一種馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統及其方法與流程

本發明涉及玻璃生產過程中的燃料燃燒技術領域，特別是涉及一種低NO_X排放的馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統及其分階段純氧助燃方法。

背景技術：

節約能源和保護環境是我國經濟可持續發展戰略的重要組成部分，隨著生活水平的提高，人們對環境質量要求日益提高。現階段國家實行節能減排政策，對大氣污染物實行總量控制方針，對工業尾氣和熔窯煙塵中的SO₂、NO_X排放有著更加嚴格的要求。

玻璃工業作為傳統能源消耗型行業，在節能需求前提下，為了使燃料充分燃燒，很多玻璃熔窯使用了較多的助燃空氣，即空氣過剩系數(空氣過剩系數α為實際空氣量V_a與理論空氣量V_a0的比值，α＝V_a/V_a0)都大于1.1，一般為1.1-1.3。此外在助燃時一般要預熱助燃空氣至很高的溫度以提高熱效率，在高溫與空氣過剩的雙重驅動下，會產生大量的NO_X進入玻璃熔窯煙氣中，大量的氮氧化物氣體排入大氣中極易形成酸雨，造成環境污染。

目前一般采取玻璃熔窯煙氣NO_X后期治理的方法來減少氮氧化物的排放量，即對玻璃熔窯煙氣中的NO_X用物理和/或化學的方法進行處理，以減少NO_X含量。最常用的方法的是選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)，然而無論采用選擇性催化還原法，還是選擇性非催化還原(SNCR)技術，在處理過程中均存在容易造成氨泄露，催化劑中毒，產生二次污染等問題。另外，長期采取這種后期治理的方法，會使得玻璃熔窯煙氣治理成本居高不下，玻璃企業難以承受，從而嚴重影響了玻璃制造企業的產品競爭力。

CN102923933A的專利申請中公開了一種玻璃熔窯梯度增氧助燃方法及專用的梯度增氧助燃系統，該梯度增氧助燃方法和梯度增氧助燃系統是針對橫火焰玻璃熔窯設計的，橫火焰玻璃熔窯一般有六對小爐，而馬蹄焰玻璃熔窯只有一對，二者結構上差別很大，且兩者分別用于生產不同品種的玻璃，對火焰、溫度等的要求均不同，助燃系統結構復雜，因此不適用于馬蹄焰玻璃熔窯。

CN1557750A的專利申請中公開了一種浮法玻璃熔窯富氧助燃方法，該方法適用于浮法玻璃熔窯，實際上也是一種橫火焰玻璃熔窯，也不適用于馬蹄焰玻璃熔窯；且該富氧助燃方法采用富氧空氣助燃，富氧空氣(含氧量為23-24％)中仍含有大量的氮氣，仍能產生的大量的NO_X。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的技術缺陷，第一方面，提供一種可降低NO_X排放量的馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統，包括兩支純氧燃燒噴槍、兩支純氧槍和氧氣管路控制系統，所述純氧槍和純氧燃燒噴槍從前往后依次對稱設置在馬蹄焰玻璃熔窯小爐左、右兩側的胸墻上，所述氧氣管路控制系統與純氧槍和純氧燃燒噴槍相連，用來控制純氧槍和純氧燃燒噴槍的開關、調節純氧槍和純氧燃燒噴槍中氧氣的流量、壓力，以及純氧燃燒噴槍中燃料與氧氣的比例。

所述純氧槍和純氧燃燒噴槍在同一水平線上，間隔600-900mm。

所述純氧槍與馬蹄焰玻璃熔窯前端的小爐之間的距離為1200-1800mm。

所述純氧燃燒噴槍包括中空的槍體和套裝在槍體內的燃料管，燃料管管體內的空間為燃料槍膛，燃料管的尾部作為燃料進口伸出槍體外并與槍體尾部密封形成氧氣槍膛，燃料管頭部伸入槍體內靠近槍體頭部的噴嘴處，與噴嘴之間的空間形成混合槍膛，靠近槍體尾部設有氧氣進口，槍體外部靠近槍體頭部位置設有擋火板。

