玻纤行业纯氧燃烧的关键问题分析

唐宇，唐秀凤

（中材科技股份有限公司，南京 210000）

摘  要：介绍了纯氧燃烧技术在玻纤池窑上的应用，通过理论分析研究来阐述纯氧燃烧技术的先进性，通过实际应用案例来验证该技术良好的经济性和社会效益性。指出纯氧燃烧技术是先进的玻璃熔化技术，能够广泛应用于熔制各种成分玻璃配合料，使玻纤生产能够实现高质量、低排放、降能耗的目标。

关键字：纯氧燃烧；玻璃纤维；单元窑；节能减排

1.概述

纯氧燃烧是一种氧化反应，即燃料（天然气、液化气、柴油、重油等）与氧气在高温下发生剧烈的氧化反应而发光发热。任何燃烧过程都包括三个要素——燃料、氧气及高温，传统空气燃烧就是利用空气中21%的氧气来进行助燃，但是空气中约79%的氮气在高温下也会部分与氧气发生氧化反应产生大量有害物质NOx，空气燃烧产生的烟气量较大，79%的氮气也会加热至高温，带走部分热量，因此空气燃烧的热效率较低，且浪费能源污染大气^[1]。由此可见提高助燃气体中氧气的浓度是提高燃烧效率的关键措施。随着工业化的技术进步，从空气中分离氧气的技术日渐成熟，不但制得氧气的浓度越来越高，而且制氧的成本也在不断降低，这就为纯氧燃烧创造了有利的工业化基础。使用纯度大于91%的氧气，按照一定的氧/燃比与燃料混合燃烧，产生低动量火焰的纯氧燃烧技术应运而生。相比空气助燃技术，纯氧燃烧技术具有火焰温度高、热量传导快、燃烧效率高、废气排放少等节能环保的优良特点。

随着工业化的持续高速发展，我国对燃料的需求越来越多，同时随着环境污染导致的问题不断恶化，对环保的要求也越来越高，因此高耗能低排放的玻纤生产线采用纯氧燃烧技术成为了一种必然的趋势。我国工信部在2012年8月1日起宣布开始实施的新玻璃纤维行业准入条件中，明确指出新建玻璃纤维池窑拉丝生产线必须采用纯氧燃烧技术，这将大大推动我国纯氧燃烧技术的发展，同时也将为我国的节能减排事业做出巨大的贡献。

2.纯氧燃烧在玻纤池窑上的应用

随着环保要求的不断提高，玻纤生产尾气中的硼酸及氟化物的污染问题也日渐突出，同时由于硼钙石与硼镁石价格较高，减少硼含量也是玻纤降低成本的一个有效途径，因此出现了不含硼和氟的无碱料方，其熔制温度以及成型温度也相应提高了，所以要求玻璃纤维的熔制技术也需要随之提高，纯氧燃烧技术的出现既满足了玻璃对熔制温度的要求，又满足了节能减排的环保要求^[2]。同时在中碱与普通无碱玻纤窑炉上采用纯氧燃烧技术，可提高玻璃液的温度使澄清均化效果更佳，这样可以进一步提高玻璃纤维的质量，并能一定程度扩大窑炉的生产能力。

2.1玻纤纯氧燃烧的特点

    根据纯氧燃烧技术的发展和实际应用情况，玻璃纤维池窑上纯氧燃烧一般值采用纯度≥91%的氧气为助燃介质的燃烧，它相对于传统空气助燃主要有以下燃烧特点：

2.1.1热效率高，提高熔化率

纯氧燃烧因氮气含量少，比空气助燃时烟气的黑度大得多，且火焰传播速度快，火焰温度高（焰芯温度可达2800℃），辐射系数大，对玻璃液辐射加强，对玻璃液的传热量增加，热效率高，熔化率增大^[3]。

由于烟气量的减少，窑炉火焰空间热点向投料口方向移动，可以加速配合料熔化。同时纯氧燃烧火焰波长短，对E玻璃的穿透性很好，池深方向温度梯度小，可提高窑炉熔化率，加强玻璃液的澄清均化，提高玻璃液的产量和质量，zui大可提高窑炉熔化能力20%左右。

2.1.2 烟气量小，节能减排

纯氧燃烧废气排放量减少60%以上，既减少了氮气进入的动力，又大大减少了废气带出的热量。废气中NOx也下降80%～90%，相应减少了原料挥发，所以SO₂和F₂排量可下降20%，粉尘含量也可降低50%以上，减少了原料的飞扬，节省了配合料。

同时由于烟气量大幅减少，燃烧产生的烟气在窑炉中停留的时间也有所增加，这就延长了热交换的时间，提高了热传导的效率，因此纯氧燃烧带来了明显的节能减排的效果。

2.2纯氧燃烧应用实例

以采用天然气作为主燃料的年产3万吨的无碱玻璃纤维池窑为例，窑炉可以节省燃料35%～40%，通路则可以节省燃料50%～60%。

表1.国内一座年产2.5万吨无碱玻纤池窑生产线纯氧改造前后的数据对比（无电助熔）

从上表中可以看出在熔化部和通路原有空气燃烧系统改为纯氧燃烧系统后，窑炉玻璃液产量提高了8.8%，熔化部能耗降低了39.9%，通路能耗更是降低了55%。

由于纯氧燃烧后烟气量减少，废气处理量也相应减少，因此可以减少废气处理设备的投入，同时降低废气处理原料的用量及动力的消耗量。

    因此纯氧燃烧在玻璃纤维池窑上应用，在经济效益上能够切实降低燃料耗量，提高产品质量，减少建设及运行投资；在社会效益上又能大大减少对环境的污染，满足国家提出的关于可持续发展的要求。

