引言
截至到目前，我國已有浮法玻璃生產企業90 余家，浮法生產線總計337 條。窯爐作為浮法玻璃企業熔制玻璃的關鍵設備，消耗了大量的燃料。隨著我國經濟發展的轉型，對綠色發展理念的重視，對浮法玻璃這個高能耗行業提出了新的要求。浮法玻璃生產企業都積極探索，改造現有設備，采用新的技術，減少產品能耗，提高產品質量，以提高企業競爭力。全氧助燃技術對于浮法玻璃企業來說，是實現減少能源消耗、減少廢氣排放、降低成本、提升產品質量的一個有效途徑。
截至到目前，我國已有浮法玻璃生產企業90 余家，浮法生產線總計337 條。窯爐作為浮法玻璃企業熔制玻璃的關鍵設備，消耗了大量的燃料。隨著我國經濟發展的轉型，對綠色發展理念的重視，對浮法玻璃這個高能耗行業提出了新的要求。浮法玻璃生產企業都積極探索，改造現有設備，采用新的技術，減少產品能耗，提高產品質量，以提高企業競爭力。全氧助燃技術對于浮法玻璃企業來說，是實現減少能源消耗、減少廢氣排放、降低成本、提升產品質量的一個有效途徑。
傳統方式的浮法玻璃窯爐全氧助燃是在投料口和1#小爐之間的胸墻上使用全氧噴槍，即0#氧槍。而置于大碹上的垂直燃燒的頂插式全氧噴槍作為另一種全氧助燃的方式，則很少有在浮法窯爐上實際使用案例。
1 應用原理
在玻璃熔制過程中，從火焰到配合料的傳熱至關重要。火焰總的熱傳遞基本上可以描述為輻射傳熱和對流傳熱兩部分的和，如式（1）所示：
QT＝QR＋QC＝f[esA（Ts4－Tb4）]＋g[hcA（Tg－Tb）] （1）
式中：QT—火焰到配合料的總的傳熱；
QR—輻射傳熱；
Qc—對流傳熱；
f—輻射方程；
g—對流方程；
e—輻射率；
s—斯忒藩-玻耳茲曼常數；
A—對流傳熱面積；
Ts—輻射源的絕對溫度；
Tb—配料的絕對溫度；
hc—對流傳熱系數；
Tg—氣體的絕對溫度。
通常，當在火焰和液面（或配合料）之間的邊界層區域內出現燃燒反應時，對流換熱占總傳熱的比例為6%～9%。如果沒有出現燃燒反應，則對流換熱的比例為3%～5%。在沒有燃燒的邊界層上方的燃氣平均溫度下，傳熱系數約為35 W/（m2·K），在有燃燒情況下為80～120W/（m2·K） 。
浮法玻璃窯爐側插0#氧槍助燃如圖1所示，顯示了典型的傳統玻璃熔窯內的傳熱，無論是0#氧槍或是普通噴槍都是沿水平方向進行燃燒。在常規水平燃燒玻璃爐內的整體傳熱過程中，對流傳熱相對輻射傳熱而言，貢獻很小。這是因為玻璃窯爐中的溫度很高，由式（1）可知，溫度越高輻射傳熱部分越占主導地位。對流成分受對流系數的進一步調節，對流系數包括配合料和玻璃液上方的局部流體性質。
圖1 浮法玻璃窯爐側插0#氧槍助燃
在傳統的窯爐中，相對比較厚的邊界層和比較低的熱驅動力的存在決定了大約95%的總熱傳遞來自于火焰和大碹的混合輻射。因此，傳統窯爐能達到的最大傳熱取決于熔化部面積和上部耐火材料所能經受的最高溫度。由于耐火材料能承受的最高使用溫度是固定的（采用硅磚的大碹一般為1 600 ℃左右），所以提高使用傳統化石燃料的玻璃窯爐熔化率的唯一辦法是增加配合料的表面積，這就限制了玻璃窯爐的單位熔化率在一定的范圍內無法再提高。
常規的氧氣—燃料燃燒能提高輻射換熱，但對對流傳遞的影響較小。較高的火焰溫度和燃燒產物的增強發射率直接增加了燃燒空間的輻射。低速、厚的邊界層以及與批處理和玻璃液相接觸的燃燒產物的相對低溫（與火焰本身的溫度相比）減小（對對流分量的影響）。