所述純氧槍包括中空的槍管，槍管頭部為純氧出口，尾部為純氧進口，靠近槍管頭部的位置設有純氧槍擋板。

所述純氧槍擋板與槍管之間的夾角為30°-45°。

所述氧氣管路控制系統包括用來控制純氧槍和純氧燃燒噴槍的氧氣總關斷的總截止閥、用來控制純氧槍和純氧燃燒噴槍的氧氣壓力的總薄膜調節閥，和分別用來控制兩支純氧燃燒噴槍和兩支純氧槍中的氧氣流量及開關狀態的調節截止閥，分別用來調整純氧燃燒噴槍和純氧槍中的氧氣壓力的壓力薄膜調節閥，所述調節截止閥和壓力薄膜調節閥串聯后形成四條并聯的支路后分別與兩支純氧燃燒噴槍和兩支純氧槍相連，所述總截止閥和總薄膜調節閥串聯后與四路并聯的純氧燃燒噴槍和純氧槍通過管路相連。

第二方面，本發明提供一種馬蹄焰玻璃熔窯，包括小爐和胸墻，包括上述分階段純氧助燃系統。

第三方面，本發明提供一種馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃方法，使用上述分階段純氧助燃系統，具體為：開啟左小爐、左純氧槍、左純氧燃燒噴槍和右純氧燃燒噴槍，關閉右小爐和右純氧槍，減小左小爐中10％-15％的助燃空氣量，調節左純氧燃燒噴槍處為燃料比氧氣當量比為1.1-1.2的富燃料燃燒，右純氧燃燒噴槍處為燃料比氧氣當量比為0.85-0.95的富氧氣燃燒；15-25min后，關閉左小爐和左純氧槍，開啟右小爐和右純氧槍，減小右小爐中10％-15％的助燃空氣量，調節右純氧燃燒噴槍處為燃料比氧氣當量比為1.1-1.2的富燃料燃燒，左純氧燃燒噴槍處為燃料比氧氣當量比為0.85-0.95的富氧氣燃燒；左小爐和左純氧槍、右小爐和右純氧槍循環交替開啟和關閉。

所述純氧槍中氧氣流量為60-80Nm³/h，壓力為0.05MPa-0.12MPa，所述純氧燃燒噴槍中氧氣流量為60-80Nm³/h，壓力為0.05MPa-0.16MPa。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)本發明的分階段純氧助燃系統，助燃方式為同時開啟一側的小爐、純氧槍和兩側的純氧燃燒噴槍，關閉另一側的小爐和純氧槍。與開啟的小爐同側的純氧槍噴出氧氣可將未燃燼的燃料完全燃燒，使整個火焰長度、溫度相對均勻平和，同側純氧燃燒噴槍噴出燃料與氧氣的混合物，進行燃燒可以增大熱點區域的熱負荷，有利于玻璃熔化及玻璃熔窯溫度的穩定。

2)一對純氧燃燒噴槍的加入，使得純氧助燃要比空氣助燃燃燒更加充分，可以增大熱點區域的熱負荷，從而有利于玻璃的熔化。

3)分階段純氧助燃方法的核心是使燃料的燃燒在同一熔窯中同時分兩階段且在相對分散的溫度制度下進行，第一階段：在燃料剛進入熔窯開始燃燒的區域(即小爐的出口處，此處的空氣過剩系數較低)，通過減少助燃空氣用量，使第一階段的燃燒反應為富燃料的不完全燃燒，此時由于火焰溫度較低，且O₂、N₂量偏少，可降低NO_X的生成量。第二階段：隨著純氧槍中氧氣的引入，燃料在第二階段為以O₂助燃為主的完全燃燒反應，火焰溫度高，但由于缺少N₂參與且燃燒時間短，使得NO_X的生成量減少。整個分階段純氧助燃方法將燃料分階段燃燒，便將發熱點分散，空氣過剩系數不大于1.1，一般為1.05-1.1，從而降低NO_X的生成。

4)馬蹄焰玻璃熔窯采用分階段純氧助燃方法后，NO_X的排放濃度降低30-40％，總能耗降低2-4％，既節約了能耗又減少了對環境的污染。

5)該發明不需要對現有馬蹄焰玻璃熔窯進行大的變革，設備投資少，可以不停爐安裝，在熱態下便可以進行改造，降低NO_X排放的效果明顯，同時生產工藝簡單穩定，易于推廣應用。

