论文部分内容阅读
[摘 要]节能和减排是玻璃工业发展所需要解决的两大问题，节约能源即是社会发展的需要，也是提高玻璃生产企业经济效益的重要途径。本文结合我国玻璃工业的发展现状，和本人从事玻璃窑炉设计多年积累的经验，探讨玻璃窑炉的节能、低耗技术。
[关键词]玻璃窑；节能；减排；耐火材料；优化设计
中图分类号：TU831；TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0113-01
根据1997年通过的京都议定书，为解决气候变暖问题，发达国家2008年～2012年的温室气体排放量平均要比1990年的水平减少5.2%。尽管京都议定书没有规定发展中国家的任务，但是，发展中国家温室气体的排放增长很快， 要求发展中国家承担减排任务的压力与日俱增。京都议定书允许“排放权交易”： 排放超标的国家可以从排放不足的国家那里买来温室气体指标“消费”。所以，中国和其他主要温室气体排放国家都面临着巨大的压力，非常需要发展各种节能减排技术。
一、富氧燃烧及全氧燃烧技术
全氧燃烧和富氧燃烧技术的基本原理， 就是增加助燃空气中氧气的含量，使燃料充分燃烧。二技术均可降低玻璃熔窑内氮气含量，从而减少氮气及其反应物造成的热量损失、环境污染和设备侵蚀，从而提高经济效益和社会效益
1、富氧燃烧技术
富氧燃烧就是人为地增加助燃空气中氧气的含量，以提高燃烧速度，减少烟气量。该项技术适于以重油为燃料的熔窑中，因为重油的燃烧首先要与助燃空气混合，而油雾与空气的混合速度又比较慢影响了燃烧速度。增加助燃空气中氧气的含量，可以提高重油的燃烧速度，从而提高了燃烧温度。富氧燃烧技术特别适合应用于浮法熔窑上，浮法窑中用空气分离法制备氮气（锡槽保护气体的主要成分） 的副产品一富氧气体可用作富氧燃烧的富氧气体源。在应用富氧燃烧技术时，主要有两个关键问题：一是富氧浓度的选择，理论上富氧的氧浓度越高，越利于燃料充分燃烧，节能效果以及燃烧温度越高，但实际上节能率与富氧体纯度的关系是非线性的，当纯度超过30%以后，节能率提高并不明显， 同时富氧浓度太高会增加富氧的成本，所以实际中从制备富氧气体的成本和单耗考虑富氧浓度一般控制在3 0%左右即可：二是喷枪和富氧气体喷嘴的配置，一般来说，富氧吹入窑内有三种方法：
（l）作为燃油雾化剂；
（2）富氧喷嘴与燃油嘴成一定角度吹入；
（3）在燃油烧嘴下方平行吹入富氧。
从玻璃熔窑中对燃料燃烧状态的要求来看： 火焰上部为缺氧区，中部为普通燃烧区，下部尽量形成高温区以加强对配合料的熔化，要形成此理想燃烧状态，在烧油喷嘴下方平行吹入富氧气体比较合适。
2、全氧燃烧技术
以高纯氧气作燃油雾化介质或与燃气在喷枪内混合，经充分雾化或混合的燃料一氧气由喷枪喷入玻璃熔窑， 形成燃烧火焰，亦称“燃料一氧气”燃烧。全氧燃烧熔窑与传统助燃空气火焰熔窑相比不需要高人的蓄热室装置，因此熔窑投资费用大大降低。其次，用氧气助燃消除了氮气带走人量热晕的问题，从而使热效率人人提高，同时在生产中不会产生氮氧化合物（NOx），在节能的同时达到环保、减排的目的。采用全氧技术后，助燃气体大幅减少。钠钙玻璃窑气体中的NaOH浓度提高至原来的2倍；硼硅酸盐玻璃窑中的HBO2提高至原来的3倍； 显像管铅玻璃窑气中的PbO增加至原来的2.5倍；显像管无铅玻璃窑气中的KOH浓度也增至原来的2倍；但同时，对SiO2有害的水蒸气浓度也增高了3倍。这样，就使窑上部很多含SiO2的耐火材料受到了严重侵蚀。例如，硅砖的寿命由10年锐减到大约2年，制约了全氧燃烧技术的发展。
二、新型熔制
