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玻璃工業(yè)是能耗大戶，我國目前有玻璃窯爐數(shù)千座，熱效率及熱能利用率比較低，而且產(chǎn)品單耗大;成本高，也可以說，玻璃市場的競爭大多取決于能源。因此，節(jié)能已成為窯爐改造的中心任務(wù)，并已列入“十一五”國家節(jié)能環(huán)保的重點工程。
回顧我國玻璃工業(yè)的發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)，富氧助燃技術(shù)早在20世紀(jì)50年代初就有人提出過，但鑒于當(dāng)時制氧技術(shù)本身要消耗大量的電能，因此，這種技術(shù)與電助熔相比就有“多此一舉”之嫌。所以，在沒有完全解決氧源問題前，用“電能-制氧-富氧助燃”的間接節(jié)能途徑，不易為人們所接受，到了20世紀(jì)70年代，隨著新型聚合物的出現(xiàn)，制膜技術(shù)的提高，國外在富氧助燃方面做過大量的工作，取得了許多可喜的進展，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了有利的基礎(chǔ)。
一、富氧助燃技術(shù)在國外工業(yè)中的應(yīng)用
早在1982年，美國、日本、英國、法國等國家就從事膜法富氧技術(shù)的研發(fā)和運用。他們從膜材料、成膜技術(shù)、組件和裝置等方面進行了產(chǎn)品試制、生產(chǎn)放大、流程設(shè)計、過程優(yōu)化和燃燒應(yīng)用等研究工作，并進行了分析檢測手段和分析儀器的開發(fā)等，最終開發(fā)出氧濃度為28%--40%富氧空氣，裝置，產(chǎn)氣量從幾升/分至1000m3/h不同規(guī)格的產(chǎn)品，并進行了工業(yè)應(yīng)用試驗，在燃氣、燃油和燃煤的不同場合下試驗，證實了30%濃度的富氧空氣，即可用于工業(yè)助燃，其中用23%的富氧空氣助燃可節(jié)能10%--25%。到20世紀(jì)80年代末，日本相繼有近20家大小公司推出了膜法富氧裝置。在富氧助燃方面，日本大阪煤氣公司和松下電器公司合作，在鋼坯加熱試驗爐、陶瓷燒成爐、玻璃窯爐上進行了實際應(yīng)用，并取得了良好的節(jié)能效果。美國一家玻璃廠把助燃空氣的含氧量只增加到23%，就得到了節(jié)約燃料8%-10%的好結(jié)果，而且成品率提高3%-10%，產(chǎn)量由106t/d提高到119t/d，灰泡數(shù)量下降40%，爐齡延長5-6個月。法國一玻璃廠在池爐上采用富氧助燃，使窯爐下部火焰溫度提高了1000C，頂部溫度下降了300C。產(chǎn)量由120t/d提高到150t/d。
二、局部增氧技術(shù)的基本特點
目前把氧氣引入玻璃熔窯有氧氣-燃料噴槍、空氣-氧氣-燃料噴槍、二次空氣預(yù)混合和噴槍下局部噴氧等四種基本方法。其中前三種屬整體增氣措施，后一種為局部增氧。
在設(shè)計一座玻璃熔窯的燃燒系統(tǒng)時，必須考慮以下5個因素。
(1).將燃料的熱能最大限度地傳遞到玻璃中；
(2).將燃燒的熱能最小地傳遞到熔窯的上部結(jié)構(gòu)中；
(3).燃料的燃燒只限制在爐內(nèi)熔化區(qū)中；
(4).盡量避免火焰沖刷到耐火材料的表面上；
(5).燃料和助燃空氣有效的混合，以減少煙道中因空氣過剩而造成的熱損失。
三、富氧助燃技術(shù)節(jié)能和治理污染的機理
1.提高火焰溫度：
富氧空氣參于燃燒后，氮氣量相對減少，從而使氧分子迅速地與可燃物混合達到充分燃燒，使火焰溫度隨著富氧空氣中的氧分子比例的增加而提高，并加快了輻射、傳導(dǎo)、對流三種形式的熱傳率。
2.加快燃燒速度
燃料在富氧空氣中燃燒速度加快的原因：是由于增加氧含量后，使火焰溫度提高所致，如天然氣在氧氣中的燃燒速度比在普通空氣中的燃燒速度能提高10倍。燃燒速度的提高，導(dǎo)致燃料在爐膛內(nèi)迅速完全燃燒。
