玻璃纤维池窑全氧燃烧节能分析

曾令可，胡国良，唐国武，李 萍，曾苑萍，王慧，程小苏

(1.华南理工大学，广东 广州 51064； 2.广州中信世纪玻纤有限公司，广东 广州 511457；3.中科院广州能源所，广东 广州 510640)

玻璃纤维池窑全氧燃烧节能分析

曾令可1，胡国良2，唐国武1，李 萍3，曾苑萍2，王慧1，程小苏1

(1.华南理工大学，广东 广州 51064； 2.广州中信世纪玻纤有限公司，广东 广州 511457；3.中科院广州能源所，广东 广州 510640)

介绍了广州忠信世纪玻纤有限公司采用全氧燃烧技术及相应的辅助措施，实现玻璃纤维池窑节能减排的目的，取得了显著的成效。指出实施全氧燃烧技术改造熔窑烧成及相应辅助节能措施是玻纤企业提高产品产量、质量、节能、减排及提高企业竞争力的最有效途径之一。

全氧燃烧；玻璃纤维；节能；减排

0 全氧燃烧概况

20世纪40年代，美国康宁公司首先在玻璃熔窑上试用天燃气-氧气燃烧技术，不仅加快了玻璃配合料的熔化，而且补充燃烧热量，标志着玻璃熔窑技术全氧燃烧技术应用的开始[1]。20世纪80年代，康宁公司先后对34座玻璃熔窑进行了全氧燃烧系统的改造。本世纪初，全世界拥有200多座纯氧燃烧窑炉，北美占了70%左右，主要应用在玻璃纤维池窑，显像管玻璃熔窑及日用玻璃熔窑[2,3]。国外玻璃熔窑纯氧技术的成功实施给玻璃工业带来的节能减排效果显著，并把“全氧燃烧技术”誉为玻璃熔化技术的第二次革命。随着燃料、节能、环境保护等问题越来越受到重视，我国也在20世纪90年代初开始积极研发玻璃全氧燃烧技术，并在中期开始在马蹄焰玻璃熔窑上试用氧气助燃技术，到21世纪初已有十余座轻工玻璃、电子玻璃和玻璃纤维池窑应用纯氧燃烧技术，但和国外相比，还是有一定的差距[4,5]。

1 全氧燃烧实施

玻璃熔窑全氧燃烧是指在玻璃熔制过程中，利用氧气纯度≥90%的氧气代替空气与燃料进行燃烧，由于全氧燃烧时起助燃作用的为氧气，所以燃烧产物也只有H2O和CO2，不仅可以加快燃烧速度，使燃料燃烧更充分，而且可以减少废气量、NOX的排放及废气带走的热量，达到节能、减排的效果。它与一般的空气（氧气含量为21%）助燃相比，具有以下的特点：

1.1 提高燃烧效率，节省燃料

全氧燃烧的相互作用增加了熔化过程的可利用热量，使用相同量的燃料时，从火焰进入熔窑中的能量显著增加。采用普通空气助燃和全氧助燃燃烧，它们的传热过程差异很大，见表1[6]。

由表1可知，全氧燃烧热辐射传热更多，更快，同时气体停留时间较长，燃烧更完全，提供热量也更多。可大大减少废气量，减少废气带走的热量。根据理论计算，若达到同样的燃烧温度，全氧燃烧比空气助燃节省燃料50%以上，实际应用也证明，可节省燃料35%左右[7]。普通空气助燃需要定时换火进行烟气与助燃空气的热交换，回收部分热能，但换火过程窑内瞬间失去火焰，玻璃液失去热源，导致窑温波动，受到换火过程的冲击，窑压也会瞬间波动，影响玻璃的质量。

1.2 节能减排

全氧燃烧时所需空气量减少，产生废气量大大减少，废气排放量减少达60%以上，由废气带走的热量也降低，同时窑体散热也将减少。全氧燃烧时提供助燃的全氧中含N2量很少，燃烧后产生的NOX很少，废气中NOX排放量从2200mg/Nm3降低到500mg/Nm3以下，粉尘排放减少80%，SO2排放量减少30%，对环境保护起到很好的效果，实践证明，全氧燃烧是解决玻璃工业NOX排放问题的唯一途径[7]。

