摘要：

近年来，在我国节能环保的国策引导下，全氧燃烧技术在我国得到快速发展，尤其是在玻璃纤维池窑的应用，因其节能效果达40%以上，所以玻纤行业全氧燃烧技术发展最为迅速。本文介绍了富氧燃烧技术原理和优点，以及该技术对玻璃生产工艺的影响。

关键词 ：富氧燃烧 玻璃窑炉VPSA制氧 节能 环保

一、引言

玻璃窑炉全氧燃烧用氧量较大，我国是玻璃的主要生产和消费大国，随着国家对于环保要求的提高，市场竞争的加剧，为玻璃行业带来了更大的节能减排压力和市场挑战。全氧燃烧能有效降低玻璃行业氮氧化物排放量，降低生产成本，从这两方面来说，全氧燃烧是目前玻璃企业普遍采用的提高市场竞争力、促进节能减排的有效解决方案。

富氧燃烧技术是氧体积含量高于21%的燃烧技术，该技术的特点是燃烧速度快，温度高，天然气使用量降低，废气排放少，NOx排放量进一步减少，降低了废气对环境的污染。目前采用了富氧燃烧技术的玻璃生产厂家，玻璃的质量和产量均有明显的改善和提升，实现了减排和节约能源。经过验证表明，富氧燃烧技术将为玻璃生产带来显著的经济效益和社会效益，具有广阔的市场前景。

二、富氧燃烧原理

氧含量高，燃料燃烧得更充分，燃料在富氧状态下会更加活跃，富氧分子和燃料分子结合更加完全，从而能释放更多的热量，所以氧供给的多少就决定了燃烧是否充分，以及燃烧温度的高低。传统方式的燃烧采用空气鼓风助燃，空气中有大量的N₂，氮气不助燃，也影响了氧气分子和燃料分子的接触，影响了燃烧效率。不仅如此，在燃烧过程中，还有大量的热量被不参与燃烧的氮气和废气带走，造成热量损失，能源浪费。采用富氧燃烧可以解决以上问题。

1、玻璃窑炉富氧燃烧的优点

全氧燃烧使用纯度为93%的氧气助燃，燃烧产物种类大大减少。

（1）由于助燃气体中仅含有微量氮气，降低了NO_X和粉尘的排放量，减少了废气量，废气处理更加容易；

（2）燃烧气体在窑炉内停留时间变长，能量的利用率增加，同时火焰温度更高，可以有效地节省燃料，提高燃烧效率；

（3）提高熔窑的生产能力，不用燃烧换向，料山和液流很稳定，工艺参数也更加稳定；

（4）提高了产品质量；

（5）窑炉规模更加精简，节省建设投资。

2、富氧燃烧技术对玻璃窑炉影响

（1）提高火焰温度

采用富氧燃烧技术后，富氧量增加，N₂量减少，空气量和烟气量显著减少，据相关科学研究，火焰温度随着氧含量的增加，温度显著提高，若采用空气燃烧，当温度升高到1300℃时，可利用的热量为42%；若利用浓度为28%的富氧燃烧，可利用热量为56%。所以采用富氧燃烧有效提高了燃烧区域氧气的百分比，提高了火焰温度和炉膛温度。

（2）加快燃烧速度

燃料在富氧中燃烧速度加快。例如，天然气在氧气中的燃烧速度比在空气中的速度提高10倍。燃烧速度提高有助于燃料在窑炉内迅速完全燃烧。

（3）降低燃料的燃点温度

燃点温度受到反应速率和热损耗的影响，。富氧燃烧相比于空气助燃，可以起到降低燃料点燃温度的作用，提前点燃，则燃料在窑炉内的燃烧时间相对延长，燃料释放热量的时间增加，火焰单位体积的热量释放也随之增加。

（4）减少燃烧后的排气量

富氧燃烧鼓入的空气量减少，因此燃烧后带走的热量也减少。通常燃烧只与占空气1/5的氧气燃烧，其余4/5的氮气不但不燃烧，还要带走大量的热量，从烟气中排出。根据相关研究，随着富氧增加，排出的废气逐渐减少，例如27%的富氧与普通空气21%氧含量比较，在空气过剩系数m=1时，排气体积减少20%，烟气量减少，热损失减少，也更加节能。

（6）降低空气过剩系数

富氧燃烧能有效的降低空气过剩系数，使排烟热损失大幅降低，从而提高窑炉热效率。据相关研究表明，当a=1.1时，燃料增加4%，当a=1.4时，燃料增加16%，在高温窑炉内中加热温度越高，a越大，热损失就越严重。如果窑炉内燃烧完全，降低了空气过剩系数。据相关资料介绍，日本节能措施中，也着重降低空气过剩系数，将空气过剩系数从1.7降到1.2，达到节能13%的效果。

