全氧燃燒技術

全氧燃燒是指用工業氧氣代替空氣來燃燒燃料，可以使燃料燃燒更加完全。

全氧燃燒對於空氣燃燒有諸多優點：全氧燃燒過程與空氣燃燒相比，空氣中約79%的氮氣不再參與燃燒，可以提高火焰溫度，煙氣中不存在氮氣，燃燒產物為三原子產物，三原子物質的傳熱效果高於雙原子的物質，提高加熱效率；而且氮氣不再參與排煙，可以大幅減少煙氣量，減少排煙熱損失。

全氧助燃直接帶來的經濟效益就是能夠節約燃料，減少NOx的排放，達到淨化環境的要求。

全氧燃燒由於無N₂參與燃燒過程，理論上不會產生NOx，但由於實際燃料中會含有少量N₂，以及燃燒過程中密封性能不佳會從大氣中吸入少量N₂，但由於N₂濃度較低，即使全氧燃燒的火焰溫度較高，NOx的生成量比空氣燃燒還要少，若能通過煙氣回流等技術控制火焰的溫度及燃燒區氧濃度，全氧燃燒的NOx的生成量會降到極低。

基本介紹

• 中文名：全氧燃燒技術
• 外文名：Oxy-fuel Combustion Technology
• 本質：用工業氧氣代替空氣來燃燒燃料
• 優點：節約燃料，減少NOx的排放
• 存在問題：制氧技術和耐火材料
• 套用：用於玻璃窯中節能減排

發展背景

近年來，隨著霧霾天氣的頻繁出現，人類的生存環境受到嚴重威脅，大氣的污染治理越來越成為人們關注的焦點，特別是大氣污染物中的氮氧化物(NO_X)。氮氧化物有特殊的刺激氣味，損害人的眼睛和肺部，引起支氣管哮喘等，NO_X與碳氫化合物在紫外線的照射下會產生光化學煙霧，對人體和環境均產生較大危害。其中的一氧化氮能損害中樞神經系統，甚至危及生命。這些氮氧化物的主要來源就是鍋爐和熔窯排放的各種廢氣，如傳統空氣助燃會產生大量的NO_X等。而近年來發展起來的全氧燃燒技術能夠有效地減少了NO_X的排放，起到了非常顯著的節能減排效果，在鍋爐和熔窯中取得了越來越廣泛的套用。

全氧燃燒技術與其他燃燒技術比較

燃燒技術的發展主要經歷了傳統的空氣助燃技術、富氧燃燒技術、純氧助燃技術、全氧燃燒技術四個過程，傳統空氣助燃技術使用的氧氣是從空氣中獲得的，氧氣在空氣中僅占21%左右，而占78%的氮氣並不參與反應，而是被加熱後排入大氣中，造成大量的熱量損失，據統計，這部分熱量損失約占能耗的30%以上。不參與燃燒反應的氮氣在高溫下還會與氧氣反應生成大量的氮氧化物NO_X，造成嚴重的環境污染。同時，含氮煙氣也容易對蓄熱室、煙囪造成侵蝕，縮短這些設備的使用壽命。

另外，在工藝上，傳統工藝助燃技術還需要通過定時換火使煙氣和空氣進行熱交換以回收部分熱量，使得爐溫和爐壓會產生波動，影響產品質量。為了提高燃料燃燒熱量的利用率，減少污染氣體的排放，可以通過提高助燃氣體中氧氣的比例、減少氮氣的比例來實現。

隨後發展的富氧燃燒技術將助燃空氣中含氧量增加到21% ～ 40%，氧氣含量較空氣助燃技術增加，使得燃燒速度加快。另外，由於氮氣含量的減少，使得熱量損失大大減少，同時產生的氮氧化物廢氣量也明顯減少。

在燃料燃燒過程中，如果繼續增加氧氣的濃度90%以上，也就是利用氧氣純度> 90%的氧氣代替空氣與燃料進行燃燒，這種燃燒技術稱為全氧燃燒。該種燃燒技術中起助燃作用的為氧氣，所以以天然氣為燃料為例，全氧燃燒時燃燒產物也只有H₂O和CO₂。