附圖說明

圖1為馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統的平面布置圖；

圖2為純氧燃燒噴槍外部結構示意圖；

圖3為純氧槍外部結構示意圖；

圖4為氧氣管路控制系統示意圖；

圖5為純氧燃燒噴槍的內部結構剖面圖；

圖6為純氧槍的內部結構剖面圖。

具體實施方式

現有的馬蹄焰玻璃熔窯內設置一對小爐，作為玻璃熔窯的助燃系統，在小爐內的下部設置2-3支燃料噴槍，工作時經蓄熱室預熱后的助燃空氣和燃料一起進入其中一個小爐內混合均勻并發生燃燒反應，另一個小爐則作為煙氣出口。即當位于玻璃熔窯一側的小爐燃燒時，該側小爐內通入預熱的助燃空氣作為助燃氣體入口，燃料噴槍中的燃料遇到高溫的助燃空氣，迅速燃燒；此時另一側小爐用來吸收燃燒后的煙氣成為煙氣出口，在煙氣的帶動下玻璃熔窯內火焰的行走路線呈馬蹄形狀，所以叫馬蹄焰玻璃熔窯。馬蹄焰玻璃熔窯中的小爐15-25分鐘互換一次角色，也叫換一次火。由于玻璃熔窯的燃料一般為重油、天燃氣或發生爐煤氣，且燃燒方式為空氣加燃料，所以生成的煙氣中NO_X含量高，一般在2000-3000mg/Nm³。

由于現有的馬蹄焰玻璃熔窯是側面加料，正面噴火，因此其料層長度相對來說比較短，為了加強熔化，火焰長度也要求短些，一般宜采用短焰燃燒。只有這樣，火焰熱量才會集中于玻璃熔化區，起到增強熔化部位熔化能力的作用。在現有的馬蹄焰玻璃熔窯火焰空間中，火焰下部總是最缺氧的部位，燃燒不完全，溫度較低，因此本發明在原有馬蹄焰玻璃熔窯上新增一套分階段純氧助燃系統，并采用純氧氣加燃料的燃燒方式，以降低生成煙氣中的NO_X含量。與此同時，發明人發現馬蹄焰玻璃熔窯局部純氧助燃是很有必要的，如果氧氣以一定的角度和速度引入熔窯空間，沖擊火焰底部，這樣就會在靠近玻璃液面一側形成一個含未燃燒碳粒較少的富氧層，使燃料燃燒充分，溫度明顯提高，使火焰下部的溫度高于火焰上部。這種溫度不對稱的火焰，靠垂直的溫度梯度，在靠近玻璃料液的一側形成一個高溫帶，使火焰底部增加向玻璃料液內部的熱輻射和熱對流；而在靠近窯碹的一側(也就是火焰上部)溫度并不升高，使窯頂免受由此帶來的侵蝕。同時由于火焰強度增加，火焰變短，有助于控制熔窯內溫度分布。此外，火焰的長短，也可通過控制氧流量來調節，當氧流量增至60以上m³/h時，火焰長度將有明顯的縮短。不僅如此，這樣還可防止蓄熱室內發生燃燒，這對蓄熱式熔窯來說，蓄熱室格子磚的壽命也可以得到改善。

燃料在一般空氣與在純氧中燃燒速度相差甚大，如天然氣在純氧中比在空氣中的燃燒速度快10.7倍，因此純氧助燃，不僅提高燃燒強度，還能加快燃燒速度，更有利于燃燒反應完全，可以改善排煙質量，減少未燃物質對環境的污染。

基于以上的理論研究，本發明在現有馬蹄焰玻璃熔窯的熱點胸墻兩側分別設一支純氧燃燒噴槍，并在熱點胸墻兩側、純氧燃燒噴槍前面分別設一支純氧槍(以靠近小爐方向為前，遠離小爐方向為后)，形成一套新的馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統，其中純氧槍中噴出的是純氧，純氧燃燒噴槍中噴出的是純氧與燃料的混合物。在不改變小爐功能和作用基礎上，一對純氧燃燒噴槍的加入，可以增大熱點區域(即圖1中U型火焰的U型底部)的熱負荷，從而有利于玻璃的熔化；由于火焰熱量過高不能有效覆蓋玻璃液面，過低則會形成粉塵，因此需要進一步通過合理調整純氧槍氧氣的噴入角度(30-45°)、純氧槍和純氧燃燒噴槍的間隔(600-900mm)和在胸墻上的高度(與小爐高度在同一水平面上，距離玻璃液面上方200-300mm)、以及助燃風、燃料與氧氣的分配量，使火焰熱量集中于玻璃熔化區和熱點，起到增強熔化部位熔化能力的作用。