2.3玻璃纤维池窑纯氧燃烧的主要技术环节

2.3.1 玻纤纯氧燃烧窑炉

由于纤维玻璃相对普通平板、器皿玻璃而言，熔化温度较高，玻璃液的熔化质量和稳定性要求较高，因此熔制均采用具有较大长宽比的单元窑窑型，燃料多采用重油、天然气等燃料，同时对耐火材料的要求也较高。由于采用纯氧燃烧技术后，窑炉的空间温度提高，火焰的热辐射能力增加，因此选用窑炉及通路的耐火材料时应注意这一特点。窑炉及通路中与玻璃液接触的池壁池底耐火材料与采用空气燃烧的窑炉相差不多，但是窑炉的碹顶砖、胸墙砖以及通路的盖板砖需要选择具有优良抗高温蠕变性和耐热震性好的电熔莫来石砖，垂直烟道选用电熔锆刚玉砖；同时全窑采用良好的保温层，以提高保温节能效果。

为了更好的发挥纯氧燃烧技术的特点，提高玻璃纤维的生产质量，纯氧燃烧窑炉一般还会配套设置其他技术手段来达到的综合熔制状态。如采用电助熔进一步提高热效率，采用鼓泡器促进窑内玻璃液更加合理的流动，获取更高质量的玻璃液等。当前综合先进的燃烧熔制技术可使E纤维玻璃熔化热效率超过40%。

2.3.2氧气的来源

纯氧燃烧对氧气的浓度要求需要达到91%以上，由于使用液氧的成本较高，因此大部分玻纤生产线都是采用自建氧站或者购买管道氧气来解决氧气来源问题，同时在厂区设置液氧储罐储存液氧作为备用，这样就可以实现在制氧站检修或者故障时仍然能够向窑炉供应助燃氧气。

目前主要制氧技术有变压吸附与深冷两种。变压吸附制氧就是空气经除尘后，由鼓风机鼓入盛有多种吸附剂（分子筛等）的吸附塔底部，绝大部分CO₂、N₂、SO₂、H₂O及少量O₂在塔内被吸附剂吸咐，而大部分O₂则透过床层从塔顶排出，得到氧含量约93%左右的纯氧。深冷制氧设备主要由空气压缩机组（包括过滤器、压缩机、供油系统等）、空气冷却系统（空气冷却塔、水冷却塔、氟里昂冷冻机组、水泵、水过滤器等）、分子筛净化系统（净化器、加热器等）、透平膨胀机、分馏塔（上塔、下塔、过冷器等）、换热器等组成，空气经过制氧机组分离后，可获得纯氧（含氧量99%）、纯氮及各种纯净的稀有气体。

从工艺过程来看深冷法比变压吸附法工艺过程长，工艺较复杂，需用设备的种类和台数较多，且需耐受高压或超低温，投资成本高，同时制氧量越低单位耗电量也越高，但装置能力可达到较大规模，所以一般用氧量超过10000Nm3/h时采用深冷法比较合适。变压吸附制氧法具有基建投资小、水电消耗少、经营成本低、安全性能好、操作维修简单、启动供氧特快、自动化程度高、用工少等许多优点，缺点是不能制得氧含量95%以上纯氧，且制氧量不大，一般适用于10000Nm3/h以下规模^[4]。

而玻纤生产线对氧气的消耗量较低，单线一般不超3000Nm3/h，且玻纤窑炉纯氧浓度达到91%以上即可，所以综合考虑技术经济成本，年产3万t玻纤生产线一般均采用变压吸附法生产氧气。

目前，国内已有的变压吸附厂家的装置工艺水平达到了先进水平。例如，河南林州光远新材料有限公司选用北京北大先锋科技有限公司生产的变压吸附制氧设备，产氧量为1600 Nm3/h，产品纯度91%，投产两年多以来，设备运行一直保持稳定，100%纯氧电耗保持在0.40kwh/m³左右（含压氧），的能耗指标进一步降低了生产成本。

近年来多数变压吸附厂家将制氧设备由轴向床改为径向床工艺，经此优化后，采用径向床工艺的变压吸附制氧设备比轴向床装置的电耗水平更低，工艺指标也随之提升。北京北大先锋科技有限公司在工艺的升级与改进上做出了多方努力，是我国变压吸附制氧技术的典型代表。

