玻璃纤维纯氧燃烧池窑的设计运行概述

唐秀凤

（中材科技股份有限公司江苏南京210012）

摘要：介绍纯氧燃烧技术的优点、氧气来源及制氧工艺的选择；总结了纯氧燃烧 窑炉设计、施工和运行应注意的主要技术环节。

关健词：纯氧燃烧；制氧工艺；设计；运行；总结

0前言

近代工业的发展，对燃料需求越来越大，相应燃烧产物对环境的污染亦越来 越重。我们所利用的二大能源——煤和石油均为非再生资源，据权威统计，煤100 年后将耗尽，石油50年后将枯竭，核能储量约60年，因此我们面临严重的问题 ——能源枯竭。因而燃料价格持续上涨，迫使人们从经济可持续发展的角度出发, 在燃烧领域积极推广应用纯氧（全氧）燃烧技术，尽可能减少能源损耗，提高热 效率。1990年开始，因环保要求，美国少数玻璃厂率先在玻璃熔窑上采用纯氧燃 烧技术。

纯氧燃烧技术是玻璃熔化技术的第二次革命（玻璃熔化技术的第一次革命是 蓄热式玻璃窑的建造）。

近二十年来，纯氧燃烧技术的工业化应用方面取得了较大进展和推广。首先 是制氧技术的进步，从空气中分离制氧的各种方法技术都有进步，从而使制氧能 耗成倍降低，给氧气的工业化应用创造了很好的条件。玻璃纤维生产熔制温度高, 对玻璃液的熔化质量和稳定性要求较高，熔化热效率亦较低，更需要和更适合采 用纯氧燃烧技术。

1采用纯氧燃烧技术的优点

一般指用氧气纯度N90%为助燃介质的燃烧称为纯氧燃烧，燃料燃烧产生的火 焰辐射强度大、热量传递效率高。

燃烧过程是一个氧化反应过程。

如空气与天然气：

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CH₄+20₂+7. 5N₂^2H₂0+C0₂+7. 5N₂+NO_x

氧气与天然气：

CH₄+20₂ -*2H₂0+C0₂

可见釆用纯氧燃烧技术后，有以下优点：

1. 1减少NO,排放

烟气量少，烟气中NO,含量大为减少（比空气助燃时降低85%〜90%）

1. 2配合料损耗量少

烟气中粉尘排放量减少70%〜80% （配合料挥发份降低，烟气夹带走的配合料 量减少）

1. 3节能、热效率高

比空气助燃时热辐射强度大得多，纯氧燃烧火焰传播速度快，火焰燃烧温度 高（2800°C）,对玻璃液的传热量增加，热效率高，降低了生产能耗。

（纯氧燃烧火焰：波长短，玻璃的穿透性很好，池深方向温度梯度小）

1.4玻璃熔化质量好

烟气成份中水汽含量高达53%,玻璃液与水汽反应增强，玻璃液中0$量增多, 导致粘度降低，有利于澄清和均化，可提高玻璃液质量，熔化率提高10%〜20%。

2氧气来源的选择

根据对氧气的需求量（含规划）和企业所处的环境，氧气源可有远管道供应、 槽车供液氧和就地自建制氧站。自建制氧站又有变压吸附制氧和深冷分离法制氧 二种选择，.下面重点介绍一下。

2. 1变压吸附制氧（VPSA）

变压吸附制氧工艺始于20世纪70年代，用分子筛分离6和队的多用双床， 轮换操作，其装置流程框图：

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氧气，93%

预处理7鼓风机~ 。2缓冲罐I 0₂增压系统压。2缓冲罐

, 产品氧气去用户

真空泵机组

VPSA工艺流程，即装置由两个吸附塔组成，其中一个吸附塔始终处于进料吸 附产氧的状态，另一个吸附塔处于抽真空解吸状态。每一个吸附塔的工艺过程由 吸附、均压降压、抽真空、均压升压和产品最终升压等步骤组成。

用变压吸附法制氧优点：能耗低、流程短、开停车时间短、自动控制、产品 浓度可调。当用氧气量小(W4000NM3/H)时，多釆用变压吸附法制氧。

2.2深冷分离法

1903年，研制出第一台深冷空分制氧机。

深冷分离法的工作原理是：空气冷却到-150°C以下，根据氧气和氮气的沸点 不同，再用低温精馅的方法实现氧氮分离。

其工艺流程如下：

(1) 空气预冷、净化(去除空气中的水分、二氧化碳等气体和灰尘等杂质).