采用頂插噴槍的燃燒方法可以提高對流傳熱。如圖2所示，頂插噴槍垂直方向燃燒的火焰快速噴向下方的配合料和玻璃液，導致火焰和配合料之間的邊界層顯著變薄，高溫火焰與相對較冷的配合料之間的緊密接觸，火焰中未完全燃燒的物質在冷的配合料表面會繼續發生反應和釋放出能量，進一步加強了對流傳熱。
圖2 浮法窯頂插噴槍助燃
對配合料的總熱傳遞的增加是窯爐增加熔化率的關鍵。此外，由于頂插噴槍安裝在大碹中，所以有很大的空間來選擇安裝噴槍的合適位置。因此，這種方式可以在單位面積的配合料上提供更多的能量，而不會將窯爐的運行溫度超出耐火材料的承受能力。這種頂插噴槍熔化方式，可以在固定尺寸的窯爐中增加玻璃的拉引量或提高玻璃的質量。
2 實施方法
2.1 全氧助燃氧氣來源
目前，全氧燃燒合適的氧源主要有以下幾種：直接使用液氧、低溫空氣分離法（ICO）制氧和變壓吸收法（VPSA）制氧。其中，直接使用液氧的方式需要再建設液氧儲存系統，從氣體公司購買高純成品液氧，價格較高；低溫空氣分離法制氧投資比較大，系統比較復雜，氧氣產量大，純度高（99%左右），一般適用于全氧燃燒大量使用的情況；變壓吸收法制氧適合中小規模制氧，純度能在一定范圍內調節，生產比較靈活。
對浮法玻璃廠來說，由于錫槽需要使用大量的氮氣來防止錫液被氧化，作為浮法窯爐的配套設施建有氮站，作為其副產品的氧氣是全氧助燃合適的氧源。為了全氧助燃，氮站在設計之初就應該考慮生產氮氣的同時利用剩余的氧氣。氮站的制氧量用于全氧燃燒是遠遠不夠的，不過用于全氧助燃則是可以滿足要求的。一般情況下氮站產生氧氣的壓力偏低（約40 kPa），需要進行升壓調節后使用。
2.2 噴槍布置
對于浮法玻璃窯爐來說，在傳統上使用0#小爐區域的大碹上用1～2支頂插噴槍就可以充分利用氮站的氧氣，提供整個窯爐大約10%的熱量輸入，達到一定的助熔效果，同時，由于全氧助燃所占比例較低，不會導致窯爐燃燒空間的水蒸氣和NaOH的濃度劇烈上升，因而不會對窯爐的硅磚材質大碹的侵蝕造成大的影響。
對于新建的窯爐，可以在0#小爐和前2～3對小爐區域（視窯爐的規模而定）的大碹上同時使用多支頂插噴槍，同時取消前2～3對小爐和蓄熱室，這種情況下窯爐靠近投料口的區域內存在大量的全氧燃燒，水蒸氣和NaOH濃度很高，可能導致硅質大碹出現問題，因此需要考慮在相關區域使用一段電熔AZS大碹。這樣會增加一部分建設成本，不過同時也會節約相應位置蓄熱室的建造成本。
這樣的混合式的窯爐結合了兩者的長處，有以下幾個優點：
（1）由全氧燃燒帶來的益處：和同樣大小的普通空氣燃燒窯爐相比，能達到更高效的傳熱，配合料料山不受換火影響，因此更穩定，從而達到更大的拉引量，更低的單位能耗，獲得更高的玻璃質量，還有減少飛料對蓄熱室的堵塞，同時也能降低NOx的排放。
（2）由普通空氣燃燒帶來的益處：整個窯爐大部分還是傳統的形式，減少了建設和運行的成本，同時減少了全部全氧燃燒造成澄清部產生過多的泡沫，改善澄清部的熱傳遞。
2.3 注意事項
頂插式噴槍助燃不適合含有揮發性成分的玻璃組成。在火焰的直接高溫沖刷下，配合料中的揮發會增加，并且會在碹頂噴槍處冷凝下來，堵住噴槍和損壞噴槍附近的耐火材料。
