[科普中国]-全氧燃烧技术

发展背景

近年来，随着雾霾天气的频繁出现，人类的生存环境受到严重威胁，大气的污染治理越来越成为人们关注的焦点，特别是大气污染物中的氮氧化物(NOX)。氮氧化物有特殊的刺激气味，损害人的眼睛和肺部，引起支气管哮喘等，NOX与碳氢化合物在紫外线的照射下会产生光化学烟雾，对人体和环境均产生较大危害。其中的一氧化氮能损害中枢神经系统，甚至危及生命。这些氮氧化物的主要来源就是锅炉和熔窑排放的各种废气，如传统空气助燃会产生大量的NOX等。而近年来发展起来的全氧燃烧技术能够有效地减少了NOX的排放，起到了非常显著的节能减排效果，在锅炉和熔窑中取得了越来越广泛的应用。2

全氧燃烧技术与其他燃烧技术比较燃烧技术的发展主要经历了传统的空气助燃技术、富氧燃烧技术、纯氧助燃技术、全氧燃烧技术四个过程，传统空气助燃技术使用的氧气是从空气中获得的，氧气在空气中仅占21%左右，而占78%的氮气并不参与反应，而是被加热后排入大气中，造成大量的热量损失，据统计，这部分热量损失约占能耗的30%以上。不参与燃烧反应的氮气在高温下还会与氧气反应生成大量的氮氧化物NOX，造成严重的环境污染。同时，含氮烟气也容易对蓄热室、烟囱造成侵蚀，缩短这些设备的使用寿命。

另外，在工艺上，传统工艺助燃技术还需要通过定时换火使烟气和空气进行热交换以回收部分热量，使得炉温和炉压会产生波动，影响产品质量。为了提高燃料燃烧热量的利用率，减少污染气体的排放，可以通过提高助燃气体中氧气的比例、减少氮气的比例来实现。

随后发展的富氧燃烧技术将助燃空气中含氧量增加到21% ～ 40%，氧气含量较空气助燃技术增加，使得燃烧速度加快。另外，由于氮气含量的减少，使得热量损失大大减少，同时产生的氮氧化物废气量也明显减少。

在燃料燃烧过程中，如果继续增加氧气的浓度90%以上，也就是利用氧气纯度> 90%的氧气代替空气与燃料进行燃烧，这种燃烧技术称为全氧燃烧。该种燃烧技术中起助燃作用的为氧气，所以以天然气为燃料为例，全氧燃烧时燃烧产物也只有H2O和CO2。

空气助燃:CH4+ 2O2+ 7． 5N2→CO2+ 2H2O + 7． 5N2

全氧燃烧:CH4+ 2O2→CO2+ 2H2O

由于氧气纯度的增大，燃烧速度加快，燃料燃烧地更充分完全; 同时，氮气及其他不参与燃烧反应的气体浓度大幅度减少，减少废气带走的热量及NOX的排放，达到节能、减排的效果; 另外，在燃烧过程中，主要依靠水蒸气和二氧化碳等来进行辅助燃烧，在一定程度上增强了炉体表面的辐射，使得火焰燃烧温度大幅度提高，增强了火焰的传热能力。全氧燃烧技术与空气助燃技术相比具有显著的优势，也被誉为燃烧技术发展史上的第二次革命。

如果只是把有限的纯氧(> 90%) 进行收集，有效引入到窑炉的关键部位，也就是在炉窑中部分设置全氧燃烧系统，称之为纯氧助燃。

目前主要的纯氧助燃技术在玻璃生产行业有浮法玻璃熔窑中俗称的0号小炉纯氧助燃技术、玻璃熔窑梯度增氧( 底吹) 纯氧助燃技术、玻璃熔窑增设全氧喷枪纯氧助燃技术等。2

全氧燃烧技术研究现状全氧燃烧技术在世界燃烧工艺上还没有大范围应用推广，目前在玻璃行业生产过程中有一些应用，玻璃熔窑全氧燃烧技术开始于20世纪40年代，美国康宁公司首先试用天燃气－氧气燃烧技术。1983年，康宁公司并建成第一座天然气全氧池窑并先后对34座玻璃熔窑进行了全氧燃烧系统的改造。

随着节能减排、环境保护等问题越来越受到重视，美国的PPG玻璃集团公司、普莱克斯公司也大力发展全氧燃烧技术。目前，全世界已有200多座全氧燃烧熔窑，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。国外玻璃熔窑全氧燃烧技术的飞速发展也使国内的研究人员开始关注该技术的研究工作。

