玻璃窑炉新型低NOx 燃烧系统设计及配套方案

黄俏 赵恩录 冯建业

（1. 秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066004；2. 河北省玻璃节能减排技术创新中心 秦皇岛 066004）

0 引言

在日趋强化的资源环境约束及激烈的市场竞争形势下，国内玻璃企业迫切需要进行不断的升级改善，产品质量、生产工艺需要与国际逐渐接轨。目前，大多玻璃企业窑炉氮氧化物的原始排放指标与国际水平相差还是较大的（发达国家的氮氧化物排放值为700～1 000 Nm3，国内2 300～3 000 Nm3），为了达到排放标准，玻璃生产企业一般采取末端治理技术来减少其排放，然而末端治理设备投资及运行成本高，对企业来说是一个较大的经济负担，长期运行会严重影响企业市场竞争力。

因此，在生产过程中减少氮氧化物的生成（过程减排），形成能够经济运行，治理效果长期稳定的氮氧化物排放控制技术是我国玻璃行业玻璃窑炉节能减排技术发展的趋势。过程减排的关键是整体有效的NOx燃烧系统设计及配套技术方案。

1 燃烧系统设计

燃烧系统除主要包括低NOx燃烧器、燃烧控制阀组及电气控制系统。

1.1 燃烧器的选用

玻璃熔窑用天然气燃烧器是为玻璃原料熔化提供必要的、充分的热量的装备。燃烧器形成的火焰形状、质量直接影响玻璃窑炉单位能耗、熔化率、玻璃质量、烟气中NOx生成量等。因此，燃烧器的设计与选用是过程减排的关键影响因素之一。

玻璃窑炉90%的传热是靠燃烧辐射传热，为获得较理想的传热效率，燃烧器在一定范围内需要亮度好、尽可能全面覆盖玻璃液面的辐射性火焰，因此火焰的长度及宽度对整个玻璃窑炉的热交换过程有很大的影响。同时火焰的长度和宽度表现了燃料燃烧时间的长短及燃烧完全的程度，这就决定了火焰空间是否局部温度过高及是否存在过剩的空气（燃烧过程中NOx的产生主要来自于以上两点因素）。因此，燃烧器在特定的上倾角度下，火焰长度和宽度是决定NOx生成量的最关键因素，基于上述原因，高效的低NOx燃烧器应设计为能自由调节火焰长度、宽度。

另外，天然气燃烧器尽量不要有压缩空气引射气，因为在压缩空气进行引射的过程中会带入过量冷空气，一是窑内吹入大量冷风，会影响熔窑热效率；二是会造成局部高温，导致NOx生成量增多。

我司设计的新型低NOx燃烧器，可根据实际生产需求通过调整适宜的燃烧器上倾角度和燃料流量实现对火焰形状的精准调节，无需引射气，如图1所示。

该天然气燃烧器是一种双火焰节能燃烧器，其技术原理、特点及适用性为：

1.1.1 ①技术原理

玻璃窑炉烟气中NOx主 要为热力型NOx，由空气中的氮气和燃烧过程中多余的氧气在高温下发生反应形成。

反应原理为：N2+ O2→ NO+NO2（反应条件高于1 000 ℃，NO与NO2统称为NOx）。

空气助燃条件下燃烧过程中NOx生成量的主要影响因素为：一是窑炉内的温度，温度越高，热力型NOx所占比例越大；二是有多余的助燃介质，过剩空气系数a偏大，一般合理的a数值为1.05～1.1，热力型NOx会比较少。

使燃料在同一窑炉中在相对分散的温度制度下进行燃烧反应，形成分阶段燃烧，第一阶段为贫氧（富燃料）燃烧，由于缺少助燃介质产生NOx的量较少；第二阶段，燃料在后期离开窑炉前继续与空气反应形成完全燃烧，由于温度相对低不易形成热力型NOx，且还能减少过剩空气系数，此技术为“玻璃熔窑低氮排放分阶段燃烧技术”。