1.3 提高玻璃的产量和质量

实践证明，采用全氧燃烧可以提高池窑熔化率10%以上，从而可以提高产量。在熔窑的气氛中仅存在CO2和H2O，两种气体又是辐射物质，可以提高玻璃液面的辐射热传导，通过温度、压力和燃料与氧气配比的精确控制可提高玻璃的熔制质量[8]。同时全氧燃烧时玻璃液黏度低，有利于澄清和均化，燃烧的火焰稳定，无转向，制备的玻璃体内气泡、条纹少，因而也提高了玻璃质量。

1.4 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[9]。

1.5 减少建设费用，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，占地小，建窑投资费用低。全氧燃烧可节省建窑投资40%以上，加上制氧设备成本，初期投资也会降低[10]。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。

2 全氧燃烧节能、减排效果

表1 普通空气助燃和全氧助燃燃烧的传热过程差异Tab.1 Difference in heat transfer between air combustion and oxy-fuel combustion

目前，我国的玻璃熔窑，除少数企业的窑炉采用全氧燃烧、有的采用富氧燃烧外，其他的都采用空气助燃，存在着高能耗、高污染、低水平等一系列问题。我国所面临的环境污染问题也十分严峻，人们必须认识到工业废气对大气污染带来的严重性，作为能耗大户之一的玻璃工业不可否认也是大气污染的“罪魁祸首”之一。

广州忠信世纪玻纤有限公司积极响应国家节能减排的号召，根据现有玻纤行业能耗高、污染重的现状，从玻纤池窑的结构、耐火材料、燃烧方式、控制等方面进行研发、生产，集成了玻璃纤维池窑节能减排的关键技术。这些技术提高了玻纤池窑的生产效率和产品质量，同时降低了单位产品能耗，并延长了玻璃纤维池窑的使用寿命。图1 为广州忠信世纪玻纤有限公司采用全氧燃烧后的生产工艺技术路线。

公司采用全氧技术改造后，其产品能耗大大降低，废气排放显著降低，且产品的产量和质量均有提高，全氧改造前后相关技术参数见表2～5。

图1 全氧玻纤池窑生产工艺技术路线Fig.1 The fi ber glass production process of the tank furnace with oxy-fuel combustion

表2 使用全氧燃烧技术前后相关技术参数对比(已剔除异常的生产数据)Tab.2 The comparison of technical parameters before and after the adoption of oxy-fuel combustion

表3 耗能对比Tab.3 The comparison of energy consumption

表4 采用全氧燃烧技术前后废气指标变化Tab.4 The fl ue gas indexes before and after the adoption of oxy-fuel combustion

表5 全氧燃烧改造前后余热锅炉运行参数对比Tab.5 Operating parameters of waste heat boiler before and after the adoption of oxy-fuel combustion

由表2可知，采用全氧燃烧技术后，玻璃的熔制质量得到提高，日均原丝产量达到52.0t以上，增产率超过1.4%。日均满筒率能够维持在60%左右，生产稳定性能保持较好的水平。进行全氧改造后每月重油总耗量减少113t，比改造前降低33.3%。

由表3可知，实施全氧燃烧技术后，扣除制氧工厂所增加的耗电量，每月还能节约标准煤133.8t，经济效益显著。

表4指标为环保监测单位检测，改造后废气中的氮氧化物浓度、二氧化硫浓度、烟气流量均明显下降，其中检测的氮氧化物浓度达到环保部门要求的≤400mg·m-3指标。

采用全氧燃烧后整体烟气流量降低约64%，因此余热锅炉的运行状况也有明显的变化：风机运行频率下降，蒸汽产量降低，锅炉的清灰次数也明显减少。具体的运行数据对比见表5。

