浮法玻璃熔窑富氧热风助燃系统的探讨

徐 亮，周金毅，罗文斌

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

随着国家政策对环保节能的要求日趋严格，国内玻璃生产商对玻璃工厂能耗方面设计日趋重视。玻璃厂能耗主要由两方面构成：电耗与燃料。对于电能的使用与节省，近年来国内玻璃企业已日趋成熟：玻璃工厂设计中通过加装余热发电系统，利用熔窑燃烧过程中所产生的废气余热中的热能，通过锅炉给水生产出过热蒸汽，蒸汽再进入汽轮机组，通过能量转化将热能转化为机械能，进而以机械能转化为电能的形式发电[1]。

在熔窑上通过利用废气余热发电，极大地降低了玻璃生产中的电耗。熔窑作为玻璃厂主要燃料消耗单位，该文所提出的富氧热风助燃技术，用来实现玻璃熔窑进一步的节能降耗，利用高热富氧空气助燃风与燃料组成的富氧热风燃烧技术取代此前由空气、燃料组成的常规燃烧方式，将在环保、节能、产量、质量等诸多方面有优异的表现。现就富氧热风空气的收集方法及利用方式进行相关探讨。

1 富氧热风助燃技术

以燃料为能源的玻璃熔窑，其窑内温度取决于所供燃料燃烧的温度。根据公式

t=(Qd+Crtr+CktkLa)/CyVy

式中,t为燃料理论燃烧温度(℃)；Qd为燃料低位发热值{kcal/Nm3(kg)} ；Vy为燃烧生成气量{Nm3/Nm3(kg)}；tr为燃烧温度(℃)；tk为空气温度(℃)；Cy为燃烧生成气的热容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；Cr为燃料的热容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；Ck为空气的热容量{kcal/Nm3(kg)·℃}；La为不同空气过剩系数时单位空气耗量{ Nm3/Nm3(kg)}。

理论上，提高助燃空气的预热温度和燃料的预热温度就能提高燃料的燃烧温度。浮法玻璃熔窑内的最高温度一般不超过1 600 ℃，否则会对窑体结构造成严重烧损，影响熔窑的使用寿命，通过调整燃料的用量可以把温度控制在一定的范围内。根据资料介绍，助燃空气预热温度每升高100 ℃可以降低燃料消耗7%～8%[2]。

而熔窑内燃料燃烧时所需的氧气，通常是由空气中的氧来提供，国内大多数玻璃厂利用离心风机将常温状态的空气送入各小炉分支烟道空交机，进而参与炉内燃烧。然而空气中氧气含量仅占21%而其余大部分为氮气，氮气在炉内不参与燃烧，随着生产过程中每一次系统换向，氮气作为废气会带走大量热量，而热量的损失，相应地增加了燃料消耗，降低了燃料的有效利用率。因此，如何有效提高助燃风中氧气含量就等于变相提高了燃料的利用率，减少了燃料的消耗。

综上所述，生产过程中提高助燃风风温、提高助燃风中氧含量均能有效提高燃料的利用率，减少燃料的消耗。在此基础上，富氧热风助燃技术应运而出，所谓的富氧热风助燃主要由富氧空气与生产余热风两部分构成，通过混合，利用余热风的热量将富氧空气预热，形成富氧热风再吹入熔窑各小炉，用于提高窑内的燃烧温度。其设计原理见图1。

2 富氧空气的收集

2.1 数据统计

在浮法玻璃生产线上，厂区氮气站利用空分原理将游离在空气中的氮气、氧气进行分离，其中氮气主要用于锡槽热工工段所需保护气，而分离出的氧气通常不做收集，直接排放至大气中，造成较大的浪费。而其中所外排的氧气主要成分由含氧量≥93%的纯氧及含氧量25%～35%的空气废气组成。现以山东某600 t/d浮法生产线氮气站产气为例，主要参数如表1所示。

表1 山东某600 t/d浮法生产线氮气站产气参数 /(Nm3·h-1)

2.2 富氧空气的收集

富氧空气的利用主要是将含氧量≥93%的纯氧及含氧量25%～35%的空气进行采集、混合。通常情况下，氮气站所采集的富氧空气出气压力一般在0.25～0.30 MPa，输送期间采用储气罐等措施对输送气体进行稳压，通过管道输送形式送至熔窑助燃风系统，再与余热风系统进行二次混合。富氧空气采集输送设有稳压、计量、调节装置，采集输送原理见图2。

3 生产余热风的利用

3.1 可行性分析

在大部分浮法玻璃生产线上，退火窑A区、B区、C区所产生的高温风通常直排车间外，不做利用。而经过数据统计，退火窑所产出的余热风能够用来提高助燃风的风温，现以山东某600 t/d浮法生产线退火窑正常生产参数为例，参数如表2所示。

表2 山东某600 t/d浮法生产线退火窑生产参数

如表2所示，A～C区所累积的余热风流量Q≈48 193 m3/h，出口风压在2 400～2 857 Pa范围内，而该项目前端助燃风系统风机选型为：风量Q=85 819 m3/h，全压P=2 501 Pa，一用一备。从数据可以看出前端熔窑助燃风的风量需求远大于退火余热风，而所需风压基本在范围内，故退火窑余热风参与进入助燃风系统方案可行。

3.2 余热风的收集

退火窑A～C区排风管汇聚于一根主风管，主风管上设有计量、调节装置。因退火窑至前端助燃风系统距离过长，为保证退火热风沿程损失降低，保证流量供应，在主风管上加设一台小功率离心风机作为补充风量，通过冷、热风混合箱混合后进入高温助燃风机，余热风收集利用原理见图3。

