一种马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统及其方法与流程

本发明涉及玻璃生产过程中的燃料燃烧技术领域，特别是涉及一种低NO_X排放的马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统及其分阶段纯氧助燃方法。

背景技术：

节约能源和保护环境是我国经济可持续发展战略的重要组成部分，随着生活水平的提高，人们对环境质量要求日益提高。现阶段国家实行节能减排政策，对大气污染物实行总量控制方针，对工业尾气和熔窑烟尘中的SO₂、NO_X排放有着更加严格的要求。

玻璃工业作为传统能源消耗型行业，在节能需求前提下，为了使燃料充分燃烧，很多玻璃熔窑使用了较多的助燃空气，即空气过剩系数(空气过剩系数α为实际空气量V_a与理论空气量V_a0的比值，α＝V_a/V_a0)都大于1.1，一般为1.1-1.3。此外在助燃时一般要预热助燃空气至很高的温度以提高热效率，在高温与空气过剩的双重驱动下，会产生大量的NO_X进入玻璃熔窑烟气中，大量的氮氧化物气体排入大气中极易形成酸雨，造成环境污染。

目前一般采取玻璃熔窑烟气NO_X后期治理的方法来减少氮氧化物的排放量，即对玻璃熔窑烟气中的NO_X用物理和/或化学的方法进行处理，以减少NO_X含量。最常用的方法的是选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)，然而无论采用选择性催化还原法，还是选择性非催化还原(SNCR)技术，在处理过程中均存在容易造成氨泄露，催化剂中毒，产生二次污染等问题。另外，长期采取这种后期治理的方法，会使得玻璃熔窑烟气治理成本居高不下，玻璃企业难以承受，从而严重影响了玻璃制造企业的产品竞争力。

CN102923933A的专利申请中公开了一种玻璃熔窑梯度增氧助燃方法及专用的梯度增氧助燃系统，该梯度增氧助燃方法和梯度增氧助燃系统是针对横火焰玻璃熔窑设计的，横火焰玻璃熔窑一般有六对小炉，而马蹄焰玻璃熔窑只有一对，二者结构上差别很大，且两者分别用于生产不同品种的玻璃，对火焰、温度等的要求均不同，助燃系统结构复杂，因此不适用于马蹄焰玻璃熔窑。

CN1557750A的专利申请中公开了一种浮法玻璃熔窑富氧助燃方法，该方法适用于浮法玻璃熔窑，实际上也是一种横火焰玻璃熔窑，也不适用于马蹄焰玻璃熔窑；且该富氧助燃方法采用富氧空气助燃，富氧空气(含氧量为23-24％)中仍含有大量的氮气，仍能产生的大量的NO_X。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，第一方面，提供一种可降低NO_X排放量的马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统，包括两支纯氧燃烧喷枪、两支纯氧枪和氧气管路控制系统，所述纯氧枪和纯氧燃烧喷枪从前往后依次对称设置在马蹄焰玻璃熔窑小炉左、右两侧的胸墙上，所述氧气管路控制系统与纯氧枪和纯氧燃烧喷枪相连，用来控制纯氧枪和纯氧燃烧喷枪的开关、调节纯氧枪和纯氧燃烧喷枪中氧气的流量、压力，以及纯氧燃烧喷枪中燃料与氧气的比例。

所述纯氧枪和纯氧燃烧喷枪在同一水平线上，间隔600-900mm。

所述纯氧枪与马蹄焰玻璃熔窑前端的小炉之间的距离为1200-1800mm。

所述纯氧燃烧喷枪包括中空的枪体和套装在枪体内的燃料管，燃料管管体内的空间为燃料枪膛，燃料管的尾部作为燃料进口伸出枪体外并与枪体尾部密封形成氧气枪膛，燃料管头部伸入枪体内靠近枪体头部的喷嘴处，与喷嘴之间的空间形成混合枪膛，靠近枪体尾部设有氧气进口，枪体外部靠近枪体头部位置设有挡火板。

