全氧燃烧玻璃窑炉的寿命浅析

2022-03-03郭勇樊庆彬

玻璃 2022年2期

郭勇 , 樊庆彬

（1. 河南奥克金泰窑炉技术有限公司安阳 455000；2. 江苏奥克金泰科技有限公司无锡 214000；3. 重庆市远铃玻璃有限公司重庆 401532）

1 全氧燃烧技术特点

全氧燃烧（又称为纯氧燃烧，英文：oxygenfuel combustion）技术的燃烧模式为燃料+氧气，相比传统的空气助燃的玻璃窑炉，由于燃烧时没有助燃空气中大量的氮气参与，使节能变得更加容易，且NOX的排放初始值更低，治理更加容易且结果更加可预期。

伴随着国内制氧技术的迅猛发展及电力成本的降低，由氧气+燃料组成的全氧燃烧技术在现代工业中成为取代由空气、燃料组成的常规燃烧方式的更好的选择方案，这是因为全氧燃烧技术在环保、节能、产量、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。目前国内在冶金、电力、化工、建材、加工等行业，全氧燃烧技术已经得到广泛的应用。

2 全氧燃烧技术的应用

在我国，全氧燃烧窑炉2001年首先被运用在显示器件（CRT）上，并且几乎所有的技术初期都是引进国外的技术。但是，该技术被真正推广的还是在电子微晶玻璃，目前全氧燃烧技术已经应用于包括微晶玻璃、高硼硅器皿玻璃、高铝玻璃（COVER GLASS）、药用玻璃的低硼硅玻璃、中硼硅玻璃、钠钙黄料、光学玻璃、太阳能光伏玻璃、电子材料、低熔点玻璃、无铅玻璃（照明）、玻璃棉、高铅玻璃、玻璃微珠、玻纤、陶瓷釉料、搪瓷釉料、日用瓶罐及器皿、水玻璃、玄武岩等生产中。

全氧燃烧技术可实现：

（1）节能降耗（提高企业经济效益）；

（2）提高产品质量（特别是部分对燃烧有特殊要求的产品，如高温、气氛、颜色等方面，传统的空气助燃窑炉很难生产出符合要求的产品时）；

（3）NOX的高效解决方案；

（4）基于碳排放指标的限制或区域性环保压力的要求，部分地区对新增产能项目的审批要求。

2.1 全氧燃烧玻璃窑炉的寿命

2.1.1 常见窑炉的寿命统计

常见窑炉寿命统计见表1。

表1 常见窑炉寿命统计

2.1.2 正常窑炉的寿命

行内对窑炉的寿命有一个约定俗成的认知，达到这一指标窑炉被认为是符合预期的，比如乳白料玻璃的窑炉寿命业内认可的是18个月。对于玻璃窑炉的使用，无论是空气助燃窑炉还是全电炉，国际并没有强制性的规定或指导性意见。随着新技术、新材料、新工艺的运用，窑炉平均寿命正在逐步加长，全氧燃烧窑炉亦是如此。

不能达到或接近达到行业认可的正常寿命的窑炉，或者只有不到一个月或者几个月的窑炉寿命，通常可以认定为非正常停炉或故障。常见全氧燃烧窑炉正产寿命统计见表2。

表2 常见全氧燃烧窑炉正产寿命

2.1.3 影响窑炉寿命的主要因素

（1）设计

一个好的设计是项目成功的一半。

窑炉设计是一个系统工程，牵涉到力学计算、热工计算、流体力学、耐火材料、材料力学、热工仪表等诸多学科，随着环保政策的不断加码，对尾气处理方面提出了更高的要求，要求设计单位在环保方面也应有自己完整的体系。

一个完整的设计应该包括：工艺布置、窑炉尺寸、能量分配、火焰空间、长宽比、液流和气流速度、耐火材料的尺寸及品种数量、钢结构的设计、控制系统（DCS）、燃烧设备的设计与选型、电器部分的选型、工艺控制点、工艺调整预案、窑炉的砌筑、安装、烤窑、热保、环保系统，以及前期项目立项、可行性报告、环评、安评的相关技术支持，后期的技术支持及跟进，工艺优化等。

目前国内一些企业不太重视设计，习惯拿别人的图纸过来直接拷贝。一些行业会逐步走上原来传统玻璃的老路，这样不利于行业的发展和自身的提高。

（2）材料的选择

耐火材料的选择是一个系统化的工作，设计单位需要熟知各种耐火材料的特性，根据窑炉生产产品的特点选用不同材质的耐材；根据客户及产品的特点，选用不同生产厂家的产品，这需要考虑供应商的质量控制水平、价格等因素。

鉴于全氧燃烧玻璃窑炉的空间温度、熔化率、烟气中水蒸气浓度方面有别于传统的空气助燃窑炉，电熔材料的选择应以正规厂家为主。其关键部位，如流液洞、鼓泡、电极砖、加料口拐角、泄料砖、大碹等部位应重点考虑。

