有史以来,玻璃熔窑一直都是以空气作为助燃介质。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、温室效应高的重要因素。空气中只有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。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:能耗可降低12.5% - 22%,未来可望降低30%以上(见图二),废气排放量减少60%以上,废气中“NOx”下降了80-90%、烟尘也降低50%以上。

图一
这种采用纯度≥85%的氧气参与燃烧的系统,我们称之为全氧燃烧、玻璃熔窑中,部分设置全氧燃烧系统(浮法玻璃熔窑俗称的“0”号小炉助熔)称之谓全氧助燃。由于燃烧系统的改变,引起玻璃熔窑结构的变革,全氧燃烧窑炉取消了蓄热室、小炉、换火系统,如同单元窑(见图一)。就采用横火焰窑炉的玻璃厂而言,熔化部厂房跨度可缩小2/5,主生产线投资减少30%左右。鉴于采用全氧燃烧的熔窑,无需“传统换火工艺” 使得玻璃熔化更加稳定,近乎达到理想境界。
熔化过程飞料大幅度降低,澄清区气泡释放非常彻底,玻璃熔化质量显著提高。

图二:全氧燃烧的能耗比较
采用空气或全氧作为助燃介质,其传热过程差异很大(见表一)。
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,窑压瞬间波动也是必然的结果。
通常空气助燃,因为小炉结构的需要,必须占据沿池壁长度方向较宽的位置,因此,喷枪的合理布置受到限制。采用全氧燃烧,由于燃烧器不同于小炉,外形结构尺寸相对较小,它可以按照熔化温度曲线合理分布,“燃烧器”或对烧、或交叉燃烧。完全可以按照熔化温度曲线自动控制窑内温度,不致烧坏窑体。就浮法窑而言,一般反而使热点温度下降,原料预熔区温度上升,其结果是预熔区的原料受高温气体传热很快形成薄壳,从而阻止了粉料的飞扬。用于浮法玻璃熔窑的全氧助燃,俗称“0号小炉”,是在“1号小炉”与前脸墙之间两侧胸墙上各安装一支“氧+燃料”燃烧器,用于熔窑的中、后期以及生产特种深色玻璃时投运,以提高预熔区的温度,将泡界线前移,减少飞料,可提高产量约10-15%,并大幅度减少玻璃中的气泡,提高产品质量,以便恢复熔窑前期功能,而无需进行蓄热室热修,节约了人力、物力、热修费用。
二、“全氧 + 燃料”燃烧的技术成果
到本世纪初,全世界已有200多座全氧燃烧窑炉,北美拥有的550座包括小型特种玻璃窑在内, 其中约有140座为全氧燃烧窑炉,欧洲现有的350座窑炉中已有30余座为全氧燃烧窑(不包括玻璃棉及特种玻璃窑),亚洲已有20多座全氧燃烧窑炉。近几年在中国已开始推行全氧燃烧,如玻璃纤维池窑、薄壳、玻锥电子窑及在浮法窑增设“0号小炉”的全氧助燃已相继建成投运,(见图三、图四)。

图三:全氧燃烧窑在北美的分布图

图四:全氧燃烧窑在欧洲的分布图
美国Praxair 、Air Product等公司为了开发气体市场,长期进行全氧燃烧技术的开发研究。十五年来,全氧燃烧技术逐步完善,世界上有燃烧试验装置的公司取得了许多成功经验。诸如:提供包含数学模型等技术软件在内的设计依据资料、全氧燃烧窑炉的结构设计,还包含供氧系统、燃烧器、支撑燃烧器的耐火砖材、燃料(重油、煤焦油、天然气)自供系统、“氧气 + 燃料”的自控系统在内的各项装备以及各种不同类型制氧装备等。
美国Praxair公司在这方面还拥有多项专利,如硅砖高碹结构设计技术、“氧气 + 燃料”的燃烧器专利等。到目前为止,全氧燃烧已经是一项成效显著的成熟的科技成果。
三、全氧燃烧的有关问题
在此仅就玻璃窑全氧燃烧氧气纯度(富氧、全氧)、浮法窑内温度场、窑内气氛、全氧助燃“0号小炉”的氧气用量、高碹等的有关问题进行讨论。
1、氧气纯度:空气中只有21%的氧气,氧气大于21%,如22%就是富氧,所以,通常提到的“富氧燃烧”没有定量,易混淆含义。试验证明,含氧量≥85%作为助燃介质,燃烧效果才显著,一般全氧燃烧含氧量≥91-92%,含氧量< 85%燃烧效果不好,因此将供给一条浮法线锡槽用氮所采用的空分设备产出的含氧尾气,作为助燃介质是不够的,燃烧效果甚微。
2、浮法窑内温度场:由于燃烧器外形结构尺寸相对较小,“氧气

图五
+燃料燃烧器”可以按照熔化温度曲线合理分布,与空气助燃相比,一般浮法窑预熔区温度(投 |