(2) 进行压缩、冷却，使之成为液态空气。

(3) 利用氧和氮的沸点的不同，液态氮的沸点低，液态氧的沸点高,在精御塔中把 液态空气多次蒸发和冷凝，将氧气和氮气分离开来，得到纯氧(可以达到99. 6%的 纯度)和纯氮(可以达到99. 9%的纯度)-

(4) 如果增加一些附加装置，还可以提取出紀、氤、氮、氣、显等在空气中含量 极少的惰性气体。

分离产出的氧气，经过压缩机的压缩，最后将压缩氧气通过管道直接输送到 工厂、车间或装入高压钢瓶贮存使用。一般用氧气量大(N4000NM3/H),釆用深 冷分离法制氧。

2. 3 变压吸附法和深冷分离法的比较

2. 3. 1工艺流程比较

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变压吸附工艺流程简单，设备数量少。深冷分离法工艺流程复杂，设备数量

多。

2. 3.2产品种类、纯度

变压吸附法只能生产单一产品(氧气或氮气)，单套设备不能保证连续长周期 运行。而深冷分离法可以同时生产氧气、氮气。深冷法的空气分离装置的运转周 期(指两次大加温之间的间隔期)一般为2年以上。 ’

变压吸附法制取的氧气纯度W95%,氮气纯度95%〜99. 9%。深冷分离法可制 取氧气的纯度N98%,氮气的纯度N99.999%。

2. 3.3运行控制

变压吸附法启动时，只要按一下按钮，启动30分钟左右便可以获得合格的氧 气，停机时也只需按一下按钮便可。深冷分离法启动时间长，开机或停机需36小 时(由于是在极低温度下运行，预冷启动，预热停机)，深冷法空分装置不宜经常 起、停，宜长时间连续运行。

2. 3.4基建费用

PVSA装置设备数量少，基建费用少，对厂房要求也不高。深冷空气分离装置 设备复杂，安装要求高且周期长，基建投资高。

2. 3. 5电耗

变压吸附法的耗电为0. 3〜0. 6KWH/NT02。深冷分离法的耗电为0.5〜 0. 8KWH/NM³0_2o

2. 4氧源供应基本要求

由于玻璃窑炉必须长年稳定运行特点，对氧源的最基本要求以下几点：

(1) 达到质和量的要求并有很高的稳定可靠性。

氧的纯度^90%±1%

进入熔制车间的压力Nl. Okg/cm² ±0. 1

(2) 长年持续供应不间断，因此如自建制氧站要考虑设备轮修，必须有备用气源, 一般备用液氧罐。

(3) 最佳的经济性，主要综合考虑氧气的成本费用来选择氧源，在中国氧气成本 在0.4〜1.0元/NM3之间，要精心核算，力求费用最低。

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3纯氧燃烧池窑设计应注意的主要技术环节

3. 1纯氧燃烧器的选择

纯氧燃烧的燃烧器是关键装置，一些燃烧公司都精心设计、专门开发，已有 成熟的产品。选择它要考虑几个要素：

(1) 适应使用燃烧，甚至适应油、气燃料，方便更换。

(2) 提供要求的热容量的能力，并有足够的调节范围和实现自动控制的可能。

(3) 有最佳的氧燃比，保证完全燃烧并有好的火焰形状，提高火焰覆盖率。

(4) 有足够的安全性和使用寿命，包括氧枪砖。

3. 2燃烧器的布置

(1) 首先要了解基本要求和基本条件：包括玻璃成分、熔化能力、所用原料和 燃料以及要达到的技术指标等，以此为基础，根据理论计算和经验积累拟定熔窑 大体结构和运行热工参数，再结合纯氧燃烧器的运行特征布置燃烧器。

