王涛 郭勇 瑞米·奇亚瓦 阎韬 顾玉泉

（1. 杭州三星工艺玻璃有限公司 杭州 311116；2. 河南奥克金泰窑炉技术有限公司 安阳 455000；3. 法国液化空气公司 上海 201106）

0 引言

全氧燃烧（又称为纯氧燃烧、Oxy-Fuel combustion）技术的燃烧模式为燃料+氧气，与传统的空气助燃技术相比，助燃介质由空气变为了氧气，减少了大约78%的低温氮气带入燃烧过程以及相应的高温烟气中氮气带出，这就是全氧燃烧区别于传统空气助燃方式的基本特征之一［1］。

在玻璃行业，全氧燃烧技术最早主要被应用于玻璃品质要求较高、生产难度较大的窑炉，且对NOX排放等控制较严格的地区。随着制氧技术的发展及电力成本的降低以及社会对温室气体（CO2等）排放的诉求不断提高，由氧气、燃料组成的全氧燃烧技术在玻璃熔窑中成为取代由空气、燃料组成的常规燃烧系统的更好的选择方案，这是因为全氧燃烧在环保、节能、产量和质量、减少设备投资和节省厂房场地等诸多方面均有优异的表现。在中国，随着经济的发展，能源和环境保护的问题将更加突出，全氧燃烧技术被认为是最经济、可靠、有效的选项之一。

1 工程实例

6#窑是杭州三星公司第一个全氧燃烧窑炉，也是当时国内最大的全氧燃烧化妆品玻璃窑炉。从空气助燃蓄热室窑炉转型到全氧燃烧，对技术团队的业务能力提出了更高的要求，对新事物的认识、特别是全氧燃烧的一些特点通过实践摸索，积累了丰富的经验。其取得了较好的成绩的同时，也发现了一些需改进的问题。希望在新的一个窑期的冷修过程中通过强强联合，在燃烧技术及节能、环保上取得新的突破。

1.1 现有烧枪特点

（1）二代双层扁平枪，燃烧稳定，可靠性高，技术成熟。

（2）火焰刚性较强，热能集中，加热覆盖面小，玻璃表面泡沫较厚，热传导有改善空间。

（3）动能较大，对玻璃液面、料堆冲击较大、对耐火物的冲刷严重。

（4）由于火焰中心温度较高，初始NOX排放值较高。

1.2 改进方向

（1）环保上NOX排放初值有效降低。减少脱销的运行成本，有利于绿色生产。

（2）火焰更长、更宽，覆盖面更大，玻璃液面附近气体湍流更稳定。

（3）火焰更加柔和。减少对玻璃液的冲击和对火焰空间的耐火材料的冲刷侵蚀。

（4）具备一定的消泡功能，降低消泡液的使用量，提高燃烧热效率。

（5）提高火焰对玻璃液的综合传热效率，降低单位产品能耗，减少碳排放，更加节能环保。

1.3 改善思路

1.3.1 全氧燃烧技术与燃烧器的选择

众所周知，通常高温燃烧时助燃空气、玻璃配方中的硝酸盐、冷却风中的氮气在高温状态下会产生NOX， 即氮氧化物。NOX产生的必要条件是高温、氧气和氮气。以目前的技术，在高温燃烧的过程中决定杜绝NOX的产生几乎是不可能的，只有通过各种办法尽量降低其产生的初始值。

低氮氧化物全氧燃烧技术，是一项相对成熟并被广泛采用的技术。主要通过分级燃烧等具体技术措施实现［2］。如常见的分级式全氧-燃料燃烧器，采用氧气分级将一部分氧气分流以延迟燃烧过程，初始的火焰呈现富燃料特性，分级的氧气在该富燃料火焰的上部或者下部引入，进一步完成整个燃烧过程。

法国液化空气公司开发的新型全氧燃烧多分级（三级）燃烧器ALGLASS SC_b是一款针对目前全氧燃烧市场需求，设计开发的新型全氧燃烧器，采用多分级燃烧技术，其中三级氧化剂和二级氧化剂位于燃料-初级氧化剂的同一侧（上方），初级氧化剂最先与燃料接触并形成稳定的火根，二级与三级氧化剂的配合使用，使得用户可以根据熔制工艺不同的要求，灵活调整火焰的长度以及火焰高温区域的位置。各级氧气与燃料的接触位置和混合效果的差异，同时满足了熔制工艺对窑炉内部不同区域氧化还原气氛的要求。

图1为ALGLASS SC_b系列全氧燃烧器外观简图。

ALGLASS SC_b全氧燃烧器的结构及原理示意见图2、图3［3］。

与ALGLASS SC_b燃烧器相接近的另一款ALGLASS SC_c系列的全氧燃烧器［4］也是氧气三级分级的燃烧器，不同之处在于该系列燃烧器的初级氧-燃料层位置位于燃烧器中间层，二级氧和三级氧分别位于初级氧-燃料层的上部和下部。测试结果显示，相对于ALGLASS SC_b系列，该燃烧器更易于产生高温的火焰，其氮氧化合物初始生成物较多。

