王濤 郭勇 瑞米·奇亞瓦 閻韜 顧玉泉

（1. 杭州三星工藝玻璃有限公司 杭州 311116；2. 河南奧克金泰窯爐技術(shù)有限公司 安陽(yáng) 455000；3. 法國(guó)液化空氣公司 上海 201106）

0 引言

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒、Oxy-Fuel combustion）技術(shù)的燃燒模式為燃料+氧氣，與傳統(tǒng)的空氣助燃技術(shù)相比，助燃介質(zhì)由空氣變?yōu)榱搜鯕猓瑴p少了大約78%的低溫氮?dú)鈳肴紵^(guò)程以及相應(yīng)的高溫?zé)煔庵械獨(dú)鈳С?，這就是全氧燃燒區(qū)別于傳統(tǒng)空氣助燃方式的基本特征之一［1］。

在玻璃行業(yè)，全氧燃燒技術(shù)最早主要被應(yīng)用于玻璃品質(zhì)要求較高、生產(chǎn)難度較大的窯爐，且對(duì)NOX排放等控制較嚴(yán)格的地區(qū)。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展及電力成本的降低以及社會(huì)對(duì)溫室氣體（CO2等）排放的訴求不斷提高，由氧氣、燃料組成的全氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯中成為取代由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒系統(tǒng)的更好的選擇方案，這是因?yàn)槿跞紵诃h(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量和質(zhì)量、減少設(shè)備投資和節(jié)省廠房場(chǎng)地等諸多方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)。在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源和環(huán)境保護(hù)的問題將更加突出，全氧燃燒技術(shù)被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的選項(xiàng)之一。

1 工程實(shí)例

6#窯是杭州三星公司第一個(gè)全氧燃燒窯爐，也是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的全氧燃燒化妝品玻璃窯爐。從空氣助燃蓄熱室窯爐轉(zhuǎn)型到全氧燃燒，對(duì)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)能力提出了更高的要求，對(duì)新事物的認(rèn)識(shí)、特別是全氧燃燒的一些特點(diǎn)通過(guò)實(shí)踐摸索，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其取得了較好的成績(jī)的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些需改進(jìn)的問題。希望在新的一個(gè)窯期的冷修過(guò)程中通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在燃燒技術(shù)及節(jié)能、環(huán)保上取得新的突破。

1.1 現(xiàn)有燒槍特點(diǎn)

（1）二代雙層扁平槍，燃燒穩(wěn)定，可靠性高，技術(shù)成熟。

（2）火焰剛性較強(qiáng)，熱能集中，加熱覆蓋面小，玻璃表面泡沫較厚，熱傳導(dǎo)有改善空間。

（3）動(dòng)能較大，對(duì)玻璃液面、料堆沖擊較大、對(duì)耐火物的沖刷嚴(yán)重。

（4）由于火焰中心溫度較高，初始NOX排放值較高。

1.2 改進(jìn)方向

（1）環(huán)保上NOX排放初值有效降低。減少脫銷的運(yùn)行成本，有利于綠色生產(chǎn)。

（2）火焰更長(zhǎng)、更寬，覆蓋面更大，玻璃液面附近氣體湍流更穩(wěn)定。

（3）火焰更加柔和。減少對(duì)玻璃液的沖擊和對(duì)火焰空間的耐火材料的沖刷侵蝕。

（4）具備一定的消泡功能，降低消泡液的使用量，提高燃燒熱效率。

（5）提高火焰對(duì)玻璃液的綜合傳熱效率，降低單位產(chǎn)品能耗，減少碳排放，更加節(jié)能環(huán)保。

1.3 改善思路

1.3.1 全氧燃燒技術(shù)與燃燒器的選擇

眾所周知，通常高溫燃燒時(shí)助燃空氣、玻璃配方中的硝酸鹽、冷卻風(fēng)中的氮?dú)庠诟邷貭顟B(tài)下會(huì)產(chǎn)生NOX， 即氮氧化物。NOX產(chǎn)生的必要條件是高溫、氧氣和氮?dú)?。以目前的技術(shù)，在高溫燃燒的過(guò)程中決定杜絕NOX的產(chǎn)生幾乎是不可能的，只有通過(guò)各種辦法盡量降低其產(chǎn)生的初始值。

低氮氧化物全氧燃燒技術(shù)，是一項(xiàng)相對(duì)成熟并被廣泛采用的技術(shù)。主要通過(guò)分級(jí)燃燒等具體技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)［2］。如常見的分級(jí)式全氧-燃料燃燒器，采用氧氣分級(jí)將一部分氧氣分流以延遲燃燒過(guò)程，初始的火焰呈現(xiàn)富燃料特性，分級(jí)的氧氣在該富燃料火焰的上部或者下部引入，進(jìn)一步完成整個(gè)燃燒過(guò)程。