以上述山东某生产线为例，风机选型可为：

离心风机：4～60No10C，Q=37 936 m3/h，P=2 422 Pa，电机功率37 kW

高温助燃风机：W4-73-11型，Q=90 500 m3/h，P=2 771 Pa，电机功率155 kW。

4 控制要求

4.1 富氧空气

富氧空气采集系统输送主管设有稳压、计量、调节装置并设高低压力报警，流量显示。

富氧空气在进入每对小炉余热风支管前，在富氧空气系统小炉支管上设一组流量控制单元，实行定值控制，根据每对小炉实际的燃烧情况可随时进行该小炉的增量减量，保持稳定。

富氧空气与氮气站须设流量监控，通过富氧空气主管调节装置与氮气站出气流量进行联动，防止富氧空气抽出过多对前端制氮工艺造成影响，进而影响生产。

4.2 生产余热风

生产余热风采集系统输送主管设有计量、调节装置并设高低压力报警，温度、流量显示。

退火窑A区～C区各出风支管出口段设流量、温度检测装置。

生产余热风主管设流量监控，设定生产所需助燃风定值，与离心风机联动控制，离心风机要求变频控制。

4.3 富氧余热风

富氧空气经过生产余热风的混合、加热后，通过各支风管送风入玻璃熔窑，要求各送风支风管风量与熔窑所配备燃料实行比例调节。

采用支烟道空交机换向，换火期间增大进风量0～20%，此时富氧余热风前端高温风机输出频率和烟道调节闸板的开度应在某一预先设定值上。

每对小炉的富氧余热风设一个调节阀和一个流量计。富氧余热风风量测量值要进行温度、压力修正。

燃料与富氧余热风比例设定值根据对废气的检测结果进行人工设定，并设风燃料比自动控制系统。富氧余热风总量由富氧系统、生产余热风系统两部分控制，进而每对小炉富氧余热风支管风量采用调节阀自动调节以满足富氧余热风风机频率、每对小炉支风管阀门开度和风量要求指示。

5 经济效益

5.1 提高熔化质量

采用富氧余热风燃烧，对熔窑升温有明显效果。玻璃熔窑生产中，燃料从喷枪喷出的火焰燃烧状态主要可以分为三个部分：火焰上部为缺氧区，防止大碹过热进而烧损；中部为普通燃烧区；而下部则为辐射区，实际生产中也是尽量在火焰下部形成高温区，以加强对玻璃配合料的熔化，提高燃料的利用率[3]。将常规玻璃熔窑助燃风系统更换为富氧余热风作为燃料的助燃，加快了燃料的燃烧速度，增加了火焰刚性，提高了火焰的热效率，火焰辐射玻璃液温度可提高100 ℃左右，配合料熔融速度加快，提高熔化率10%以上。同时熔化质量也相应提高。

5.2 减轻对熔窑的烧损

富氧余热风加速了燃料的燃烧，使燃烧过程中燃料更加充分，且整个过程在窑内基本完成，进入蓄热室的可燃气体减少，减轻了对蓄热室格子砖的烧损，延长了蓄热室的使用寿命。

5.3 节能降耗

以上述山东某600 t/d浮法生产线退火窑参数为例，根据窑炉计算，正常生产过程中所需要的助燃风量Q=85 819 m3/h，空气中氧气含量占21%，即实际生产中参与燃烧的氧气量为18 022 m3/h，而氮气量为66 938 m3/h。而通过氮气站空分原理所收集的氧气，按最大值量计算所得氧气量为1 600 Nm3/h×93%+6 000 Nm3/h×35%=3 588 Nm3/h，在输出压力不变的前提下按需求还需空气量为：(18 022-3 588×293/273)/21%=67 481 m3/h,其中氮气含量为52 635 m3/h。常规助燃风系统与富氧余热助燃风系统在单位时间内氮气量的差值为66 938 m3/h-52 635 m3/h=14 303 m3/h。即每小时可减少14 303 m3/h的氮气量将热值带出熔窑。

此外，玻璃熔窑通过蓄热室对助燃空气进行预热。蓄热室的工作原理是随着熔窑换向，当高温烟气流经蓄热室格子砖时，将热能传递给格子砖；当空气流过该格子砖时，蓄积在砖内的热量则传递给空气，从而把空气加热。通过采用富氧余热风作为助燃风，助燃风本身流通温度在进入格子体前就已预热，如果加热到相同的风温，则相较于常规助燃风，富氧余热风极大地提高了蓄热室的换热能力，减少了窑炉本身热量散失，降低了燃料消耗的目的。

5.4 社会效益

富氧余热风助燃技术用于玻璃熔炉能明显提高玻璃质量、节能、延长炉龄外，采用富氧余热风燃烧还能使助燃空气中氧含量增加，氮含量减少，也可使燃料的消耗大幅度减少，降低燃料污染物的排放量，有效地减少烟尘和NOx等排放，无论是燃油还是燃气，都具有显著的经济效益和社会效益[4]。

6 结 语

富氧热风技术中的氧气来源主要是利用厂区排废氧气二次利用，而这排废的氧气总量实际并不多，只是作为制氮工艺的附产品。玻璃工厂也可根据自身情况配备一套制氧设备或通过市政氧气站提供氧气。这样，氧气纯度及供应量都能得到保证，进而使得燃料消耗更少。