郭勇 趙偉 李亞霖

（河南奧克金泰窯爐技術(shù)有限公司 安陽 455000）

1 全氧燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)的應用與發(fā)展

全氧燃燒（又稱為純氧燃燒）技術(shù)的燃燒模式為燃料+氧氣，摒棄了空氣助燃技術(shù)中氮氣帶來的能耗過高、NOX污染因素的環(huán)節(jié)。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展及電力成本的降低，由氧氣+燃料組成的純氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯中成為取代由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒方式的更好的選擇方案，這是因為純氧燃燒在環(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量、質(zhì)量、減少設備投資和節(jié)省廠房場地等諸多方面均有得天獨厚的優(yōu)勢。

由于純氧燃燒技術(shù)在玻璃窯爐上應用的優(yōu)勢日益明顯，對純氧燃燒技術(shù)研究和應用已逐步在國內(nèi)展開。2001年起，隨著國內(nèi)第一座CRT全氧燃燒窯爐的誕生，一些有前瞻性的企業(yè)和機構(gòu)看到了未來燃燒技術(shù)的新的發(fā)展方向，開始不斷加大關(guān)注及投入的力度。

在中國，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源和環(huán)境保護的問題愈加突出，綠色經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟、碳中和、碳達峰正在成為經(jīng)濟生活中的一種潮流。工信部早在《平板玻璃工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中就明確提出要大力推廣全氧燃燒技術(shù)的應用?！吨腥A人民共和國國家發(fā)展和改革委員會2019年第29號令》中明確鼓勵節(jié)能環(huán)保型窯爐（含全氧燃燒技術(shù)）的推廣和使用。從2001年到現(xiàn)在的20多年的時間里，全氧燃燒技術(shù)在眾多高溫燃燒領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。在玻璃行業(yè)，無論是日用玻璃還是特種玻璃領(lǐng)域，均得到完美的應用。

2 全氧燃燒玻璃窯爐特點

首先，全氧燃燒玻璃窯爐相比傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐，沒有了體積巨大、耐材用量超多的蓄熱室，取而代之的是結(jié)構(gòu)更加簡單的煙道。

其次，大碹部分的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)空氣助燃窯爐的大碹以硅磚為最多，多以咬碴砌筑為主，硅磚厚度300～500 mm為多，泥縫在1～2 mm。全氧燃燒窯爐則多以電熔磚作為大碹的主要材料，材料以電熔AZS、a-b、b為多，采用預組裝模式，單環(huán)不咬碴，干砌無泥縫。

由于多數(shù)的日用玻璃均屬有堿組分，而全氧燃燒窯爐的燃燒尾氣中的水蒸氣濃度是普通空氣助燃窯爐的7～8倍以上，火焰空間和煙道部位極易形成堿性氣氛和堿液，對傳統(tǒng)的硅磚等酸性材料的侵蝕更加厲害。所以火焰空間的耐火材料多選用中性或堿性的材料，如：熔鑄AZS、a-b、b、燒結(jié)AZS、鋯莫來石、剛玉莫來石、鉻剛玉等。砌筑方式以干砌和傳統(tǒng)砌筑相結(jié)合，這對膨脹量設計、砌筑的把控上提出了新的要求。

3 全氧燃燒的常見問題

作為近年來一項新興的技術(shù)，目前國內(nèi)完全掌握全氧燃燒窯爐的設計、耐材選擇、預組裝、窯爐砌筑、烤窯裝料、熱保的技術(shù)團隊還是比較少的，國內(nèi)相關(guān)標準也處于擬定起草的階段。近年來各地運行的全氧燃燒窯爐也出了一些事故，走了一些彎路。

目前全氧燃燒玻璃窯爐出現(xiàn)的主要問題有：

①玻璃質(zhì)量不能滿足設計要求；

②能耗水平不能達到設計指標；

③窯爐壽命短，不能達到經(jīng)濟型目標；

④環(huán)保方面，個別項目NOX達標困難；

⑤生產(chǎn)安全方面，有發(fā)生爆炸事件、回火燃燒到閥組等現(xiàn)象；

⑥窯爐安全方面：大碹垮塌；池壁、流液洞、加料口漏料；胸墻燒穿；池底漏料。

在窯爐的施工方面，僅對大碹等差異部位的施工做出闡述。

相比傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐，全氧燃燒窯爐的大碹為干砌、無泥縫，不咬碴結(jié)構(gòu)，所以一旦出現(xiàn)問題，對窯爐來講就是致命的。從對窯爐安全性的排名看，出現(xiàn)問題的嚴重性排名依次為：