所述纯氧枪包括中空的枪管，枪管头部为纯氧出口，尾部为纯氧进口，靠近枪管头部的位置设有纯氧枪挡板。

所述纯氧枪挡板与枪管之间的夹角为30°-45°。

所述氧气管路控制系统包括用来控制纯氧枪和纯氧燃烧喷枪的氧气总关断的总截止阀、用来控制纯氧枪和纯氧燃烧喷枪的氧气压力的总薄膜调节阀，和分别用来控制两支纯氧燃烧喷枪和两支纯氧枪中的氧气流量及开关状态的调节截止阀，分别用来调整纯氧燃烧喷枪和纯氧枪中的氧气压力的压力薄膜调节阀，所述调节截止阀和压力薄膜调节阀串联后形成四条并联的支路后分别与两支纯氧燃烧喷枪和两支纯氧枪相连，所述总截止阀和总薄膜调节阀串联后与四路并联的纯氧燃烧喷枪和纯氧枪通过管路相连。

第二方面，本发明提供一种马蹄焰玻璃熔窑，包括小炉和胸墙，包括上述分阶段纯氧助燃系统。

第三方面，本发明提供一种马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃方法，使用上述分阶段纯氧助燃系统，具体为：开启左小炉、左纯氧枪、左纯氧燃烧喷枪和右纯氧燃烧喷枪，关闭右小炉和右纯氧枪，减小左小炉中10％-15％的助燃空气量，调节左纯氧燃烧喷枪处为燃料比氧气当量比为1.1-1.2的富燃料燃烧，右纯氧燃烧喷枪处为燃料比氧气当量比为0.85-0.95的富氧气燃烧；15-25min后，关闭左小炉和左纯氧枪，开启右小炉和右纯氧枪，减小右小炉中10％-15％的助燃空气量，调节右纯氧燃烧喷枪处为燃料比氧气当量比为1.1-1.2的富燃料燃烧，左纯氧燃烧喷枪处为燃料比氧气当量比为0.85-0.95的富氧气燃烧；左小炉和左纯氧枪、右小炉和右纯氧枪循环交替开启和关闭。

所述纯氧枪中氧气流量为60-80Nm³/h，压力为0.05MPa-0.12MPa，所述纯氧燃烧喷枪中氧气流量为60-80Nm³/h，压力为0.05MPa-0.16MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的分阶段纯氧助燃系统，助燃方式为同时开启一侧的小炉、纯氧枪和两侧的纯氧燃烧喷枪，关闭另一侧的小炉和纯氧枪。与开启的小炉同侧的纯氧枪喷出氧气可将未燃烬的燃料完全燃烧，使整个火焰长度、温度相对均匀平和，同侧纯氧燃烧喷枪喷出燃料与氧气的混合物，进行燃烧可以增大热点区域的热负荷，有利于玻璃熔化及玻璃熔窑温度的稳定。

2)一对纯氧燃烧喷枪的加入，使得纯氧助燃要比空气助燃燃烧更加充分，可以增大热点区域的热负荷，从而有利于玻璃的熔化。

3)分阶段纯氧助燃方法的核心是使燃料的燃烧在同一熔窑中同时分两阶段且在相对分散的温度制度下进行，第一阶段：在燃料刚进入熔窑开始燃烧的区域(即小炉的出口处，此处的空气过剩系数较低)，通过减少助燃空气用量，使第一阶段的燃烧反应为富燃料的不完全燃烧，此时由于火焰温度较低，且O₂、N₂量偏少，可降低NO_X的生成量。第二阶段：随着纯氧枪中氧气的引入，燃料在第二阶段为以O₂助燃为主的完全燃烧反应，火焰温度高，但由于缺少N₂参与且燃烧时间短，使得NO_X的生成量减少。整个分阶段纯氧助燃方法将燃料分阶段燃烧，便将发热点分散，空气过剩系数不大于1.1，一般为1.05-1.1，从而降低NO_X的生成。

4)马蹄焰玻璃熔窑采用分阶段纯氧助燃方法后，NO_X的排放浓度降低30-40％，总能耗降低2-4％，既节约了能耗又减少了对环境的污染。

5)该发明不需要对现有马蹄焰玻璃熔窑进行大的变革，设备投资少，可以不停炉安装，在热态下便可以进行改造，降低NO_X排放的效果明显，同时生产工艺简单稳定，易于推广应用。