2.3.3纯氧燃烧系统的组成

由于纯氧燃烧是氧气与燃气直接混合燃烧，燃烧速度快，火焰温度高，因此要实现zui稳定的燃烧状态就需要完善的系统和精密的控制来分别调节燃气与氧气的压力与流量。

符合要求的燃气、氧气进入池窑车间，经过滤、调压后，按燃烧工艺要求，分别供给窑炉两侧的燃烧器，混合后进行燃烧。燃气量与窑内火焰空间控制点的温度联锁，随着温度的变化，由精密流量调节阀自动调节窑炉每支枪的燃气量，相应的氧气量也由精密流量调节阀按比例调节，保证燃烧充分。在燃气系统中需设置流量计、调压稳压阀、快速切断阀、精密流量调节阀以及各参量变送器等，以保证系统安全稳定供气及燃烧完整。

3玻纤纯氧燃烧带来的问题及解决方法

玻纤池窑采用纯氧燃烧后带来好处的同时也会带来一些问题，这些问题如果不引起我们的重视也会影响玻纤生产线的正常生产。

3.1泡沫问题

    由于采用纯氧燃烧，如控制不好极易造成窑炉内氧化性气氛过高，残氧含量约有3.5%～5%。玻纤窑炉生产需要弱氧化性气氛来保证玻璃液不会产生还原性物质以致影响拉丝作业，但是氧化性气氛过强就会快速与配合料中的C和S反应，产生大量CO₂、SO₂气体，在玻璃液表面形成较厚的泡沫层，泡沫层既影响了火焰辐射热对玻璃液的传导，又会使气泡随玻璃液流入通路中影响拉丝作业。因此采用纯氧燃烧技术后，如何消除泡沫就成了首要问题。降低玻璃液表面泡沫至合理厚度需要注意以下几点：

（1）需要严格控制配合料的COD值。由于CO₂气泡受热后体积变化较大，较易从玻璃液中排出及破裂，因此玻璃液表面泡沫中的主要气体为SO₂，所以如何减少配合料中S的含量成为消泡的关键。中碱及普通无碱料方中就需要降低甚至取消芒硝的使用量，同时严格控制其他原料中S的含量。

（2）调节火焰空间气氛，尽量降低残氧量，从而降低较高的氧化性气氛，同时可以将窑炉澄清均化区的燃烧器（zui后一支或一对）火焰调节成弱还原性，进一步减少泡沫；

（3）在配合料中添加碳粉。因产生的CO₂气泡较易排出，所以适当的碳粉可以消耗一部分残氧减少泡沫的产生，但是一旦碳粉添加量过多，在玻璃液熔制过程中不能被反应掉，极易造成玻璃液变成还原性，影响拉丝生产线安全，所以此方法不建议采用。^[1、5]

3.2烟气水分含量高

纯氧燃烧烟气中水分的含量能够高达50%以上，在烟气降温过程中极易形成结露产生硼酸与氢氟酸。硼酸腐蚀性较弱，但是粘性强，容易堵塞废气管道，且很难清除；氢氟酸有强腐蚀性，一旦管道中氢氟酸含量达到一定浓度，将很快腐蚀掉接触的管道或设备。要解决此问题需要注意以下几点：

（1）废气管道中需要严格控制烟气温度在露点温度以上，防止结露；

（2）在进行烟气余热利用时，金属换热器或者余热锅炉废气出口温度不宜过低，必须高于露点温度以上；

（3）废气管道及设备尽量采用耐腐蚀性较强的材料，如不锈钢316L、玻璃钢等^[6]。

4结语

进入21世纪以来，我国发展面对两大严峻的问题：一是能源日益紧张，能源价格不断攀升；二是工业污染持续排放，环境恶化越发严重。这两大问题直接影响我国国民经济发展与生存环境的改善，是实现可持续发展的关键问题。同时玻璃纤维生产也是能耗与排放大户，所以近年来，从国家、行业到企业甚至是普通老百姓，都在关注玻璃纤维工业在节能减排方面的新举措，因此纯氧燃烧技术的出现让大家找到了解决问题的有效方法，同时再结合玻璃料方的改进、电助熔技术等新工艺新技术，不仅可以降低配合料成本，提高窑炉产能，改善玻璃质量，节能降耗，减少投资，为企业带来切实的经济效益；同时还可以极大地减少废气排放，降低对环境的污染，有效地保护了我们的生态环境。所以无论从企业经济效益的角度还是从社会责任感的角度来衡量，纯氧燃烧技术都是玻纤池窑的熔制方案，也是发展趋势。

参考文献

[1] 孙承绪，陈润生，孙晋涛.玻璃窑炉热工计算及设计.北京：中国建筑工业出版社，1983.

[2] 刘宪琪，张德刚，孙晓宏.环保节能型ECR玻璃纤维技术的研究与开发[J].山东建材，2007(06):45-49.

[3] 孙承绪.全氧燃烧十三问[J].玻璃与搪瓷，2003，31（3）：25-29.

[4] 刘汉钊，王华金，杨书春.变压吸附制氧法与深冷法的比较[J].冶金动力，2003（2）：26-29.

[5] [英]K.L.洛温斯坦.The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibres.北京：中国标准出版社，2008

[6] 孙承绪.全氧燃烧池窑中若干技术问题的探讨[J].玻璃与搪瓷，2002,30（1）：47-29.