧與工藝控制這兩方面的問題，并提出有效的解決措施。

1 玻璃熔窯全氧燃燒技術特點

1.1 玻璃熔窯全氧燃燒與空氣助燃實際煙氣量對比分析

通過對國內某公司600T/D浮法玻璃熔窯采用全氧與另一條600T/D浮法玻璃熔窯采用空氣助燃的實際煙氣生成量對比，全氧燃燒的煙氣量約為空氣助燃煙氣量的三分之一，遠小于空氣助燃時的空氣需要量和煙氣生成量；全氧燃燒煙氣中SO2的含量僅為空氣助燃的53%，NOx含量僅為空氣助燃的26%，大大減少了廢氣的排放尤其是NOx的排放；詳見表1。

表1 全氧燃燒與空氣助燃排放指標對比(600T/D浮法)Tab.1 Oxy-fuel combustion and air combustion combustion emissions targets compared (600T/D float)

1.2 玻璃熔窯全氧燃燒與空氣助燃能耗對比分析

在空氣助燃作業中，必須把大量對加熱過程無益的氮氣加熱到熔窯操作溫度而浪費大量能量。以甲烷天然氣燃料燃燒為例：

空氣助燃:CH4+ 2O2+ 7. 5N2= CO2+ 2H2O + 7. 5N2

全氧燃燒:CH4+ 2O2= CO2+ 2H2O

通常的空氣燃燒只有占空氣總量21%的氧氣參與燃燒，其余約占78% 的氮氣非但不助燃，反而要帶走大量熱量，從煙氣中排出。在使用全氧燃燒的情況下，燃料燃燒所需空氣量減少，廢氣帶走的熱量下降；燃燒完全充分，無小爐、蓄熱室，向外散熱少，節能效果明顯。

國內某公司600T/D浮法熔窯采用全氧與另一條600T/D浮法熔窯采用空氣助燃的能耗指標見表2，從表2中數據可見，全氧燃燒的節能率達到18.4%。

從以上對比分析可以看出，玻璃熔窯全氧燃燒技術具有節約玻璃熔化能耗和降低溫室氣體排放的顯著特點。

表2 全氧燃燒與空氣助燃能耗指標對比(600T/D浮法)Tab.2 Comparison of Total Oxygen Combustion and Air Combustion Energy Consumption Indicators (600T/D Float)

2 應用過程中存在的問題

全氧燃燒提高了火焰溫度和輻射強度，能耗和環保指標同比空氣助燃更優，但也會使得熔窯空間中存在大量的水蒸氣，所以在實際應用中便會遇到相應的一些問題，主要體現在以下四點：

1）火焰溫度高對耐火材料的要求也高，需采用高質量耐火材料；

2）全氧燃燒窯內氣氛容易在玻璃熔體表面發生堿（NaOH）的揮發反應，堿蒸汽（NaOH）濃度增加數倍，造成對耐火材料侵蝕加劇；

3）全氧燃燒易在窯內玻璃液表面形成泡沫層，減少火焰對玻璃液面的傳熱，影響玻璃液澄清質量；

4）需要增加制氧設備投資及制氧成本。

玻璃制造綜合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困難等質量問題是全氧燃燒在玻璃熔窯應用中遇到的兩大核心問題。

3 問題分析及解決措施

為了達到對耐火材料最經濟與合理的使用效果，在一個生產周期結束時，熔窯各部位的耐火材料侵蝕情況應該相差不大，使耐火材料近乎同步侵蝕。而碹頂、池壁和胸墻等關鍵部位的耐火材料的選擇將直接關系到熔窯的使用壽命及玻璃企業的整體效益[8]。

玻璃熔窯因采用全氧燃燒技術后，水蒸汽較之空氣助燃高了3.5倍，水蒸汽被吸附在耐火材料的表面；全氧燃燒玻璃窯爐氣體中堿蒸氣濃度高；碹頂內表面溫度比空氣助燃時升高了25~50 ℃，都會加劇對耐火材料的侵蝕[9]。因此，熔窯關鍵部位耐火材料的質量應更優于空氣助燃熔窯，才能應用于全氧燃燒熔窯。