国内外研究的一系列新型窑炉技术还有减压澄清和浸入燃烧。减压澄清是将玻璃液吸入一真空室。脱气澄清后，再经均化和冷却制成玻璃。浸入燃烧是在窑底放置烧咀， 将燃气和氧气鼓入玻璃中，在液相中燃烧。这样， 可以利用燃烧产生的强烈搅动， 增加窑气和玻璃的传热， 加快物理化学变化，可取得减少能耗，增加产量和改善质量的效果。
1、深澄清池技术
深澄清池技术就是在窑坎后将澄清池的深度加人以利于玻璃液的澄清。此技术可有效地降低玻璃液的回流，大大减小了由于加热回流玻璃液而造成的能量损耗，从而降低了能耗。深澄清池技术中澄清池的深度一般比熔化池的深度加大100～300mm，有的甚至加人到熔化池深度的50%左右，但澄清池的深度也不宜过深，否则生产有色料时会出现因供料温度过低而消耗能量的问题。深澄清池必须与窑坎配合使用，窑坎的高度一般为熔化池深度的1/2 ，窑坎的形状以斜坡式为佳，这样即可延长窑坎的使用寿命又可加速澄清。另外，采用深澄清池后，由于流经流液洞的玻璃液温度较低，可提高流液洞的使用寿命。熔制有色玻璃时为了防止因玻璃液温度降低而造成流液洞的堵塞，在流液洞处应设置防堵电极，必要时用以疏通流液洞。
2、减压澄清技术
减压澄清技术就是在熔窑的冷却部设置减压脱泡装置，降低冷却部上部气体空间的压力，通过气压差，强制脱去玻璃中的气泡。减压澄清可使澄清温度降低，而且澄清质量大大提高，从而产生了良好的节能效益。日本的旭硝子公司试验结果证实可使澄清温度由1600℃ 降低到1450℃，可节省30%的能耗。由于澄清温度的降低，从而延长了熔窑的寿命，又可减小冷却部，节约了基建投资，同时提高了玻璃的质量和产量。
三、优化玻璃熔窖设计
玻璃熔窑设计的重大技术进步是玻璃熔窑数模仿真技术的兴起。数模仿真技术可以优化玻璃熔窑设计，它利用了玻璃熔窑实际经验数据，并建立专家数据库系统，可以方便地在电脑上模拟熔窑设计改进后的效果，加快了设计改进与实际验证的进程，从而大大节约了时间、成本，消除了不确定的风险。玻璃熔窑基本设计参数包括熔窑长宽比，熔池深度，窑坎高度等。玻璃液滞留时间或到达流液洞时的温度，对玻璃熔窑能耗有重要影响。在玻璃熔窑热点部位应用鼓泡和窑坎前助熔电极，可以形成垂直方向的液流，从而加强玻璃液的对流。必须根据生产玻璃的种类、窑型特点，合理运用鼓泡和助熔电极。
鼓泡可以使玻璃液从热点区域向投料口的回流加强，在玻璃液面升腾的气泡可以阻止配合料向出料端漂移，还可以驱离玻璃液面可能的泡沫层，有利于热辐射向玻璃液的传导。而鼓泡运行成本很低，其主要成本即是压缩空气的成本。而且，鼓泡不会向玻璃液输入热量。唯一问题就是必须正确使用，否则将导致池底耐火材料侵蚀加剧。
与鼓泡相比，窑坎前助熔电极产生的垂直方向液流的流速较低。助熔电极输入热量，增加了向投料口回流玻璃液的温度，也即增加了料毯下玻璃液的温度，有助于配合料的熔化。由于助熔电极的玻璃液流速度低，进入流液洞玻璃液的温度也较低，从而有利于玻璃能耗的降低。
四、优化玻璃窑余热发电锅炉设计
玻璃窑余热发电即利用玻璃生产线尾部排出的大量中低温低品质废气，通过余热锅炉产生一定压力的过热蒸汽，推动汽轮机实现热能和机械能的转换，再带动发电机发电的过程。玻璃窑余热利用可实现玻璃生产过程中的用电自给，另外还可以为玻璃生产提供蒸汽和热水。该技术的推广应用可减少玻璃生产过程的能源消耗和环境污染，具有很好的经济和社会效益。
参考文献
[1] 刘洪国.玻璃窑余热锅炉常见问题分析[J].玻璃.2012（03）
[2] 陈国平，冯敏鸽，殷海荣，杨明珍，汪涛.我国全氧燃烧玻璃熔窑用耐火材料的使用现状和发展趋势[J].材料导报.2010（19）