空氣助燃:CH₄+ 2O₂+ 7． 5N₂→CO₂+ 2H₂O + 7． 5N₂

全氧燃燒:CH₄+ 2O₂→CO₂+ 2H₂O

由於氧氣純度的增大，燃燒速度加快，燃料燃燒地更充分完全; 同時，氮氣及其他不參與燃燒反應的氣體濃度大幅度減少，減少廢氣帶走的熱量及NO_X的排放，達到節能、減排的效果; 另外，在燃燒過程中，主要依靠水蒸氣和二氧化碳等來進行輔助燃燒，在一定程度上增強了爐體表面的輻射，使得火焰燃燒溫度大幅度提高，增強了火焰的傳熱能力。全氧燃燒技術與空氣助燃技術相比具有顯著的優勢，也被譽為燃燒技術發展史上的第二次革命。

如果只是把有限的純氧(> 90%) 進行收集，有效引入到窯爐的關鍵部位，也就是在爐窯中部分設定全氧燃燒系統，稱之為純氧助燃。

目前主要的純氧助燃技術在玻璃生產行業有浮法玻璃熔窯中俗稱的0號小爐純氧助燃技術、玻璃熔窯梯度增氧( 底吹) 純氧助燃技術、玻璃熔窯增設全氧噴槍純氧助燃技術等。

全氧燃燒技術研究現狀

全氧燃燒技術在世界燃燒工藝上還沒有大範圍套用推廣，目前在玻璃行業生產過程中有一些套用，玻璃熔窯全氧燃燒技術開始於20世紀40年代，美國康寧公司首先試用天燃氣－氧氣燃燒技術。1983年，康寧公司並建成第一座天然氣全氧池窯並先後對34座玻璃熔窯進行了全氧燃燒系統的改造。

隨著節能減排、環境保護等問題越來越受到重視，美國的PPG玻璃集團公司、普萊克斯公司也大力發展全氧燃燒技術。目前，全世界已有200多座全氧燃燒熔窯，主要套用在玻璃纖維池窯，顯像管玻璃熔窯及日用玻璃熔窯。國外玻璃熔窯全氧燃燒技術的飛速發展也使國內的研究人員開始關注該技術的研究工作。

20世紀90年代初我國開始研發玻璃全氧燃燒技術，並已開始在輕工玻璃、電子玻璃和玻璃纖維熔窯中套用全氧燃燒技術，一些全氧玻璃熔窯已相繼建成並投入使用。

全氧燃燒技術的優點

節能降耗，減少NOX排放

傳統空氣助燃技術中氧氣含量只有21%，約78%的氮氣被無謂地加熱、排放，這部分熱量損失能占到能耗的30%以上，造成了很大的浪費。

同時，氮氣和氧氣在高溫下會生成氮氧化物NO_X，對人體和環境均造成很嚴重的危害。同時，含氮煙氣也會腐蝕蓄熱室、煙囪等設備，使熔窯使用壽命縮短，增加成本。而全氧燃燒技術中氮氣含量很少，減少了廢氣帶走的熱量，降低了環境污染。

提高玻璃熔化質量

傳統空氣助燃技術需要通過定時換火使煙氣和空氣進行熱交換以回收部分熱量，換火期間窯溫和窯壓會產生波動，影響玻璃產品質量。

而全氧燃燒技術火焰穩定，不用進行換火，減少玻璃內的氣泡等，有利於玻璃的熔化。同時由於全氧燃燒時窯內水蒸氣含量較高，使得玻璃液內的鹼濃度增加，也有利於玻璃的澄清，提高玻璃質量。