法國(guó)液化空氣公司開發(fā)的新型全氧燃燒多分級(jí)（三級(jí)）燃燒器ALGLASS SC_b是一款針對(duì)目前全氧燃燒市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)的新型全氧燃燒器，采用多分級(jí)燃燒技術(shù)，其中三級(jí)氧化劑和二級(jí)氧化劑位于燃料-初級(jí)氧化劑的同一側(cè)（上方），初級(jí)氧化劑最先與燃料接觸并形成穩(wěn)定的火根，二級(jí)與三級(jí)氧化劑的配合使用，使得用戶可以根據(jù)熔制工藝不同的要求，靈活調(diào)整火焰的長(zhǎng)度以及火焰高溫區(qū)域的位置。各級(jí)氧氣與燃料的接觸位置和混合效果的差異，同時(shí)滿足了熔制工藝對(duì)窯爐內(nèi)部不同區(qū)域氧化還原氣氛的要求。

圖1為ALGLASS SC_b系列全氧燃燒器外觀簡(jiǎn)圖。

ALGLASS SC_b全氧燃燒器的結(jié)構(gòu)及原理示意見圖2、圖3［3］。

與ALGLASS SC_b燃燒器相接近的另一款A(yù)LGLASS SC_c系列的全氧燃燒器［4］也是氧氣三級(jí)分級(jí)的燃燒器，不同之處在于該系列燃燒器的初級(jí)氧-燃料層位置位于燃燒器中間層，二級(jí)氧和三級(jí)氧分別位于初級(jí)氧-燃料層的上部和下部。測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)于ALGLASS SC_b系列，該燃燒器更易于產(chǎn)生高溫的火焰，其氮氧化合物初始生成物較多。

1.3.2 ALGLASS SC_b全氧燃燒器主要特性

ALGLASS SC_b全氧燃燒器的多級(jí)氧氣分級(jí)方案，通過(guò)氧氣分級(jí)，結(jié)合噴吹角度、噴嘴截面積等的計(jì)算與設(shè)計(jì)，進(jìn)一步滿足玻璃熔制工藝對(duì)加熱火焰的要求，主要表現(xiàn)在通過(guò)火焰長(zhǎng)度以及火焰覆蓋面積、火焰的剛性、火焰局部氣氛、火焰亮度等與熔制工藝的匹配，實(shí)現(xiàn)降低能耗、減少CO2和NOX排放、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等目的。

通常情況下，各級(jí)氧氣占比分布區(qū)間（體積比），初級(jí)氧（燃料周圍）1%～15%；二級(jí)氧10%～50%；其余分布在三級(jí)氧。也可以根據(jù)具體窯爐運(yùn)行情況適當(dāng)改變。

通過(guò)以上技術(shù)方案以及氧氣/燃料供應(yīng)系統(tǒng)的匹配，實(shí)現(xiàn)火焰柔性適合、對(duì)物料沖擊平緩、火焰覆蓋面積大等低動(dòng)量燃燒的特征。

2 實(shí)施改進(jìn)

生產(chǎn)線基本情況：第一個(gè)窯爐于2018年3月投產(chǎn)，五只燒槍錯(cuò)位對(duì)燒。乳裝瓶晶白料玻璃，對(duì)玻璃質(zhì)量要求較高，氣泡、結(jié)石、條紋的實(shí)際品控水平均遠(yuǎn)高于其他包裝玻瓶。

此項(xiàng)目為新建項(xiàng)目，設(shè)計(jì)9條料道，熔化面積53 m2，設(shè)計(jì)熔化率1.6 t/（m2·d），目標(biāo)出料量為85 t/d。此窯爐最高出料量為102 t/d，長(zhǎng)期穩(wěn)定在83～86 t/d。能耗為原空氣助燃窯爐的69%左右。玻璃質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的空氣助燃的蓄熱室窯爐，且熔化率明顯提高。

存在問題：

①高溫帶、轉(zhuǎn)角磚、流液洞等部位侵蝕嚴(yán)重；

②泡沫層較厚，需要長(zhǎng)期噴射消泡劑；

③玻璃質(zhì)量波動(dòng)，突出表現(xiàn)為微小泡（麻料）受控水平低，是影響玻璃質(zhì)量的主要因素。

為解決上述問題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的溝通、論證，決定采用法液空最新研制的多層低動(dòng)能ALGLASS SC_b系列燃燒器?；緟?shù)確定：功率 2000 kW和500 kW。