①大碹垮塌、池底漏料；

②池壁、流液洞、加料口、工作池或分配料道漏料；

③山墻、胸墻、煙道、掛鉤穿火；

④料道、供料機侵蝕、漏料。

在大碹的處理上，干砌的大碹在磚材和鋼結(jié)構(gòu)上的特殊性決定其任何部位出現(xiàn)問題幾乎不可修補。所以全氧燃燒窯爐大碹的砌筑顯得更加關(guān)鍵，應重點關(guān)注。

4 全氧燃燒窯爐關(guān)鍵部位的施工

4.1 鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝

全氧燃燒窯爐的鋼結(jié)構(gòu)主要作用是支持和固定耐火材料，與傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐沒有本質(zhì)的區(qū)別。只是在大碹碹腳的安裝、調(diào)整上由于其大尺寸單環(huán)碹不咬碴砌筑的特點，通常有單獨調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，窯爐的其它部分的鋼結(jié)構(gòu)處理方法上基本相同。

雖然熔鑄材料的體積密度較大，但大碹的設計上厚度相比硅磚更薄，同時大碹的跨度要小一些，所以同等規(guī)模的窯爐大碹的總體重量上全氧燃燒窯爐和傳統(tǒng)空氣助燃窯爐相差不多，這也決定了立柱、后座樑的選材上不用特別的加大設計。

由于多數(shù)的全氧燃燒窯爐的胸墻和大碹是獨立的結(jié)構(gòu)，且立柱間距不是很大，所以胸墻托板及下巴掌鐵相比傳統(tǒng)空氣助燃窯爐也沒有增大。

由于鋼結(jié)構(gòu)選型問題或烤窯過程中鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整問題造成的立柱變形、頂絲彎曲等問題，與傳統(tǒng)窯爐的處理方法沒有區(qū)別。

4.2 大碹的砌筑

由于全氧燃燒玻璃窯爐的大碹多采用熔鑄材料、干砌的原因，其在砌筑時與現(xiàn)有硅磚大碹的帶泥砌筑有較大的區(qū)別。電熔材料大碹的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電熔材料大碹的典型結(jié)構(gòu)

為保證每環(huán)之間的一致性（弧度、拱高、跨度），要求耐材生產(chǎn)廠家必須在工廠內(nèi)進行預組裝，在預組裝時對發(fā)現(xiàn)的問題進行必要的修整。達到設計要求后，在磚材的指定位置噴涂合縫標記，并做大碹組裝的數(shù)據(jù)記錄。

預組裝的工作非常重要，一般由經(jīng)驗豐富的組裝工完成。組裝時應使用專用工具，避免在組裝過程中磚材的磕碰。

預組裝在組裝平臺上完成。組裝平臺需具有平臺、夾緊裝置、支撐裝置、組裝碹胎等。

組裝用碹胎是耐材廠家預組裝使用的重要工具，也是工程施工時大碹砌筑的重要工具。一般組裝和砌筑使用一套相同的碹胎，避免因碹胎不同造成的砌筑吻合性不好。常見的碹胎有鋼碹胎、木碹胎和土石碹胎。無論哪一種碹胎均應保證其可靠性、穩(wěn)定性。

施工人員在大碹砌筑時，應根據(jù)耐材廠家提供的預組裝數(shù)據(jù)進行砌筑。保證砌筑質(zhì)量的第一步是碹胎安裝，保證橫平豎直。安裝每一環(huán)最后一塊鎖磚時，要保證每一環(huán)的間隙相同，一致的落高尺寸（大碹砌筑時，撤出碹胎后大碹拱高的下落高度）才能保證拱高的一致性。圖2為大碹砌筑時對重要尺寸的要求說明。