3.降低燃料的燃點溫度
燃點溫度明顯受到反應(yīng)速率和熱損耗的影響。富氧空氣比普通空氣有助于降低“燃點”溫度的特點，并增加火焰單位體積的熱釋放量。對于劣質(zhì)燃料效果更為突出。
4.減少燃燒后的排氣量
使用含氧量為29%的富氧空氣參加燃燒，與普通空氣燃燒比較，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)a=1時，則排氣體積減少20%，其排煙熱損失也減少20%，從而提高熱效率而節(jié)能。
5.增加熱量利用率
當(dāng)加熱溫度為1300ºC時，用普通空氣燃燒。其熱利用率為42%，而用含氧量26%的富氧空氣燃燒，則利用率增加到56%，隨著加熱溫度增加，節(jié)能效果更顯著。
6.降低空氣過剩系數(shù)
富氧燃燒能有效地降低空氣過剩系數(shù)，使排煙熱能損失大幅度降低，從而提高窯爐的熱效率而節(jié)能。
四、膜法富氧技術(shù)的原理：
膜法富氧技術(shù)研究成果是利用高分子材料的一些本征特性，如對不同氣體分子具有不同的選擇滲透性能，以及高分子材料的特殊加工性能，科技人員將一些特殊的高分子材料研究加工成為具有工業(yè)應(yīng)用價值的氣體分離膜和膜原件。
選用硅橡膠和與其相配伍的高分子材料，經(jīng)特殊工藝加工成復(fù)合膜和膜原件，可以將空氣中的氧從21%富集到30%，且具有超高氣體透量（與玻璃態(tài)高分子膜相比），單位面積/單位時間/單位壓力可產(chǎn)富氧（30%）4Nm3/m2·h·bar,與深冷法制氧和變壓吸附法制氧（折合成相同濃度）相比，膜法的制氧成本最低，為0.06-0.08KW。
燃燒目的就在于使燃料充分燃燒，并有效地充分利用燃燒生成的數(shù)量。燃燒的工藝與爐窯效率有著至關(guān)重要的關(guān)系。燃燒是由于燃料中可燃分子與氧分子之間發(fā)生高能碰撞而引起的，所以氧的供給情況決定了燃燒過程完成的是否充分。在常規(guī)空氣助燃的燃燒系統(tǒng)中，這種高能碰撞作用受到占空氣成份近五分之四不助燃的氮分子阻礙，減少了氧分子與燃料可燃分子之間的碰撞機會，直接影響燃燒效率的提高，不僅如此，氮還在爐窯中吸收大量的熱量在廢氣中排掉造成熱損失，浪費能源。
采用比常規(guī)空氣含氧量高的空氣助燃稱富氧燃燒，它有提高火焰溫度、加快燃燒速度、降低燃料燃點溫度、增加熱量利用率的特點。
五、富氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯上的應(yīng)用
散角度。眾所周知，在一般的玻璃熔窯火焰空間中，火焰下部總是最缺氧的部位，燃燒不完全，溫度較低。如果富氧噴管以一定的角度和速度將氧氣引入窯爐空間，沖擊火焰底部，這樣就會在靠近玻璃液面一側(cè)形成一個含未燃燒碳粒較少的富氧層，使之燃燒充分，溫度提高較大。這種不對稱火焰，可靠垂直的溫度梯度，在靠近玻璃料液的一側(cè)形成一個高溫帶，使火焰底部增加向玻璃料液內(nèi)部的熱輻射和熱對流。而在靠近窯碹的一側(cè)溫度并不升高，使窯頂免受由此帶來的侵蝕加重。同時由于火焰強度增加，火焰變短，有助于控制熔窯內(nèi)溫度分布。此外，可防止在蓄熱室內(nèi)燃燒。這對蓄熱式熔窯來說，格子磚的壽命也可以得到改善。
據(jù)試驗結(jié)果表明，若將富氧空氣通過二次風(fēng)機的進口處引入，火焰將在池爐大碹和液面之間水平通過，勢必增強了各個方向的熱傳導(dǎo)，失去局部富氧的真正目的。
富氧空氣噴管應(yīng)安裝在油或天然氣噴槍與玻璃液面之間，或氧氣噴管位于油或氣噴槍下5-20cm處，火焰內(nèi)部垂直的溫度梯度隨著這一距離的變化而不同。距離過大或過小都不理想。過大時，氧氣與燃料間的接觸面就小，而與窯內(nèi)其他殘余氣體的混合程度相應(yīng)增大，致使火焰溫度降低，富氧效果變差；距離過小時，其結(jié)果近于整體增氧，局部富氧的效果不僅體現(xiàn)不出來，反而會出現(xiàn)窯頂溫度增高。因此，要在確定噴槍與富氧噴管之間的距離時必須對油噴槍的水平擴散角度和富氧空氣的射入速度等進行認(rèn)真周全的考慮。這些參數(shù)都是影響這一距離的重要因素。
