全氧燃烧技术助力玻璃行业碳减排- 大数跨境

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全氧燃烧技术助力玻璃行业碳减排

中科富海

2021-08-03

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玻璃产品及其深加工制品广泛应用于地产建筑、汽车、消费电子、太阳能光伏等领域。玻璃行业是典型的高耗能、高碳排放行业。在当今双碳目标背景下，玻璃行业的发展面临着严峻的挑战。国家统计局数据显示，2019年我国平板玻璃产量94461.22万重量箱，同比增长0.53%，二氧化碳排放总量约为3395.05万tCO2e，同比增加0.1%,，单位产品二氧化碳排放强度同比减少0.42%。可知，我国玻璃行业碳排放总量处于增长态势，而单位产品碳排放强度则处于下降态势。我国玻璃行业节能减排工作取得重大成效，但其成效尚未抵消产量带来的碳排放绝对值的增长。

玻璃生产工艺流程中从原料的加工处理、熔化、澄清、成型、退火、切裁到成品的包装、运输，每一步都会产生碳排放。其中熔窑部分占玻璃行业总碳排放量的80%以上，是重点碳排放环节，因此玻璃炉窑升级改造是促进玻璃行业温室气体减排的主要途径之一。传统的玻璃熔窑采用空气作为助燃气体，污染高、能耗高而逐渐被蓄热式玻璃窑取代，如果说蓄热室或换热器回收烟气余热预热助燃空气的技术，被誉为玻璃窑炉的第一次技术革命，那么全氧燃烧技术的发展则是玻璃融化技术的第二次革命。

一、发展历程

20世纪40年代开始在玻璃窑炉燃烧系统中增加助燃空气中的氧气含量，包括富氧燃烧、加氧气烧嘴和安装辅助全氧燃烧器，提高玻璃融化效率，从而提升产量。助燃空气中只有21%O2参与反应，而78%的氮气不参与燃烧，还带走大量热量，并产生热力型NOx污染环境。随着生产成本的上升，使得生产企业努力设法在燃烧领域减少或不用无效加热氮气，全氧燃烧技术就应运而生。

全氧燃烧技术于1983年最早成功开发，并建成第一座天然气全氧燃烧玻璃池窑，在此之后一些小型的特种玻璃窑也开始采用全氧燃烧技术。到90年代，欧美国家开始广泛地研究与应用玻璃熔窑全氧燃烧技术，并开始将全氧燃烧技术应用于一些大型的工业玻璃熔窑，全氧燃烧技术己经各大公司得到充分的利用。到21世纪初，北美全氧燃烧窑己经占到北美玻璃熔窑总数的25%，大型浮法玻璃窑也采用全氧燃烧技术。

二、全氧燃烧技术的优势

据长期以来与空气助燃对比发现，全氧燃烧在玻璃窑炉应用主要有以下几点优势。

1、提高燃烧效率，节省燃料

普通空气助燃和全氧助燃燃烧在传热过程中，存在较大差异，全氧燃烧在热辐射传热、窑内停留时间、燃烧效率、烟气量以及热量损失方面都全面优于普通空气燃烧。众多应用实例表明，可减少燃料消耗20%左右。

2、提升玻璃的产量和质量

采用全氧燃烧时，燃料燃烧完全，火焰温度高，产物主要为 CO2和H2O，比空气助燃黑度大，辐射能力强，实际应用表明，火焰辐射温度可提高100 ℃左右，配合料熔融速度加快，可提高熔化率 10%以上。水蒸汽的含量增加以及全氧燃烧时玻璃液表面温度提高，使得玻璃液黏度降低、流速增大，这也有利于提高熔窑的产量。全氧燃烧时，由于实际燃烧温度远大于1600 ℃，也不需要换火过程，因此，熔窑内火焰和窑压更加稳定，并且传热的效率和温度均匀性得到改善，有利于玻璃的熔化、澄清，减少玻璃的气泡及条纹。