高校的大型儀器設備應用廣泛，國有資產(chǎn)管理部門在做好基本管理的同時，還應該加強學校內(nèi)部各個部門之間，各個高校之間的大型儀器設備的共享機制。國內(nèi)已有部分高校推行了大型儀器設備共享試點，在滿足本校教學科研任務的同時，也對校外開放，提高大型儀器設備的利用率，實現(xiàn)資源共享，達到了“以機養(yǎng)機”的效果。

圖2 大碹砌筑時對重要尺寸的要求說明

5 全氧燃燒窯爐的烤窯

目前的全氧燃燒窯爐多以熱風烤窯為主。個別也有直接使用全氧燃燒器升溫的，這種情況多為小規(guī)模窯爐，不具有普遍性。熱風烤窯也被稱之為快速烤窯，使用專用的烤窯器，將經(jīng)過火焰加熱的過量助燃風吹入窯爐。這種技術(shù)上世紀60年代在美國興起，我國在80年代中后期引入該技術(shù)，并在很短的時間內(nèi)獲得了廣泛的推廣應用。

熱風烤窯主要設備：烤窯器多把；配套風機；控制柜；燃燒器槍前組件（穩(wěn)壓閥、球閥、調(diào)整用針閥、逆止閥、流量計）；配套熱電偶、導線；便攜式窯壓測量儀；手持紅外線測溫儀（高低溫各一臺）；水銀溫度計?？靖G工具：調(diào)整頂絲、拉條扳手（或管鉗）；加力桿；木槌；潤滑油；手電；記號筆；標尺；鐵絲、鐵鏈；高溫毯；焊機；氣割；鐵鉤。熱風烤窯布置示意見圖3。

與傳統(tǒng)的烤窯方式相比，熱風烤窯技術(shù)有以下特點：

①烤窯溫度均勻，各部位膨脹均勻；②升溫快，節(jié)省時間和燃料；③升溫速度控制精準，可達到±2.5 ℃；④烤窯設備可重復利用；⑤過大火穩(wěn)定；⑥正壓烤窯，避免冷空氣進入導致磚材炸裂；⑦窯爐安全有保障；⑧更容易實現(xiàn)自動化。

5.1 鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整

有別于傳統(tǒng)窯爐，鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要集中在大碹的鋼結(jié)構(gòu)部分，大碹的調(diào)整有拉條松緊及頂絲調(diào)整兩種方式，這主要取決于窯爐設計方根據(jù)窯爐跨度大小和材料的選擇所采取的立柱緊固方式。

鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整要嚴格執(zhí)行烤窯計劃，根據(jù)不同部位、不同耐材的特性結(jié)合升溫曲線進行調(diào)整。原則上保證勤調(diào)、少調(diào)。結(jié)合烤窯工對拉條和頂絲松緊的手感經(jīng)驗，保證鋼結(jié)構(gòu)的松緊程度與耐材膨脹幅度的匹配。

大碹的鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整，要結(jié)合拱高數(shù)據(jù)和大碹上部開裂程度進行調(diào)整，保證最終大碹磚為略微上開口，開口寬度最好控制在0～3 mm。注意烤窯升溫時碹磚下開口會導致大碹的受力點集中在上部，極容易造成大碹垮塌。圖4為兩種常見的大碹支撐用鋼結(jié)構(gòu)示意。

圖4 兩種常見的大碹支撐用鋼結(jié)構(gòu)

大碹的調(diào)整以大碹拱起量和上開口數(shù)據(jù)綜合評判，以烤窯結(jié)束后鋼結(jié)構(gòu)定型時的大碹上部開口量作為評判標準。

5.2 溫度制度的確立

根據(jù)耐火材料的選擇，制定升溫曲線。需要注意的幾個節(jié)點：排除水分階段、過大火階段、耐材收縮及鋼結(jié)構(gòu)定型階段等。

窯爐內(nèi)部的水的來源主要有以下幾個方面：電熔磚加工時的冷卻水；窯爐砌筑時泥料中的水；搗打料、澆注料中的水；天氣潮濕，耐火材料吸收的潮氣。

不同的窯爐，因所處的地理位置不同、砌筑的時間不同、砌筑完成與烤窯間隔不同、在排水階段的表現(xiàn)不同，需要現(xiàn)場工作人員密切關(guān)注，甚至有項目在300 ℃時出現(xiàn)大量排水的情況，出現(xiàn)這種情況應及時對烤窯計劃做出相應的調(diào)整。

