全氧燃烧玻璃窑炉的施工

 

 

郭勇 高级工程师

（河南奥克金泰窑炉技术有限公司） 河南安阳455000

 

概述：本文根据笔者十多年的全氧燃烧技术从业经验，针对全氧燃烧技术在玻璃行业应用过程的技术特点，在窑炉砌筑、安装、烤窑、热保等技术进行了经验总结和探索性研究，并结合当下的前沿技术对行业未来的发展进行了展望。

Overview: Based on the author's more than ten years of experience in the field of oxy-fuel combustion technology, this article summarizes and explores the technical characteristics of oxy-fuel combustion technology in the glass industry application process, including kiln construction, installation, heating-up, and heat insulation. The article also provides a forecast of the industry's future development in combination with cutting-edge technology.

关键词：全氧燃烧技术 全氧燃烧玻璃窑炉 钢结构的制作与安装 窑炉砌筑 烤窑 装料 热保

Keywords: oxy-fuel combustion technology, oxy-fuel glass furnace ，production and installation of steel structure for oxy-fuel glass furnace , furnace masonry, heating-up, and heat insulation.

 

      1.                      概述

1.1.                      全氧燃烧技术在玻璃行业的应用与发展

玻璃制品作为我们日常生活中不可或缺的产品，其工业化、产业化已经有超过100多年的历史。玻璃熔化其实是一个燃料燃烧产生热量，将预配好的原料加热到相应温度的过程。传统的玻璃熔化，提供助燃的是空气中的氧气。众所周知，空气的组成是20.9%氧，78.1%氮和0.939%稀有气体，0.031%二氧化碳，0.03%其他气体和杂质。所以在使用空气助燃的时候，有效成份只有大约20.9%的氧气在起作用，超过78%的氮气和其它成分不仅不能产生热量，反而会在燃烧过程中消耗和带走大量的热量。全氧燃烧（又称为纯氧燃烧）技术的燃烧模式为燃料+氧气，摒弃了空气助燃技术中氮气带来的能耗过高、NOX污染因素的环节。随着制氧技术的发展及电力成本的降低，由氧气+燃料组成的纯氧燃烧技术在玻璃熔窑中成为取代由空气、燃料组成的常规燃烧方式的更好的选择方案，这是因为纯氧燃烧在环保、节能、产量、质量、减少设备投资和节省厂房场地等诸多方面均有得天独厚的优势。

由于纯氧燃烧技术在玻璃窑炉上应用的优势日益明显，对纯氧燃烧技术研究和应用已逐步在国内展开。2001年起，随着国内第一座CRT全氧燃烧窑炉的诞生，一些有前瞻性的企业和机构看到了未来燃烧技术的新的发展方向，开始不断加大关注及投入的力度。

在中国，随着经济的飞速发展，能源和环境保护的问题愈加突出，绿色经济、循环经济、碳中和、碳达峰正在成为经济生活中的一种潮流。工信部早在《平板玻璃工业“十二五”发展规划》中就明确提出要大力推广全氧燃烧技术的应用。《中华人民共和国国家发展和改革委员会2019年第29号令》中明确鼓励节能环保型窑炉（含全氧燃烧技术）的推广和使用。从2001年到现在的20多年的时间里，全氧燃烧技术在众多高温燃烧领域取得了飞速的发展。在玻璃行业，无论是日用玻璃还是特种玻璃领域，均得到完美的应用。

 

虽然玻纤行业在全氧燃烧技术推广应用上 非常普遍，但是由于其相比日用玻璃领域更多的差异性，本文决定不对其进行阐述。（下同）

 

1.2.                      玻璃行业常见窑炉炉型及其特点

玻璃行业常见窑炉根据炉型分为：全电炉、空气助燃窑炉（蓄热室、单元窑）、全氧燃烧窑炉、混合加热窑炉。

其中，全电窑是通过电极加热玻璃。全电窑又分冷顶和热顶技术，目前以冷顶窑炉为多。由于大多数的电炉采用垂直融化技术，所以一般池深比较深。这决定其在窑炉的结构、砖材的选用、钢结构的设计安装方面有自己的独有的特点。

作为传统玻璃领域最常见的空气助燃窑炉，蓄热室技术在中国得到了广泛的应用。通过几代人的不懈努力，我国的蓄热室窑炉技术在节能、寿命、日常运维方面积累了丰富的经验，其节能技术在世界范围内也处于领先地位。相比其它几种炉型，其蓄热室的设计、选材、建造，燃烧系统的匹配方面是其成败的关键所在。

