浮法玻璃窑炉应用顶插全氧喷枪的探讨

引言

截至到目前，我国已有浮法玻璃生产企业90 余家，浮法生产线总计337 条。窑炉作为浮法玻璃企业熔制玻璃的关键设备，消耗了大量的燃料。随着我国经济发展的转型，对绿色发展理念的重视，对浮法玻璃这个高能耗行业提出了新的要求。浮法玻璃生产企业都积极探索，改造现有设备，采用新的技术，减少产品能耗，提高产品质量，以提高企业竞争力。全氧助燃技术对于浮法玻璃企业来说，是实现减少能源消耗、减少废气排放、降低成本、提升产品质量的一个有效途径。

传统方式的浮法玻璃窑炉全氧助燃是在投料口和1#小炉之间的胸墙上使用全氧喷枪，即0#氧枪。而置于大碹上的垂直燃烧的顶插式全氧喷枪作为另一种全氧助燃的方式，则很少有在浮法窑炉上实际使用案例。

1　应用原理

在玻璃熔制过程中，从火焰到配合料的传热至关重要。火焰总的热传递基本上可以描述为辐射传热和对流传热两部分的和，如式（1）所示：

QT＝QR＋QC＝f[esA（Ts4－Tb4）]＋g[hcA（Tg－Tb）]　　（1）

式中：QT—火焰到配合料的总的传热；

QR—辐射传热；

Qc—对流传热；

f—辐射方程；

g—对流方程；

e—辐射率；

s—斯忒藩-玻耳兹曼常数；

A—对流传热面积；

Ts—辐射源的绝对温度；

Tb—配料的绝对温度；

hc—对流传热系数；

Tg—气体的绝对温度。

通常，当在火焰和液面（或配合料）之间的边界层区域内出现燃烧反应时，对流换热占总传热的比例为6%～9%。如果没有出现燃烧反应，则对流换热的比例为3%～5%。在没有燃烧的边界层上方的燃气平均温度下，传热系数约为35 W/（m2·K），在有燃烧情况下为80～120W/（m2·K）。

浮法玻璃窑炉侧插0#氧枪助燃如图1所示，显示了典型的传统玻璃熔窑内的传热，无论是0#氧枪或是普通喷枪都是沿水平方向进行燃烧。在常规水平燃烧玻璃炉内的整体传热过程中，对流传热相对辐射传热而言，贡献很小。这是因为玻璃窑炉中的温度很高，由式（1）可知，温度越高辐射传热部分越占主导地位。对流成分受对流系数的进一步调节，对流系数包括配合料和玻璃液上方的局部流体性质。

图1　浮法玻璃窑炉侧插0#氧枪助燃

在传统的窑炉中，相对比较厚的边界层和比较低的热驱动力的存在决定了大约95%的总热传递来自于火焰和大碹的混合辐射。因此，传统窑炉能达到的最大传热取决于熔化部面积和上部耐火材料所能经受的最高温度。由于耐火材料能承受的最高使用温度是固定的（采用硅砖的大碹一般为1 600 ℃左右），所以提高使用传统化石燃料的玻璃窑炉熔化率的唯一办法是增加配合料的表面积，这就限制了玻璃窑炉的单位熔化率在一定的范围内无法再提高。

常规的氧气—燃料燃烧能提高辐射换热，但对对流传递的影响较小。较高的火焰温度和燃烧产物的增强发射率直接增加了燃烧空间的辐射。低速、厚的边界层以及与批处理和玻璃液相接触的燃烧产物的相对低温（与火焰本身的温度相比）减小（对对流分量的影响）。

采用顶插喷枪的燃烧方法可以提高对流传热。如图2所示，顶插喷枪垂直方向燃烧的火焰快速喷向下方的配合料和玻璃液，导致火焰和配合料之间的边界层显著变薄，高温火焰与相对较冷的配合料之间的紧密接触，火焰中未完全燃烧的物质在冷的配合料表面会继续发生反应和释放出能量，进一步加强了对流传热。

图2　浮法窑顶插喷枪助燃

对配合料的总热传递的增加是窑炉增加熔化率的关键。此外，由于顶插喷枪安装在大碹中，所以有很大的空间来选择安装喷枪的合适位置。因此，这种方式可以在单位面积的配合料上提供更多的能量，而不会将窑炉的运行温度超出耐火材料的承受能力。这种顶插喷枪熔化方式，可以在固定尺寸的窑炉中增加玻璃的拉引量或提高玻璃的质量。

2　实施方法

2.1　全氧助燃氧气来源

目前，全氧燃烧合适的氧源主要有以下几种：直接使用液氧、低温空气分离法（ICO）制氧和变压吸收法（VPSA）制氧。其中，直接使用液氧的方式需要再建设液氧储存系统，从气体公司购买高纯成品液氧，价格较高；低温空气分离法制氧投资比较大，系统比较复杂，氧气产量大，纯度高（99%左右），一般适用于全氧燃烧大量使用的情况；变压吸收法制氧适合中小规模制氧，纯度能在一定范围内调节，生产比较灵活。

对浮法玻璃厂来说，由于锡槽需要使用大量的氮气来防止锡液被氧化，作为浮法窑炉的配套设施建有氮站，作为其副产品的氧气是全氧助燃合适的氧源。为了全氧助燃，氮站在设计之初就应该考虑生产氮气的同时利用剩余的氧气。氮站的制氧量用于全氧燃烧是远远不够的，不过用于全氧助燃则是可以满足要求的。一般情况下氮站产生氧气的压力偏低（约40 kPa），需要进行升压调节后使用。