[3] 赵旭辉，陈松林，冯中起，袁林，王晓红，王俊涛，王杰曾.我国玻璃工业和玻璃窑用硅砖的现状及发展趋势[J].玻璃.2011（03）
[关键词]玻璃窑；节能；减排；耐火材料；优化设计
中图分类号：TU831；TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0113-01
根据1997年通过的京都议定书，为解决气候变暖问题，发达国家2008年～2012年的温室气体排放量平均要比1990年的水平减少5.2%。尽管京都议定书没有规定发展中国家的任务，但是，发展中国家温室气体的排放增长很快， 要求发展中国家承担减排任务的压力与日俱增。京都议定书允许“排放权交易”： 排放超标的国家可以从排放不足的国家那里买来温室气体指标“消费”。所以，中国和其他主要温室气体排放国家都面临着巨大的压力，非常需要发展各种节能减排技术。
一、富氧燃烧及全氧燃烧技术
全氧燃烧和富氧燃烧技术的基本原理， 就是增加助燃空气中氧气的含量，使燃料充分燃烧。二技术均可降低玻璃熔窑内氮气含量，从而减少氮气及其反应物造成的热量损失、环境污染和设备侵蚀，从而提高经济效益和社会效益
1、富氧燃烧技术
富氧燃烧就是人为地增加助燃空气中氧气的含量，以提高燃烧速度，减少烟气量。该项技术适于以重油为燃料的熔窑中，因为重油的燃烧首先要与助燃空气混合，而油雾与空气的混合速度又比较慢影响了燃烧速度。增加助燃空气中氧气的含量，可以提高重油的燃烧速度，从而提高了燃烧温度。富氧燃烧技术特别适合应用于浮法熔窑上，浮法窑中用空气分离法制备氮气（锡槽保护气体的主要成分） 的副产品一富氧气体可用作富氧燃烧的富氧气体源。在应用富氧燃烧技术时，主要有两个关键问题：一是富氧浓度的选择，理论上富氧的氧浓度越高，越利于燃料充分燃烧，节能效果以及燃烧温度越高，但实际上节能率与富氧体纯度的关系是非线性的，当纯度超过30%以后，节能率提高并不明显， 同时富氧浓度太高会增加富氧的成本，所以实际中从制备富氧气体的成本和单耗考虑富氧浓度一般控制在3 0%左右即可：二是喷枪和富氧气体喷嘴的配置，一般来说，富氧吹入窑内有三种方法：
（l）作为燃油雾化剂；
（2）富氧喷嘴与燃油嘴成一定角度吹入；
（3）在燃油烧嘴下方平行吹入富氧。
从玻璃熔窑中对燃料燃烧状态的要求来看： 火焰上部为缺氧区，中部为普通燃烧区，下部尽量形成高温区以加强对配合料的熔化，要形成此理想燃烧状态，在烧油喷嘴下方平行吹入富氧气体比较合适。
2、全氧燃烧技术
以高纯氧气作燃油雾化介质或与燃气在喷枪内混合，经充分雾化或混合的燃料一氧气由喷枪喷入玻璃熔窑， 形成燃烧火焰，亦称“燃料一氧气”燃烧。全氧燃烧熔窑与传统助燃空气火焰熔窑相比不需要高人的蓄热室装置，因此熔窑投资费用大大降低。其次，用氧气助燃消除了氮气带走人量热晕的问题，从而使热效率人人提高，同时在生产中不会产生氮氧化合物（NOx），在节能的同时达到环保、减排的目的。采用全氧技术后，助燃气体大幅减少。钠钙玻璃窑气体中的NaOH浓度提高至原来的2倍；硼硅酸盐玻璃窑中的HBO2提高至原来的3倍； 显像管铅玻璃窑气中的PbO增加至原来的2.5倍；显像管无铅玻璃窑气中的KOH浓度也增至原来的2倍；但同时，对SiO2有害的水蒸气浓度也增高了3倍。这样，就使窑上部很多含SiO2的耐火材料受到了严重侵蚀。例如，硅砖的寿命由10年锐减到大约2年，制约了全氧燃烧技术的发展。
二、新型熔制