混合加热窑炉通常被用于较难熔化、品质要求更高的特种玻璃。我们也称之为热顶电加热窑炉。通常为空气助燃或全氧燃烧技术作为火焰空间的加热，玻璃液内部采用电极进行加热，相比全电窑其在玻璃的熔化、均化、澄清排泡方面的机理有本质的区别。这种窑炉要统筹考虑电加热及火焰空间的结构、选材，加热系统的匹配等因素，技术难度相对较大。其中，关于火焰空间和烟道等技术方面，与全氧燃烧窑炉基本一致。

1.3.                      全氧燃烧玻璃窑炉的不同点

首先，全氧燃烧玻璃窑炉相比传统的空气助燃窑炉，没有了体积巨大、耐材用量超多的蓄热室。取而代之的是结构更加简单的烟道。

其次，大碹部分的处理有本质的区别。传统空气助燃窑炉的大碹以硅砖为最多，多以咬茬砌筑为主，硅砖厚度300-500MM为多，泥缝在1-2MM。全氧燃烧窑炉则多以电熔砖作为大碹的主要材料，材料以电熔AZS、α-β、β、ER1851为多，采用预组装模式，单环不咬茬，干砌无泥缝。

由于多数的日用玻璃均属有碱组分，而全氧燃烧窑炉的燃烧尾气中的水蒸气浓度是普通空气助燃窑炉的7-8倍以上，所以火焰空间和烟道部位极易形成碱性气氛和碱液，对传统的硅砖等酸性材料的侵蚀更加厉害。所以火焰空间的耐火材料多选用中性或碱性的材料，如：熔铸AZS、α-β、β、ER1851、烧结AZS、锆莫来石、刚玉莫来石、铬刚玉等。砌筑方式以干砌和传统砌筑相结合，这对膨胀量设计、砌筑的把控上提出了新的要求。

 

2.                      全氧燃烧的常见问题

  作为近年来一项新兴的技术，目前国内完全掌握全氧燃烧窑炉的设计、耐材选择、预组装、窑炉砌筑、烤窑装料、热保的技术团队还是比较少的，基本上属于口口相传的阶段，国内相关标准也处于拟定起草的阶段。

所以，近年来各地发展全氧燃烧窑炉方面还是出了一些事故，走了一些弯路。

目前全氧燃烧玻璃窑炉出现的主要问题有：

a.                      玻璃质量不能满足设计要求；

b.                      能耗指标不能达到设计指标；

c.                      窑炉寿命短，不能达到经济型目标；

d.                      环保方面，个别项目NOX达标困难；

e.                      生产安全方面，有项目发生爆炸事件、有项目发生回火燃烧到阀组的现象。

f.                      窑炉安全方面：

Ø                      大碹垮塌

Ø                      池壁、流液洞、加料口漏料

Ø                      胸墙烧穿

Ø                      池底漏料

 

  本文关注点在窑炉的施工方面，所以仅对大碹等差异部位的施工做出阐述。

相比传统的空气助燃窑炉，全氧燃烧窑炉的大碹为干砌、无泥缝，不咬茬结构，所以一旦出现问题，对窑炉来讲就是致命的。从对窑炉安全性的排名看，出现问题的严重性排名依次为：

  ① 大碹垮塌、池底漏料

  ② 池壁、流液洞、加料口、工作池或分配料道漏料

  ③ 山墙、胸墙、烟道、挂钩穿火

  ④ 料道、供料机侵蚀、漏料

 

  作为不可逆的池底漏料，全氧燃烧窑炉和传统的空气助燃窑炉的重要性几乎一样，这里不再赘述。

在大碹的处理上，干砌的大碹在砖材和钢结构上的特殊性决定其任何部位出现问题几乎不可修补（这些可以从国内出现的几次大碹垮塌的案例中得到印证）。所以全氧燃烧窑炉显得更加关键，这也要求我们要格外注意，应重点关注。

  以下为近年来国内部分全氧燃烧窑炉的安全事故案例：

案例一 2010年某项目胸墙烧穿现场

案例二 2018某全氧燃烧大碹（第一次坍塌、共两次）

 

案例三 2019年某全氧燃烧大碹马鞍形

案例四  2023年某全氧燃烧大碹局部坍塌

 

      3.                      全氧燃烧窑炉的施工

        3.1.                      钢结构的制作及安装

全氧燃烧窑炉的钢结构主要作用是支持和固定耐火材料使用，与传统的空气助燃窑炉相比，没有本质的区别。只是在大碹碹脚的安装、调整上由于其单环碹砌筑的特点，通常有单独调节的结构，窑炉的其它部分的处理技术上基本相同。

