作者：

王涛¹        郭勇²       瑞米-奇亚瓦³  阎韬³  顾玉泉³

1.杭州三星工艺玻璃有限公司       杭州市余杭区径山镇小古城村  邮编；311116

2.河南奥克金泰窑炉技术有限公司   河南省安阳市高新区中华路南段世贸中心1109    邮编；455000

3. 液化空气公司（法液空）上海创新园  上海市闵行区光华路1820号  邮编 201108

作者简介：

王涛 ¹     1979年-        杭州三星工艺玻璃有限公司总工程师。从事玻璃生产及技术管理20余年，长期战斗在生产一线，有丰富的现场处置能力和技术积累。是国内化妆品瓶玻璃全氧燃烧窑炉第一批亲历者。

关键词：

全氧燃烧技术 低氮氧化合物 低动能烧枪 消泡功能 氧气可变分配比例模式

摘要：

针对常见纯氧燃烧器火焰覆盖面积小、火焰局部温度过高、对玻璃、耐火物冲刷严重、燃烧产生的NOx含量偏高等问题，通过对烧枪及烧嘴砖的结构再设计，达到火焰更柔和、覆盖面积更大、对玻璃冲击及耐火物的冲刷更小、NO_X初始排放值更低的目的。该系列烧枪经过在杭州三星工艺玻璃有限公司实际应用，综合性能达到设计能力要求，同时在节能及排放方面也有相应的改善。

正文：

1． 背景

1.1. 全氧燃烧技术在玻璃行业的应用

全氧燃烧（又称为纯氧燃烧 、Oxy-Fuelcombustion）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，这就是纯氧燃烧区别于传统空气助燃方式的基本特征之一^{【参考文献01】}。

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排放等的控制较严格的地区。但到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排放（CO₂等）的诉求不断提高，由氧气、燃料组成的纯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，这是因为纯氧燃烧在环保、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，因此纯氧燃烧技术被认为是最经济、可靠、有效的选项之一。

1.2. 全氧燃烧技术在中国

全氧燃烧技术由于其环保、节能、高效、可靠、易于操控等特点，被业内越来越多的企业所接受。其应用涵盖了我们常见的大多数玻璃产品，包括：建材玻璃（浮法）、电子微晶玻璃、建筑微晶玻璃、硼硅酸盐玻璃、电子材料、陶瓷釉料、搪瓷釉料、照明玻璃、无铅玻璃、高铅玻璃、太阳能光伏玻璃、玻璃微珠、器皿玻璃、高铝玻璃、乳白玻璃、玻璃棉、玻璃纤维、光学玻璃、玄武岩等大多数玻璃行业领域。

上述行业选择使用全氧燃烧技术，常见的诉求有以下几个方面：

Ø 节能降耗（提高企业经济效益）；

Ø 环保，特别是 NOx的高效解决方案（对于常见的纯氧燃烧技术，由于没有助燃空气中大量氮气的引入，燃烧后的尾气中的NOX处理变得容易；低氮氧化合物的纯氧燃烧技术，可以明显降低燃烧中氮氧化合物的生成）；

Ø 提高产量（相同情况下，全氧燃烧窑炉在熔化率方面有较为明显的优势）

Ø 提高产品质量（特别是部分产品，传统的空气助燃窑炉很难生产出接近国外先进水平的产品）；

Ø 特殊产品生产工艺的需要（例如，部分窑炉在生产时可以更容易实现其对熔化气氛的要求，如还原气氛、氧化气氛等）

1.3. 本项目参与方情况简介

     杭州三星

杭州三星工艺玻璃有限公司成立于1985年，坐落于风景优美的径山镇。30多年来一直专注于化妆品用玻璃瓶。公司一直坚持可持续发展道路，采用氧气和天然气的清洁型能源。废气、废水排放严格按照国家环保标准。目前在国内领跑化妆品玻璃包材行业，公司一直秉承“工匠精神”，立志打造“百年企业”。

     液化空气

液化空气公司是工业和健康气体、技术和服务的全球领导者，业务遍及75个国家，拥有约66，400名员工，为380多万客户和患者提供服务。氧气，氮气和氢气是生命，物质和能量所必需的小分子。它们体现了液化空气集团的科学领域，自1902年成立以来一直是公司活动的核心。在纯氧燃烧相关的技术方面，液化空气公司在全球四个国家拥有4个燃烧实验室，长期致力于服务客户，共同提高燃烧效率、降低有害物质排放、应对全球气候变化的低碳排放等技术的研究与应用。

     奥克金泰

河南奥克金泰窑炉技术有限公司致力于全氧燃烧技术在高温领域、特别是玻璃行业的运用及推广，依托高效、精干的团队，为企业提供全氧燃烧整体解决方案，从2008年进入全氧燃烧技术应用领域以来，已累计完成超过70座各类全氧燃烧窑炉的设计、施工、调试，是国内最早涉足全氧燃烧技术的技术团队。围绕全氧燃烧窑炉，为客户提供燃烧窑炉的控制阀组、窑炉控制系统（DCS）、整窑耐火材料的研发、推广；与之配套环保设施，余热综合利用、尾气处理等技术方案。

2． 项目动议

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，三星公司积累了丰富的经验。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。