但是，必須說明的是玻璃液溫度升高的程度，不僅僅與上面講的富氧噴管的位置，射入的角度和速度，以及射入的富氧空氣量和濃度有關(guān)，而且與燃料的霧化情況有關(guān)。如燃料霧化不好，火焰黑，根長，富氧空氣射入后不能及時與燃料混合燃燒的話，那么富氧氣體實際上只能在火根部分起到冷卻玻璃液的作用。因此要使燃燒穩(wěn)定和安全，就必須使燃料從噴嘴吹出后能及時與富氧空氣混合并燃燒。綜上所述，只有綜合考慮上述諸因素，才可能實現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
1.單元窯
單元窯常用于熔制琉璃瓦，其熔化面積為4.46m2，最大產(chǎn)量2722kg/d，原先空氣/天然氣預(yù)混合燃燒系統(tǒng)有10個噴嘴，每邊5個，外加一個電子加速部件。
康寧玻璃公司在安裝富氧氣噴嘴時，考慮到火焰的升溫和強氧化性對投料口及前胸墻耐火材料的侵蝕，在第一對噴槍下不設(shè)富氧噴管，其余8個噴槍中心線下方，都裝上了富氧氣噴管。
結(jié)果表明，不用富氧助燃時，窯碹溫度15500C，后胸墻溫度14500C，則碹頂比后胸墻溫度高出1000C。安裝上富氧助燃系統(tǒng)后，熱量的集中區(qū)移向玻璃液面處，如仍維持后胸墻溫度14500C，則可測得碹頂溫度下降了1300C。這樣，火焰氣體向玻璃液傳熱量增加，而碹頂材料的侵蝕卻大為減少。據(jù)文獻介紹，該窯在停爐冷修時檢查發(fā)現(xiàn)，使用富氧助燃后，窯碹內(nèi)表面磨損較少。
單元窯上使用富氧助燃除節(jié)能效果明顯外，火焰空間內(nèi)近液面處火焰氣氛要比空氣助燃時要穩(wěn)定得多，而且?guī)в幸欢ǖ难趸?，這對保證玻璃組成、提高玻璃質(zhì)量也有顯著的效果。
2.馬蹄焰窯
AnchorHoching公司報道的馬蹄焰池窯富氧助燃方案,是在每個小爐口底部兩支天然氣噴槍間的下方安裝一根氧氣噴管，根據(jù)實際情況,有時只在加料口一側(cè)噴氧 。該窯熔化面積33.3m2，熔化部深0.71m，澄清部深0.48m，日出料量40--75t；周期換向時間為20min，當(dāng)一側(cè)小爐口上火時，其下面氧氣噴管也可以大約57.8m3/h的流量把氧氣送入窯內(nèi)。由于馬蹄焰窯是側(cè)面加料，正面噴火，因此其料層長度相對來說比較短，為了加強熔化，火焰長度也要求短些，一般宜采用短焰燃燒。只有這樣，火焰熱量才會集中于配合料熔化區(qū)，起到增強熔化部位熔化能力的作用?；鹧骈L短，也可通過控制氧流量來調(diào)節(jié)。當(dāng)氧流量增至100m3/h時，火焰長度將有明顯的縮短。
在馬蹄焰窯火焰空間內(nèi)，富氧助燃同樣可造成不均衡的火焰輻射，使熱流離開碹頂向下移動，窯頂附近空間溫度顯著下降。結(jié)果導(dǎo)致澄清區(qū)液面附近的冷氣層基本上被消除，玻璃液內(nèi)部熱均勻性有所提高，最終使成形制品質(zhì)量得到改善。
3.雙碹窯
與前面兩種情況不同，文獻上報道的幾個在雙碹窯上進行富氧助燃的實例，都是出于延長窯爐爐齡的目的。也就是說，在雙碹窯接近設(shè)計所定的爐齡時，由于換熱器堵塞，窯壓升高，空氣預(yù)熱溫度較低，火焰溫度很難控制。此爐本該停窯冷修，但生產(chǎn)廠商考慮到當(dāng)時市場對產(chǎn)品的要求，決定采用富氧助燃來繼續(xù)維持窯爐的正常作業(yè)。雙碹窯的熔化面積為14.86m2，生產(chǎn)翠綠色玻璃，設(shè)有兩支燒950#重油的噴槍，起原先的最高熔化率為2.39~2.56t/(m2.d)。在該窯使用后期，選用富氧局部助燃方案在雙碹窯前胸墻的兩個頂角斜插入兩支油槍和氧氣噴管，并保證由此噴入窯內(nèi)的油流能在來自小爐口的空氣流下進行，穩(wěn)定燃燒。