除了耐火材料的質量選擇更優之外，還要從氧源選擇、氧槍的設計、熔窯結構尺寸設計等方面來綜合考慮，從而使得熔窯耐火材料在窯齡期內保持良好使用的狀態。

以上熔窯的耐火材料的選擇、氧槍選擇設計、窯爐結構的優化等方面，已經在行業內研究得較為成熟，在此就不再贅述。本文著重于玻璃制造綜合成本的提高、玻璃液表面泡沫多和澄清困難等質量問題，通過對玻璃制造綜合成本的測算和研究這些問題產生的機理，提出行之有效的解決措施，已經在玻璃質量問題上取得了突破。

3.1 玻璃制造運營成本對比

全氧燃燒與空氣助燃相比，燃料燃燒完全，火焰溫度高，輻射能力強，火焰輻射玻璃液溫度可提高100 ℃左右，水蒸汽濃度較高使得配合料熔融速度加快，提高熔化率10%以上，從而使熔窯產量得以提高[10]。然而，全氧燃燒制氧需增加運營成本，運行成本涉及燃料品種、當地的燃料價格、電價（直接決定氧氣成本）、氧氣的來源、玻璃的熔化難度（越是難以熔制的玻璃節能效果越明顯，改為全氧燃燒后的運行費用也會越低）、設計節能率[11]。

對于熔窯投資而言，全氧燃燒減少了蓄熱室但提高了耐火材料配置，基本相當。以600T/D浮法玻璃生產線為例，計算基礎數據如下：

用氧：9000 m3/h；氧氣成本：0.45元/m3（自建氧站）；節能：20%；燃料用量：4400 m3/h；燃料熱值：8500 Kcal/kg；燃料價格：2.2元/m3；N2氣用量1800 m3/h，獨立制氣成本：0.28元/m3，聯合制氣：0.1元/m3。

運營成本計算：

(1)制氧成本增加：

9000 m3/h×0.45元/m3×24 h×365天=3548萬元/年

(2)節能成本減少：

4400 m3/h×20%×2.2元/m3×24 h×365天=1696萬元/年

(3) N2氣成本減少：

1800 m3/h×（0.28-0.10）元/m3×24 h×365天=284萬元/年

(4)環保成本減少：600萬/年

則全氧成本增加：

（3548-1696-284-600）萬元/年=968萬元/年

(5)全氧燃燒技術節能效率由20% 提高為25%

則燃料節約成本：

4400 m3/h×5%×2.2元/m3×24 h×365天=424萬元/年

則氧氣減少節約成本：

9000 m3/h×5%×0.45元/m3×24 h×365天=177萬元/年

總節約成本：424 +237萬元/年=661萬元/年

根據測算的結果顯示，雖然全氧燃燒成本略有增加，但是差別每年不到1000萬元。如果隨著全氧燃燒節能效果的進一步提高，按照節能率25%節能率計算，每年成本的差別將在300萬元左右，基本持平的狀態表明玻璃熔窯采用全氧燃燒技術經濟上是可行的。

3.2 玻璃液表面泡沫多和澄清困難

玻璃的制備過程包括一系列物理、化學及物理化學的現象和反應，全氧燃燒與空氣助燃相比，熔化空間氣氛發生了很大的變化，特別是空間水分的大幅增加，對其熔化工藝制度影響巨大。本文針對這兩個問題做了深入的研究，發現問題源頭，并提出可行的幾點解決措施。

3.2.1 玻璃液表面泡沫多的問題分析及解決方法

全氧燃燒環境下玻璃含水量達400~600 ppm ，水在硅酸鹽玻璃中，使Si-O-Si 鍵斷裂，相當于解聚作用，從而顯著降低玻璃的黏度。實驗研究發現當玻璃中羥基含量越高，澄清越好。由于玻璃熔體吸收水汽的能力特別強，結果形成-OH，使玻璃液的黏度降低，上升速度受黏度影響較大的微小氣泡便可更容易地從熔體中排出。

