全氧燃烧的窑炉控制及概况

    摘要：随着国民经济的迅速发展，玻璃生产技术也飞速进步。玻璃生产在追求高质量同时，对玻璃生产环保，高效益也有极高的要求。相对传统的熔制过程不能满足，现代时局的要求。因而全氧燃烧技术应运而生，全氧燃烧技术的玻璃窑炉的出现无疑成为解决行业降低成本，减少污染获取环保的有效途径。本文论述了全氧燃烧技术的定义、优点意义、窑炉结构的设计控制要求、工业制氧的方法及其使用时安全、燃烧器的选择 、安装方法进行了简单的综述。

第1章 绪  论

    矿物是大自然赋予人类的魁宝，玻璃则是人类智慧的结晶。改革开放以来,玻璃工业(平板玻璃、电子玻璃、玻璃纤维、日用玻璃、光学玻璃等)相应得到迅速发展，在行业高速发展的光环下，环境也成重要缺口。据了解，目前中国的温室气体排放量已高居世界第二，严格控制大气污染、降低温室气体排放的新法规、新技术已是目标方针。因而对玻璃生产的核心——“玻璃熔窑”的各个环节进行了不断地探索和改进，燃烧系统也不例外，并有了可喜的成效。采取“全氧+燃料”燃烧的方式来解决。本文将以熔窑全氧燃烧的慨念,燃烧的窑炉结构控制及制氧方案进行分析并在前辈的研究为指导下进行综述。

第2章 全氧燃烧概况

2.1  全氧燃烧的定义

  玻璃熔窑大规模生产一直以空气作为助燃媒介。经过对现有燃烧系统的分析研究，认为采用空气助燃是导致高能耗、高污染、高成本的重要因素。空气中21%氧，78%氮和0.93％氩及其它组分含量甚微。因而只有21%的氧气参与助燃，78%的氮气不仅不参与燃烧，还携带大量的热量排入大气，导致热量大量的浪费。

通过长期反复地试验研究认为，采用纯度≥85%的氧气作为助燃介质，对于节约能源，改善环境效果十分显著。因而，采用纯度≥85%的氧气参与燃烧的系统,称之为全氧燃烧。

2.2全氧燃烧对比空气燃烧的区别

    空气燃烧反应： 

CH4+２O2+ 8 N2→ CO2 + 2 H2O+8 N2  

 全氧燃烧反应： 

      CH4+２O2  →  CO2 + 2 H2O 

  全氧助燃相对于空气助燃来说，由于氮气的大量减少，在玻璃液上方的燃烧产物中主要是水与二氧化碳，燃烧后的烟气体积比空气助燃烟气减少70-80%，使得熔窑在结构上大大简化。

     采用空气或全氧作为助燃介质,其传热过程差异也较大。空气+燃料其特点辐射气体(H2O、CO2)、浓度低、气体热辐射系数低、气体停留时间短、热烟道口位置受到限制、传热好的关键在于大量明亮火焰及玻璃熔体表面的良好覆盖、需换火,间断燃烧,空气蓄。而氧气+燃料辐射气体浓度高,气体辐射系数高、气体停留时间长,平均窑容积约30s、燃烧器可以放至任何需要热量的位置,不论烧嘴类型都可达到优良的总体传热,局部热源仍取决于烧嘴类型与配置、不需换火,连续燃烧、燃烧稳定。

   传统的空气助燃,需要通过定时换火进行烟气与助燃空气的热交换,回收部分热能。但是,换火过程窑内瞬间失去火焰,玻璃液必然失去热源,导致窑温波动,受到换火过程的冲击,窑内气压波动也是必然的结果。

2.3全氧燃烧的意义

1、全氧燃烧火焰温度高，加速了玻璃熔化过程，故可以大幅度的提高生产

能力达２５％以上。同时由于炉内温度制度改便、可控性提高、可明显提高玻璃熔化的质量。

２、由于助燃为纯氧而无空气中的氮气，与空气助燃相比废气排放量（氮化物）减少８０－９０％，有利于环境保护，同时还节省了加热氮气所需的大量热能损失约２５％以上。

３、由于废气总排放量的减少，大大减少了废气排放过程中夹带粉尘的损失，经验表明可以降低粉尘排放量约７０％。从而降低了损失成本，近而可保证了玻璃成份的准确。有利于提高玻璃成分的稳定和环保。