（3）施工

施工质量的好坏也是一个重要的环节。

规范的施工应该包括安全、环境、工程统筹等诸多因素，正规的施工单位虽然价格略贵但是施工质量有保障，对窑炉的寿命有很大的帮助。

（4）运行

一个好的窑炉，要想获得较长的窑龄，除了以上因素外，正确的操作与使用同样是非常重要的。

熔化率：熔化率作为玻璃窑炉生产能力的一个重要指标，为各设计单位和客户所重视。一个窑炉熔化率的确定，需要根据产品的特点、配方、碎玻璃引入量、窑炉结构、玻璃质量要求、耐火材料、主要配套装备的选择等多方因素综合考虑。

设计单位会提出一个合理或相对保守的指标，但是随着竞争的日益激烈个别设计单位也出现了虚报指标的现象。

窑炉使用单位在日常生产中，业主迫于市场压力或为了获得较好的经济效益多数会有随意提高出料量的现象，在窑炉尺寸和燃烧技术没有变化的情况下，提高熔化率通常会采用更改料方或提高熔化温度的方式，这一点无论对产品质量和窑炉寿命都是不利的。

（5）工艺制度

一个好的工艺制度的确立，不仅可以确保稳定的产品质量、合理的能耗指标及环保预期，更是延长窑炉寿命的重要环节。

不同的窑炉、不同的产品以及不同的出料量，都需要有一个科学、合理的工艺制度来保证。工艺制度包括：温度制度、能量分配、液位及窑压管理、料山管理、鼓泡或电加热的调整、搅拌技术、溢流或泄料技术等。

一个好的设计单位，在窑炉设计时就需要对新窑炉的工艺制度有一个初步的预案，并需要根据生产过程中发现的问题及时调整、完善，直至将这一工艺制度固化。

（6）换料

部分企业由于市场的原因会在一个窑期内多次换料，即更换配方、甚至是更换完全不同的产品。这对窑炉的寿命影响也是很大的，尤其是在窑炉后期还会有其它风险，需特别关注。

（7）热保

热保，部分窑炉公司称之为热处理，这是对窑炉公司综合能力的考验。由于全氧燃烧火焰空间多使用干砌的手法，如果热保不合理或不到位，后期穿火的几率就会很大。

热处理需要施工人员在火候的把握、材料的选用、处理的手法及应急处置上有丰富的经验。

（8）冷却

国内部分企业对窑炉冷却的认识不到位，更有甚者，认为窑炉冷却会增加能耗而拒绝使用池壁冷却，这样无疑会加剧耐火材料的侵蚀，对窑炉的寿命很不利。

其实，作为窑炉设计的一个重要组成部分，窑炉冷却系统的计算、设备选型、安装调试及使用有一套科学的体系，正确的掌握并使用是延长窑炉寿命的重要手段。

（9）日常维保

同样配置的窑炉，要想获得较长的窑炉寿命，日常的维保尤为重要。日常维保是指窑炉投入使用后，对窑炉的点检、维护工作，应遵循早发现早处理的原则，对重点部位、异常部位特别关注，并结合日常点检记录总结规律性的经验，做到有的放矢。

出现穿火、挤料、透红的不良苗头，第一时间采取应对措施把问题解决在萌芽状态，以延长窑炉的寿命。

2.1.4 延长窑炉寿命的系统化思维

科学理性地对待窑炉寿命，树立吨玻璃耐材耗量的理念。在一定的条件下，所有人都会认为窑炉的寿命越长越好，但是窑炉寿命的设计与把握，是一套科学的系统工程，如果不考虑建造成本、产品的特性、经济效益以及使用者的诉求，一味地追求长寿命窑炉可能会得不偿失，不被市场接收。

（1）制定合理的熔化率

熔化率不是越高越好，窑炉熔化率的设定要考虑产品的特点、工艺制度、甲方投资意愿等多种因素，制定合理的指标并确保达到即为最佳。

（2）根据窑炉及生产状况及时调整熔化率指标

熔化率指标不是一成不变的，需要生产管理者根据具体情况做出适当调整，特别在窑炉后期耐火材料侵蚀严重，窑炉存在风险时，及时降低熔化率尤为重要。

（3）强制熔化的危害

部分设计单位为了追求不切实际的熔化率，通过升高预熔区的温度强制熔化以达到提升产量的目标，这对窑炉的能耗、有效成分挥发及窑炉寿命均会带来负面影响。

2.2 非正常停炉及常见故障

2.2.1 漏料

漏料是全氧燃烧窑炉非正常停窑的最主要因素。漏料的部位多集中在池壁、流液洞、池底、加料口。其中，以流液洞漏料最多。这是因为流液洞是整窑玻璃液流动性最高的部位，也是侵蚀最为严重的，这一点与其它窑炉基本一致。全氧燃烧窑炉一般熔化率会高于传统的空气助燃的窑炉，所以流液洞的侵蚀也会较传统窑炉更厉害，这一点需要通过改善流液洞结构、使用更高级的耐火材料、更加科学的冷却方式等措施减缓玻璃液对耐材的侵蚀，以延长窑炉寿命。