（2）1000 ℃（±50 ℃）為常規(guī)過大火階段（也有稱之為過本火）。是將熱風烤窯器加熱升溫切換到全氧燃燒器加熱升溫的過程，一般會考慮4 h的切換時間。切換時，應注意煙氣量大幅下降后窯內(nèi)氣氛的變化，操作人員應密切監(jiān)視窯壓的變化并及時調(diào)整。切換本火后，由于全氧燃燒燒槍的排布問題，多只燒槍的情況下盡量考慮窯爐溫度的均衡，避免局部溫度過高或過低，影響窯爐的整體膨脹。

（3）1300～1350 ℃為鋼結(jié)構(gòu)定型、鋯質(zhì)密封料燒結(jié)階段（部分熔鑄材料在此期間有一個明顯的收縮階段，鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整時必須密切關(guān)注）。一般計劃保溫8 h。鋼結(jié)構(gòu)在此之后基本定型，除個別部位外鋼結(jié)構(gòu)不再做出調(diào)整。

（4）1350～1600 ℃為投料階段（根據(jù)不同的產(chǎn)品決定）。前期采用碎玻璃投料，有人工推料和吹料模式。當液位升至距生產(chǎn)液位300 mm時，可切換加料機加料并考慮由全碎玻璃改為碎玻璃加粉料的配合料模式，以便盡早正常生產(chǎn)。

（5）部分窯爐投產(chǎn)前會安排一定時間的悶料，通常在8 h左右。也有部分廠家不經(jīng)過悶料階段直接出料生產(chǎn)。

5.3 升溫速度

升溫速度的制定需要考慮窯爐主要材料的膨脹特性。在關(guān)鍵點要保證升溫的穩(wěn)定，并且給鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整留出充足的時間。

烤窯時，現(xiàn)場的工程師要根據(jù)具體情況，及時調(diào)整烤窯進度。

5.4 異常情況的對策

2011年某個項目，由于熱電偶分度連接錯誤，造成窯爐顯示溫度與實際溫度發(fā)生較大偏差，直接表現(xiàn)為多數(shù)拉條鎖死無法松動，大碹持續(xù)上漲。這時采取的措施是，停止升溫保溫36 h，加強裸露耐火材料的保溫，待溫度一致后繼續(xù)升溫。

2021年，某工廠使用小廠生產(chǎn)的電熔材料，由于其質(zhì)量不過關(guān)，大碹在膨脹時與理論曲線相差很大。最后在現(xiàn)場工程師的精密監(jiān)控指導下，多次調(diào)整升溫計劃，最后基本達成烤窯目標。

2018年某項目，由于工廠地處南方，且窯爐砌筑結(jié)束后直接烤窯，高于200 ℃時窯爐底部排水量很大。通過保溫延長排水時間后解決。

6 全氧燃燒窯爐的熱保

6.1 全氧燃燒窯爐熱保特點

（1）膨脹縫的處理

全氧燃燒窯爐的燒結(jié)材料和保溫材料的處理與傳統(tǒng)窯爐基本相同。本文主要特指熔鑄材料的膨脹縫的處理。

不同的設計單位在設計熔鑄材料的結(jié)構(gòu)時均應充分考慮材料的膨脹特點，在設計時預留合適的余量。余量太大，烤窯結(jié)束時不容易漲死，處理起來比較困難，窯爐長時間運行時容易在此處穿火；預留膨脹量太小，烤窯時容易漲死，嚴重的可能會拱起，甚至引起磚材損壞，后期熱處理會更加困難。

作為施工單位，為處理好膨脹縫，應在材料的選擇、施工順序、處理的節(jié)點上予以重點關(guān)注。

（2）保溫涂料

作為窯爐保溫的最后一道屏障，保溫涂料的應用具有非常重要的作用。保溫涂料運用得當，對窯爐的節(jié)能有非常明顯的作用。

目前市場上的保溫涂料由于過度競爭，質(zhì)量和價格參差不齊。

保溫涂料施工時應在窯爐加料完成后進行，此時窯爐鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成定型，不再有較大的變化，保溫涂料施工后會相對穩(wěn)定，可以達到預期的目的。

