随着全球能源危机的加剧，燃料价格的不断上涨，玻璃生产的成本越来越高。因而，玻璃熔窑的节能降耗研究是一个具有重大战略意义的课题。燃料成本占玻璃生产成本30％～40％左右，严重影响着行业的经济效益。因此，玻璃行业对节能技术的需求非常迫切。 富氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度(其极限是纯氧)。可将空气的含氧浓度从20.9％浓缩到26％-30％，这种浓氧空气对各种窑炉的助燃是非常适中和安全的。富氧燃烧能使火焰黑度增加，燃烧速度加快，火焰温度升高，提高了火焰向配合料或玻璃液的辐射传热和对流传热，燃烧效率高。同时可以减少烟气量，使烟气热损失减小。达到很好的节能效果。 富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）在绝大多数工业窑炉均适用，它既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能。实验表明用26.7％的浓氧空气燃烧褐煤或用21.8％的浓氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度等同于普通空气燃烧重油所得到的理论燃烧值。也有科研院所对天然气富氧燃烧技术进行了理论研究，并用实验设备进行了初步的验证，得出了初步的结论。 目前已有玻璃生产厂家在煤气锅炉上进行了富氧燃烧技术的尝试，取得了较好的应用效果，但在天然气熔窑上还没有应用的先例。 研究表明，由火焰温度与氧浓度的关系可知：A)火焰温度随富氧空气氧浓度的提高而增高；B)随氧浓度的继续提高，火焰温度的增加幅度逐渐下降。为有效利用富氧空气，氧浓度不宜选得过高，一般按空气过剩系数m＝1～1.5组织火焰时，富氧空气浓度取23～27％为宜，其中空气含氧量从21％增加到23％时，效果最明显；C)空气过剩系数不宜过大，否则，同样浓度的富氧空气助燃，火馅温度较低。通常在组织燃烧时，控制在1.05～1.1，以达到既能获得较高火焰温度又能燃烧完全的效果。所以本次研究内容主要包括以下几个方面： 对比不同供给比例下窑炉内的燃烧状态，相同炉温，不同的氧气比例条件下，窑炉的燃料消耗情况。分为氧气比例为23％、25％的情况进行计算。考察火焰分布情况，找出最佳的氧气比例供给。 对比不同空气过剩系数下的窑炉内燃烧情况，富氧条件下不同空气过剩空气系数对窑炉内燃烧的影响。过剩系数分别设为1.0、1.1，1.2得出最佳方案。 对比富氧燃烧和传统燃烧方式下的烟气组分，不同氧气比例与过量空气系数时氮氧化物的排放情况。得出富氧燃烧时氮氧化物排放量的减少情况。 选择一条200t/d的小型浮法玻璃熔窑进行调试试验，所用燃料为天然气，氧气来源为生产氮气的副产品，最大氧气产量为500m3/h，氧气由管道从氮氢站送往窑头，直接通入助燃风主管道，并安装流量计对氧气量进行计量。 选用德国testo 340烟气分析仪对调试过程中的废气成分变化进行测量和监控，作为控制助燃风通入量的参考依据。 整个调试过程中，维持熔化温度制度总体不发生大的变化，在保证玻璃熔化质量的前提下，权衡氮氧化物的排放与温度变化，氧浓度变化，空气量变化之间的关系，找到尽量减少氮氧化物排放的燃烧工况，通过提高燃烧效能，达到节能的目的。 如表1所示为不同氧气过剩系数时的熔窑碹顶中心线沿窑炉纵向各点温度变化情况： 表1 熔窑碹顶温度度变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 ℃ 2#小炉 ℃ 3#小炉 ℃ 4#小炉 ℃ 澄清部 ℃ 冷却部1# ℃ 冷却部2# ℃ 20.9 1.2 1434 1472 1461 1445 1373 1071 1036 22.5 1.1 1432 1472 1460 1444 1374 1071 1037 22.5 1.2 1430 1473 1460 1445 1374 1071 1038 22.5 1.3 1429 1472 1460 1443 1374 1071 1038 如表2所示为不同氧气过剩系数时的熔窑池底中心线沿窑炉纵向各点温度变化情况： 表2 