火焰溫度高，燃料燃燒完全，產量提高

隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加，玻璃熔窯內火焰的溫度顯著提高。

在全氧燃燒技術中，燃料充分燃燒，產物主要為CO₂和H₂O，黑度大，輻射能力強，火焰溫度明顯提高，配合料熔化率提高，提高熔窯產量。

熔窯建設成本低

全氧燃燒熔窯省去了小爐和蓄熱室，占地小，降低了建設的投資費用。即使加上制氧設備的成本，初期投資也會降低。同時由於熔窯結構更加簡單，降低了維護和維修的成本。

全氧燃燒技術需要解決的關鍵問題

開發氧氣純度高、制氧費用低的制氧技術

我國製備氧氣的成本一般較高，目前現有的制氧技術包括化學法、水電解法和空氣分離法。化學法和水電解法生產成本較高，一般不用於工業生產。空氣分離法是以空氣為原料，將空氣中的氧氣和氮氣分開。空氣分離法可分為深度冷凍法、真空變壓吸附法(VPSA法) 和富氧膜分離法。深度冷凍法製取氧氣是利用空氣中的氧組分與氮組分沸點不同，從而通過控制溫度將其逐一蒸發分離出來。其工藝過程包括壓縮、淨化、換熱、液化、製冷、精餾等。如果要獲得更高純度的氧氣，可以經過二級精餾甚至三級精餾得到高純氧。

真空變壓吸附法(VPSA法) 是利用氣體在吸附劑中壓力下吸附、真空解吸的原理將空氣中氧氣進行分離提純。該法以空氣為原料，以沸石分子篩為吸附劑，利用壓縮空氣中的氧氣、氮氣在分子篩孔隙中擴散速率不同而達到分離空氣的目的。

真空變壓吸附法(VPSA法) 設備簡單、運行成本低、自動化程度高、制氧快速便捷、占地面積小等優點，是理想的全氧燃燒現場制氧技術。但其得到的氧氣純度一般不高於95% 。

富氧膜分離法是利用有機聚合膜滲透選擇性，從氣體混合物中分離出富氧氣體。用膜分離法製取氧氣所需設備較簡單，操作也比較方便，但膜價格較貴，製取的氧氣純度不高，只有40 % ～50 % 。

尋找優質的耐火、耐蝕材料

採用全氧燃燒技術後，窯內氣體成分變化明顯，燃燒產物中的水蒸氣含量可高達50%以上，水蒸汽會和玻璃熔體中的氧化鈉反應生成大量氫氧化鈉，使得鹼揮發物的體積濃度也大幅增加:

Na₂O + H₂O→2NaOH

生成的氫氧化鈉還會生成硫酸鈉，硫酸鈉會在煙道中冷凝成液滴或顆粒:

2NaOH + SO₂+ 1 /2O₂→Na₂SO₄+ H₂O

較大的鹼蒸汽濃度和生成的硫酸鈉都會造成碹頂矽磚等耐火材料被嚴重侵蝕，矽磚壽命大幅縮短。因此需要碹頂材料的抗鹼性和耐火度都要有所提高。目前常用的優質耐火材料包括電熔AZS磚、α － β氧化鋁磚、特優矽磚、熔融再結合鎂鋁尖晶石磚等。

另外，除了開發新型耐火材料外，也可以通過提高碹頂高度降低對碹頂矽磚的侵蝕。主要是由於碹頂高度提高后，降低了氣體的速度和靠近碹頂位置的鹼蒸汽的濃度，因而減少了鹼蒸汽對碹頂的腐蝕程度。

除此之外，還可以通過設計新式全氧燃燒噴槍來降低鹼蒸汽對玻璃窯爐大碹和胸牆的侵蝕，如陳福等設計的扁平式全氧燃燒噴槍。通過設計新型噴槍，使火焰在空間溫度存在梯度，下部空間接近玻璃液部分，氧氣充足，充分燃燒，達到高溫高輻射火焰，加熱玻璃液，使能量得到充分利用。上部為缺氧區，火焰溫度不高，防止大碹和胸牆受到侵蝕。

全氧燃燒技術在藥用硼矽玻璃生產中的套用

大量的套用實踐表明: 全氧燃燒具有傳熱效率增強( 節省燃料)、玻璃液溫度均勻性好 ( 確保成形質量 ，提高玻璃質量檔次 )、燃燒空間耐火材料溫度低 ( 延長耐火材料使用壽命 )、熔窯穩定性好、產量提高、維護減少和環保等許多優點。