1.3.2 ALGLASS SC_b全氧燃烧器主要特性

ALGLASS SC_b全氧燃烧器的多级氧气分级方案，通过氧气分级，结合喷吹角度、喷嘴截面积等的计算与设计，进一步满足玻璃熔制工艺对加热火焰的要求，主要表现在通过火焰长度以及火焰覆盖面积、火焰的刚性、火焰局部气氛、火焰亮度等与熔制工艺的匹配，实现降低能耗、减少CO2和NOX排放、改进产品质量等目的。

通常情况下，各级氧气占比分布区间（体积比），初级氧（燃料周围）1%～15%；二级氧10%～50%；其余分布在三级氧。也可以根据具体窑炉运行情况适当改变。

通过以上技术方案以及氧气/燃料供应系统的匹配，实现火焰柔性适合、对物料冲击平缓、火焰覆盖面积大等低动量燃烧的特征。

2 实施改进

生产线基本情况：第一个窑炉于2018年3月投产，五只烧枪错位对烧。乳装瓶晶白料玻璃，对玻璃质量要求较高，气泡、结石、条纹的实际品控水平均远高于其他包装玻瓶。

此项目为新建项目，设计9条料道，熔化面积53 m2，设计熔化率1.6 t/（m2·d），目标出料量为85 t/d。此窑炉最高出料量为102 t/d，长期稳定在83～86 t/d。能耗为原空气助燃窑炉的69%左右。玻璃质量明显优于传统的空气助燃的蓄热室窑炉，且熔化率明显提高。

存在问题：

①高温带、转角砖、流液洞等部位侵蚀严重；

②泡沫层较厚，需要长期喷射消泡剂；

③玻璃质量波动，突出表现为微小泡（麻料）受控水平低，是影响玻璃质量的主要因素。

为解决上述问题，经过长时间的沟通、论证，决定采用法液空最新研制的多层低动能ALGLASS SC_b系列燃烧器。基本参数确定：功率 2000 kW和500 kW。

新型烧枪的投用：

第二个窑期于2022年初冷修，在原有的基础上增大了长宽比，有利于玻璃的均化和澄清。采用低动能烧枪技术，拟在燃烧、低氮、玻璃质量等方面得到改善。

经过各方的努力，该系列低动能烧枪于冷修后的全氧燃烧窑炉上如期投入使用，该项目使用2000 kW烧枪3只（使用在窑炉的高温区），500 kW烧枪2只（使用在窑炉的加料端和澄清区，温度较低的区域）。经过调试和测试，达到了原设计指标。

3 应用效果验证

（1）能耗：在出料量76～78 t/d时，碎玻璃率12%，8个料道生产时，平均天然气能耗较上一窑期平均值有3.5%以上的下降。

（2）玻璃质量：麻料的发生率大大降低。

（3）火焰形状：火焰覆盖面积更大，基本可以达到窑炉宽度的75%～90%。且火焰柔软，对窑炉空间耐火物的冲刷及玻璃液面的冲击更小。通过调整分配阀，可有效调整火焰的长短。通过更换不同的喷吹管可有效改善火焰的喷射角度。

（4）泡沫情况：由于改枪有一定的消泡功能，初始泡沫情况有明显改善，在底部温度一定时，火焰空间温度大幅降低。这有助于节能和延长窑炉空间的寿命。镜面效果见图4。

（5）NOX：窑炉内燃烧产物（窑炉初始排放值）氮氧化合物下降30%左右。

（6）火焰覆盖：火焰覆盖面更大，玻璃液及空间温度梯度更加平缓，液流更加稳定。多层燃烧器燃烧时的火焰情况见图5。

4 下一步工作方向

4.1 进一步细化、优化ALGLASS SC_b全氧燃烧器的应用

根据实际使用的效果和相关经验，进一步细化、优化ALGLASS SC_b系列全氧燃烧器在玻璃窑炉的应用。目前ALGLASS SC_b系列全氧燃烧器主要规格见表1。

表1 ALGLASS SC_b系列全氧燃烧器主要规格

4.2 优化在线可调整能力，使调整变得更加便捷

喷嘴的清理和更换，可以打开燃烧器上的清灰孔堵阀，便捷实现对燃烧器（含烧嘴砖）的清灰维护。清灰结构示意见图6。

在烧枪的左右各有一个外置的氧气分配调整旋钮，可在松动备紧螺栓后使用螺丝刀进行调整，方便快捷。

4.3 燃烧器系列产品进一步标准化

由于ALGLASS SC_b系列全氧燃烧枪具有较大的调节比（Turn Down Ratio），以ALGLASS SC_b 2000 kW为例，可以适应600～3000 kW的燃烧应用场景。为了在大幅度调整燃烧器输出功率的情况下，保持理想的火焰形态和燃烧效果，除了对氧气分级比例的调整外，另一个主要措施，就是更换不同尺寸的燃料喷嘴。这些不同规格的烧嘴可应用于不同的工况，设计开发者会提供操作指南供客户根据实际需要进行选择。

4.4 进一步降低氧气系统压力

该系列烧枪提供了更大的氧气通道截面，为降低氧气系统压力创造了条件。通过降低氧气系统压力，能有效降低氧站增压机的功率，为进一步节能创造条件。

4.5 精细调整

在满足料色的情况下，精细调整高温区烧枪氧气分配比例，尽量降低泡沫层，为提高热效率创造条件。