應注意噴槍的安裝。不合理的安裝位置和角度可能導致氣流在接觸配合料后沖向周圍墻體和碹頂，造成配合料的飛料。合理的安裝則可以減少飛料，并增加燃料燃燒后生成氣體在窯內的停留時間，達到更好的傳熱效果。
注意全氧燃燒造成的局部高水分高堿蒸汽的影響。就像使用0#氧槍助燃那樣，頂插噴槍局部使用不會有大的影響，但是如果大量應用就必須重視氣氛的改變對耐火材料的影響。
3 模擬驗證
對頂插噴槍的效果進行數學模擬。首先計算了不使用任何助燃的普通浮法窯爐（模型1），然后分別計算使用傳統0#氧槍助熔的窯爐（模型2）和使用頂插氧槍助熔的窯爐（模型3）3種情況。在這3個模型中，除了1#小爐前的助燃方式有所不同外，其它部分的結構完全一樣，各個窯爐拉引量都為550 t/d。案例2和案例3投入了一樣多的助燃燃料（4.9%），1#小爐的燃料量由保持1#小爐位置靠近池底處的玻璃液溫度不變來調節，其余小爐的負荷則保持不變，以盡量使3個案例中玻璃液有相似的溫度和流動情況，即保持相似的玻璃質量，以方便比較。
3.1 燃燒空間
3個模型各個小爐燃料負荷（以基礎模型的能耗為100%計算）比較見表1。
案例2和案例3在基礎案例上分別取得了1.5%和1.7%的節能效果，可見使用頂插噴槍比使用0#小爐取得了更好的節能效果，但是兩者之間的差距并不大。在助燃量比較小的情況下，只要0#氧槍的燃料燃燒后的高溫氣體有足夠的
停留時間把熱量輻射出去，總體傳熱效率并不會比使用頂插噴槍低。頂插噴槍只有在比較大的使用負荷下才能充分發揮其傳熱效率高的特性。
3個模型大碹內表面溫度對比見表2。
模型2和模型3使用助燃后，使在1#小爐前的大碹內表面溫度有所提高，但處于耐火材料的安全溫度范圍內，大碹其他位置則溫度稍有下降。模型3使用頂插噴槍后碹頂熱點處溫降更多，從1612 ℃降低了3 ℃，而模型2與之相比只降低了1 ℃。可見使用頂插噴槍后，與使用常規0#氧槍相比，更多比例的熱量直接進入了玻璃液，在同樣的拉引量和質量的情況下熱點溫度更低，因此具有更大的提高拉引量的潛力。
模型3在配合料上表面附近氣流速度比模型2有所增加，不過每支頂插噴槍的流量并不大，而且其速度主要是垂直方向上，沖擊配合料后向四周分散。從圖3和圖4中可見，與下方同樣存在大量配合料1#小爐相比，頂插噴槍在配合料上方的高速區域的面積很小，水平速度風速也不大，并不會帶來更多的飛料問題。
圖 3 窯內頂插噴槍附近氣流的速度場
圖4 窯內1#小爐附近氣流的速度場
3.2 玻璃液
在這3個模型中，玻璃拉引量是相同的，而且除了配合料到1#小爐之間，其它部位采用了相同的燃料分配。從圖5和圖6可見，3個模型中玻璃液的溫度場和速度場基本一致。可見局部的助燃，無論是使用頂插方式，或是傳統的0#氧槍側燒方式，都不會使原有玻璃液流循環發生大的變化。
圖5 3個模型中玻璃液的溫度場
圖6 3個模型中玻璃液的流線
4 結語
浮法窯爐上使用頂插全氧噴槍助燃是除了傳統0#氧槍助燃之外的另一種方式，能夠有效地降低單位能耗、提高玻璃質量、增加拉引量。由于這種助燃方式的傳熱特性，在節能降耗和提高玻璃拉引量方面比0#氧槍更有潛力。無論是在浮法玻璃窯爐上局部的助燃，還是在新窯上以較大比例和傳統空氣燃燒混合使用，都有一定應用價值。綜合考慮成本和使用的風險，就目前來說，最佳的用法是在一個窯期快結束時，當蓄熱室出現嚴重堵塞導致熔化能力下降時，恢復原有的產量，從而延長窯期。