国内外研究的一系列新型窑炉技术还有减压澄清和浸入燃烧。减压澄清是将玻璃液吸入一真空室。脱气澄清后，再经均化和冷却制成玻璃。浸入燃烧是在窑底放置烧咀， 将燃气和氧气鼓入玻璃中，在液相中燃烧。这样， 可以利用燃烧产生的强烈搅动， 增加窑气和玻璃的传热， 加快物理化学变化，可取得减少能耗，增加产量和改善质量的效果。
1、深澄清池技术
深澄清池技术就是在窑坎后将澄清池的深度加人以利于玻璃液的澄清。此技术可有效地降低玻璃液的回流，大大减小了由于加热回流玻璃液而造成的能量损耗，从而降低了能耗。深澄清池技术中澄清池的深度一般比熔化池的深度加大100～300mm，有的甚至加人到熔化池深度的50%左右，但澄清池的深度也不宜过深，否则生产有色料时会出现因供料温度过低而消耗能量的问题。深澄清池必须与窑坎配合使用，窑坎的高度一般为熔化池深度的1/2 ，窑坎的形状以斜坡式为佳，这样即可延长窑坎的使用寿命又可加速澄清。另外，采用深澄清池后，由于流经流液洞的玻璃液温度较低，可提高流液洞的使用寿命。熔制有色玻璃时为了防止因玻璃液温度降低而造成流液洞的堵塞，在流液洞处应设置防堵电极，必要时用以疏通流液洞。
2、减压澄清技术
减压澄清技术就是在熔窑的冷却部设置减压脱泡装置，降低冷却部上部气体空间的压力，通过气压差，强制脱去玻璃中的气泡。减压澄清可使澄清温度降低，而且澄清质量大大提高，从而产生了良好的节能效益。日本的旭硝子公司试验结果证实可使澄清温度由1600℃ 降低到1450℃，可节省30%的能耗。由于澄清温度的降低，从而延长了熔窑的寿命，又可减小冷却部，节约了基建投资，同时提高了玻璃的质量和产量。
三、优化玻璃熔窖设计
玻璃熔窑设计的重大技术进步是玻璃熔窑数模仿真技术的兴起。数模仿真技术可以优化玻璃熔窑设计，它利用了玻璃熔窑实际经验数据，并建立专家数据库系统，可以方便地在电脑上模拟熔窑设计改进后的效果，加快了设计改进与实际验证的进程，从而大大节约了时间、成本，消除了不确定的风险。玻璃熔窑基本设计参数包括熔窑长宽比，熔池深度，窑坎高度等。玻璃液滞留时间或到达流液洞时的温度，对玻璃熔窑能耗有重要影响。在玻璃熔窑热点部位应用鼓泡和窑坎前助熔电极，可以形成垂直方向的液流，从而加强玻璃液的对流。必须根据生产玻璃的种类、窑型特点，合理运用鼓泡和助熔电极。
鼓泡可以使玻璃液从热点区域向投料口的回流加强，在玻璃液面升腾的气泡可以阻止配合料向出料端漂移，还可以驱离玻璃液面可能的泡沫层，有利于热辐射向玻璃液的传导。而鼓泡运行成本很低，其主要成本即是压缩空气的成本。而且，鼓泡不会向玻璃液输入热量。唯一问题就是必须正确使用，否则将导致池底耐火材料侵蚀加剧。
与鼓泡相比，窑坎前助熔电极产生的垂直方向液流的流速较低。助熔电极输入热量，增加了向投料口回流玻璃液的温度，也即增加了料毯下玻璃液的温度，有助于配合料的熔化。由于助熔电极的玻璃液流速度低，进入流液洞玻璃液的温度也较低，从而有利于玻璃能耗的降低。
四、优化玻璃窑余热发电锅炉设计
玻璃窑余热发电即利用玻璃生产线尾部排出的大量中低温低品质废气，通过余热锅炉产生一定压力的过热蒸汽，推动汽轮机实现热能和机械能的转换，再带动发电机发电的过程。玻璃窑余热利用可实现玻璃生产过程中的用电自给，另外还可以为玻璃生产提供蒸汽和热水。该技术的推广应用可减少玻璃生产过程的能源消耗和环境污染，具有很好的经济和社会效益。
参考文献
[1] 刘洪国.玻璃窑余热锅炉常见问题分析[J].玻璃.2012（03）
[2] 陈国平，冯敏鸽，殷海荣，杨明珍，汪涛.我国全氧燃烧玻璃熔窑用耐火材料的使用现状和发展趋势[J].材料导报.2010（19）
[3] 赵旭辉，陈松林，冯中起，袁林，王晓红，王俊涛，王杰曾.我国玻璃工业和玻璃窑用硅砖的现状及发展趋势[J].玻璃.2011（03）