黃俏 趙恩錄 馮建業(yè)

（1. 秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066004；2. 河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066004）

0 引言

在日趨強(qiáng)化的資源環(huán)境約束及激烈的市場競爭形勢下，國內(nèi)玻璃企業(yè)迫切需要進(jìn)行不斷的升級改善，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝需要與國際逐漸接軌。目前，大多玻璃企業(yè)窯爐氮氧化物的原始排放指標(biāo)與國際水平相差還是較大的（發(fā)達(dá)國家的氮氧化物排放值為700～1 000 Nm3，國內(nèi)2 300～3 000 Nm3），為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，玻璃生產(chǎn)企業(yè)一般采取末端治理技術(shù)來減少其排放，然而末端治理設(shè)備投資及運行成本高，對企業(yè)來說是一個較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，長期運行會嚴(yán)重影響企業(yè)市場競爭力。

因此，在生產(chǎn)過程中減少氮氧化物的生成（過程減排），形成能夠經(jīng)濟(jì)運行，治理效果長期穩(wěn)定的氮氧化物排放控制技術(shù)是我國玻璃行業(yè)玻璃窯爐節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的趨勢。過程減排的關(guān)鍵是整體有效的NOx燃燒系統(tǒng)設(shè)計及配套技術(shù)方案。

1 燃燒系統(tǒng)設(shè)計

燃燒系統(tǒng)除主要包括低NOx燃燒器、燃燒控制閥組及電氣控制系統(tǒng)。

1.1 燃燒器的選用

玻璃熔窯用天然氣燃燒器是為玻璃原料熔化提供必要的、充分的熱量的裝備。燃燒器形成的火焰形狀、質(zhì)量直接影響玻璃窯爐單位能耗、熔化率、玻璃質(zhì)量、煙氣中NOx生成量等。因此，燃燒器的設(shè)計與選用是過程減排的關(guān)鍵影響因素之一。

玻璃窯爐90%的傳熱是靠燃燒輻射傳熱，為獲得較理想的傳熱效率，燃燒器在一定范圍內(nèi)需要亮度好、盡可能全面覆蓋玻璃液面的輻射性火焰，因此火焰的長度及寬度對整個玻璃窯爐的熱交換過程有很大的影響。同時火焰的長度和寬度表現(xiàn)了燃料燃燒時間的長短及燃燒完全的程度，這就決定了火焰空間是否局部溫度過高及是否存在過剩的空氣（燃燒過程中NOx的產(chǎn)生主要來自于以上兩點因素）。因此，燃燒器在特定的上傾角度下，火焰長度和寬度是決定NOx生成量的最關(guān)鍵因素，基于上述原因，高效的低NOx燃燒器應(yīng)設(shè)計為能自由調(diào)節(jié)火焰長度、寬度。

另外，天然氣燃燒器盡量不要有壓縮空氣引射氣，因為在壓縮空氣進(jìn)行引射的過程中會帶入過量冷空氣，一是窯內(nèi)吹入大量冷風(fēng)，會影響熔窯熱效率；二是會造成局部高溫，導(dǎo)致NOx生成量增多。

我司設(shè)計的新型低NOx燃燒器，可根據(jù)實際生產(chǎn)需求通過調(diào)整適宜的燃燒器上傾角度和燃料流量實現(xiàn)對火焰形狀的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，無需引射氣，如圖1所示。

該天然氣燃燒器是一種雙火焰節(jié)能燃燒器，其技術(shù)原理、特點及適用性為：

1.1.1 ①技術(shù)原理

玻璃窯爐煙氣中NOx主 要為熱力型NOx，由空氣中的氮氣和燃燒過程中多余的氧氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)形成。

反應(yīng)原理為：N2+ O2→ NO+NO2（反應(yīng)條件高于1 000 ℃，NO與NO2統(tǒng)稱為NOx）。

空氣助燃條件下燃燒過程中NOx生成量的主要影響因素為：一是窯爐內(nèi)的溫度，溫度越高，熱力型NOx所占比例越大；二是有多余的助燃介質(zhì)，過?？諝庀禂?shù)a偏大，一般合理的a數(shù)值為1.05～1.1，熱力型NOx會比較少。

使燃料在同一窯爐中在相對分散的溫度制度下進(jìn)行燃燒反應(yīng)，形成分階段燃燒，第一階段為貧氧（富燃料）燃燒，由于缺少助燃介質(zhì)產(chǎn)生NOx的量較少；第二階段，燃料在后期離開窯爐前繼續(xù)與空氣反應(yīng)形成完全燃燒，由于溫度相對低不易形成熱力型NOx，且還能減少過剩空氣系數(shù)，此技術(shù)為“玻璃熔窯低氮排放分階段燃燒技術(shù)”。

