玻璃窯爐低氮燃燒技術探討

馮建業

（1.秦皇島玻璃工業研究設計院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節能減排技術創新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業技術中心 秦皇島 066001）

0 引言

在日益關注環保的今天，玻璃行業面臨巨大環保壓力。由于后期治理技術的參差不齊，或者在具體實施過程中偷工減料，國內采取強制一刀切方法，禁止在玻璃行業使用高污染的發生爐煤氣和高硫量石油焦等高污染燃料。該政策實施降低了玻璃窯爐煙氣中硫的含量，但是煙氣中氮氧化物并沒有減少，由于使用高熱值燃料，有時反而增加，如使用發生爐煤氣玻璃窯爐煙氣中氮氧化物約為800～1500 mg/Nm3，而使用高熱值天然氣，煙氣中的氮氧化物高達2200～3500 mg/Nm3。本文探討如何從燃燒技術方面降低氮氧化物的產生。

1 玻璃窯爐氮氧化物產生機理

玻璃窯爐煙氣中的氮氧化物主要來自燃燒過程，為保證燃料燃燒完全，空氣過剩系數一般為1.15～1.2，過?？諝庵惺Ｓ嘌鯕庠诟邷貤l件下與空氣中的氮氣發生反應生成了氮氧化物，產生氮氧化物兩個關鍵因素：溫度和煙氣中過剩氧含量。圖1為不同溫度與氮氧化物生成量的關系，圖2為空氣過剩系數及停留時間與氮氧化物生成量的關系。

圖1 不同溫度與氮氧化物生成量的關系

圖2 空氣過剩系數及停留時間與氮氧化物生成量的關系

從圖1可以看出，隨著溫度升高，氮氧化物生成量成指數升高，特別是溫度大于1450 ℃時氮氧化物生成量明顯加大，而玻璃熔化溫度一般在1450℃以上，隨著耐火材料技術提高，玻璃窯爐熔化溫度不斷提高，在提升玻璃品質降低玻璃生產單位能耗的同時，也造成了氮氧化物生成量的增加。

從圖2可以看出，空氣過剩系數在1.2左右氮氧化物生成量最大，而在玻璃生產過程中，空氣過剩系數正好控制在這個區間。正是在此區間，能源利用率最高，通過節能可以降低生產成本，從而有效提升企業競爭力。

2 玻璃窯爐低氮燃燒技術

2.1 分層燃燒技術

該技術主要用于橫火焰玻璃窯爐，在傳統小爐底部增加純氧噴嘴，如圖3所示。

圖3 分層低氮燃燒示意圖

與傳統燃燒方法相比，在燃燒過程中減少上層助燃空氣供應量，上層助燃空氣中雖然有大量氮氣，但因為供氧量不足，上層火焰呈中性或者還原氣氛，不利于氮氧化物的生成，下部純氧噴槍通入純氧氣體，火焰下部溫度高、呈氧化氣氛，純氧中沒有氮氣，無法生成氮氧化物，等到兩股氣體混合后，火焰溫度已不處于最高溫度點。這種分層燃燒技術使氮氧化物生成的必要條件：高溫與過剩氧氣不能同時出現，從而降低燃燒過程中氮氧化物的生成量。

該燃燒技術還有一個突出優點是靠近玻璃液面處火焰溫度高、輻射能力強，能有效將熱量傳遞給玻璃液，同時火焰上部溫度相對較低，能有效保護窯爐碹頂，延長窯爐的使用壽命。

2.2 分階段燃燒技術

該技術可以用于橫焰窯和馬蹄焰玻璃窯爐，馬蹄焰玻璃窯爐分階段燃燒示意見圖4。

圖4 馬蹄焰玻璃窯爐分階段燃燒示意圖

與傳統燃燒方式一樣，上部為預熱空氣以一定傾角向下壓制火焰上飄，燃料噴槍位于助燃空氣下方，以一定傾角向上，兩者在窯爐適當位置相交。不同的是開始提供助燃空氣不足，使火焰在還原或中性氣氛條件下燃燒，在火焰行進路途中不斷加入純氧或者富氧空氣進行氧氣補充，以保證燃料的充分燃燒。此種燃燒方式燃料是逐步燃燒的，火焰溫度比較均衡，沒有突出的高溫火焰，從而防止高溫條件下氮氧化物的生成，缺點是熱點溫度不明顯，不利于玻璃液澄清和均化，為彌補此不足，在窯爐熱點位置設置兩支純氧燃燒噴槍，以彌補熱點溫度不足的問題。噴槍設置時，要求前面噴槍為還原氣氛，后面為氧化氣氛，以防止高溫與富余氧氣兩條件同時存在，為氮氧化物產生創造條件。

橫焰窯分階段燃燒相對簡單，就是在火焰的對面小爐底部增加兩到三支純氧（或富氧或空氣）噴槍，燃燒過程中也是減少一次助燃空氣量，使燃燒前期階段氧氣量不足，未燃燒燃料通過對面小爐底部補充氧氣進行二次燃燒，這種燃燒方式可有效拉長火焰長度，整體火焰溫度相對均衡，避開高溫生成氮氧化物的條件。該燃燒方式有兩個風險，一是可能有未燃盡燃料進入蓄熱室二次燃燒，加快蓄熱室格子體損毀速度，降低窯爐壽命，二是大量冷空氣入爐，增加窯爐的能耗。

2.3 低氮燃燒噴槍技術

低氮燃燒噴槍就是對燃燒噴槍進行技術改進，使其達到低氮燃燒的目的，其基本原理圖見圖5。

圖5 低氮燃燒噴槍示意圖

低氮燃燒噴槍就是在噴槍內使燃料以不同速度噴出，由于燃料初始動能不同，噴出速度與距離就不同，使得火焰相對拉長，且較為均勻，沒有明顯高溫火焰，由于溫度降低，所以降低了燃燒過程氮氧化物生成概率。該噴槍還可以使用不同品質燃料，達到燃料綜合使用的效果，同時也可以利用燃料燃點溫度不同、熱值不同達到均衡燃燒的目的，以降低燃燒過程中氮氧化物的生成。

3 各種低氮燃燒技術比較

各種低氮燃燒技術比較見表1。

表1 各種低氮燃燒技術對比（天然氣）

4 結語

玻璃窯爐不同燃燒條件的變化，如低氮燃燒方式不同情況的應用，從燃燒方式、降低氮氧化物原理方面進行了相關論述，各種燃燒方式適應不同的窯爐類型，需要的基礎條件也不一樣，玻璃企業可以根據自身技術條件選擇合適的低氮燃燒技術，在降低氮氧化物生成的同時，還有一定的節能效果，有助于在生產線的應用和推廣。