全氧燃燒技術在玻璃行業的應用與發展

郭勇

（河南奧克金泰窯爐技術有限公司 安陽 455000）

0 引言

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒、Oxy-Fuel combustion）技術的燃燒模式為燃料+氧氣，與傳統的空氣助燃技術相比，助燃介質由空氣變為氧氣，減少了燃燒過程中約78%的氮氣帶入和帶出，與傳統燃燒方式有著根本的區別。

隨著制氧技術的迅猛發展及電力成本降低，由氧氣+燃料組成的純氧燃燒技術在現代工業中成為取代由空氣、燃料組成的常規燃燒方式的更好的選擇方案，因為純氧燃燒在環保、節能、產量、質量、減少設備投資和節省廠房場地等諸多方面均有優異的表現。目前國內在冶金、電力、化工、建材和熱加工（金屬加熱爐、玻璃加熱爐等）等行業，全氧燃燒技術已經得到廣泛的應用。

在玻璃行業中全氧燃燒技術最早主要被應用于窯齡較長的玻璃窯上助熔以維持產量或延長窯的壽命，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，產品質量訴求也成為推動純氧燃燒技術廣泛應用的動力之一。

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用的優勢日益明顯，對純氧燃燒技術研究和應用已逐步在國際范圍展開。在中國，隨著經濟的發展、能源和環境保護的問題將更加突出，純氧燃燒技術被認為是最經濟有效的替代方法。

1 全氧燃燒技術在中國

全氧燃燒技術由于其環保、節能、高效、可靠、易于操控等特點，在國內玻璃行業應用范圍不斷擴大，被越來越多的企業所接受。其應用涵蓋了建材玻璃（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、玻璃纖維和光學玻璃等大多數玻璃領域。從十幾年前的顯示器件（CRT-Glass 玻殼）行業開始使用全氧燃燒技術，玻璃行業的從業者就沒有停止過對其應用技術的探索。

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

玻璃行業運用全氧燃燒技術優勢有：

（1）節能降耗（提高企業經濟效益）；

（2）環保，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 全氧燃燒技術在玻璃行業的應用

（3）提高產量（相同情況下，全氧燃燒窯爐在熔化率方面有較為明顯的優勢）；

（4）提高產品質量（特別是部分產品，傳統的空氣助燃窯爐很難生產出接近國外先進水平的產品）；

（5）生產需要（如對氧化還原氣氛要求，可以更容易保證）。

近年來，伴隨著中國經濟的高速發展，我國全氧燃燒技術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，這也使得該行業達到充分競爭的水平。

2.1 全氧燃燒玻璃窯爐結構

2.1.1 熔制玻璃的加熱方式

根據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。根據生產需要選定燒槍的型號及數量，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定或按照功率（kW、MMBTU標定）。

部分窯爐由于產品性質決定，會使用火焰空間全氧燃燒+底部電加熱的形式，習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別。液晶玻璃、高鋁玻璃、中硼硅玻璃、光學玻璃、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。

頂燒技術源于美國，在日本將這種技術得到快速應用推廣。在我國，大多數的玻纖窯爐均采用頂燒技術。相比傳統的側燒技術，采用頂燒技術可以提高10%以上的熔化率、節約4%～8%的燃料，優勢明顯。

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，日用玻璃行業應用相對較少，使用頂燒噴槍窯爐內部燃燒狀況如圖2所示。

圖2 窯爐內部燃燒情況

2.2 玻璃行業全氧燃燒技術裝備

2.2.1 窯爐控制系統

全氧燃燒技術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整、安全控制、必備的閉環控制（液位、窯壓等）、環保設備以及窯爐運行數據的存儲、相關性分析等功能。部分窯爐根據生產需要可選用高溫工業電視，用以監控窯爐內部情況。

2.2.2 燃燒設備

燃燒設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備。常見的燃料為：天然氣、液化天然氣、焦爐煤氣、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）；

穩壓減壓（將來氣穩定在一定的范圍內，為穩定燃燒創造條件）；

過濾（通過Y型過濾器或錐型過濾器過濾來氣中的雜質）；

壓力及溫度檢測（為溫壓補償提供依據）。

（2）支路閥組

根據窯爐燃燒單元的數量設置，原則上每個燃燒單元對應一個支路閥組。每個閥組上有用于調整流量的執行機構、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品，目前在設計和零部件選型上已經相對固化。選用不同檔次的元器件，對于系統的可靠性、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的空氣助燃燒槍比，由于多出了氧氣的通路，所以相對復雜一些。作為完成燃燒的設備，燒槍的優劣直接決定全氧燃燒項目的能耗、安全及穩定性。