４、采用全氧燃烧技术后，不再需要庞大的蓄热室、小炉、换向系统等结构，大大减少了窑炉的一次性投资可达ｌ／３，同时由于窑炉结构简化，实际上就是一个熔化部的单体构成，占地面积大为减少，有利于改善窑炉的操作环境和维修。

５、窑炉结构简单，大大减去了蓄热室、小炉等处的散热损失，十分有利于节约能源。

６、由于全氧燃烧技术的优越性和窑内温度制度科学合理的可控和稳定性，减轻了对碹顶（火焰空间加高即高碹顶窑炉）、池壁等处耐火材料的侵蚀，有利于延长窑炉的寿命。

７、全氧燃烧技术完全符合我国节能降耗、环保型企业的发展目标。

第3章 燃烧在窑炉结构中控制

3.1  全氧燃烧窑炉的概述

全氧燃烧构造非常简单（如图1）。氧枪内合成部分混合燃烧过程，代替了小炉。氧气不需要预热，省掉了蓄热室或换热器。因而，只剩下单一的窑体，窑体结构的设计便相当关键。熔化部窑体内除了熔化池和火焰空间外，其它还有氧枪、排烟口、加料口和流液洞，烟气和玻璃液通常都作逆向流动。

3.2 窑炉结构的规则

3.2.1窑池池壁的设计

    池窑的深度关系到玻璃质量的好坏。玻璃液热性差，透热性更差，因此窑炉越深，玻璃液温度越低，流动性越差，因此，靠近池底的玻璃液虽说具有一定的温度但却不会流动，形成不动层。窑炉内温度变化时，不动层有可能带到成型影响玻璃液质量。所以深度必须使炉内不得不形成不动层。即玻璃液黏度为10⁴pa例如，平板玻璃的池深为1.5M，绿色玻璃瓶的深度则为0.8M等。

3.2.2 流液洞

    流液洞的设计是为了让澄清好的玻璃液迅速冷却，挡住液面上未熔化沙粒浮渣以及调节玻璃液流。

流液洞的宽度控制着流过玻璃液的均匀性，越宽越均匀；流液洞的高度控制着玻璃液的质量，越低质量越好，流液洞的长度控制着玻璃液的降温程度，越长降温越多。流液洞的设计以流液洞内玻璃的液流情况为依据。常用的流液洞形式有平底式、下沉式和上倾式。

3.3   火焰空间

    火焰空间分别由胸墙和大碹构成。来自热源的一部分热流气体，会在热流气体将自身热量传给玻璃液、胸墙和大碹，火焰空间的大小应使燃料完全燃烧。以此，来保证熔化以及澄清所需热量，并且减少温度的散失。

3.3.1  大碹的控制

    大碹（窑顶）的作用有两点：一是使辐射线沿整个玻璃液面均匀分布，二是作为辐射热的反射器。大碹越接近液面，反射给玻璃液的辐射能越多。从以上两点可以看出，大碹的设计需要碹股尽量小，同时，窑顶的高度还必须窑顶的结构强度相符。

3.3.2  胸墙的确定

    窑顶高度确定后，胸墙的高度就决定了火焰空间的容积。火焰空间不仅是一个传热与散热的空间，还是一个燃烧空间，火焰空间有一定的容积以备燃料完全燃烧。火焰空间的容积可根据火焰空间的热负荷值进行核算，根据各个窑炉的情况不同，热负荷不能采用固定数据，否则窑炉寿命将大大缩短。所以，确定胸墙高度时必须要考虑燃料种类、熔化率、熔化耗热量、窑炉规模等因素。