1.1.2 特点及适用性

依据上述技术原理，该天然气燃烧器进行了特殊喷嘴结构设计，同时通过调节燃烧器体内外腔燃气的流通截面积，使内外喷嘴气体流量与喷出的速度随之不同，火焰长度长短可根据需要自由调节，形成燃料的分阶段燃烧过程，避免局部高温的同时可降低过剩空气系数，达到燃料在低NOx排放下充分燃烧的目的，并且在确保大碹和胸墙不被火焰冲刷的前提下能够改善熔化状况，降低能耗。该燃烧器适用于各种类型烧天然气的玻璃熔窑。

1.2 燃烧控制阀组

燃烧控制阀组需要设置必要的天然气压力检测控制单元、天然气流量检测控制单元、天然气换向控制单元等以满足生产工艺要求。同时还应考虑：一是对每支燃烧器都可以单独控制，而不是每侧进行控制，这样可以精准控制每支燃烧器的流量，使火焰达到理想燃烧状态，从而减少NOx的产生，节约能耗；二是燃气的流量和助燃风的流量要转化成标准状态，做比较精确的测量，为化学计量式燃烧做准备。

1.3 电气控制系统

电气控制系统需保障整个系统稳定可靠运行，充分满足系统控制、数据存储及通信需要。控制方式尽量简便灵活，并可根据系统大小按需进行扩展。天然气流量控制应备有手动操作器，以便系统手动调试或紧急状态下能手动控制窑炉。天然气燃烧换向的可靠性是确保生产安全的首要任务，在确保换向过程安全的前提下，应特别对换向时天然气的关断、开通采取特殊柔性控制（缓关、缓开），避免天然气关断或开通时气体压力的急剧变化造成危险。

2 玻璃窑炉配套优化设计

为实现玻璃窑炉生产过程中减少NOx排放、节约能耗、作业稳定等目标，在选用性能优异的低NOx燃烧器、进行燃烧系统设计改进的同时，还需结合必要的熔窑优化设计。

①优化熔窑小炉结构。小炉是玻璃窑炉的关键部位，小炉结构对燃料燃烧和火焰形状有重要的影响。合理的设计有利于避免火焰冲刷胸墙和大碹，促进燃料的完全燃烧，减少NOx的生成。除每侧小炉配备高效节能低NOx燃烧器以外，助燃空气从小炉口喷出的速度、厚度与燃烧器的交角都直接影响火焰形状、燃料完全燃烧程度、热辐射范围等，这些因素都会对NOx生成量产生影响。

因此，在使用新型低NOx燃烧器的同时，小炉结构设计上需要着重注意以下几个参数的设定：适当加大小炉喷火口高度，与原有窑炉的喷火口和胸墙高度相比，火焰空间提高约1.5倍；控制助燃空气从小炉喷火口进入窑炉的流速，从原来的约20 m/s降低到小于10 m/s，从而避免燃料与空气混合燃烧时过于剧烈，产生的NOx量会明显减少；同时，助燃风流量与燃料流量采取串级比例或比值调节，实现燃料的完全燃烧和烟气的低NOx生成。

②合理设计熔化池的长宽比。对蓄热室结构进行优化设计，使窑炉蓄熔比大于60∶1，以充分利用烟气热量；对格子体的类型也应做相应优化设计。

③加强窑炉密封，减少过剩空气的介入，以减少NOx的生成量。在最容易吸入外界空气的部位，如：加料口、喷嘴砖、观察孔等位置，采用全密封措施，防止冷空气渗入，有利于减少NOx的生成、降低能耗。

④熔窑采用全保温结构，有利于降低能耗，延长窑炉使用寿命，提高玻璃液质量。

3 结语

采用新型玻璃窑炉低NOx燃烧系统设计及配套方案，可在生产过程中减少NOx的生成，从而缓解玻璃企业的减排压力及经济负担，是目前降低NOx排放的较好手段。同时，也为提高企业的市场竞争力提供了重要保证。