1.1.2 特點及適用性

依據(jù)上述技術(shù)原理，該天然氣燃燒器進(jìn)行了特殊噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時通過調(diào)節(jié)燃燒器體內(nèi)外腔燃?xì)獾牧魍ń孛娣e，使內(nèi)外噴嘴氣體流量與噴出的速度隨之不同，火焰長度長短可根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)，形成燃料的分階段燃燒過程，避免局部高溫的同時可降低過?？諝庀禂?shù)，達(dá)到燃料在低NOx排放下充分燃燒的目的，并且在確保大碹和胸墻不被火焰沖刷的前提下能夠改善熔化狀況，降低能耗。該燃燒器適用于各種類型燒天然氣的玻璃熔窯。

1.2 燃燒控制閥組

燃燒控制閥組需要設(shè)置必要的天然氣壓力檢測控制單元、天然氣流量檢測控制單元、天然氣換向控制單元等以滿足生產(chǎn)工藝要求。同時還應(yīng)考慮：一是對每支燃燒器都可以單獨控制，而不是每側(cè)進(jìn)行控制，這樣可以精準(zhǔn)控制每支燃燒器的流量，使火焰達(dá)到理想燃燒狀態(tài)，從而減少NOx的產(chǎn)生，節(jié)約能耗；二是燃?xì)獾牧髁亢椭硷L(fēng)的流量要轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，做比較精確的測量，為化學(xué)計量式燃燒做準(zhǔn)備。

1.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)需保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，充分滿足系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲及通信需要?？刂品绞奖M量簡便靈活，并可根據(jù)系統(tǒng)大小按需進(jìn)行擴(kuò)展。天然氣流量控制應(yīng)備有手動操作器，以便系統(tǒng)手動調(diào)試或緊急狀態(tài)下能手動控制窯爐。天然氣燃燒換向的可靠性是確保生產(chǎn)安全的首要任務(wù)，在確保換向過程安全的前提下，應(yīng)特別對換向時天然氣的關(guān)斷、開通采取特殊柔性控制（緩關(guān)、緩開），避免天然氣關(guān)斷或開通時氣體壓力的急劇變化造成危險。

2 玻璃窯爐配套優(yōu)化設(shè)計

為實現(xiàn)玻璃窯爐生產(chǎn)過程中減少NOx排放、節(jié)約能耗、作業(yè)穩(wěn)定等目標(biāo)，在選用性能優(yōu)異的低NOx燃燒器、進(jìn)行燃燒系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)的同時，還需結(jié)合必要的熔窯優(yōu)化設(shè)計。

①優(yōu)化熔窯小爐結(jié)構(gòu)。小爐是玻璃窯爐的關(guān)鍵部位，小爐結(jié)構(gòu)對燃料燃燒和火焰形狀有重要的影響。合理的設(shè)計有利于避免火焰沖刷胸墻和大碹，促進(jìn)燃料的完全燃燒，減少NOx的生成。除每側(cè)小爐配備高效節(jié)能低NOx燃燒器以外，助燃空氣從小爐口噴出的速度、厚度與燃燒器的交角都直接影響火焰形狀、燃料完全燃燒程度、熱輻射范圍等，這些因素都會對NOx生成量產(chǎn)生影響。

因此，在使用新型低NOx燃燒器的同時，小爐結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要著重注意以下幾個參數(shù)的設(shè)定：適當(dāng)加大小爐噴火口高度，與原有窯爐的噴火口和胸墻高度相比，火焰空間提高約1.5倍；控制助燃空氣從小爐噴火口進(jìn)入窯爐的流速，從原來的約20 m/s降低到小于10 m/s，從而避免燃料與空氣混合燃燒時過于劇烈，產(chǎn)生的NOx量會明顯減少；同時，助燃風(fēng)流量與燃料流量采取串級比例或比值調(diào)節(jié)，實現(xiàn)燃料的完全燃燒和煙氣的低NOx生成。

②合理設(shè)計熔化池的長寬比。對蓄熱室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使窯爐蓄熔比大于60∶1，以充分利用煙氣熱量；對格子體的類型也應(yīng)做相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計。

③加強(qiáng)窯爐密封，減少過?？諝獾慕槿?，以減少NOx的生成量。在最容易吸入外界空氣的部位，如：加料口、噴嘴磚、觀察孔等位置，采用全密封措施，防止冷空氣滲入，有利于減少NOx的生成、降低能耗。

④熔窯采用全保溫結(jié)構(gòu)，有利于降低能耗，延長窯爐使用壽命，提高玻璃液質(zhì)量。

3 結(jié)語

采用新型玻璃窯爐低NOx燃燒系統(tǒng)設(shè)計及配套方案，可在生產(chǎn)過程中減少NOx的生成，從而緩解玻璃企業(yè)的減排壓力及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，是目前降低NOx排放的較好手段。同時，也為提高企業(yè)的市場競爭力提供了重要保證。