另，虽然熔铸材料的体积密度较大但大碹的设计上厚度相比硅砖更薄，所以大碹的总体重量上全氧燃烧窑炉和传统空气助燃窑炉差别不大，这也决定了立柱、后座樑的选材上不用特别的加大设计。

由于多数的全氧燃烧窑炉的胸墙和大碹是独立的结构，所以挂钩托盘及下巴掌铁相比传统空气助燃窑炉也没有增大。

由于钢结构计算问题或烤窑过程中钢结构调整问题造成的立柱变形、顶丝弯曲等问题，与传统窑炉没有区别。

        3.2.                      砖结构的砌筑

a)                      大碹的砌筑

由于前文所讲的全氧燃烧玻璃窑炉的大碹多采用熔铸材料、干砌的原因，所以其在砌筑时与现有硅砖大碹的砌筑有较大的区别。

电熔材料大碹的典型结构

首先，为保证每环之间的一致性（弧度、拱高、跨度），要求耐材生产厂家必须在工厂内进行预组装，在预组装时对发现的问题进行必要的修整。达到设计要求后，在砖材的制定位置喷涂合缝标记，并做大碹组装的数据记录。

预组装的工作非常重要，一般由经验丰富的组装工完成。组装时应使用专用工具，避免在组装过程中砖材的磕碰。

预组装在组装平台上完成。组装平台需具有平台、加紧装置、支撑装置、组装碹胎等。

组装用碹胎是耐材厂家预组装使用的重要工具，也是工程施工时大碹砌筑的重要工具。一般组装和砌筑使用一套相同的碹胎，避免应碹胎不同造成的砌筑吻合性不好。常见的碹胎有钢碹胎、木碹胎和土石碹胎（由于该技术使用较少，本文不做单独介绍）。

无论哪一种碹胎均应保证其可靠性、稳定性。

 

耐火材料厂家的大碹预组装（钢碹胎技术）

用于大碹组装的木碹胎

 

使用钢碹胎砌筑电熔砖大碹

施工人员在大碹砌筑时，应根据耐材厂家提供的预组装数据进行砌筑。保证砌筑质量的第一步是碹胎安装，保证横平竖直。安装每一环最后一块锁砖时，要保证每一环的间隙相同，一致的落高尺寸 注一才能保证拱高的一致性。

大碹砌筑时对重要尺寸的要求说明

 

4.                      全氧燃烧窑炉的烤窑

4.1.                      烤窑的特点

目前的全氧燃烧窑炉多以热风烤窑为主。个别也有直接使用全氧燃烧器升温的，这种情况多为小窑炉，在大多数的窑炉上不具有普遍性。

热风烤窑也被称之为快速烤窑，它使用专用的烤窑器，将经过火焰加热的过量助燃风吹入窑炉。这种技术上世纪60年代在美国兴起，我国在80年代中后期引入该技术，并在很短的时间内获得了广泛的推广应用。

与传统的烤窑方式相比，热风烤窑技术有以下特点：

a)                      烤窑温度均匀，各部位膨胀均匀

b)                      升温快，节省时间和燃料

c)                      升温速度控制精准，可达到±2.5℃

d)                      烤窑设备可重复利用

e)                      过大火稳定

f)                      正压烤窑，避免冷空气进入砖材炸裂

g)                      窑炉安全有保障

h)                      更容易实现自动化

热风烤窑的火焰

4.2.                      热风烤窑主要设备组成：

a)                      烤窑器多把（根据窑炉大小及结构决定），配套风机

b)                      控制柜（记录各点温度，窑压、调整各风机变频器频率）

c)                      燃烧器枪前组件 （稳压阀、球阀、调整用针阀、逆止阀、流量计）

d)                      配套热电偶、导线 若干

e)                      便携式窑压测量仪 一台

f)                      手持红外线测温仪 高低温各一台

g)                      水银温度计 若干

4.3.                      烤窑工具

a)                      调整顶丝、拉条扳手（或管钳）

b)                      加力杆

c)                      木槌

d)                      润滑油

e)                      手电

f)                      记号笔

g)                      标尺

h)                      铁丝 铁链

i)                      高温毯

j)                      焊机

k)                      气割

l)                      铁钩（长短各一）

 