附图说明

图1为马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统的平面布置图；

图2为纯氧燃烧喷枪外部结构示意图；

图3为纯氧枪外部结构示意图；

图4为氧气管路控制系统示意图；

图5为纯氧燃烧喷枪的内部结构剖面图；

图6为纯氧枪的内部结构剖面图。

具体实施方式

现有的马蹄焰玻璃熔窑内设置一对小炉，作为玻璃熔窑的助燃系统，在小炉内的下部设置2-3支燃料喷枪，工作时经蓄热室预热后的助燃空气和燃料一起进入其中一个小炉内混合均匀并发生燃烧反应，另一个小炉则作为烟气出口。即当位于玻璃熔窑一侧的小炉燃烧时，该侧小炉内通入预热的助燃空气作为助燃气体入口，燃料喷枪中的燃料遇到高温的助燃空气，迅速燃烧；此时另一侧小炉用来吸收燃烧后的烟气成为烟气出口，在烟气的带动下玻璃熔窑内火焰的行走路线呈马蹄形状，所以叫马蹄焰玻璃熔窑。马蹄焰玻璃熔窑中的小炉15-25分钟互换一次角色，也叫换一次火。由于玻璃熔窑的燃料一般为重油、天燃气或发生炉煤气，且燃烧方式为空气加燃料，所以生成的烟气中NO_X含量高，一般在2000-3000mg/Nm³。

由于现有的马蹄焰玻璃熔窑是侧面加料，正面喷火，因此其料层长度相对来说比较短，为了加强熔化，火焰长度也要求短些，一般宜采用短焰燃烧。只有这样，火焰热量才会集中于玻璃熔化区，起到增强熔化部位熔化能力的作用。在现有的马蹄焰玻璃熔窑火焰空间中，火焰下部总是最缺氧的部位，燃烧不完全，温度较低，因此本发明在原有马蹄焰玻璃熔窑上新增一套分阶段纯氧助燃系统，并采用纯氧气加燃料的燃烧方式，以降低生成烟气中的NO_X含量。与此同时，发明人发现马蹄焰玻璃熔窑局部纯氧助燃是很有必要的，如果氧气以一定的角度和速度引入熔窑空间，冲击火焰底部，这样就会在靠近玻璃液面一侧形成一个含未燃烧碳粒较少的富氧层，使燃料燃烧充分，温度明显提高，使火焰下部的温度高于火焰上部。这种温度不对称的火焰，靠垂直的温度梯度，在靠近玻璃料液的一侧形成一个高温带，使火焰底部增加向玻璃料液内部的热辐射和热对流；而在靠近窑碹的一侧(也就是火焰上部)温度并不升高，使窑顶免受由此带来的侵蚀。同时由于火焰强度增加，火焰变短，有助于控制熔窑内温度分布。此外，火焰的长短，也可通过控制氧流量来调节，当氧流量增至60以上m³/h时，火焰长度将有明显的缩短。不仅如此，这样还可防止蓄热室内发生燃烧，这对蓄热式熔窑来说，蓄热室格子砖的寿命也可以得到改善。

燃料在一般空气与在纯氧中燃烧速度相差甚大，如天然气在纯氧中比在空气中的燃烧速度快10.7倍，因此纯氧助燃，不仅提高燃烧强度，还能加快燃烧速度，更有利于燃烧反应完全，可以改善排烟质量，减少未燃物质对环境的污染。

基于以上的理论研究，本发明在现有马蹄焰玻璃熔窑的热点胸墙两侧分别设一支纯氧燃烧喷枪，并在热点胸墙两侧、纯氧燃烧喷枪前面分别设一支纯氧枪(以靠近小炉方向为前，远离小炉方向为后)，形成一套新的马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统，其中纯氧枪中喷出的是纯氧，纯氧燃烧喷枪中喷出的是纯氧与燃料的混合物。在不改变小炉功能和作用基础上，一对纯氧燃烧喷枪的加入，可以增大热点区域(即图1中U型火焰的U型底部)的热负荷，从而有利于玻璃的熔化；由于火焰热量过高不能有效覆盖玻璃液面，过低则会形成粉尘，因此需要进一步通过合理调整纯氧枪氧气的喷入角度(30-45°)、纯氧枪和纯氧燃烧喷枪的间隔(600-900mm)和在胸墙上的高度(与小炉高度在同一水平面上，距离玻璃液面上方200-300mm)、以及助燃风、燃料与氧气的分配量，使火焰热量集中于玻璃熔化区和热点，起到增强熔化部位熔化能力的作用。

