玻璃窑炉低氮燃烧技术探讨

2024-03-27冯建业

玻璃 2024年3期

冯建业

（1.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛 066001；2.河北省玻璃节能减排技术创新中心秦皇岛 066001；3.河北省企业技术中心秦皇岛 066001）

0 引言

在日益关注环保的今天，玻璃行业面临巨大环保压力。由于后期治理技术的参差不齐，或者在具体实施过程中偷工减料，国内采取强制一刀切方法，禁止在玻璃行业使用高污染的发生炉煤气和高硫量石油焦等高污染燃料。该政策实施降低了玻璃窑炉烟气中硫的含量，但是烟气中氮氧化物并没有减少，由于使用高热值燃料，有时反而增加，如使用发生炉煤气玻璃窑炉烟气中氮氧化物约为800～1500 mg/Nm3，而使用高热值天然气，烟气中的氮氧化物高达2200～3500 mg/Nm3。本文探讨如何从燃烧技术方面降低氮氧化物的产生。

1 玻璃窑炉氮氧化物产生机理

玻璃窑炉烟气中的氮氧化物主要来自燃烧过程，为保证燃料燃烧完全，空气过剩系数一般为1.15～1.2，过剩空气中剩余氧气在高温条件下与空气中的氮气发生反应生成了氮氧化物，产生氮氧化物两个关键因素：温度和烟气中过剩氧含量。图1为不同温度与氮氧化物生成量的关系，图2为空气过剩系数及停留时间与氮氧化物生成量的关系。

图1 不同温度与氮氧化物生成量的关系

图2 空气过剩系数及停留时间与氮氧化物生成量的关系

从图1可以看出，随着温度升高，氮氧化物生成量成指数升高，特别是温度大于1450 ℃时氮氧化物生成量明显加大，而玻璃熔化温度一般在1450℃以上，随着耐火材料技术提高，玻璃窑炉熔化温度不断提高，在提升玻璃品质降低玻璃生产单位能耗的同时，也造成了氮氧化物生成量的增加。

从图2可以看出，空气过剩系数在1.2左右氮氧化物生成量最大，而在玻璃生产过程中，空气过剩系数正好控制在这个区间。正是在此区间，能源利用率最高，通过节能可以降低生产成本，从而有效提升企业竞争力。

2 玻璃窑炉低氮燃烧技术

2.1 分层燃烧技术

该技术主要用于横火焰玻璃窑炉，在传统小炉底部增加纯氧喷嘴，如图3所示。

图3 分层低氮燃烧示意图

与传统燃烧方法相比，在燃烧过程中减少上层助燃空气供应量，上层助燃空气中虽然有大量氮气，但因为供氧量不足，上层火焰呈中性或者还原气氛，不利于氮氧化物的生成，下部纯氧喷枪通入纯氧气体，火焰下部温度高、呈氧化气氛，纯氧中没有氮气，无法生成氮氧化物，等到两股气体混合后，火焰温度已不处于最高温度点。这种分层燃烧技术使氮氧化物生成的必要条件：高温与过剩氧气不能同时出现，从而降低燃烧过程中氮氧化物的生成量。

该燃烧技术还有一个突出优点是靠近玻璃液面处火焰温度高、辐射能力强，能有效将热量传递给玻璃液，同时火焰上部温度相对较低，能有效保护窑炉碹顶，延长窑炉的使用寿命。

2.2 分阶段燃烧技术

该技术可以用于横焰窑和马蹄焰玻璃窑炉，马蹄焰玻璃窑炉分阶段燃烧示意见图4。

图4 马蹄焰玻璃窑炉分阶段燃烧示意图

与传统燃烧方式一样，上部为预热空气以一定倾角向下压制火焰上飘，燃料喷枪位于助燃空气下方，以一定倾角向上，两者在窑炉适当位置相交。不同的是开始提供助燃空气不足，使火焰在还原或中性气氛条件下燃烧，在火焰行进路途中不断加入纯氧或者富氧空气进行氧气补充，以保证燃料的充分燃烧。此种燃烧方式燃料是逐步燃烧的，火焰温度比较均衡，没有突出的高温火焰，从而防止高温条件下氮氧化物的生成，缺点是热点温度不明显，不利于玻璃液澄清和均化，为弥补此不足，在窑炉热点位置设置两支纯氧燃烧喷枪，以弥补热点温度不足的问题。喷枪设置时，要求前面喷枪为还原气氛，后面为氧化气氛，以防止高温与富余氧气两条件同时存在，为氮氧化物产生创造条件。

横焰窑分阶段燃烧相对简单，就是在火焰的对面小炉底部增加两到三支纯氧（或富氧或空气）喷枪，燃烧过程中也是减少一次助燃空气量，使燃烧前期阶段氧气量不足，未燃烧燃料通过对面小炉底部补充氧气进行二次燃烧，这种燃烧方式可有效拉长火焰长度，整体火焰温度相对均衡，避开高温生成氮氧化物的条件。该燃烧方式有两个风险，一是可能有未燃尽燃料进入蓄热室二次燃烧，加快蓄热室格子体损毁速度，降低窑炉寿命，二是大量冷空气入炉，增加窑炉的能耗。

2.3 低氮燃烧喷枪技术

低氮燃烧喷枪就是对燃烧喷枪进行技术改进，使其达到低氮燃烧的目的，其基本原理图见图5。

图5 低氮燃烧喷枪示意图

低氮燃烧喷枪就是在喷枪内使燃料以不同速度喷出，由于燃料初始动能不同，喷出速度与距离就不同，使得火焰相对拉长，且较为均匀，没有明显高温火焰，由于温度降低，所以降低了燃烧过程氮氧化物生成概率。该喷枪还可以使用不同品质燃料，达到燃料综合使用的效果，同时也可以利用燃料燃点温度不同、热值不同达到均衡燃烧的目的，以降低燃烧过程中氮氧化物的生成。