4.4.                      钢结构的调整

有别于传统窑炉的钢结构的调整主要集中在大碹的钢结构部分，大碹的调整有拉条松紧及顶丝调整两种方式，这主要取决于窑炉设计方根据窑炉跨度大小和材料的选择。

钢结构的调整要严格执行烤窑计划，根据不同部位、不同耐材的特性结合升温曲线进行调整。原则上保证勤调、少调。结合烤窑工的拉条和顶丝松紧的手感。保证钢结构的松紧与耐材膨胀的匹配。

大碹的钢结构调整，要结合拱高数据和大碹上部开裂程度进行调整，保证最终大碹砖为上开口，开口宽度在0-5mm之间。请注意，烤窑升温时碹砖下开口会导致大碹的受力点集中在上部，极容易造成大碹垮塌。

大碹熔铸耐火材料上开口情况

两种常见的大碹支撑用钢结构

 

大碹的调整以大碹拱起量和上开口数据综合评判，以烤窑结束后钢结构定型时的大碹上部开口量作为评判标准。

4.5.                      温度制度的确立

根据耐火材料的选择，制定升温曲线。需要注意的几个节点，排水阶段、过大火阶段、耐材收缩及钢结构定型阶段等。

a)                      200℃为排水阶段，主要考虑耐火材料内部水分的排除，避免因内部水分聚集在快速升温时砖材炸裂。排水阶段计划4-8小时的保温时间。

窑炉内部的水的来源主要由以下几个方面：

Ø                      电熔砖加工时的冷却水；

Ø                      窑炉砌筑时泥料中的水；

Ø                      捣打料、浇注料中的水；

Ø                      天气潮湿，耐火材料吸收的潮气；

不同的窑炉，因所处的地理位置不同、砌筑的时间不同、砌筑完成与烤窑间隔不同，在排水阶段的表现不同。这个需要现场工作人员密切关注，甚至有项目在300多度时出现大量排水的情况，这时都需要对烤窑计划做出相应的调整。

b)                      1000℃（±50℃）为常规过大火阶段（也有称之为过本火）。是将热风烤窑器加热升温切换到全氧燃烧器加热升温的过程，一般会预留4小时的时间。切换时，应注意尾气量大幅下降后的变化，操作人员应密切监视窑压的变化并及时调整。切换本火后，由于全氧燃烧烧枪的排布问题，多只烧枪的情况下尽量考虑窑炉温度的均衡，避免局部温度过高或过低，影响窑炉的整体膨胀。

c)                      1300-1350℃为钢结构定型、锆质密封料烧结阶段（部分熔铸材料在此期间有一个明显的收缩阶段，钢结构调整时必须密切关注）。一般计划保温8小时。钢结构在此之后基本定型，除个别部位外钢结构不再做出调整。

d)                      1350-1600℃为投料阶段（根据不同的产品决定）。投料有人工推料和吹料模式。当液位升至距生产液位300mm时，可切换加料机加料并考虑由全碎玻璃改为碎玻璃加粉料的配合料模式，以便尽早正常生产。

e)                      部分窑炉投产前我们会安排一定时间的闷料，通常在8小时左右。也有部分厂家不经过闷料阶段直接出料生产的，这里不再赘述。

 

常用熔铸材料的膨胀曲线（典型值）

4.6.                      关于升温速度

升温速度的制定考虑主要材料的膨胀特性。上图为全氧燃烧窑炉常用熔铸材料的膨胀曲线。在关键点要保证升温的稳定，并且给钢结构调整留出充足的时间。

部分小型耐火材料供应商因为工艺、材料的不同，其膨胀曲线与上图会有一定的偏差。这个在烤窑的准备阶段，制定升温曲线时需要给与考虑。烤窑时，现场的工程师要根据具体情况，及时调整烤窑进度，这些经验需要长期的积累。

4.7.                      异常情况的对策

a)                      2011年某个项目，由于热电偶分度连接错误。造成窑炉显示温度与实际温度发生较大偏差。直接表现为多数拉条锁死无法松动，大碹持续上涨。这时采取的措施是，停止升温保温36小时，加强裸露耐火材料的保温，待温度一致后继续升温。

b)                      2021年。某工厂使用小厂生产的电熔材料，由于其质量不过关。大碹在膨胀时与理论曲线相差很大。最后在现场工程师的精密监控下，多次调整升温计划，最后基本达成烤窑目标。

c)                      2018年某项目，由于工厂地处南方，且窑炉砌筑结束后直接烤窑。在200多度时，窑炉底部排水量很大。通过延长排水时间后解决。

 