熔窑池底温度变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 ℃ 2#小炉 ℃ 3#小炉 ℃ 4#小炉 ℃ 澄清部 ℃ 冷却部1# ℃ 冷却部2# ℃ 20.9 1.2 1081 1084 1130 1167 1105 1013 1052 22.5 1.1 1432 1472 1460 1444 1374 1071 1037 22.5 1.2 1430 1473 1460 1445 1374 1071 1038 22.5 1.3 1429 1472 1460 1443 1374 1071 1038 如表3所示为不同氧气过剩系数时各小炉垛火根侧和火稍侧温度变化情况： 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 火根侧 ℃ 2#小炉 火根侧 ℃ 3#小炉 火根侧 ℃ 4#小炉 火根侧 ℃ 1#小炉 火稍测 ℃ 2#小炉 火稍侧 ℃ 3#小炉 火稍侧 ℃ 4#小炉 火稍侧 ℃ 20.9 1.2 1465 1534 1534 1521 1450 1508 1511 1502 22.5 1.1 1461 1532 1531 1518 1446 1500 1507 1502 22.5 1.2 1460 1530 1528 1520 1445 1505 1509 1504 22.5 1.3 1459 1530 1530 1526 1450 1503 1508 1505 表3 小炉垛温度变化情况 如表4所示为不同氧气过剩系数时烟气成分变化情况： 氧气浓度 ％ 过剩系数 氧气含量（％） CO含量（PPM） CO2含量（％） NO含量（PPM） NOx含量（PPM） 20.9 1.2 2.0 13 10 991 1041 22.5 1.1 1.01 130 10.82 1258 1321 22.5 1.2 1.3 128 11.32 1326 1432 22.5 1.3 1.9 15 12.58 1438 1510 表4 烟气成分变化情况 如表5所示为不同氧气过剩系数时天然气用量变化情况： 表5 天然气用量变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 m3/h 2#小炉 m3/h 3#小炉 m3/h 4#小炉 m3/h 总计 m3/h 20.9 1.2 369 310 395 264 1339 22.5 1.1 365 290 430 253 1338 22.5 1.2 360 318 443 275 1396 22.5 1.3 364 328 429 273 1394 从调整情况看，在熔窑温度基本不变的情况下，天然气用量基本没有变化，没有节能的效果。烟气中的氮化物浓度也有所提高，而且氧气过剩系数越大，氮化物的含量越高。 如表6所示为不同氧气过剩系数时的熔窑碹顶中心线沿窑炉纵向各点温度变化情况： 表6 熔窑碹顶温度变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 ℃ 2#小炉 ℃ 3#小炉 ℃ 4#小炉 ℃ 澄清部 ℃ 冷却部1# ℃ 冷却部2# ℃ 20.9 1.2 1434 1472 1461 1445 1373 1071 1036 25 1.1 1432 1472 1460 1450 1373 1072 1040 25 1.2 1433 1471 1460 1448 1373 1071 1039 25 1.3 1431 1472 1460 1447 1372 1071 1039 如表7所示为不同氧气过剩系数时的熔窑池底中心线沿窑炉纵向各点温度变化情况： 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 ℃ 2#小炉 ℃ 3#小炉 ℃ 4#小炉 ℃ 澄清部 ℃ 冷却部1# ℃ 冷却部2# ℃ 20.9 1.2 1081 1084 1130 1167 1105 1013 1052 25 1.1 1081 1087 1133 1170 1017 1053 1031 25 1.2 1080 1087 1131 1169 1017 1054 1032 25 1.3 1086 1092 1136 