本發明在上述分階段純氧助燃系統的基礎上，進一步提出了馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃方法，第一階段通過減少小爐內10-15％助燃空氣量，使燃料在剛剛進入熔窯內進行不完全燃燒，此時為還原環境，不利于NO_X生成；第二階段在同側純氧槍通入純氧，純氧加入后在火焰后期將未燃燼的燃料燃燒完全，由于缺少N₂的參與且燃燒時間短，NO_X的生成量很少，從而降低生成煙氣中的NO_X含量。

本發明的助燃方法使得整個火焰長度溫度相對均勻平和，有利于玻璃熔化及玻璃熔窯溫度穩定，同時避開產生NO_X的熱力學條件，從而降低玻璃熔窯煙氣中NO_X的生成。

本發明提供的一種低NO_X排放的馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃方法，具體為：

先開啟馬蹄焰玻璃熔窯的左小爐(以圖1中的下部為左，上部為右)，同時開啟左純氧槍、左純氧燃燒噴槍和右純氧燃燒噴槍，使得左小爐中助燃空氣量降低至原來的85％-90％，左純氧槍中氧氣流量為60-80Nm³/h，壓力為0.05MPa-0.12MPa，左純氧燃燒噴槍中氧氣流量為60-80Nm³/h，壓力為0.05MPa-0.16MPa，右純氧燃燒噴槍中氧氣流量為60-80Nm³/h，壓力為0.05MPa-0.16MPa。此時左純氧燃燒噴槍為富燃料燃燒，即燃料比氧氣當量比大于1，一般為1.1-1.2；而右純氧燃燒噴槍為富氧氣燃燒，即燃料比氧氣當量比小于1，一般為0.85-0.95。15-25分鐘后換向，即開啟馬蹄焰玻璃熔窯的右小爐，同時開啟右純氧槍、左純氧燃燒噴槍和右純氧燃燒噴槍，其中的氧氣流量和壓力同上。

以下結合具體實施例，更具體地說明本發明的內容，并對本發明作進一步闡述，但這些實施例絕非對本發明進行限制。

本發明提供的可降低NO_X排放量的馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統，如圖1所示(圖中以下部為左，上部為右，靠近小爐方向為前，遠離小爐方向為后)，包括純氧燃燒噴槍、純氧槍和氧氣管路控制系統(圖中未示出)。在馬蹄焰玻璃熔窯Ⅰ的左側胸墻上(即左小爐1的左邊胸墻上)沿前后方向依次在同一水平線上設置一支左純氧槍5和一支左純氧燃燒噴槍6；在馬蹄焰玻璃熔窯的右側胸墻上(即右小爐2的右邊胸墻上)沿前后方向依次在同一水平線上設置一支右純氧槍3和一支右純氧燃燒噴槍4。左純氧槍5和右純氧槍3在馬蹄焰玻璃熔窯Ⅰ內左右對稱設置，左純氧燃燒噴槍6和右純氧燃燒噴槍4也在馬蹄焰玻璃熔窯Ⅰ內左右對稱設置。純氧槍距離小爐的水平距離為1200-1800mm，純氧燃燒噴槍與純氧槍的距離為600-900mm。

純氧燃燒噴槍，如圖2和圖5所示，由燃料進口8、氧氣進口9、擋火板7和噴嘴10組成，包括中空的槍體和套裝在槍體內的中空的燃料管，燃料管的末端為燃料進口8，燃料管管體的尾部伸出槍體外并與槍體尾部密封形成氧氣槍膛16，燃料管頭部伸入槍體內靠近槍體頭部的噴嘴10處，且與噴嘴10之間的空間形成混合槍膛17，靠近槍體尾部設有氧氣進口9，槍體外部靠近槍體頭部位置設有擋火板7。工作時，燃料通過燃料進口8進入燃料管內部空間形成的燃料槍膛15，氧氣通過氧氣進口9進入氧氣槍膛16，燃料和氧氣在混合槍膛17混合，通過噴嘴10噴入玻璃熔窯內。

純氧槍，如圖3和圖6所示，由純氧進口11，純氧槍擋板12，純氧出口13組成，包括中空的槍管，槍管頭部為純氧出口13，尾部為純氧進口11，靠近槍管頭部的位置設有純氧槍擋板12工作時，純氧通過純氧進口11，進入純氧槍膛14，經純氧出口13噴入玻璃熔窯。其中通過改變純氧槍擋板12的角度，使純氧槍在玻璃熔窯內部的入射角度發生改變，經過多次實驗發現，當純氧槍擋板與槍管的角度為30-45°時(即純氧槍與玻璃熔窯胸墻的角度)，可使純氧槍有效貼服玻璃熔窯外壁，從而防止玻璃熔窯火焰外串。