3.4   燃烧器的放置

3.4.1  燃烧器放置的重要性

置胸墙上设计有烧枪、排烟口、观察孔等。在全氧窑炉中最重要的部分是全氧烧嘴和其他孔洞等的位置布置。排放的位置来说，布置的要求是要使其能充分提供玻璃熔化所需的热量，保证窑炉宽度方向上温度的均匀性，防止在液面上形成不必要的热点，避免窑顶和胸墙过热，优化火焰空问内气流的流型（能减少对耐火材料冲蚀、减少携带出的粉尘、延长烟气停留的时间）。

3.4.2  确定位置的规制

全氧燃烧的窑炉中烧嘴间距和烧嘴数量的确定，根据实际窑炉规模、燃烧温度曲线、所选烧嘴的类型，烧嘴喷出火焰特性等因素综合考虑制定。

  安装燃烧器的方式一是把燃烧器水平地安装在玻璃液面之上，窑炉的宽度方向上都被火焰覆盖。二是喷嘴砖要内缩安装，喷嘴砖一般缩进30—70mm，防止沿胸墙内壁流下的碹滴分散火焰或堵塞喷口。三是严密封闭安装缝隙，避免火焰气体逸逸引起烧损氧枪等事故。四是烧抢可错排或顺排如图3-1

一般情况下，在窑炉宽度小于７ｍ时错排，以避免相对的火焰碰撞，致使气流冲向窑项，造成大碹温度过高，同时有可能影响玻璃质量。一般要求喷出火焰的可见火焰部分达到或稍超过窑中心线，此时，料流曲折、流程较长、化料好。窑炉宽度在７ｍ以上时应顺排，以避免窑宽上温度不均匀。五是氧枪安装要具有科学性，高度应为玻璃液面以上460mm为佳。可避免高温火焰在页面和窑顶处出现局部过热现象，可利用烟气对热辐射的缓冲作用。

3.5耐火材料的运用

窑顶材料要优选耐材和精心砌筑 因采用全氧燃烧后，窑内排出烟气组分中，不仅H2O和CO含量增大，同时碱蒸气浓度也猛增。所以国外全氧燃 烧池窑以往采用硅砖时，其窑龄都较短 。所以硅砖不适用于全氧燃烧窑碹顶 材料，而是选用电熔类的砖材，主要有电熔锆刚玉砖、电熔锆砖及电熔刚玉砖等。

第4章 烧枪的选择

4.1  氧枪的选用机理

氧喷枪 (燃料器)是全氧燃烧窑炉的关键设备之一，它对火焰状况湿度布、传热效果、窑炉耐火材料的寿命长短起着很重要的作用。在选择氧喷枪时，应考虑的因素主要有：火焰覆盖面大，可控制炭黑形成黑度大，Nox最小可以用代压氧(一般低 0.5大气压而不需升压)，高调节比，不需水冷，低噪音，维修量小，并可兼用气、液体燃料 ，价廉，耐久性好等。

 4.2  氧枪的分类

由 于玻 璃 熔 窑 燃 烧 的 (油 、 气 )燃 料 不 同 ，在采用 氧 燃 烧时 ，对 输 入 熔 窑 的 纯 氧 方 式 的不 同所 采用 的 氧 喷 枪 也 随 之 不 同 。例 如 当 玻 璃 熔 窑 烧 天 然 气或 煤 气 时 ， 由于 氧 气 直 接 输 入 到 喷 枪 内 ，对 燃 烧 时特 性 影 响 较 大 。因而，目前采用两种喷枪（A型喷枪和密闭式喷枪）。