2.2　喷枪布置

对于浮法玻璃窑炉来说，在传统上使用0#小炉区域的大碹上用1～2支顶插喷枪就可以充分利用氮站的氧气，提供整个窑炉大约10%的热量输入，达到一定的助熔效果，同时，由于全氧助燃所占比例较低，不会导致窑炉燃烧空间的水蒸气和NaOH的浓度剧烈上升，因而不会对窑炉的硅砖材质大碹的侵蚀造成大的影响。

对于新建的窑炉，可以在0#小炉和前2～3对小炉区域（视窑炉的规模而定）的大碹上同时使用多支顶插喷枪，同时取消前2～3对小炉和蓄热室，这种情况下窑炉靠近投料口的区域内存在大量的全氧燃烧，水蒸气和NaOH浓度很高，可能导致硅质大碹出现问题，因此需要考虑在相关区域使用一段电熔AZS大碹。这样会增加一部分建设成本，不过同时也会节约相应位置蓄热室的建造成本。

这样的混合式的窑炉结合了两者的长处，有以下几个优点：

（1）由全氧燃烧带来的益处：和同样大小的普通空气燃烧窑炉相比，能达到更高效的传热，配合料料山不受换火影响，因此更稳定，从而达到更大的拉引量，更低的单位能耗，获得更高的玻璃质量，还有减少飞料对蓄热室的堵塞，同时也能降低NOx的排放。

（2）由普通空气燃烧带来的益处：整个窑炉大部分还是传统的形式，减少了建设和运行的成本，同时减少了全部全氧燃烧造成澄清部产生过多的泡沫，改善澄清部的热传递。

2.3　注意事项

顶插式喷枪助燃不适合含有挥发性成分的玻璃组成。在火焰的直接高温冲刷下，配合料中的挥发会增加，并且会在碹顶喷枪处冷凝下来，堵住喷枪和损坏喷枪附近的耐火材料。

应注意喷枪的安装。不合理的安装位置和角度可能导致气流在接触配合料后冲向周围墙体和碹顶，造成配合料的飞料。合理的安装则可以减少飞料，并增加燃料燃烧后生成气体在窑内的停留时间，达到更好的传热效果。

注意全氧燃烧造成的局部高水分高碱蒸汽的影响。就像使用0#氧枪助燃那样，顶插喷枪局部使用不会有大的影响，但是如果大量应用就必须重视气氛的改变对耐火材料的影响。

3　模拟验证

对顶插喷枪的效果进行数学模拟。首先计算了不使用任何助燃的普通浮法窑炉（模型1），然后分别计算使用传统0#氧枪助熔的窑炉（模型2）和使用顶插氧枪助熔的窑炉（模型3）3种情况。在这3个模型中，除了1#小炉前的助燃方式有所不同外，其它部分的结构完全一样，各个窑炉拉引量都为550 t/d。案例2和案例3投入了一样多的助燃燃料（4.9%），1#小炉的燃料量由保持1#小炉位置靠近池底处的玻璃液温度不变来调节，其余小炉的负荷则保持不变，以尽量使3个案例中玻璃液有相似的温度和流动情况，即保持相似的玻璃质量，以方便比较。

3.1　燃烧空间

3个模型各个小炉燃料负荷（以基础模型的能耗为100%计算）比较见表1。

案例2和案例3在基础案例上分别取得了1.5%和1.7%的节能效果，可见使用顶插喷枪比使用0#小炉取得了更好的节能效果，但是两者之间的差距并不大。在助燃量比较小的情况下，只要0#氧枪的燃料燃烧后的高温气体有足够的

停留时间把热量辐射出去，总体传热效率并不会比使用顶插喷枪低。顶插喷枪只有在比较大的使用负荷下才能充分发挥其传热效率高的特性。

3个模型大碹内表面温度对比见表2。

模型2和模型3使用助燃后，使在1#小炉前的大碹内表面温度有所提高，但处于耐火材料的安全温度范围内，大碹其他位置则温度稍有下降。模型3使用顶插喷枪后碹顶热点处温降更多，从1612 ℃降低了3 ℃，而模型2与之相比只降低了1 ℃。可见使用顶插喷枪后，与使用常规0#氧枪相比，更多比例的热量直接进入了玻璃液，在同样的拉引量和质量的情况下热点温度更低，因此具有更大的提高拉引量的潜力。

模型3在配合料上表面附近气流速度比模型2有所增加，不过每支顶插喷枪的流量并不大，而且其速度主要是垂直方向上，冲击配合料后向四周分散。从图3和图4中可见，与下方同样存在大量配合料1#小炉相比，顶插喷枪在配合料上方的高速区域的面积很小，水平速度风速也不大，并不会带来更多的飞料问题。

图 3　窑内顶插喷枪附近气流的速度场

图4　窑内1#小炉附近气流的速度场

3.2　玻璃液

在这3个模型中，玻璃拉引量是相同的，而且除了配合料到1#小炉之间，其它部位采用了相同的燃料分配。从图5和图6可见，3个模型中玻璃液的温度场和速度场基本一致。可见局部的助燃，无论是使用顶插方式，或是传统的0#氧枪侧烧方式，都不会使原有玻璃液流循环发生大的变化。

图5　3个模型中玻璃液的温度场

图6　3个模型中玻璃液的流线

4　结语

浮法窑炉上使用顶插全氧喷枪助燃是除了传统0#氧枪助燃之外的另一种方式，能够有效地降低单位能耗、提高玻璃质量、增加拉引量。由于这种助燃方式的传热特性，在节能降耗和提高玻璃拉引量方面比0#氧枪更有潜力。无论是在浮法玻璃窑炉上局部的助燃，还是在新窑上以较大比例和传统空气燃烧混合使用，都有一定应用价值。综合考虑成本和使用的风险，就目前来说，最佳的用法是在一个窑期快结束时，当蓄热室出现严重堵塞导致熔化能力下降时，恢复原有的产量，从而延长窑期。