目前常見的燒槍來源主要有：

（1）國外專業燃燒技術及裝備供應商

國際上著名的燃燒設備供應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。國內常見的供應商有：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用氣客戶，均有自己的技術研發機構和服務團隊，并根據自己的理解研發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）國內科研院校及企業

國內部分高等院校、燃燒設備供應商通過研發，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

消泡技術是近年來發展起來的一種新型技術，它針對全氧燃燒過程中玻璃表面產生的泡沫，通過噴射霧化的消泡液消除或減輕泡沫層，達到穩定生產、節約能源的效果。該技術一經推出就很快在多數全氧燃燒窯爐上得到了應用。

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，熔窯中產生大量SO2小氣泡與尾氣中的水反應，生成硅羥團Si-OH，相鄰的兩個Si-OH之間有時還會產生氫鍵，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。

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

2.2.5 尾氣處理和利用

隨著國家的環保政策越來越嚴格，企業對于尾氣排放的重視程度也越來越高。采用相應方案解決尾氣排放達標問題，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處理直接達標，但是大多數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，但是在高溫狀態下仍然會產生NOX。部分玻璃成分中有使用硝酸鹽的，高溫燃燒時也會產生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，滿足環保排放標準。

（2）硫化物排放

理論上講，全氧燃燒技術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的唯一原因來自于澄清劑中的芒硝或其它礦物質的硫酸鹽成分，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，經過處理尾氣中的粉塵濃度均可達到國家標準（50 mg/Nm3），大多數情況下可以達到10 mg/Nm3以下的超低排放指標。

（4）尾氣熱能利用

全氧燃燒窯爐的尾氣量只有傳統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能減排的一個重要舉措。根據項目的具體情況，通常有余熱發電點、制冷/取暖、鍋爐蒸汽、通過熱交換器產生熱風等手段。

3 發展與展望

由于全氧燃燒技術在節能、環保等方面的先進性，使其在玻璃行業得到較快的發展，其技術創新主要集中在以下幾個方面：

3.1 燃料及氧氣預熱技術

為節約能源、降低成本、服務社會、綠色生產的目標下，催生了預熱技術，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熱，達到降低能耗的目的。目前已知的公開技術有：林德的熱化學蓄熱室技術和法液空的HEAT-OX 熱態全氧燃燒技術。

（1）Optimelt熱化學蓄熱室系統

OPTIMELTTM系統通過蓄熱室、煙氣再循環管道、鼓風機、氧槍和專用自動化等設備，將燃料和部分回收煙氣轉化為高溫合成氣，利用尾氣和余熱最終實現高效的蓄熱式純氧燃燒。與常規的空氣燃燒玻璃熔爐相比，OPTIMELTTM系統可以節省高達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，實現了經濟和環保的雙重收益。此外，OPTIMELTTM系統只需常規空氣蓄熱室體積的33%就能實現以上效果，使得生產裝置更加緊湊靈活。

（2）HEAT-OX 熱態全氧燃燒

法液空的HEAT-OX 熱態全氧燃燒技術，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，通過預熱來達到節能的目的。目前該技術已經在國內的實體工廠獲得的應用。

（3）雙燃料熱氧燃燒器

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

3.2 燒槍的改造

（1）三層槍技術

在經歷了圓槍、扁平槍后，業內迎來了三層燒槍的普及。有別于兩層扁平槍技術，三層燒槍技術是兩層燒槍技術的升級版。通過在原有氧氣、燃料混合腔上方增加專門的氧氣通道，調整氧氣在燒槍不同管路的流量，達到一槍多能的效果，結構示意見圖5。

圖5 三層槍技術結構示意圖

其中：

A+B 還原模式；

B 正常燃燒模式；

B+C 節能模式。

（2）低動能燒槍

低動能燒槍的優點在于火焰更佳柔和，對配合料料山和窯爐內部結構的沖擊更輕，對配合料有效成分揮發和窯爐壽命延長有明顯的效果。低動能燒槍技術較傳統燒槍要求的系統壓力更低，這也使供氧系統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興，這項技術業內常稱之為浸沒式燃燒技術。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完成。使得燃燒實現高強度傳熱和快速熔體均質化。

4 結語

全氧燃燒技術經過30多年的發展，技術已日趨成熟，在玻璃行業的運用已經得到越來越多的認可和支持。隨著我國減能減排、綠色發展的內在驅動，企業在發展的過程中會越來越多的考慮使用全氧燃燒技術。

耐火材料、制氧技術、燃燒技術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、產品升級換代方面的優勢愈加明顯，相信通過業內各位同仁的共同努力，全氧燃燒技術在玻璃行業的推廣應用必將迎來更快的發展。