20世纪90年代初我国开始研发玻璃全氧燃烧技术，并已开始在轻工玻璃、电子玻璃和玻璃纤维熔窑中应用全氧燃烧技术，一些全氧玻璃熔窑已相继建成并投入使用。2

全氧燃烧技术的优点节能降耗，减少NOX排放传统空气助燃技术中氧气含量只有21%，约78%的氮气被无谓地加热、排放，这部分热量损失能占到能耗的30%以上，造成了很大的浪费。

同时，氮气和氧气在高温下会生成氮氧化物NOX，对人体和环境均造成很严重的危害。同时，含氮烟气也会腐蚀蓄热室、烟囱等设备，使熔窑使用寿命缩短，增加成本。而全氧燃烧技术中氮气含量很少，减少了废气带走的热量，降低了环境污染。

提高玻璃熔化质量传统空气助燃技术需要通过定时换火使烟气和空气进行热交换以回收部分热量，换火期间窑温和窑压会产生波动，影响玻璃产品质量。

而全氧燃烧技术火焰稳定，不用进行换火，减少玻璃内的气泡等，有利于玻璃的熔化。同时由于全氧燃烧时窑内水蒸气含量较高，使得玻璃液内的碱浓度增加，也有利于玻璃的澄清，提高玻璃质量。

火焰温度高，燃料燃烧完全，产量提高随着燃烧空气中氧气比例的增加，玻璃熔窑内火焰的温度显著提高。

在全氧燃烧技术中，燃料充分燃烧，产物主要为CO2和H2O，黑度大，辐射能力强，火焰温度明显提高，配合料熔化率提高，提高熔窑产量。

熔窑建设成本低全氧燃烧熔窑省去了小炉和蓄热室，占地小，降低了建设的投资费用。即使加上制氧设备的成本，初期投资也会降低。同时由于熔窑结构更加简单，降低了维护和维修的成本。2

全氧燃烧技术需要解决的关键问题开发氧气纯度高、制氧费用低的制氧技术我国制备氧气的成本一般较高，目前现有的制氧技术包括化学法、水电解法和空气分离法。化学法和水电解法生产成本较高，一般不用于工业生产。空气分离法是以空气为原料，将空气中的氧气和氮气分开。空气分离法可分为深度冷冻法、真空变压吸附法(VPSA法) 和富氧膜分离法。深度冷冻法制取氧气是利用空气中的氧组分与氮组分沸点不同，从而通过控制温度将其逐一蒸发分离出来。其工艺过程包括压缩、净化、换热、液化、制冷、精馏等。如果要获得更高纯度的氧气，可以经过二级精馏甚至三级精馏得到高纯氧。

真空变压吸附法(VPSA法) 是利用气体在吸附剂中压力下吸附、真空解吸的原理将空气中氧气进行分离提纯。该法以空气为原料，以沸石分子筛为吸附剂，利用压缩空气中的氧气、氮气在分子筛孔隙中扩散速率不同而达到分离空气的目的。

真空变压吸附法(VPSA法) 设备简单、运行成本低、自动化程度高、制氧快速便捷、占地面积小等优点，是理想的全氧燃烧现场制氧技术。但其得到的氧气纯度一般不高于95% 。

富氧膜分离法是利用有机聚合膜渗透选择性，从气体混合物中分离出富氧气体。用膜分离法制取氧气所需设备较简单，操作也比较方便，但膜价格较贵，制取的氧气纯度不高，只有40 % ～50 % 。

寻找优质的耐火、耐蚀材料采用全氧燃烧技术后，窑内气体成分变化明显，燃烧产物中的水蒸气含量可高达50%以上，水蒸汽会和玻璃熔体中的氧化钠反应生成大量氢氧化钠，使得碱挥发物的体积浓度也大幅增加:

Na2O + H2O→2NaOH

生成的氢氧化钠还会生成硫酸钠，硫酸钠会在烟道中冷凝成液滴或颗粒:

2NaOH + SO2+ 1 /2O2→Na2SO4+ H2O

较大的碱蒸汽浓度和生成的硫酸钠都会造成碹顶硅砖等耐火材料被严重侵蚀，硅砖寿命大幅缩短。因此需要碹顶材料的抗碱性和耐火度都要有所提高。目前常用的优质耐火材料包括电熔AZS砖、α － β氧化铝砖、特优硅砖、熔融再结合镁铝尖晶石砖等。