3 相应的辅助措施

3.1 池窑废气处理

分为引入、余热利用、废气净化三个部分。废气从金属换热器出口处引入，温度为800℃。在余热利用段设置一台余热锅炉，蒸发量3t/h，额定饱和蒸汽压力1.27MPa，生产的蒸汽输入厂区热力管网。废气从余热锅炉出来由引风机送往废气处理系统，引风机为Y5-47高温风机，设置两台，一开一备，引风机的操作以窑炉窑压作为调节参数进行变频控制[11]。废气净化采用吸收法出来，由三级净化塔组合而成，主吸引介质为水，系统露天布置。第一级为喷淋冷却（湍冲喷咀）主要为废气降温，部分吸放；第二级为净化旋流吸放[12]，废气经过一、二级处理后，SO2和F的去除率达80-90%；第三级为深化吸收旋流中和塔使废气达标排放[12]。

3.2 废水循环处理

对废气净化过程中的吸收介质水，进行废水处理，采用絮凝、反应、沉淀、脱泥后循环使用。水的补充采用拉丝废水处理后的净化水进行重复使用，适当补充自来水，反应介质以石灰乳液为主，配置一套石灰乳液系统和一套供调节水的pH的碱液系统。整个废水循环处理段的设备有混凝反应池、沉淀池、集水池、净化水池、中和池、加药罐等，均用耐腐材料制造而成，废水处理过程中产生的污泥无毒性，采用箱式压滤机脱水后成泥并运往堆场。

3.3 高温烟气余热利用

公司的载热体炉排烟温度在220℃左右，而排烟系统均未安装高温烟气回收利用的换热装置，存在着节能潜力[13]。为此，增加了通路烟气的回收，将通路烟气用于锅炉产蒸汽，正式投用后，每天可多产蒸汽3.5t，全厂可多产蒸汽1278t。

4 结 论

广州忠信世纪玻纤有限公司通过产学研合作，从玻璃纤维池窑的结构、耐火材料、燃烧方式、控制等方面进行了研发、生产，集成了玻璃纤维池窑节能减排的关键技术。通过改造全氧燃烧技术及相关的辅助措施，减少了池窑内温差，使窑内的温度场更均匀，改变了传热方式和烟气流场，降低了单位产品能耗，提高了玻纤生产效率和质量，达到高效节能、降低氮氧化物等污染物的排放，环保效益高。经考核，可节约燃料30%以上，生产线总用电量下降25%以上，同时提高产量1.4%以上，废气排放量减少60%以上，企业节能减排效果显著。对提高我国玻纤行业产品质量和生产水平、提升行业国际竞争力及其对我国建设节约型及环境友好型社会等均有重大意义。

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Energy Saving Analysis of Oxy-fuel Combustion for Glass Fiber Tank Furnace

ZENG Lingke1, HU Guoliang2, TANG Guowu1, LI Ping3, ZENG Yuanping2, WANG Hui1, CHENG Xiaosu1
(1. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. Guangzhou Zhongxin Shiji Glass Fiber Co., Ltd., Guangzhou 511457, Guangdong, China; 3. Guangzhou Institute of Energy Conservation, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

This paper introduces the oxy-fuel combustion and other auxiliary techniques used by Guangzhou Zhongxin Shiji glass Fiber Co., Ltd. in glass fiber tank furnace that has achieved remarkable energy conservation and emission reduction results. It points out that renovating the tank furnace with oxy-fuel combustion and other auxiliary techniques is one of the most effective ways to for fi ber glass enterprises to enhance their output, product quantity, energy conservation, emission reduction and corporate competitiveness.

oxy-fuel combustion; glass fi ber; energy conservation; emission reduction

TQ175.9

A

1006-2874(2014)02-0034-05

2013-11-20。

2013-12-02。

Received date: 2013-11-20. Revised date: 2013-12-02.

广州市科技计划项目资助(编号：11A91140638)

Correspondent author: ZENG Lingke, male, Professor

曾令可，男，教授

E-mail: lingke@scut.edi.cn