新型燒槍的投用：

第二個(gè)窯期于2022年初冷修，在原有的基礎(chǔ)上增大了長(zhǎng)寬比，有利于玻璃的均化和澄清。采用低動(dòng)能燒槍技術(shù)，擬在燃燒、低氮、玻璃質(zhì)量等方面得到改善。

經(jīng)過(guò)各方的努力，該系列低動(dòng)能燒槍于冷修后的全氧燃燒窯爐上如期投入使用，該項(xiàng)目使用2000 kW燒槍3只（使用在窯爐的高溫區(qū)），500 kW燒槍2只（使用在窯爐的加料端和澄清區(qū)，溫度較低的區(qū)域）。經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)試，達(dá)到了原設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 應(yīng)用效果驗(yàn)證

（1）能耗：在出料量76～78 t/d時(shí)，碎玻璃率12%，8個(gè)料道生產(chǎn)時(shí)，平均天然氣能耗較上一窯期平均值有3.5%以上的下降。

（2）玻璃質(zhì)量：麻料的發(fā)生率大大降低。

（3）火焰形狀：火焰覆蓋面積更大，基本可以達(dá)到窯爐寬度的75%～90%。且火焰柔軟，對(duì)窯爐空間耐火物的沖刷及玻璃液面的沖擊更小。通過(guò)調(diào)整分配閥，可有效調(diào)整火焰的長(zhǎng)短。通過(guò)更換不同的噴吹管可有效改善火焰的噴射角度。

（4）泡沫情況：由于改槍有一定的消泡功能，初始泡沫情況有明顯改善，在底部溫度一定時(shí)，火焰空間溫度大幅降低。這有助于節(jié)能和延長(zhǎng)窯爐空間的壽命。鏡面效果見圖4。

（5）NOX：窯爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物（窯爐初始排放值）氮氧化合物下降30%左右。

（6）火焰覆蓋：火焰覆蓋面更大，玻璃液及空間溫度梯度更加平緩，液流更加穩(wěn)定。多層燃燒器燃燒時(shí)的火焰情況見圖5。

4 下一步工作方向

4.1 進(jìn)一步細(xì)化、優(yōu)化ALGLASS SC_b全氧燃燒器的應(yīng)用

根據(jù)實(shí)際使用的效果和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步細(xì)化、優(yōu)化ALGLASS SC_b系列全氧燃燒器在玻璃窯爐的應(yīng)用。目前ALGLASS SC_b系列全氧燃燒器主要規(guī)格見表1。

表1 ALGLASS SC_b系列全氧燃燒器主要規(guī)格

4.2 優(yōu)化在線可調(diào)整能力，使調(diào)整變得更加便捷

噴嘴的清理和更換，可以打開燃燒器上的清灰孔堵閥，便捷實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒器（含燒嘴磚）的清灰維護(hù)。清灰結(jié)構(gòu)示意見圖6。

在燒槍的左右各有一個(gè)外置的氧氣分配調(diào)整旋鈕，可在松動(dòng)備緊螺栓后使用螺絲刀進(jìn)行調(diào)整，方便快捷。

4.3 燃燒器系列產(chǎn)品進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化

由于ALGLASS SC_b系列全氧燃燒槍具有較大的調(diào)節(jié)比（Turn Down Ratio），以ALGLASS SC_b 2000 kW為例，可以適應(yīng)600～3000 kW的燃燒應(yīng)用場(chǎng)景。為了在大幅度調(diào)整燃燒器輸出功率的情況下，保持理想的火焰形態(tài)和燃燒效果，除了對(duì)氧氣分級(jí)比例的調(diào)整外，另一個(gè)主要措施，就是更換不同尺寸的燃料噴嘴。這些不同規(guī)格的燒嘴可應(yīng)用于不同的工況，設(shè)計(jì)開發(fā)者會(huì)提供操作指南供客戶根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

4.4 進(jìn)一步降低氧氣系統(tǒng)壓力

該系列燒槍提供了更大的氧氣通道截面，為降低氧氣系統(tǒng)壓力創(chuàng)造了條件。通過(guò)降低氧氣系統(tǒng)壓力，能有效降低氧站增壓機(jī)的功率，為進(jìn)一步節(jié)能創(chuàng)造條件。

4.5 精細(xì)調(diào)整

在滿足料色的情況下，精細(xì)調(diào)整高溫區(qū)燒槍氧氣分配比例，盡量降低泡沫層，為提高熱效率創(chuàng)造條件。