引言
截至到目前，我國(guó)已有浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)90 余家，浮法生產(chǎn)線總計(jì)337 條。窯爐作為浮法玻璃企業(yè)熔制玻璃的關(guān)鍵設(shè)備，消耗了大量的燃料。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，對(duì)綠色發(fā)展理念的重視，對(duì)浮法玻璃這個(gè)高能耗行業(yè)提出了新的要求。浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)都積極探索，改造現(xiàn)有設(shè)備，采用新的技術(shù)，減少產(chǎn)品能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。全氧助燃技術(shù)對(duì)于浮法玻璃企業(yè)來說，是實(shí)現(xiàn)減少能源消耗、減少?gòu)U氣排放、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。
截至到目前，我國(guó)已有浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)90 余家，浮法生產(chǎn)線總計(jì)337 條。窯爐作為浮法玻璃企業(yè)熔制玻璃的關(guān)鍵設(shè)備，消耗了大量的燃料。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型，對(duì)綠色發(fā)展理念的重視，對(duì)浮法玻璃這個(gè)高能耗行業(yè)提出了新的要求。浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)都積極探索，改造現(xiàn)有設(shè)備，采用新的技術(shù)，減少產(chǎn)品能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。全氧助燃技術(shù)對(duì)于浮法玻璃企業(yè)來說，是實(shí)現(xiàn)減少能源消耗、減少?gòu)U氣排放、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。
傳統(tǒng)方式的浮法玻璃窯爐全氧助燃是在投料口和1#小爐之間的胸墻上使用全氧噴槍，即0#氧槍。而置于大碹上的垂直燃燒的頂插式全氧噴槍作為另一種全氧助燃的方式，則很少有在浮法窯爐上實(shí)際使用案例。
1 應(yīng)用原理
在玻璃熔制過程中，從火焰到配合料的傳熱至關(guān)重要。火焰總的熱傳遞基本上可以描述為輻射傳熱和對(duì)流傳熱兩部分的和，如式（1）所示：
QT＝QR＋QC＝f[esA（Ts4－Tb4）]＋g[hcA（Tg－Tb）] （1）
式中：QT—火焰到配合料的總的傳熱；
QR—輻射傳熱；
Qc—對(duì)流傳熱；
f—輻射方程；
g—對(duì)流方程；
e—輻射率；
s—斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；
A—對(duì)流傳熱面積；
Ts—輻射源的絕對(duì)溫度；
Tb—配料的絕對(duì)溫度；
hc—對(duì)流傳熱系數(shù)；
Tg—氣體的絕對(duì)溫度。
通常，當(dāng)在火焰和液面（或配合料）之間的邊界層區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)燃燒反應(yīng)時(shí)，對(duì)流換熱占總傳熱的比例為6%～9%。如果沒有出現(xiàn)燃燒反應(yīng)，則對(duì)流換熱的比例為3%～5%。在沒有燃燒的邊界層上方的燃?xì)馄骄鶞囟认拢瑐鳠嵯禂?shù)約為35 W/（m2·K），在有燃燒情況下為80～120W/（m2·K） 。
浮法玻璃窯爐側(cè)插0#氧槍助燃如圖1所示，顯示了典型的傳統(tǒng)玻璃熔窯內(nèi)的傳熱，無論是0#氧槍或是普通噴槍都是沿水平方向進(jìn)行燃燒。在常規(guī)水平燃燒玻璃爐內(nèi)的整體傳熱過程中，對(duì)流傳熱相對(duì)輻射傳熱而言，貢獻(xiàn)很小。這是因?yàn)椴ＡЦG爐中的溫度很高，由式（1）可知，溫度越高輻射傳熱部分越占主導(dǎo)地位。對(duì)流成分受對(duì)流系數(shù)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，對(duì)流系數(shù)包括配合料和玻璃液上方的局部流體性質(zhì)。
圖1 浮法玻璃窯爐側(cè)插0#氧槍助燃