全氧燃燒不僅可以達到降低能耗的目的，而且全氧燃燒與空氣燃燒相比，在玻璃窯的建造投資、運行費用、產品質量等方面會帶來以下好處。

(1) 使用全氧燃燒技術，由於有別於傳統空氣助燃熔窯的熔窯形制、燃燒系統及特殊的燃燒方式，熔化的玻璃液具有較高的溫度，靈活的排槍及調整方式，使熔窯內的熱點更容易控制，熔化的玻璃可以有更好的澄清與均化，玻璃的均勻度更好。這一點可以從玻管的密度測定上獲得數據支持。

(2) 全氧燃燒與蓄熱式空氣助燃熔窯相比，由於無需蓄熱室，以及因廢氣排放設備的縮小等因素使建築占地大大減小，全氧燃燒熔窯的土建投資費更低。

(3) 由於沒有傳統燃燒助燃空氣中帶入的大量氮氣，單位玻璃產生的NOx排放量大大降低，滿足絕大部分地區的排放指標，省去了脫硝設備的投資及運行費用。

(4) 與空氣燃燒相比，熔化率有明顯的提高，可達到86% ～90%，這意味著獲得相同數量的玻璃需要的熔窯面積減小。

(5) 由於沒有換向且尾氣排放量大大降低，粉塵排放量大大減少( 全氧燃燒時廢氣排放量約為空氣燃燒時的25% ～27%) ，與空氣助燃相比可減少40%以上，有數據表明，硼的揮發量也有明顯降低，意味著料方計算時的硼補充量可減少，這為節約成本創造了條件。

(6) 熔化單位玻璃能耗( 熔化池能耗，不含料道及馬弗爐能耗，下同) 比空氣助燃大幅降低，燃料消耗降低可達30%以上，目前熱值為35 100 k J/Nm³(8 400 kcal/Nm³) 天然氣的能耗為150 Nm³/ t，熱值為15 700kJ / Nm³(3 750 kcal/Nm³) 的焦爐煤氣能耗為310 Nm³/ t，而相同產能的電熔窯約為1100 ～ 1200 k W·h / t，節能效果明顯。

且全氧燃燒技術的能耗為線性特徵，不像空氣助燃熔窯一樣到熔窯後期由於蓄熱室堵塞而造成能耗急劇上升，生產能力及玻璃品質嚴重下降。

(7) 同時，研究證實全氧燃燒玻璃窯在設計上具有更大的自由度。如目前投產的某公司熔窯有4

台熔窯為一窯四線，另有1台一窯二線，在建的2台均為一窯四線布置。已投入生產的熔窯既有根據全氧燃燒技術採用的大長寬比的熔窯，也有在原有馬蹄焰熔窯基礎上直接改造的成功案例。

由於全氧燃燒技術可以獲得更高的火焰空間溫度、更高的火焰黑度、更強大的火焰輻射能力，使得熔窯的池深發生明顯變化。

以往空氣助燃的熔窯，由於耐火材料的侵蝕，池底富鋯、富鋁玻璃的沉積，往往造成上下層玻璃性質的較大差異，所以業內有理論研究認為低硼矽玻璃在空氣助燃的熔窯設計時窯池的玻璃液深度不能超過900 mm。但由於全氧燃燒上述特點使得熔窯的深度已經遠遠超過了這一理論深度，配合鼓泡和窯坎技術的運用，相同熔化面積的熔窯採用全氧燃燒技術可以獲得更高的玻璃溫度、更高的熔化率。

(8) 採用更加先進的控制系統，使日常操作更加簡單易行。根據全氧燃燒特點研發的全新熔窯控制系統有總量控制模式、氧燃比控制模式、手動控制模式等多種方式供選擇，真正滿足了智慧型控制、便捷控制的客戶需求。同時，比傳統熔窯更多的測量點獲得大量數據為線上分析提供了可能，DCS系統具有相關性對比、調查的功能，能運用歷史數據為熔窯的調整提供科學的依據。同時，運行數據的累積為生產狀況的可追溯提供幫助，這些功能的實現為技術人員系統最佳化熔制制度提供很好的素材和依據。