另外，除了开发新型耐火材料外，也可以通过提高碹顶高度降低对碹顶硅砖的侵蚀。主要是由于碹顶高度提高后，降低了气体的速度和靠近碹顶位置的碱蒸汽的浓度，因而减少了碱蒸汽对碹顶的腐蚀程度。

除此之外，还可以通过设计新式全氧燃烧喷枪来降低碱蒸汽对玻璃窑炉大碹和胸墙的侵蚀，如陈福等设计的扁平式全氧燃烧喷枪。通过设计新型喷枪，使火焰在空间温度存在梯度，下部空间接近玻璃液部分，氧气充足，充分燃烧，达到高温高辐射火焰，加热玻璃液，使能量得到充分利用。上部为缺氧区，火焰温度不高，防止大碹和胸墙受到侵蚀。2

全氧燃烧技术在药用硼硅玻璃生产中的应用大量的应用实践表明: 全氧燃烧具有传热效率增强( 节省燃料)、玻璃液温度均匀性好 ( 确保成形质量 ，提高玻璃质量档次 )、燃烧空间耐火材料温度低 ( 延长耐火材料使用寿命 )、熔窑稳定性好、产量提高、维护减少和环保等许多优点。

全氧燃烧不仅可以达到降低能耗的目的，而且全氧燃烧与空气燃烧相比，在玻璃窑的建造投资、运行费用、产品质量等方面会带来以下好处。

(1) 使用全氧燃烧技术，由于有别于传统空气助燃熔窑的熔窑形制、燃烧系统及特殊的燃烧方式，熔化的玻璃液具有较高的温度，灵活的排枪及调整方式，使熔窑内的热点更容易控制，熔化的玻璃可以有更好的澄清与均化，玻璃的均匀度更好。这一点可以从玻管的密度测定上获得数据支持。

(2) 全氧燃烧与蓄热式空气助燃熔窑相比，由于无需蓄热室，以及因废气排放设备的缩小等因素使建筑占地大大减小，全氧燃烧熔窑的土建投资费更低。

(3) 由于没有传统燃烧助燃空气中带入的大量氮气，单位玻璃产生的NOx排放量大大降低，满足绝大部分地区的排放指标，省去了脱硝设备的投资及运行费用。

(4) 与空气燃烧相比，熔化率有明显的提高，可达到86% ～90%，这意味着获得相同数量的玻璃需要的熔窑面积减小。

(5) 由于没有换向且尾气排放量大大降低，粉尘排放量大大减少( 全氧燃烧时废气排放量约为空气燃烧时的25% ～27%) ，与空气助燃相比可减少40%以上，有数据表明，硼的挥发量也有明显降低，意味着料方计算时的硼补充量可减少，这为节约成本创造了条件。

(6) 熔化单位玻璃能耗( 熔化池能耗，不含料道及马弗炉能耗，下同) 比空气助燃大幅降低，燃料消耗降低可达30%以上，目前热值为35 100 k J/Nm3(8 400 kcal/Nm3) 天然气的能耗为150 Nm3/ t，热值为15 700kJ / Nm3(3 750 kcal/Nm3) 的焦炉煤气能耗为310 Nm3/ t，而相同产能的电熔窑约为1100 ～ 1200 k W·h / t，节能效果明显。

且全氧燃烧技术的能耗为线性特征，不像空气助燃熔窑一样到熔窑后期由于蓄热室堵塞而造成能耗急剧上升，生产能力及玻璃品质严重下降。

(7) 同时，研究证实全氧燃烧玻璃窑在设计上具有更大的自由度。如目前投产的某公司熔窑有4

台熔窑为一窑四线，另有1台一窑二线，在建的2台均为一窑四线布置。已投入生产的熔窑既有根据全氧燃烧技术采用的大长宽比的熔窑，也有在原有马蹄焰熔窑基础上直接改造的成功案例。

由于全氧燃烧技术可以获得更高的火焰空间温度、更高的火焰黑度、更强大的火焰辐射能力，使得熔窑的池深发生明显变化。

以往空气助燃的熔窑，由于耐火材料的侵蚀，池底富锆、富铝玻璃的沉积，往往造成上下层玻璃性质的较大差异，所以业内有理论研究认为低硼硅玻璃在空气助燃的熔窑设计时窑池的玻璃液深度不能超过900 mm。但由于全氧燃烧上述特点使得熔窑的深度已经远远超过了这一理论深度，配合鼓泡和窑坎技术的运用，相同熔化面积的熔窑采用全氧燃烧技术可以获得更高的玻璃温度、更高的熔化率。