氧氣管路控制系統，如圖4所示，包括總截止閥18、總薄膜調節閥19、右純氧燃燒噴槍氧氣供給調節截止閥26、右純氧槍氧氣供給進口氧氣調節截止閥27、左純氧槍氧氣供給進口氧氣調節截止閥28、左純氧燃燒氧氣噴槍供給氧氣調節截止閥29；右純氧燃燒噴槍氧氣供給氧氣壓力薄膜調節閥20、右純氧槍氧氣供給進口氧氣壓力薄膜調節閥21、左純氧槍氧氣供給進口氧氣壓力薄膜調節閥22、左純氧燃燒噴槍氧氣供給氧氣壓力薄膜調節閥23；軟管24、25和管路。左純氧槍由左純氧槍氧氣供給進口氧氣調節截止閥28和左純氧槍氧氣供給進口氧氣壓力薄膜調節閥22控制，左純氧燃燒噴槍由左純氧燃燒氧氣噴槍供給氧氣調節截止閥29和左純氧燃燒噴槍氧氣供給氧氣壓力薄膜調節閥23控制，以此類推，將氧氣管路控制系統分成四條支路；最后由總截止閥18和總薄膜調節閥19控制氧氣總開關及氧氣壓力，調節截止閥26-29分別用來控制純氧燃燒噴槍和純氧槍中的氧氣流量及開關狀態，壓力薄膜調節閥20-23分別用來調整純氧燃燒噴槍和純氧槍中的氧氣壓力。軟管24和25分別與純氧燃燒噴槍6和4連接，將氧氣(含氧量為90％以上)送入純氧燃燒噴槍。

本發明在馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃系統的基礎上，又進一步提出了馬蹄焰玻璃熔窯的分階段純氧助燃方法，具體為：火焰從左小爐1或右小爐2中輪流噴出，當左小爐1作為噴火口時，右小爐2作為煙氣進口，反之亦然。當左小爐1開啟噴火時，左純氧槍5氧氣開啟，同時開啟左純氧燃燒噴槍6和右純氧燃燒噴槍4，減小左小爐10-15％的助燃空氣量，此時左純氧燃燒噴槍6處為富燃料燃燒，即燃料比氧氣當量比為1.1-1.2，而右純氧燃燒噴槍4為富氧氣燃燒，即燃料比氧氣當量比為0.85-0.95；15-25min后，關閉左小爐1、左純氧槍5，開啟右小爐2和右純氧槍3，此時右小爐2作為噴火口，左小爐1作為煙氣進口，減小右小爐10-15％的助燃空氣量，右純氧燃燒噴槍4處為富燃料燃燒，即燃料比氧氣當量比為1.1-1.2，而左純氧燃燒噴槍6為富氧氣燃燒，即燃料比氧氣當量比為0.85-0.95。馬蹄焰玻璃熔窯就這樣左右兩側循環交替運行。

實施例1：

以80噸玻璃器皿馬蹄焰玻璃熔窯為例，采用本發明的分階段純氧助燃系統和方法，純氧槍、純氧燃燒噴槍中氧氣流量60-80Nm³/h，助燃風用量從7500Nm³/h降低到6600Nm³/h，減少900Nm³/h，降低比例為12％，NO_X的排放濃度為1200-1400mg/Nm³，降低30％以上，總能耗降低3％，節能減排效果明顯。

本發明通過減少助燃空氣量，使得燃燒反應在第一階段為富燃料的不完全燃燒，由于火焰溫度較低，且O₂、N₂量偏少，降低了NO_X的生成；隨著同側純氧槍中氧氣的噴入，第二階段為以O₂助燃為主的完全燃燒反應，火焰溫度高，但由于缺少N₂參與且燃燒時間短，NO_X的生成量少。

目前玻璃企業都是采用后處理的方法來降低煙氣中的NO_X排放，存在投資高、運行成本高、催化劑容易中毒等缺點，大大提高了玻璃的生產成本；而本發明是采用過程治理的方式，從源頭上降低玻璃熔窯中的NO_X排放，同時又能節約能耗，適于在工業上推廣應用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出的是，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的內容。