(9) 耐火材料，特別是電熔耐火材料的消耗大大降低。以1台天然氣全氧燃燒熔窯為例，其正常窯齡的周期內噸玻璃耐火材料消耗為2．25 kg，而相同產能的電熔窯噸玻璃耐火材料消耗約為3．1 kg。此數據無論從客戶投入產出比而言，還是綠色生產來講都是有益的。

(10) 玻璃中的羥基(OH－) 是在熔化過程中形成的，自有水、原料中的結晶水、火焰燃燒時產生的水分，在高溫條件下電離分解產生，其與玻璃網路中的Si和O連線，分為強羥基、自有羥基和極強羥基。

一般空氣助燃的火焰窯熔化的玻璃中羥基含量可達0．2% ～ 0．8%，全電窯熔化的玻璃羥基含量可達0．1% ～ 0．3%。有資料表明由於全氧燃燒熔窯在熔化玻璃時，熔窯內部的水蒸汽濃度為傳統空氣助燃熔窯的5～ 6倍，所以會有更多的水分進入玻璃網路中，其羥基含量會超過1%。

研究表明: 玻璃中的羥基有著極為重要的作用，它有助於玻璃的澄清和均化，也有利於玻璃紅外線吸收能力的提高，在1 200～1 500 ℃條件下，玻璃製品的火焰加工時間可大大縮短並降低加工溫度，這有利於減少二次加工時B2O3和Na2O的揮發，提高管制瓶內表面的耐水性能，這個特點對藥用玻璃拉管產品的套用有著極為重要的意義。如果羥基含量不足，則需要更高的火焰溫度和更長的加熱時間，因此羥基含量低的玻璃經過火焰加工後，其表面耐水性往往會變得較差。

全氧燃燒技術在藥用玻璃行業的套用展望

中性玻璃

中性玻璃作為高性能藥用玻璃，正在受到越來越多從業者的關注。它與目前國內注射劑企業普遍使用的玻璃材料相比有明顯優勢: 一是膨脹係數小，耐急冷急熱性強，更適合凍乾類產品; 二是加工過程中不易炸裂，機械強度高，抗衝擊性強; 三是化學穩定性好，耐酸耐鹼耐水級別高，能保證藥品有效期，尤其是水針製劑，減少和避免白點、脫片及可見異物的發生。

目前國際上中性玻璃熔制大多採用全氧燃燒加電助熔方式，相比純電熔窯在產能、玻璃的理化指標等方面具有得天獨厚的優勢。

目前國內部分企業已經看到其中的方向及商機，並積極投身其中，相信不遠的將來定會有大規模國產化的一天。

環保問題

隨著國家環保治理力度的不斷加大，環境保護正在逐步成為各級政府工作的重點。以往粗放型、高排放即將成為歷史。藥用玻璃生產過程中，氮氧化物、氟化物、硫化物、粉塵的排放有其特殊性。相比而言，全電窯、全氧燃燒和全氧燃燒加電輔助加熱在環保方面有著與生俱來的先天優勢。而且，由於全氧燃燒的燃燒、加熱原理有別於空氣助燃和全電熔，它除了具有減排的優勢外，由於羥基含量的大大提高為玻管的可加工性、化學穩定性的改善提供了可能。

結論

採用全氧燃燒技術不但可以簡化熔窯結構、節省建設費用、節約燃料、提高玻璃質量，而且還可以減排氮氧化物的排放，具有良好的經濟效益和環境效益。

全氧燃燒技術具有十分廣闊的發展前景，但與國外相比，國內在全氧燃燒技術方面的研究還有一定的差距。全氧燃燒技術是玻璃玻璃熔化技術的第二次革命，對緩解我國能源供應日益緊張、環境污染日益嚴重的嚴峻局勢，因此繼續加大力度推廣使用全氧燃燒技術具有重要的現實意義。