施工關(guān)注點：除了大面積的覆蓋外，側(cè)面咬碴處的覆蓋同樣重要；立面施工時，應多次涂抹；施工厚度，根據(jù)設計方要求及保溫涂料的品質(zhì)，一般在30～150 mm。

6.2 后期運維

由于全氧燃燒窯爐的煙氣中的水蒸氣濃度相比傳統(tǒng)的空氣助燃的窯爐要高很多，所以玻璃表面的黏度相對會更小。加之為提高熔化率，局部溫度偏高。窯爐在后期的運維過程中特別需要關(guān)注池壁磚磚縫的滲玻璃現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題要及早解決，避免發(fā)生事故。

7 展望

對于全氧燃燒窯爐來講，由于火焰空間多采用熔鑄耐火材料干砌。所以其在烤窯時對膨脹縫的處理、鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整上提出了更高的要求。雖然熱風烤窯在使用大風量助燃時，窯爐內(nèi)部的溫度會相對均衡。但是，隨著特種玻璃窯爐的不斷發(fā)展，其對窯爐砌筑、烤窯技術(shù)提出了更高的要求。

7.1 烤窯技術(shù)的進步

（1）布置更多的烤窯器

根據(jù)窯爐的結(jié)構(gòu)，為獲得更加均衡的溫度，通常會在窯爐的更多部位安裝更多的烤窯器，結(jié)合測溫點的信息對烤窯器做單獨調(diào)整，以期獲得更均勻的升溫數(shù)據(jù)。

（2）自動控制系統(tǒng)

新型的烤窯系統(tǒng)，采用了更多的檢測點（包括更密集的熱電偶、窯壓、光學高溫計），來保證檢測數(shù)據(jù)的準確。

自動控制系統(tǒng)會根據(jù)系統(tǒng)收集到的窯爐各部位數(shù)據(jù)，對不同位置的烤窯器的燃料用量及風機鼓風量進行自動調(diào)節(jié)。當目標溫度超出設定的升溫計劃時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，現(xiàn)場人員進行人為干預。

7.2 新技術(shù)的應用

（1）電極涂層的應用

原有的鉬電極通常是在玻璃液位到達預定位置后才開始將電極推送到位。但是作為板狀電極、蘑菇頭電極是必須預裝在窯爐或料道內(nèi)部的，以前的做法是玻璃纖維布加水玻璃覆蓋，但是這樣有一定的風險。也有項目是在烤窯前即將碎玻璃裝滿窯爐，這樣的好處是可以完美地保護電極不受氧化，缺點是烤窯時間偏長，成本無法有效控制。

在高溫涂層技術(shù)到來時，這些問題均迎刃而解。目前國內(nèi)已有不少企業(yè)掌握了電極的高溫涂層技術(shù)，為特種玻璃窯爐的發(fā)展提供了更多的選擇。

（2）耐火材料內(nèi)部涂層的應用

窯爐內(nèi)部涂層技術(shù)是近年來發(fā)展起來的，主要是采用納米分子材料對窯爐內(nèi)部（主要是窯爐火焰空間耐材）進行噴涂，起到增大熱反射能力、增加耐火材料表面致密度、降低侵蝕速度、延長窯爐壽命的作用。

目前已知有硅質(zhì)、剛玉質(zhì)、鋯剛玉質(zhì)、鋁硅質(zhì)的噴涂材料用于生產(chǎn)實踐中。

歷史在發(fā)展，技術(shù)在進步。隨著越來越多的有識之士投入全氧燃燒技術(shù)領(lǐng)域，全氧燃燒窯爐在玻璃行業(yè)一定會得到更快發(fā)展，也會催生更多先進技術(shù)和裝備的應用。更低的能耗、更低的排放、更好的產(chǎn)品質(zhì)量、更好的經(jīng)濟效益、更長的窯爐壽命、更合理的建造和運營費用，是行業(yè)不斷追求的目標。