5.                      全氧燃烧窑炉的热保

5.1.                      全氧燃烧窑炉的热保特点

a)                      膨胀缝的处理

全氧燃烧窑炉的烧结材料和保温材料的处理与传统窑炉基本相同。这里主要特指熔铸材料的膨胀缝的处理。

不同的设计单位在设计熔铸材料的结构时均应充分考虑材料的膨胀特点，在设计时预留合适的余量。余量太大，后期处理时不容易涨死，处理起来比较困难，窑炉长时间高窑压容易在此处穿火；预留膨胀量太小，烤窑时容易涨死，严重的可能会拱起，后期热处理会更加困难。

作为施工单位，为处理好膨胀缝。应在材料的选择、施工顺序、处理的节点上予以重点关注。

b)                      保温涂料

作为窑炉保温的最后一道屏障，保温涂料的应用具有非常重要的作用。保温涂料运用得当，对窑炉的节能有非常明显的作用。

目前市场上的保温涂料由于过渡竞争，质量和价格参差不齐。

保温涂料施工时应在窑炉加料完成后进行，这时候窑炉钢结构已经完成定型，不再有较大的变化，保温涂料施工后会相对稳定，可以达到预期的目的。

施工关注点：

Ø                      除了大面积的覆盖外，侧面咬茬处的覆盖同样重要；

Ø                      立面施工时，应多次涂抹。

Ø                      施工厚度，根据设计方要求及保温涂料的品质。一般在30-150mm。

   

5.2.                      后期运维

由于全氧燃烧窑炉的尾气中的水蒸气浓度相比传统的空气助燃的窑炉要高的多，所以玻璃表面的粘度相对会更小。加之为提高融化率，局部温度偏高。窑炉在后期的运维过程中特别需要关注池壁砖砖缝的挤玻璃现象，发现问题要及早解决，避免久拖成病。

 

6.                      展望

对于全氧燃烧窑炉来讲，由于火焰空间多采用熔铸耐火材料干砌。所以其在烤窑时对膨胀缝的处理、钢结构的调整上提出了更高的要求。虽然热风烤窑在使用大风量助燃时，窑炉内部的温度会相对均衡。但是，随着特种玻璃窑炉的不断发展，其对窑炉砌筑、烤窑技术提出了更高的要求。

6.1.                      烤窑技术的进步

Ø                      布置更多的烤窑器；

根据窑炉的结构，为获得更加均衡的温度，通常会在窑炉的更多部位安装更多的烤窑器，结合测温点的信息对烤窑器做单独调整，以期获得更均匀的升温数据。

Ø                      自动控制系统；

新型的烤窑系统，采用了更多的检测点（包括更密集的热电偶、窑压、光学高温计）供更精准的依据。

自动控制系统会根据系统收集到的窑炉各部位数据，对不同位置的烤窑器的燃料用量及风机鼓风量进行自动调节。当目标温度超出设定的升温计划时，系统会发出警报通知现场人员进行人为干预。

6.2.                      新技术的应用

Ø                      电极涂层的应用

原有的钼电极通常是在玻璃液位到达预定位置后才开始将电极推送到位。但是作为板状电极、蘑菇头电极是必须预装在窑炉或料道内部的，以前的做法是玻璃纤维布加水玻璃覆盖，但是这样有一定的风险。也有项目是在烤窑前即将碎玻璃装满窑炉，这样的好处是可以完美的保护电极不受氧化，缺点是烤窑时间巨长，成本无法有效控制。

在高温涂层技术到来时，这些问题均迎刃而解。目前国内已有不少企业掌握了电极的高温涂层技术，这为特种玻璃窑炉的发展提供了更多的选择。

Ø                      耐火材料内部涂层的应用

窑炉内部涂层技术时近年来发展起来的，主要是采用纳米分子材料对窑炉内部（主要是窑炉火焰空间耐材）进行喷涂。达到增大热反射能力、增加耐火材料表面致密度，降低侵蚀速度，延长窑炉寿命的作用。

目前已知的有硅质、刚玉质、锆刚玉质、铝硅质的喷涂材料用于实战，更多的细节请咨询专业团队。

大碹的喷涂施工

历史在发展，技术在进步。随着越来越多的有识之士投入全氧燃烧技术领域，全氧燃烧窑炉在玻璃行业一定会得到快速发展，也会催生更多先进的技术和装备应用。更低的能耗、更低的排放、更好的产品质量、更好的经济效益，更长的窑炉寿命、更合理的建造和运营费用，是我们不断追求的目标。

 

注1 落高尺寸：是指大碹砌筑时，撤出碹胎后大碹拱高的下落高度。

 

参考文献：

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