在傳統(tǒng)的窯爐中，相對(duì)比較厚的邊界層和比較低的熱驅(qū)動(dòng)力的存在決定了大約95%的總熱傳遞來自于火焰和大碹的混合輻射。因此，傳統(tǒng)窯爐能達(dá)到的最大傳熱取決于熔化部面積和上部耐火材料所能經(jīng)受的最高溫度。由于耐火材料能承受的最高使用溫度是固定的（采用硅磚的大碹一般為1 600 ℃左右），所以提高使用傳統(tǒng)化石燃料的玻璃窯爐熔化率的唯一辦法是增加配合料的表面積，這就限制了玻璃窯爐的單位熔化率在一定的范圍內(nèi)無法再提高。
常規(guī)的氧氣—燃料燃燒能提高輻射換熱，但對(duì)對(duì)流傳遞的影響較小。較高的火焰溫度和燃燒產(chǎn)物的增強(qiáng)發(fā)射率直接增加了燃燒空間的輻射。低速、厚的邊界層以及與批處理和玻璃液相接觸的燃燒產(chǎn)物的相對(duì)低溫（與火焰本身的溫度相比）減小（對(duì)對(duì)流分量的影響）。
采用頂插噴槍的燃燒方法可以提高對(duì)流傳熱。如圖2所示，頂插噴槍垂直方向燃燒的火焰快速噴向下方的配合料和玻璃液，導(dǎo)致火焰和配合料之間的邊界層顯著變薄，高溫火焰與相對(duì)較冷的配合料之間的緊密接觸，火焰中未完全燃燒的物質(zhì)在冷的配合料表面會(huì)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)和釋放出能量，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)流傳熱。
圖2 浮法窯頂插噴槍助燃
對(duì)配合料的總熱傳遞的增加是窯爐增加熔化率的關(guān)鍵。此外，由于頂插噴槍安裝在大碹中，所以有很大的空間來選擇安裝噴槍的合適位置。因此，這種方式可以在單位面積的配合料上提供更多的能量，而不會(huì)將窯爐的運(yùn)行溫度超出耐火材料的承受能力。這種頂插噴槍熔化方式，可以在固定尺寸的窯爐中增加玻璃的拉引量或提高玻璃的質(zhì)量。
2 實(shí)施方法
2.1 全氧助燃氧氣來源
目前，全氧燃燒合適的氧源主要有以下幾種：直接使用液氧、低溫空氣分離法（ICO）制氧和變壓吸收法（VPSA）制氧。其中，直接使用液氧的方式需要再建設(shè)液氧儲(chǔ)存系統(tǒng)，從氣體公司購(gòu)買高純成品液氧，價(jià)格較高；低溫空氣分離法制氧投資比較大，系統(tǒng)比較復(fù)雜，氧氣產(chǎn)量大，純度高（99%左右），一般適用于全氧燃燒大量使用的情況；變壓吸收法制氧適合中小規(guī)模制氧，純度能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，生產(chǎn)比較靈活。
對(duì)浮法玻璃廠來說，由于錫槽需要使用大量的氮?dú)鈦矸乐瑰a液被氧化，作為浮法窯爐的配套設(shè)施建有氮站，作為其副產(chǎn)品的氧氣是全氧助燃合適的氧源。為了全氧助燃，氮站在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮生產(chǎn)氮?dú)獾耐瑫r(shí)利用剩余的氧氣。氮站的制氧量用于全氧燃燒是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不過用于全氧助燃則是可以滿足要求的。一般情況下氮站產(chǎn)生氧氣的壓力偏低（約40 kPa），需要進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)后使用。
2.2 噴槍布置
對(duì)于浮法玻璃窯爐來說，在傳統(tǒng)上使用0#小爐區(qū)域的大碹上用1～2支頂插噴槍就可以充分利用氮站的氧氣，提供整個(gè)窯爐大約10%的熱量輸入，達(dá)到一定的助熔效果，同時(shí)，由于全氧助燃所占比例較低，不會(huì)導(dǎo)致窯爐燃燒空間的水蒸氣和NaOH的濃度劇烈上升，因而不會(huì)對(duì)窯爐的硅磚材質(zhì)大碹的侵蝕造成大的影響。
對(duì)于新建的窯爐，可以在0#小爐和前2～3對(duì)小爐區(qū)域（視窯爐的規(guī)模而定）的大碹上同時(shí)使用多支頂插噴槍，同時(shí)取消前2～3對(duì)小爐和蓄熱室，這種情況下窯爐靠近投料口的區(qū)域內(nèi)存在大量的全氧燃燒，水蒸氣和NaOH濃度很高，可能導(dǎo)致硅質(zhì)大碹出現(xiàn)問題，因此需要考慮在相關(guān)區(qū)域使用一段電熔AZS大碹。這樣會(huì)增加一部分建設(shè)成本，不過同時(shí)也會(huì)節(jié)約相應(yīng)位置蓄熱室的建造成本。
這樣的混合式的窯爐結(jié)合了兩者的長(zhǎng)處，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）由全氧燃燒帶來的益處：和同樣大小的普通空氣燃燒窯爐相比，能達(dá)到更高效的傳熱，配合料料山不受換火影響，因此更穩(wěn)定，從而達(dá)到更大的拉引量，更低的單位能耗，獲得更高的玻璃質(zhì)量，還有減少飛料對(duì)蓄熱室的堵塞，同時(shí)也能降低NOx的排放。