氧氣噴管位于油槍下約0.762m處。在投料口一惻，為了保證剛?cè)敫G的配合料容易熔化，氧和油的流量一般都比投料口對面的一惻油槍大一倍。
根據(jù)換熱器堵塞程度不同，富氧助燃過程可分為三個階段。
第一階段，雖然是氧氣噴管位置、角度及流量的調(diào)試階段，但在氧流量25.5m3/h下，火焰溫度平均增加1000C，窯溫升高15oC，而產(chǎn)量幾乎是高了近2t。
第二階段，氧氣耗量31.0m3/h，盡管空氣預(yù)熱溫度可根據(jù)煙氣離開換熱器的溫度，由熱平衡得出為500~5500C(正常作業(yè)時應(yīng)是900~10000C)，但此時平均產(chǎn)量已達28.0t/d。最大產(chǎn)量是33t/d，對應(yīng)的熔化率為2.2t/(m2.d)。這表明，在助燃空氣預(yù)熱溫度明顯不夠的情況下，用富氧助燃不失為維持池窯正常作業(yè)的有效手段。
第三階段，換熱器幾乎完全堵塞，為穩(wěn)定窯內(nèi)溫度，氧氣耗量直線上升。因此，這一階段的富氧助燃措施對保證正常的出料量來說更顯重要。如果不用富氧，窯爐幾乎不能作業(yè)。
由于氧耗量過大，制氧所需成本猛增。在第三階段后期，該雙碹窯已處于得不償失的地步，只得停爐冷修。但即使如此，受富氧助燃作用，該窯爐齡還是延長了半年以上，其經(jīng)濟效益十分可觀。
六、局部增氧技術(shù)在燃用發(fā)生爐煤氣玻璃池爐上的應(yīng)用
燃用發(fā)生爐煤氣的池爐在我國玻璃行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。富氧空氣如何在這種爐子上應(yīng)用，并達到節(jié)能的目的，下面從發(fā)生爐煤氣的產(chǎn)氣原理和有關(guān)玻璃池爐燃燒系統(tǒng)兩部分來討論。
1、有利于提高煤氣熱值
采用富氧空氣作為汽化劑，不但能夠產(chǎn)生明顯的節(jié)煤效益，提高汽化強度，降低灰中含碳量，而且還能提高玻璃池爐的產(chǎn)量、質(zhì)量，其綜合效益更為可觀。
往煤氣發(fā)生爐中通富氧空氣的方法是將富氧空氣經(jīng)過預(yù)熱后，與常規(guī)空氣共同經(jīng)過一個高效氣體預(yù)混器，并嚴(yán)格控制流量和流速，經(jīng)鼓風(fēng)機吸風(fēng)口再與壓力為2kg/cm2的蒸汽混合，形成富氧空氣加蒸汽的汽化劑，進入發(fā)生爐內(nèi)汽化。
2、富氧助燃系統(tǒng)的設(shè)計
(1).為了使池爐內(nèi)的火焰能形成梯度燃燒，即使近玻璃液面處的火焰溫度比上部的高，可以將富氧噴嘴的設(shè)計在小爐預(yù)混室的兩惻，并貼近小爐底面，噴嘴角度應(yīng)與小爐惻墻成少于150水平夾角。兩惻噴嘴的夾角應(yīng)在噴火口前端200mm處，使富氧空氣在池內(nèi)與火焰下部混合，并使火焰在熔化池靠近加料處形成高溫的底層火焰，從而加速化料，提高熔化率，克服跑料堆現(xiàn)象，并能保證馬蹄焰的回火不致帶料粉進入蓄熱室，利于格子磚延長壽命。
(2).富氧空氣在進噴嘴之前，必須經(jīng)過預(yù)熱。
可設(shè)計一個高效金屬預(yù)熱器，貼在蓄熱室外墻上，外加巖棉保溫或?qū)㈩A(yù)熱設(shè)在蓄熱室頂部也可。
(3).富氧噴嘴的流速取20~25m/s 。
(4).在20~30m2熔化面積池爐中，富氧空氣的流量取試驗數(shù)據(jù)為80m3/h或100m3/h。
(5).富氧空氣嚴(yán)禁與熱煤氣混合，以防爆炸事故發(fā)生。
(6).富氧噴嘴的材料應(yīng)采用石英陶瓷。
(7).在燃煤氣池爐上采用富氧燃燒后，應(yīng)適應(yīng)地調(diào)小二次空氣進入量，盡量減少空氣過剩系數(shù)，使池爐熱效率提高。