本发明在上述分阶段纯氧助燃系统的基础上，进一步提出了马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃方法，第一阶段通过减少小炉内10-15％助燃空气量，使燃料在刚刚进入熔窑内进行不完全燃烧，此时为还原环境，不利于NO_X生成；第二阶段在同侧纯氧枪通入纯氧，纯氧加入后在火焰后期将未燃烬的燃料燃烧完全，由于缺少N₂的参与且燃烧时间短，NO_X的生成量很少，从而降低生成烟气中的NO_X含量。

本发明的助燃方法使得整个火焰长度温度相对均匀平和，有利于玻璃熔化及玻璃熔窑温度稳定，同时避开产生NO_X的热力学条件，从而降低玻璃熔窑烟气中NO_X的生成。

本发明提供的一种低NO_X排放的马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃方法，具体为：

先开启马蹄焰玻璃熔窑的左小炉(以图1中的下部为左，上部为右)，同时开启左纯氧枪、左纯氧燃烧喷枪和右纯氧燃烧喷枪，使得左小炉中助燃空气量降低至原来的85％-90％，左纯氧枪中氧气流量为60-80Nm³/h，压力为0.05MPa-0.12MPa，左纯氧燃烧喷枪中氧气流量为60-80Nm³/h，压力为0.05MPa-0.16MPa，右纯氧燃烧喷枪中氧气流量为60-80Nm³/h，压力为0.05MPa-0.16MPa。此时左纯氧燃烧喷枪为富燃料燃烧，即燃料比氧气当量比大于1，一般为1.1-1.2；而右纯氧燃烧喷枪为富氧气燃烧，即燃料比氧气当量比小于1，一般为0.85-0.95。15-25分钟后换向，即开启马蹄焰玻璃熔窑的右小炉，同时开启右纯氧枪、左纯氧燃烧喷枪和右纯氧燃烧喷枪，其中的氧气流量和压力同上。

以下结合具体实施例，更具体地说明本发明的内容，并对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明进行限制。

本发明提供的可降低NO_X排放量的马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统，如图1所示(图中以下部为左，上部为右，靠近小炉方向为前，远离小炉方向为后)，包括纯氧燃烧喷枪、纯氧枪和氧气管路控制系统(图中未示出)。在马蹄焰玻璃熔窑Ⅰ的左侧胸墙上(即左小炉1的左边胸墙上)沿前后方向依次在同一水平线上设置一支左纯氧枪5和一支左纯氧燃烧喷枪6；在马蹄焰玻璃熔窑的右侧胸墙上(即右小炉2的右边胸墙上)沿前后方向依次在同一水平线上设置一支右纯氧枪3和一支右纯氧燃烧喷枪4。左纯氧枪5和右纯氧枪3在马蹄焰玻璃熔窑Ⅰ内左右对称设置，左纯氧燃烧喷枪6和右纯氧燃烧喷枪4也在马蹄焰玻璃熔窑Ⅰ内左右对称设置。纯氧枪距离小炉的水平距离为1200-1800mm，纯氧燃烧喷枪与纯氧枪的距离为600-900mm。

纯氧燃烧喷枪，如图2和图5所示，由燃料进口8、氧气进口9、挡火板7和喷嘴10组成，包括中空的枪体和套装在枪体内的中空的燃料管，燃料管的末端为燃料进口8，燃料管管体的尾部伸出枪体外并与枪体尾部密封形成氧气枪膛16，燃料管头部伸入枪体内靠近枪体头部的喷嘴10处，且与喷嘴10之间的空间形成混合枪膛17，靠近枪体尾部设有氧气进口9，枪体外部靠近枪体头部位置设有挡火板7。工作时，燃料通过燃料进口8进入燃料管内部空间形成的燃料枪膛15，氧气通过氧气进口9进入氧气枪膛16，燃料和氧气在混合枪膛17混合，通过喷嘴10喷入玻璃熔窑内。

纯氧枪，如图3和图6所示，由纯氧进口11，纯氧枪挡板12，纯氧出口13组成，包括中空的枪管，枪管头部为纯氧出口13，尾部为纯氧进口11，靠近枪管头部的位置设有纯氧枪挡板12工作时，纯氧通过纯氧进口11，进入纯氧枪膛14，经纯氧出口13喷入玻璃熔窑。其中通过改变纯氧枪挡板12的角度，使纯氧枪在玻璃熔窑内部的入射角度发生改变，经过多次实验发现，当纯氧枪挡板与枪管的角度为30-45°时(即纯氧枪与玻璃熔窑胸墙的角度)，可使纯氧枪有效贴服玻璃熔窑外壁，从而防止玻璃熔窑火焰外串。