1169 1018 1054 1032 表7 熔窑池底温度变化情况 如表8所示为不同氧气过剩系数时各小炉垛火根侧和火稍侧温度变化情况： 表8 小炉垛温度变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 火根侧 ℃ 2#小炉 火根侧 ℃ 3#小炉 火根侧 ℃ 4#小炉 火根侧 ℃ 1#小炉 火稍测 ℃ 2#小炉 火稍侧 ℃ 3#小炉 火稍侧 ℃ 4#小炉 火稍侧 ℃ 20.9 1.2 1465 1534 1534 1521 1450 1508 1511 1502 25 1.1 1461 1529 1534 1518 1441 1504 1510 1504 25 1.2 1460 1525 1532 1516 1442 1503 1510 1505 25 1.3 1462 1526 1536 1519 1445 1505 1508 1504 如表9所示为不同氧气过剩系数时烟气成分变化情况： 表9 烟气成分变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 氧气含量（％） CO含量（PPM） CO2含量（％） NO含量（PPM） NOx含量（PPM） 20.9 1.2 2.0 13 10 991 1041 25 1.1 1.01 80 11.32 1225 1286 25 1.2 1.05 50 11.3 1257 1320 25 1.3 1.69 0 10.94 1270 1334 如表10所示为不同氧气过剩系数时天然气用量变化情况： 表10 天然气用量变化情况 氧气浓度 ％ 过剩系数 1#小炉 m3/h 2#小炉 m3/h 3#小炉 m3/h 4#小炉 m3/h 总计 m3/h 20.9 1.2 369 310 395 264 1339 25 1.1 365 286 360 259 1280 25 1.2 374 285 375 252 1300 25 1.3 378 288 385 257 1319 如以上数据所示氧气浓度25％时，氧气过剩系数1.1时天然气的用量最低，节能效果最好，节约天然气用量在10％左右，而且氮氧化物的浓度最低。 对氧气浓度25％时，氧气过剩系数1.0时工况参数进行分析可以看出： 图1 初始状态小炉垛火根/火稍温差对比 图2 氧气浓度25％（氧气过剩系数1.1）小炉垛火根/火稍温差对比 图3 初始状态蓄热室上部格子体火根/火稍温差对比 图4 氧气浓度25％（氧气过剩系数1.1）蓄热室上部格子体火根/火稍温差对比 根据有关研究资料显示，NOx的排放量随氧气浓度的升高而略有升高，这是因为当氧气浓度升高时，燃烧的温度会有所升高，从而热力型氮氧化物的生成量会增多。过量氧气系数增加时，NOx的增长会呈倍数的增加，这主要是因为当过量氧气系数增加时，既提高了燃烧温度又提高了氮气的通入量，这样使得热力型氮氧化物和快速型氮氧化物都有大幅的升高，从而使NOx成倍增加。 ＮＯｘ含量的提高对环保不利，在本次富氧燃烧调试过程中，由于氧含量的提高出现了短时间的ＮＯｘ含量增高，通过调整助燃空气量，降低过量氧气系数，ＮＯｘ含量基本得到控制，比初始状态略有增加，具体如表9所示。 从小炉废气成分分析情况看，火焰的氧化还性变化不大，从玻璃中S03溶解度看，氧化性稍有增强，表11是玻璃中S03溶解度的化验结果。采用富氧燃烧技术，由于玻璃的氧化还原性会发生一定程度的变化，可能会造成微气泡的增多，所以在调试过程中，对气泡数量的变化也进行了跟踪统计。从统计数量看气泡数量的变化在正常的范围内，没有异常增多或减少的情况。 表11 玻璃S03溶解度 6月2日 6月4日 6月20日 6月26日 6月28日 S03溶解度 0.284 0.293 0.306 0.300 0.305 通过以上数据的分析可以看出： 通过在生产线上的实际应用可以看出，在天然气玻璃熔窑上采用富氧燃烧技术是可行的，能够达到较好的节能环保效果，可以在玻璃熔窑上进行推广，但大型熔窑，制氮所产生的氧气量是不够的，需要有其它的氧气制造或供应方式，会增加新的成本投入。
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