1、A型喷枪

 这种喷枪的喷嘴设计独特，在喷氧燃烧时，能使熔窑加热均匀 ，其特点是火力大 、火焰长度短 、温度高 。

2、密闭式喷枪

   这是一种用于纯氧助熔的密闭式喷枪烧嘴 其特点是密闭性能好,无水冷系 统、火焰热量分布均匀 (美国麦克森公司生产 )。

4.3  氧枪的注意事项

     对运行中烧枪的检查与维护时，将燃烧使用过的烧枪，从熔炉中烧嘴砖固装板上拆下，并进行以下检查：

  1、 检查烧嘴砖有无大的裂痕；2、烧嘴砖有无堆灰和火焰过热形成痕迹的现象，烧枪燃烧状态不应有堆灰现象，只有在烧枪不燃烧时才会产生；

  3、 烧嘴砖过热可导致烧枪或烧枪安装板变形，密封垫未装或严重损坏也可能导致烧嘴砖过热；

  4、天然气喷嘴有碳斑点形成，烧嘴砖火焰端底部碳斑点的存在是正常的。确认燃油喷嘴上有无积碳，积碳会影响烧枪的喷射方位（角度）；

  5、 如果烧枪安装板机械损坏或由于过热变形，将引起气体泄漏，在这种情况下应及时更换新的固定板；

  6、 如果烧枪本体机械损坏或由于变形引起的泄漏，喷嘴不重合，安装面不平或燃烧状况不良。烧枪应停止使用。不要试图自己修理此类烧枪。

第5章全氧燃烧的氧源

5.1  氧气的制备

   在空气中21%氧，78%氮和0.93％氩及其它组分含量甚微。由于工业中只需要氧气，因此要剔出氮等多余的气体，压缩氧气以此来提高氧气的浓度。来满足工业燃烧需求。目前采用的制氧方法三种方法真空变压吸收法、低温（深冷）氧气分离法、灌装液态氧。

5.1.1 真空变压吸收法(VPSA)—— 制 氧

    它是利用分子筛对空气中的氧 (O₂)、氮 (N₂ )组分的选择性吸收，分离空气中的 O₂和 N₂而获得氧 。该工艺又分为单床吸收和多床吸收式两类 其工艺装置结构紧凑而简单，设备运行可靠 ，维护操作简便 ，节能效果显著 。可直接安装在生产现场制氧 ，免除氧源运输费用 。制氧成本低。产量可调性好。它适用 于中等用量 (10～ 200t／d)、氧 (O)纯度 < 95％ 、用低压氧(O)的场 合 。

5.1.2  低温 (深冷 )氧气分离法 —— 制氧

该方法是将空气压缩，再降温 、冷却后液化 ，然后利用专用设备 一一 精 馏塔得以实现将空气分离为氧 (O₂)和 氮 (N₂)。其特点是不但可生产纯度达98%的 低压氧(O₂)，还可同时生产氮 (N ₂)。其设备噪声低 、安全性好 ，但装置系统较为复杂 ，维护较困难。如工厂氧用量较少时 ，其成本较高 ，如用氧量增大时其成本降低 ，经济适用，氧产品纯度高 。

5.1.3  罐装液态氧

液态氧，它适用于现场制造氧源有困难的企业 ，如用于规模较小的特种及轻工日用玻璃厂和小型玻璃纤维制造厂 。罐装的液态氧是纯度高达99．5% 的

高压氧(O₂)。

目前玻璃厂商采用三种方法可供选择 ：一 、是用管道输送气态氧 ；二、是用车送达的罐装液态氧 ；三、是工厂现场制造氧 。

表5-1     不同玻璃品种经济供氧的参考

5.2  氧气制备与使用安全

  大多数可燃物质在富氧条件下燃烧加速，易导致设备损害和人员伤害。

  1、使用氧气或氧化剂时，应遵循其安全条例。氧气含量超过25%时，对人及设备的爆炸危险性明显增大。空气中的可燃物质，在富氧条件下可加速燃烧及爆炸。2、纯氧系统只能使用氧用部件。使用不合适的材料会增加管道和控制器的着火危险性。管道尺寸设计必须满足氧气、氧化剂融合速度的要求。不要不考虑以上危险因素而随意更换氧气系统的元器件及配件。3、保持氧气系统的清洁。所有与氧气接触的设备、管道、配件等必须进行清洁处理，否则会增加着火的危险性。4、氧气设备周围严禁明火、吸烟、产生火花等5、不要用氧气替代压缩空气。用氧气替代压缩空气是非常危险的。当氧气替代压缩空气时将发生爆炸。仪表空气设备与氧气设备不能互换。