2.1 现有烧枪的特点：

a) 二代双层扁平枪，燃烧稳定，可靠型高，技术成熟。

b) 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。

c) 动能较大，对玻璃液面、料堆冲击较大、对耐火物的冲刷严重。

d) 由于火焰中心温度较高，初始NO_X排放值较高。

用户（杭州三星）诉求：

a) 环保上NO_X排放初值有效降低。减少脱销的运行成本，有利于绿色生产。

b) 火焰更长、更宽，覆盖面更大，玻璃液面附近气体湍流更稳定。

c) 火焰更加柔和。减少对玻璃液的冲击，减少对火焰空间的耐火材料的材冲刷侵蚀。

d) 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。

e) 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。

图1. 高品质化妆品瓶玻璃产品

2.2  改善思路

   2.2.1 纯氧燃烧技术与燃烧器的选择

总所周知，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NO_X，即我们常讲的氮氧化物。NO_X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，我们只有通过各种办法尽量降低其产生的初始值。

低氮氧化物纯氧燃烧技术，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^{【参考文献02】}。例如常见的分级式纯氧-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。

液化空气公司开发的新型纯氧燃烧多分级（三级）燃烧器，ALGLASS SC_b，是一款针对目前纯氧燃烧市场需求，设计开发的新型纯氧燃烧器，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。

ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧器外观简图如下：

图2.ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧器外观

ALGLASS SC_b纯氧燃烧器的原理及其结构见如下示意图^{【参考文献03】}：

图3. ALGLASS SC_b燃烧器结构示意图

图4. ALGLASS SC_b燃烧器原理示意图

与ALGLASS SC_b燃烧器相接近的另一款液化空气公司的ALGLASS SC_c系列的纯氧燃烧器^{【参考文献04】}，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，相对与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。

2.2.2ALGLASS SC_b纯氧燃烧器的主要特性

ALGLASS SC_b纯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。

  2.2.3 ALGLASS SC_b纯氧燃烧器的降低NOx基本原理

按照Arrhenius （阿雷纽斯）公式: ^{【参考文献04】}

D{C(NO)_}mol/cm3/ d{t}_S= [6*10¹⁶ {C(O2)}^0.5_mol/cm3 {C(N2)}_mol/cm3]/  [{T}_K^0.5e^69090/{T}_K]

通过NOx相关化学反应式揭示的原理，可以得到控制NOx排放的基本方法。其中反应物（燃烧）的温度是控制NOx生成量的重要因素。需要合理利用火焰温度、火焰覆盖面积、火焰亮度等，达到理想的节能、排放和产品质量最佳综合效果。

3． 实施

   杭州三星工艺玻璃有限公司基本情况 ：

第一个窑炉，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它包装玻瓶。

图5. 高质量的产品

此项目为新建项目，设计9条料道，熔化面积53M²,设计熔化率1.6，目标出料量为85T/D.此窑炉最高出料量为102吨，长期稳定在83-86吨/天。能耗为原空气助燃窑炉的69%左右。玻璃质量明显由于传统的空气助燃的蓄热室窑炉，且熔化率明显提高。

第二个窑期于2022年春节冷修，杭州三星 48M²全氧燃烧窑炉，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。

上个窑炉存在问题及思考

Ø 高温带、转角砖、流液洞等部位侵蚀严重；

Ø 泡沫层较厚，需要长期喷射消泡剂；

Ø 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。

表2. 功率的确定_2000KW和500KW。（基本参数）

新型烧枪的投用：

经过各方的努力，该系列低动能烧枪于杭州三星冷修后的全氧燃烧窑炉上如期投入使用，该项目使用2MW烧枪3只（使用在窑炉的高温区），500KW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。

图6烧枪的安装调试

4． 效果验证

能耗：在出料量76-78吨时，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.

玻璃质量：麻料的发生率大大降低。

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的改善火焰的喷射角度。

图7 外置氧气分配阀

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。

图8镜面效果

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。

图9监测废气成分

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。

图10 多层燃烧器燃烧时的火焰

5． 下一步工作方向

5.1.  进一步细化、优化ALGLASS SC_b纯氧燃烧器的应用

根据实际使用的效果和相关经验，进一步细化、优化ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧器在玻璃窑炉的应用。目前ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧器主要规格，见如下图表：

表3.ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧器主要规格

5.2. 优化在线可调整能力，使调整变得更加便捷

Ø 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。清灰结构见示意图：

图7 烧枪本体

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

5.3. 燃烧器系列产品进一步标准化

燃烧器可更换件的进一步标准化（燃烧器喷嘴系列化、标准化等）：由于ALGLASS SC_b系列纯氧燃烧枪具有较大的调节比 （Turn Down Ratio）,以 ALGLASS SC_b 2000KW 为例，可以适应600KW ~ 3000KW 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与不同的工况，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。

5.4. 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，能有效的降低氧站增压机的功率，为进一步节能创造条件。

5.5. 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。

参考文献：

01.《Combustion Hand Book》, CRC 出版社， Charles E. BAUKAL 等编著。

02.《Oxygen Enhanced Combustion》 Second Edition,  CRC 出版社，2013年出版， Charles E. BAUKAL 等编著。

03. 《用于燃料燃烧的燃烧器及其方法》，发明专利 WO 2Q21/13621S A1， 液化空气有限公司，2019年12月31日。

04. Arrhenius 定律计算公式来源：

     《燃油喷射汽油机NOx排放的计算研究》，海军工程大学学报，2003.6，王军，董金洲，等著。

05.《一种能用于固体燃料和气体燃料的氧化剂-多燃料烧嘴》，发明专利 CN 111417822 B，液化空气有限公司，2017年11月30日。

06.  《传热学》高等教育出版社，2006年8月第四版，杨世铭 等编著。

07.  《全氧燃烧在超白压延玻璃生产中的应用及其澄清机理研究》，彭寿等编著， 发表于《硅酸盐通报》 2014年1月刊。