(2) 纯氧燃烧相对于空气燃烧，窑内的热能量分布不同，火焰空间的热点位置 也不一样，纯氧燃烧器的定位时必须考虑这因素。

(3) 纯氧燃烧器的设置应与池底电助熔相匹配，避免玻璃液局部过热。

(4) 纯氧燃烧器的定位有二种，一种设置在胸墙二侧，另一种设置在大砲顶上。

釆用何种形式，应根据燃烧器的特征和玻璃纤维的特性而定。 ’

图1纯氧燃烧器侧烧示意图

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3. 3耐火材料的选用

窑炉釆用纯氧燃烧后，火焰辐射强度大，上部空间所处气氛的化学组成发生 了变化，烟气中水蒸汽的体积浓度与空气燃烧相比约增大3倍，其它挥发份的体 积浓度也增大很多，因此火焰空间部分必须选择优质耐火材料。

对于生产中碱玻纤的纯氧池窑，碱挥发物的体积浓度比空气燃烧增至3〜4倍。 高体积浓度的碱挥发物不利于上部结构硅砖或电熔莫来石砖的使用。如空间使用 硅砖，窑内形成的大量低粘度钠硅酸盐熔体会对硅砖造成严重的侵蚀，由于水蒸 气的体积浓度高，该熔体在高温下极易形成，加重了碱挥发物及冷凝物对硅砖的 侵蚀作用；如使用电熔莫来石砖，窑内高体积浓度的碱蒸气，会与莫来石起化学 反应，产生霞石晶体，而引起层状剥落现象（由于霞石体积膨胀系数大），影响玻 璃液质量，因此窑炉火焰空间耐火材料的选择非常重要。一般生产中碱玻纤的纯 氧池窑的火焰空间选用熔铸33#错刚玉砖或部分使用镁铝尖晶石。

3.4建立完善的燃烧及控制系统

由于纯氧燃烧比空气助燃强度大，火焰传播速度快，要实现最佳稳定地燃烧 状态就需要完善的系统和精密的控制。为保证安全，系统必须釆用先进精密的自 控仪表，实现氧气/燃料精确的比例控制。根据窑炉熔制温度要求，调整控制氧气

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和燃料的流量比，并进行安全和稳定性监视。典型的系统控制如图3所示:

图3典型的纯氧燃烧系统检测控制流程图

4纯氧燃烧池窑施工运行关键要点

(1) 燃气氧气输送系统均需按规范要求施工。特别是氧气系统应尽量选用低碳 钢管，并进行脱脂处理，用前需仔细净化，保证无油脂、灰尘和杂物。

(2) 窑炉砌筑应严格密封不漏气。纯氧燃烧含有较高的水蒸气(>60%也0),烟 气低温腐蚀性较大，因此要求窑炉的密闭性好。

(3) 纯氧燃烧烟气过氧相对较高，窑内残氧量控制在2. 5%〜5% ,并要控制好 窑内气氛，一般要求熔化区强氧化气氛，澄清区为弱氧化气氛。

(4) 纯氧燃烧烟气量减少了 70%〜80%,窑内温度制度(温度布置)有别于空气 燃烧，火焰空间热点后移，60%的热量用在熔化区。

(5) 熔制工艺稳定，控制精度要求更高。

(6) 通路采用纯氧燃燃烧后，生产运行中应注意以下几点：

(a) 经常检査纯氧喷嘴状况，防止其堵塞而烧坏；

(b) 通路内气氛和气压的控制；

(c) 防止玻璃液反加热，产生二次气泡。

5结束语

随着社会经济的迅猛发展，能源日趋紧张，节能减排已成为人们最关注的话 题，纯氧燃烧技术作为节能减排新技术，在玻璃行业的应用将越来越广。

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