在全氧燃燒環境下玻璃的澄清發生如下反應:

全氧燃燒熔窯中除了依然存在式（1）和（2）的反應外，由于熔窯中存在大量的水汽與玻璃熔體發生如式（3）反應，使更多的硫酸鹽分解成SO2排放到熔窯空間中。經分析泡沫中氣體的主要成分為SO2，是芒硝分解的產物。

從上述的分析中可知玻璃液表面泡沫多的產生原因為：因全氧燃燒玻璃熔窯中的澄清機理依然遵循空氣助燃熔窯的硫澄清機理，芒硝含率高，因此，全氧燃燒熔窯沿用空氣助燃熔窯芒硝含率的用量會導致窯內的泡沫增加很多。

泡沫在熔體表面會導致窯內輻射傳熱的降低，泡沫表面氣泡的反射作用，亦會降低了熔窯能量的有效利用和增加對熔窯溫度制度控制的難度，從而影響產品質量。

泡沫多是全氧燃燒在浮法玻璃熔化的突出問題，可通過結合全氧燃燒的特性相應調整芒硝含率、火焰氣氛、噴灑消泡劑[12]等方法來解決。

3.2.2 玻璃液澄清困難的問題分析及解決方法

研究發現少量的二氧化碳和水蒸汽將使澄清的起始溫度降低10～40 ℃，因而對于全氧燃燒熔窯，傳統的升溫降粘度澄清工藝某種程度上顯得過于浪費能源，甚至會給澄清帶來不利影響。

隨著計算機技術的發展，利用計算機來模擬玻璃窯內溫度場、速度場、氣體及玻璃液流動規律，為優化玻璃熔窯設計提供一條新途徑[13]。該類型熔窯玻璃液池底熱點溫度高，熱點三維位置相對后移上浮，玻璃液中心線附近層流在卡脖冷卻水包前后出現紊亂，三者的共同作用導致熔窯澄清均化區縮小，玻璃液層流以及各環流穩定性差。

針對上述研究分析的情況，提出如下幾點的解決方法：

（1）熔制溫度的控制

有研究表明：水在硅酸鹽玻璃種，使Si-O-Si鍵斷裂，相當于于解聚作用，從而顯著降低了玻璃液的黏度[14]。因而，適當降低熱點之后各燃燒槍的燃燒溫度，降低澄清區域的溫度，氣體排放劇烈強度的降低，泡沫的減少，一定程度上會提高熱效率，同時也可以減緩玻璃液在水平方向上的前進速度，相對延長澄清時間。

（2）氧氣/燃料比的優化

全氧燃燒熔窯的氣氛控制仍然應符合還原性澄清硫的澄清機理，后區仍應保證一定的氧化性，便于三氧化硫的吸收，合理的氧氣/燃料比可以控制熔窯內的氣氛，使澄清劑發揮較好的澄清作用。

（3）玻璃液流的改善

調整卡脖冷卻水包深度和冷卻強度，增加熔化部生產流玻璃液回流量，增大玻璃液層流之間的溫差，使玻璃液池底熱點從原來的位置前移下沉，提高玻璃液層流以及各環流的穩定性[15]。

4 結論

1）通過對比玻璃熔窯全氧燃燒和傳統空氣助燃的煙氣量與能耗，可見，全氧燃燒技術在玻璃熔窯上應用的前景非常良好，將會取代空氣助燃熔窯成為主要趨勢。

2）從經濟性角度來看，通過對投資成本與運營成本的測算，論證了全氧燃燒技術在玻璃熔窯中應用是可行的。

3）針對國內某玻璃熔窯采用全氧燃燒后存在的窯內玻璃液表面泡沫多和澄清困難這兩項核心問題，進行了研究分析，并提出行之有效的解決方法。

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