池壁、加料口、池底漏料均为个案，不具备代表性，本文不再赘述。

2.2.2 大碹垮塌

由于全氧燃烧的特点，尾气中的水蒸气浓度是普通空气助燃窑炉的5～7倍，所以目前大碹材料的选择不以普通硅质材料为主，目前常见的材料有以下几种：

烧结材料：无钙硅砖；镁铝尖晶石；锆莫来石。

电熔材料：1681；1851；a-b （M H）。

从国内全氧燃烧技术投入使用以来，大碹出现问题导致窑炉非正常停炉，是仅次于窑炉漏料的第二大故障。上述常用的材料中，多数出现过问题，集中表现为大碹变形、垮塌，见图1。

图1 大碹变形、垮塌照片

造成大碹出现问题的主要原因有：材料选择不合理、耐材质量不合规、结构设计不合理、窑炉砌筑烤窑不规范、业主使用不当等。通常情况下，大碹出现问题一般很难进行修补，多以停窑告终。

2.2.3 胸墙烧穿

胸墙烧穿的发生几率还是比较高的。这是因为全氧燃烧的火焰温度较普通的空气助燃火焰更高，更硬。所以，由于控制不良、点检不到位造成的非正常燃烧极易导致胸墙的烧穿甚至垮塌。这里非正常燃烧主要是指回火、火焰过长。图2为胸墙烧损照片。

图2 胸墙烧损照片

一般情况下，窑炉的火头砖（BURNER BLOCK）寿命应与窑炉一样，有企业曾经创下一年更换7个火头砖的记录，也有企业一个窑期也没有更换一个火头砖，这也充分说明日常点检、维护的重要性。

2.2.4 燃烧器烧损

燃烧器使用不当、未按要求进行日常点检是造成燃烧器烧损的主要原因，一般情况下超过燃烧器的上下限，较大的燃料、氧气压力波动、流淌物处理不及时都是造成烧损的原因，通常情况下燃烧器烧损会伴随窑炉耐火材料的烧损，同样会大大影响窑炉的寿命。

2.2.5 爆炸

作为一种成熟的燃烧技术，全氧燃烧技术的安全性没有任何问题。但是前提是要按照规范制造和提供设备，业主严格按照规范进行使用和操作设备。所有非正常、不合规的情况都可能带来危险，这一点跟其它工业化生产的要求并没有不同。燃料、氧气泄露、燃烧器烧损、管道烧损、甚至系统爆炸的情况在我国都有出现过。

虽然爆炸发生的比例很低，但是一旦发生，对玻璃企业和设备供应商的影响都是巨大的。

2.2.6 运行成本

个别窑炉生产运行后，发现实际运行数据与设计指标差距较大，继续生产没有经济性，厂家主动停炉降低损失。

也有个别项目投产后无法生产出符合设计要求的产品，主动停炉以降低损失的。

以上两种情况均属个例，不具代表性。

3 如何提高窑炉寿命

3.1 规范化

（1）业主要想获得一个理想的窑炉寿命，首先要选择有经验有业绩的设计单位，坚信好的产品是设计出来的理念。

（2）其次，选择有全氧燃烧窑炉砌筑及烤窑经验的施工单位。全氧燃烧窑炉与传统的空气助燃窑炉有着一定的差别，在窑炉的砌筑、烤窑升温以及热处理方面均有独特的地方。虽然在砌筑上由于没有了蓄热室的烧结材料的砌筑，工作量有所减少，但是在砌筑质量上的要求会更加严格。烤窑升温也会因材料及结构的不同有较大差异，这一点需特别注意。

（3）工艺制度规范化。避免人为因素的过多干预，避免工艺制度特别是出料量、温度制度的随意性。

（4）耐火材料，特别是与玻璃接触的部位、火焰空间以及可能污染玻璃的部位，坚持使用符合规范的材料，避免因使用不合规材料带来的不良影响。

（5）设备，可能影响到产品质量，特别是窑炉寿命、安全的环节一定倍加注意，应该引起高度的重视。

（6）日常点检与维护。全氧燃烧窑炉由于没有了周期性的换向操作，员工的劳动强度大大降低，但是责任心要求更高。对于窑炉的日常点检要严格按照规章制度进行，做好点检、设备档案管理，才能做到计划维修，确保窑炉寿命。

3.2 科学化

使用全氧燃烧窑炉时，首先要摈弃已有的传统观念。尊重全氧燃烧技术内在的规律性、遵守操作规程。

部分业主因多年空气助燃窑炉养成的操作习惯，不能与全氧燃烧窑炉有机结合起来。不重视对窑炉数据的积累、分析，应对问题时不能做到有的放矢。常见的错误理念是：玻璃出微泡（也有叫麻料、麻皮）通常是以增加燃料、提高温度为常用手段，没有合理的工艺制度、温度梯度，简单的提高温度不仅增加能耗，对窑炉的寿命也是不利的。