（2）由普通空氣燃燒帶來的益處：整個(gè)窯爐大部分還是傳統(tǒng)的形式，減少了建設(shè)和運(yùn)行的成本，同時(shí)減少了全部全氧燃燒造成澄清部產(chǎn)生過多的泡沫，改善澄清部的熱傳遞。
2.3 注意事項(xiàng)
頂插式噴槍助燃不適合含有揮發(fā)性成分的玻璃組成。在火焰的直接高溫沖刷下，配合料中的揮發(fā)會(huì)增加，并且會(huì)在碹頂噴槍處冷凝下來，堵住噴槍和損壞噴槍附近的耐火材料。
應(yīng)注意噴槍的安裝。不合理的安裝位置和角度可能導(dǎo)致氣流在接觸配合料后沖向周圍墻體和碹頂，造成配合料的飛料。合理的安裝則可以減少飛料，并增加燃料燃燒后生成氣體在窯內(nèi)的停留時(shí)間，達(dá)到更好的傳熱效果。
注意全氧燃燒造成的局部高水分高堿蒸汽的影響。就像使用0#氧槍助燃那樣，頂插噴槍局部使用不會(huì)有大的影響，但是如果大量應(yīng)用就必須重視氣氛的改變對(duì)耐火材料的影響。
3 模擬驗(yàn)證
對(duì)頂插噴槍的效果進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。首先計(jì)算了不使用任何助燃的普通浮法窯爐（模型1），然后分別計(jì)算使用傳統(tǒng)0#氧槍助熔的窯爐（模型2）和使用頂插氧槍助熔的窯爐（模型3）3種情況。在這3個(gè)模型中，除了1#小爐前的助燃方式有所不同外，其它部分的結(jié)構(gòu)完全一樣，各個(gè)窯爐拉引量都為550 t/d。案例2和案例3投入了一樣多的助燃燃料（4.9%），1#小爐的燃料量由保持1#小爐位置靠近池底處的玻璃液溫度不變來調(diào)節(jié)，其余小爐的負(fù)荷則保持不變，以盡量使3個(gè)案例中玻璃液有相似的溫度和流動(dòng)情況，即保持相似的玻璃質(zhì)量，以方便比較。
3.1 燃燒空間
3個(gè)模型各個(gè)小爐燃料負(fù)荷（以基礎(chǔ)模型的能耗為100%計(jì)算）比較見表1。
案例2和案例3在基礎(chǔ)案例上分別取得了1.5%和1.7%的節(jié)能效果，可見使用頂插噴槍比使用0#小爐取得了更好的節(jié)能效果，但是兩者之間的差距并不大。在助燃量比較小的情況下，只要0#氧槍的燃料燃燒后的高溫氣體有足夠的
停留時(shí)間把熱量輻射出去，總體傳熱效率并不會(huì)比使用頂插噴槍低。頂插噴槍只有在比較大的使用負(fù)荷下才能充分發(fā)揮其傳熱效率高的特性。
3個(gè)模型大碹內(nèi)表面溫度對(duì)比見表2。
模型2和模型3使用助燃后，使在1#小爐前的大碹內(nèi)表面溫度有所提高，但處于耐火材料的安全溫度范圍內(nèi)，大碹其他位置則溫度稍有下降。模型3使用頂插噴槍后碹頂熱點(diǎn)處溫降更多，從1612 ℃降低了3 ℃，而模型2與之相比只降低了1 ℃。可見使用頂插噴槍后，與使用常規(guī)0#氧槍相比，更多比例的熱量直接進(jìn)入了玻璃液，在同樣的拉引量和質(zhì)量的情況下熱點(diǎn)溫度更低，因此具有更大的提高拉引量的潛力。
模型3在配合料上表面附近氣流速度比模型2有所增加，不過每支頂插噴槍的流量并不大，而且其速度主要是垂直方向上，沖擊配合料后向四周分散。從圖3和圖4中可見，與下方同樣存在大量配合料1#小爐相比，頂插噴槍在配合料上方的高速區(qū)域的面積很小，水平速度風(fēng)速也不大，并不會(huì)帶來更多的飛料問題。
圖 3 窯內(nèi)頂插噴槍附近氣流的速度場(chǎng)
圖4 窯內(nèi)1#小爐附近氣流的速度場(chǎng)
3.2 玻璃液
在這3個(gè)模型中，玻璃拉引量是相同的，而且除了配合料到1#小爐之間，其它部位采用了相同的燃料分配。從圖5和圖6可見，3個(gè)模型中玻璃液的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)基本一致。可見局部的助燃，無論是使用頂插方式，或是傳統(tǒng)的0#氧槍側(cè)燒方式，都不會(huì)使原有玻璃液流循環(huán)發(fā)生大的變化。
圖5 3個(gè)模型中玻璃液的溫度場(chǎng)
圖6 3個(gè)模型中玻璃液的流線
4 結(jié)語
浮法窯爐上使用頂插全氧噴槍助燃是除了傳統(tǒng)0#氧槍助燃之外的另一種方式，能夠有效地降低單位能耗、提高玻璃質(zhì)量、增加拉引量。由于這種助燃方式的傳熱特性，在節(jié)能降耗和提高玻璃拉引量方面比0#氧槍更有潛力。無論是在浮法玻璃窯爐上局部的助燃，還是在新窯上以較大比例和傳統(tǒng)空氣燃燒混合使用，都有一定應(yīng)用價(jià)值。綜合考慮成本和使用的風(fēng)險(xiǎn)，就目前來說，最佳的用法是在一個(gè)窯期快結(jié)束時(shí)，當(dāng)蓄熱室出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞導(dǎo)致熔化能力下降時(shí)，恢復(fù)原有的產(chǎn)量，從而延長(zhǎng)窯期。