(8) 采用更加先进的控制系统，使日常操作更加简单易行。根据全氧燃烧特点研发的全新熔窑控制系统有总量控制模式、氧燃比控制模式、手动控制模式等多种方式供选择，真正满足了智能控制、便捷控制的客户需求。同时，比传统熔窑更多的测量点获得大量数据为在线分析提供了可能，DCS系统具有相关性对比、调查的功能，能运用历史数据为熔窑的调整提供科学的依据。同时，运行数据的累积为生产状况的可追溯提供帮助，这些功能的实现为技术人员系统优化熔制制度提供很好的素材和依据。

(9) 耐火材料，特别是电熔耐火材料的消耗大大降低。以1台天然气全氧燃烧熔窑为例，其正常窑龄的周期内吨玻璃耐火材料消耗为2．25 kg，而相同产能的电熔窑吨玻璃耐火材料消耗约为3．1 kg。此数据无论从客户投入产出比而言，还是绿色生产来讲都是有益的。

(10) 玻璃中的羟基(OH－) 是在熔化过程中形成的，自有水、原料中的结晶水、火焰燃烧时产生的水分，在高温条件下电离分解产生，其与玻璃网络中的Si和O连接，分为强羟基、自有羟基和极强羟基。

一般空气助燃的火焰窑熔化的玻璃中羟基含量可达0．2% ～ 0．8%，全电窑熔化的玻璃羟基含量可达0．1% ～ 0．3%。有资料表明由于全氧燃烧熔窑在熔化玻璃时，熔窑内部的水蒸汽浓度为传统空气助燃熔窑的5～ 6倍，所以会有更多的水分进入玻璃网络中，其羟基含量会超过1%。

研究表明: 玻璃中的羟基有着极为重要的作用，它有助于玻璃的澄清和均化，也有利于玻璃红外线吸收能力的提高，在1 200～1 500 ℃条件下，玻璃制品的火焰加工时间可大大缩短并降低加工温度，这有利于减少二次加工时B2O3和Na2O的挥发，提高管制瓶内表面的耐水性能，这个特点对药用玻璃拉管产品的应用有着极为重要的意义。如果羟基含量不足，则需要更高的火焰温度和更长的加热时间，因此羟基含量低的玻璃经过火焰加工后，其表面耐水性往往会变得较差。3

全氧燃烧技术在药用玻璃行业的应用展望中性玻璃中性玻璃作为高性能药用玻璃，正在受到越来越多从业者的关注。它与目前国内注射剂企业普遍使用的玻璃材料相比有明显优势: 一是膨胀系数小，耐急冷急热性强，更适合冻干类产品; 二是加工过程中不易炸裂，机械强度高，抗冲击性强; 三是化学稳定性好，耐酸耐碱耐水级别高，能保证药品有效期，尤其是水针制剂，减少和避免白点、脱片及可见异物的发生。

目前国际上中性玻璃熔制大多采用全氧燃烧加电助熔方式，相比纯电熔窑在产能、玻璃的理化指标等方面具有得天独厚的优势。

目前国内部分企业已经看到其中的方向及商机，并积极投身其中，相信不远的将来定会有大规模国产化的一天。

环保问题随着国家环保治理力度的不断加大，环境保护正在逐步成为各级政府工作的重点。以往粗放型、高排放即将成为历史。药用玻璃生产过程中，氮氧化物、氟化物、硫化物、粉尘的排放有其特殊性。相比而言，全电窑、全氧燃烧和全氧燃烧加电辅助加热在环保方面有着与生俱来的先天优势。而且，由于全氧燃烧的燃烧、加热原理有别于空气助燃和全电熔，它除了具有减排的优势外，由于羟基含量的大大提高为玻管的可加工性、化学稳定性的改善提供了可能。3

结论采用全氧燃烧技术不但可以简化熔窑结构、节省建设费用、节约燃料、提高玻璃质量，而且还可以减排氮氧化物的排放，具有良好的经济效益和环境效益。

全氧燃烧技术具有十分广阔的发展前景，但与国外相比，国内在全氧燃烧技术方面的研究还有一定的差距。全氧燃烧技术是玻璃玻璃熔化技术的第二次革命，对缓解我国能源供应日益紧张、环境污染日益严重的严峻局势，因此继续加大力度推广使用全氧燃烧技术具有重要的现实意义。2