3、减少污染物排放

全氧燃烧所需助燃空气量少，约为空气助燃量的三分之一，烟气排放量不到空气助燃的40%，相应被带走热量也下降，因此窑炉散热也降低。助燃空气中氮气量在5-10%，因而在高温下产生的热力型NOx更少，与空气助燃相比，全氧燃烧使每吨玻璃NOx的排放由2.7-4.5 kg 减少到 0.25-0.7 kg，减少70%以上，SO2排放降低40%，烟尘排放量降低70%。

4、降低建造成本，改善操作环境

全氧燃烧窑结构近似于单元窑，没有金属换热器、小炉及蓄热室。整个窑体呈一个熔化部单体结构加上制氧设备成本占地小，建窑投资费用低。全氧燃烧可节省建窑投资40%以上，初期投资也会降低。由于窑体结构简单，避免蓄热室堵塞、漏火的维修和清渣的酷热恶劣的操作环境，维修量减少。

5、延长窑炉寿命

全氧燃烧采用全氧喷枪燃烧可使火焰分为两个区域，在火焰下部由于全氧的喷入，克服了缺氧现象，火焰下部温度要高于火焰上部的温度，而熔窑碹顶温度相对要低20-50℃，从而减轻了对大碹的浸蚀和烧损。同时取消了限制窑龄的热回收系统，窑体火焰空间选用优质耐火材料砌筑，从而可延长熔窑使用寿命。实践表明，采用全氧燃烧熔窑的窑龄可达到8年以上。

三、全氧燃烧技术需要注意的问题

全氧燃烧优点众多，但应用同时也会存在不少缺点，若这些缺点不引起生产厂家的重视也会影响生产线的正常运行。

1、全氧燃烧易在窑内玻璃液表面形成泡沫层，减少火焰对玻璃液面的传热，影响玻璃液澄清质量。由于全氧燃烧有别于空气助燃窑炉，其燃烧后的尾气中水蒸汽浓度会达到50-60%。在玻璃熔化和均化过程中，水汽会与玻璃液发生较为复杂的反应，解聚硅氧四面体，引起Si－O－Si键的断裂，形成Si－OH键，玻璃表面富集的Si—OH能牢固的吸附H2O、O2、SO2、CO2等气体。大量气泡都被阻挡在玻璃表面的异质层，形成泡沫层。直接影响到火焰辐射热对玻璃液的传导，同时易形成玻璃下表面微气泡和锡缺陷。消除玻璃液表面泡沫到达适合的厚度，主要有以下几种方法：

（1）泡沫中的主要气体为SO2，降低配合料中S含量成为消泡的要点。原料配方中减少芒硝的用量，另外应严控其他原料中S的含量；

（2）调节火焰空间气氛，把残氧量有效控制，以达到的氧化性气氛的降低。另外，为了继续减少泡沫，还可以把池窑澄清均化区域的氧枪火焰调节至弱还原性；

（3）消泡液以雾状喷入至窑炉内，通过正钛酸丁酯与表面泡沫的化学反应作用，减小异质玻璃液膜表面张力，破坏硅羟基团，刺破气泡，消除玻璃液表层的泡沫。

2、全氧燃烧改造后，炉内烟气水分含量高，有时可高达50%，烟气降温后容易形成结露产生硫酸或氢氟酸，浓度变高时会快腐蚀相关的设备和管道，处理措施有：

（1）控制烟气温度在露点温度以上；

（2）一般新建窑炉不提倡采用余热炉进行全氧燃烧废气余热的利用；

（3）废气设备或管道建议使用有较强耐腐蚀性的材料，如玻璃钢、不锈钢316L等。

3、全氧燃烧窑内气氛容易在玻璃熔体表面发生碱(NaOH)的挥发反应，碱蒸气(NaOH)浓度增加数倍，造成对耐火材料侵蚀加剧；并且火焰温度高对耐火材料的要求也高，需采用高质量耐火材料。

全氧燃烧工艺原理和产物与空气助燃系统存在显著的区别，全氧技术能够有效减少化石燃料减少使用，生成NOx比例显著降低，温室气体排放有效降低；同时玻璃熔化率和玻璃质量也会提高，全氧燃烧无论是在节能减排上或是在产品质量上都较之空气助燃有着显著的优势。全氧燃烧技术能够助力玻璃行业早日实现碳达峰和碳中和。

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