三、制取高纯度氧气的方法

当今工业化制氧技术主要有两种，第一种是深冷空气分离制氧，同时可以获得液氮等气体产品，适用于同一地区有多座窑炉或其他用户的大规模制氧。另一种是变压吸附制氧（PSA、VPSA），投资小、自动化程度高、启停方便以及能耗低，适用于需求量在50~20000Nm³/h的用户。

表1：制氧方法对比

针对富氧玻璃窑炉的用氧特点，从表中可以看出，VPSA技术非常适合应用于玻璃窑炉的富氧助燃。

3.1 VPSA变压吸附特点及优点

（1）开停机时间短

VPSA制氧装置，在15min内，可以开始制氧并达到装置的设计产量和纯度，可以满足正常使用，如果窑炉不需要氧气，可以在短时间内停机，降低电耗。

（2）可实现自动化

根据目前VPSA的制氧装置的发展，已经取得了比较大进度，对于控制方面可以实现无人值守，将设备开启之后，稳定运行，人员就可撤离，根据需要进行巡检即可。

（3）工艺操作简单

VPSA制氧装置设备简单，大型动力设备只有鼓风机和真空泵，空气进入吸附塔，分子筛吸附氮气，富氧产出，再将氮气抽出即可，。可以实现一键启动，装置根据程序进行自动调节，顺利开车后基本不需要操作。

（4）设备投资低

从玻璃窑炉普遍的用氧需求来看，VPSA制氧装置的投资费用相比于其他制氧方式投资更低，。

（5）能耗低

根据上表所示，VPSA的电耗小于0.32KWh/Nm³，深冷制氧法的电耗约为0. 5KWh/Nm³，假设一套2000 Nm³/h的制氧设备，全年运行时间以11个月计算，节省电费285万元，经济效益明显。

3.2 应用案例分析

山东某玻璃玻纤厂为熔炼窑炉助燃配套建设了2350 Nm³/h、纯度93%的VPSA制氧装置，该套装置由北京银河集团:198net科技有限公司设计建设，目前设备已稳定运行3年多，设备参数如下：

3.2.1 产量规模：2350Nm³/h，纯度93%。

配套机组：鼓风机、真空泵、吸附器、切换阀、仪控、电控、仪表空气等。

3.2.2 动力设备配置表

3.2.3 实际产量与能耗

备注：

1、氧气压力为供给用户的压力。

2、产量为72小时平均流量。

3、纯度为72小时平均纯度。

4、能耗为72小时平均高压电耗与72小时平均低压电耗之和。

5、高压设备主要含罗茨风机和罗茨真空泵，低压设备主要包含氧气压缩机、仪表空气压缩机、厂房通风、冷却水循环水泵、空调和照明等。

6、单耗为每立方100%纯度的氧气消耗的电能。

3.2.4 项目使用效果

（1）提高效率

富氧燃烧后，从火焰进入玻璃或熔化的料层中的热能显著增加。燃烧效率的提高可以反映在下列情形中：在保持相同的燃料消耗的前提下，提高产量；或是在产量相同的情况下，节省能源。在蓄热式的熔窑中，相同效率的燃烧系统正常可以节省20%的燃料。这对于玻璃纤维的熔窑采用全氧燃烧后期效率的提高是非常显著的。

本项目中每日的产量提高了20%，原料成本减少了3%，成品率提高4%。

（2）NO_X散发

热力型NOx是使用空气助燃过程中，燃烧用空气中部分的氮在高温状态下和氧发生化合反应生成，而产生的氮氧化物，排放到大气后导致酸雨的形成，这是工业生产过程中所面临的严峻的环保问题。富氧燃烧过程中的氮气含量极少，几乎可以忽略不计，所以大大减少了NO_X的排放，具有很好的环保效益。在本项目中NO_X的排放量降低了70%左右。

（3） 烟气量

富氧燃烧中，因氮气的减少，烟气量降低了80%左右，节省了对烟气处理的投资。

（5）项目效益

该项目建成投产后，对于提高窑炉的玻璃熔化质量、节约能源、改善环境等具有十分显著的效果，可使企业能耗降低12.5%-22%，废气排放量减少60%以上， NOx排放量减少70%、烟尘降低80%以上。助力该公司建设高档玻璃纤维产品的先进生产基地，进一步巩固和提升企业的综合竞争力。

四、总结

实践证明，富氧玻璃窑炉采用富氧燃烧技术可以减少综合投资，提高窑炉的可操作性及稳定性，在熔化面积不变的情况下，有效提高熔化率和生产能力，同时降低能耗，减少污染物排放，创造良好的经济效益和环保效益。