氧气管路控制系统，如图4所示，包括总截止阀18、总薄膜调节阀19、右纯氧燃烧喷枪氧气供给调节截止阀26、右纯氧枪氧气供给进口氧气调节截止阀27、左纯氧枪氧气供给进口氧气调节截止阀28、左纯氧燃烧氧气喷枪供给氧气调节截止阀29；右纯氧燃烧喷枪氧气供给氧气压力薄膜调节阀20、右纯氧枪氧气供给进口氧气压力薄膜调节阀21、左纯氧枪氧气供给进口氧气压力薄膜调节阀22、左纯氧燃烧喷枪氧气供给氧气压力薄膜调节阀23；软管24、25和管路。左纯氧枪由左纯氧枪氧气供给进口氧气调节截止阀28和左纯氧枪氧气供给进口氧气压力薄膜调节阀22控制，左纯氧燃烧喷枪由左纯氧燃烧氧气喷枪供给氧气调节截止阀29和左纯氧燃烧喷枪氧气供给氧气压力薄膜调节阀23控制，以此类推，将氧气管路控制系统分成四条支路；最后由总截止阀18和总薄膜调节阀19控制氧气总开关及氧气压力，调节截止阀26-29分别用来控制纯氧燃烧喷枪和纯氧枪中的氧气流量及开关状态，压力薄膜调节阀20-23分别用来调整纯氧燃烧喷枪和纯氧枪中的氧气压力。软管24和25分别与纯氧燃烧喷枪6和4连接，将氧气(含氧量为90％以上)送入纯氧燃烧喷枪。

本发明在马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃系统的基础上，又进一步提出了马蹄焰玻璃熔窑的分阶段纯氧助燃方法，具体为：火焰从左小炉1或右小炉2中轮流喷出，当左小炉1作为喷火口时，右小炉2作为烟气进口，反之亦然。当左小炉1开启喷火时，左纯氧枪5氧气开启，同时开启左纯氧燃烧喷枪6和右纯氧燃烧喷枪4，减小左小炉10-15％的助燃空气量，此时左纯氧燃烧喷枪6处为富燃料燃烧，即燃料比氧气当量比为1.1-1.2，而右纯氧燃烧喷枪4为富氧气燃烧，即燃料比氧气当量比为0.85-0.95；15-25min后，关闭左小炉1、左纯氧枪5，开启右小炉2和右纯氧枪3，此时右小炉2作为喷火口，左小炉1作为烟气进口，减小右小炉10-15％的助燃空气量，右纯氧燃烧喷枪4处为富燃料燃烧，即燃料比氧气当量比为1.1-1.2，而左纯氧燃烧喷枪6为富氧气燃烧，即燃料比氧气当量比为0.85-0.95。马蹄焰玻璃熔窑就这样左右两侧循环交替运行。

实施例1：

以80吨玻璃器皿马蹄焰玻璃熔窑为例，采用本发明的分阶段纯氧助燃系统和方法，纯氧枪、纯氧燃烧喷枪中氧气流量60-80Nm³/h，助燃风用量从7500Nm³/h降低到6600Nm³/h，减少900Nm³/h，降低比例为12％，NO_X的排放浓度为1200-1400mg/Nm³，降低30％以上，总能耗降低3％，节能减排效果明显。

本发明通过减少助燃空气量，使得燃烧反应在第一阶段为富燃料的不完全燃烧，由于火焰温度较低，且O₂、N₂量偏少，降低了NO_X的生成；随着同侧纯氧枪中氧气的喷入，第二阶段为以O₂助燃为主的完全燃烧反应，火焰温度高，但由于缺少N₂参与且燃烧时间短，NO_X的生成量少。

目前玻璃企业都是采用后处理的方法来降低烟气中的NO_X排放，存在投资高、运行成本高、催化剂容易中毒等缺点，大大提高了玻璃的生产成本；而本发明是采用过程治理的方式，从源头上降低玻璃熔窑中的NO_X排放，同时又能节约能耗，适于在工业上推广应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的内容。