富氧燃烧技术是以氧含量高于21％的富氧空气或纯氧代替空气作为助燃气体的一种高效强化燃烧技术。其特点在于不论是助燃空气还是燃烧废气体积都有所减少。燃烧反应速度加快，火焰温度提高，这有效提高了熔窑的热效率，熔化率增大，玻璃液单位热耗降低。烟气产生量及NOx生成量降低，进而使烟气净化系统运转更加可靠，粉尘污染大大降低。研究表明：富氧燃烧技术不仅能够节约大量能源，减少环境污染，而且能提高玻璃的产量、质量，延长熔窑寿命。该技术的成熟和推广应用也必将为浮法玻璃生产行业带来可观的经济效益及社会效益。

1 国内浮法玻璃现状，富氧燃烧的迫切性

我国平板玻璃工业已具有相当规模。2004年全国玻璃产量为3亿重量箱，其中浮法玻璃占84%，产量达到2.52亿重量箱。自2002至2004年三年间，仅浮法玻璃生产能力就增加了近1亿重量箱，到2004年底国内浮法玻璃生产共有123条，生产能力超过2.8亿重量箱，预计2005年还将有近20条浮法工艺生产线投产，新型节能技术产业化市场空间巨大。

目前，工业发达国家玻璃熔窑的热效率一般在30%～40%，我国玻璃熔窑的热效率平均只有25%～35%。以日熔化400～500吨级浮法生产线为例，我国熔窑的玻璃液单耗(7～8MJ/Kg玻璃液)比国外先进水平(5.8MJ/Kg玻璃液)高出30％。尽管随着我国熔窑大型化水平的提高，这一表观数据与国外差距已经缩小，但我国平板玻璃行业过去在确定综合能源消耗时，一般不与产品质量挂钩，若要求我们提供的玻璃液熔制质量达到国外先进水平，估计我国玻璃熔窑的燃料消耗量还要增大一些。同时，国内企业一般水平和先进水平之间也存在很大差异，其能耗差别亦在20％～50％之间。

作为原油净进口国，我国对原油的依赖越来越受到政府及社会各界的关注。如今，随着全球能源危机的加剧，石油能源对外过度依赖已严重遏制我国的经济发展规划和国际战略地位。因而，玻璃熔窑的节能降耗研究是一个具有重大战略意义的课题。

2 富氧燃烧的节能原理及产生富氧的来源

富氧燃烧节能的基本原理是，富氧燃烧降低了烟气生产量，燃烧产物中的NOx含量降低，水蒸汽和二氧化碳的含量和分压增大，火焰黑度增加，燃烧速度加快，火焰温度提高，提高了火焰向配合料或玻璃液的辐射传热和对流传热，结果使熔化率提高。富氧燃烧在提高火焰传热效率同时，也对其燃烧设备（小炉）提出了与普通燃烧设备不同的要求。

燃料燃烧时需要氧气，它通常是由空气中的氧来提供，在助燃空气中含氧仅占21％参加燃烧，而其余79％的大部分氮气不参加燃烧，带走了大量热量，降低了燃料的有效利用率，相应增加了燃料消耗。用27％的富氧空气进行燃烧时，废气所带走热量减少约20％，相应减少了热损失。再则，富氧燃烧使重油燃烧比较xx，减少了重油消耗。用含氧量大于21％的富氧空气，参与燃烧将具有明显的节能效果。炉温越高，利用富氧助燃技术的节能效果越明显，例如炉温在1600℃时，用含氧浓度23％的富氧空气助燃，可节能25％。

目前，国内外对富氧燃烧熔窑熔制技术的研发主要集中于中小型马蹄焰窑。尽管我国见到了在瓶罐玻璃熔窑上的应用报道，但在大型浮法熔窑上对富氧燃烧技术进行规模研究尚无先例。可以想见，如能在大型熔窑上通过不同熔窑区域富氧燃烧控制熔窑温度曲线，突出热点，降低有害回流也必将为窑炉节能带来效益。      

目前，国内外制备富氧的方法有深度冷冻法、变压吸附法和膜法三种。三种空气制氧方法比较见图1。

表1  三种空气制氧方法比较

        低温精馏法        变压吸附法        膜分离法

原理        利用液化后沸点差异来精馏分离        利用吸附剂对氧、氮吸附性能的差异达到分离的目的        利用膜对特定气体的选择透过来分离空气

技术掌握情况        技术成熟        比较成熟        开发阶段

装置规模        大规模        中、小规模        小规模或超小型

氧纯度        ≥99.2％        30％～95％        25％～40％

耗电量（kWh/Nm3）        0.04～0.08        0.05～0.15        0.06～0.12

同时产生的副产物        稀有气体、液氮        富氮        富氮

产品的可调性        较难        较易        易

设备制造难度        难        较易        易

特点                设备操作简单，可实现自动化        设备操作方便，投资少，能耗低

3 富氧燃烧对浮法玻璃的影响

与传统燃烧技术相比，玻璃熔窑采用富氧燃烧技术可给熔窑节能带来以下效果：

1.        富氧燃烧可以提高燃烧区的火焰温度。研究表明，火焰温度随着燃烧空气中氧气比例增加而显著提高，详见图1。富氧燃烧可明显提高火焰温度，提高火焰对配合料和玻璃液的加热效果。燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化，并同时发出光和热的过程。热的传递一般通过辐射、传导和对流三种形式进行。这三种形式何种作用{zd0}主要取决于：火焰类型和形状、加入空气中的含氧量及燃烧设备周围的情况等。由于热传递速率与温度的四次方成正比，所以提高燃烧温度将会大大增加热辐射。

图1 火焰温度与氧浓度的关系图

由火焰温度与氧浓度的关系图可知：A)火焰温度随富氧空气氧浓度的提高而增高；B)随氧浓度的继续提高，火焰温度的增加幅度逐渐下降。例如，在绝热状态下，空气含氧量从23％增加到25％时，火焰温度增加100℃，但空气含氧量从25％增加到27％时，同样是增加2％的含氧量，火馅温度只增加了约30℃。为有效利用富氧空气，氧浓度不宜选得过高，一般按空气过剩系数m＝1～1.5组织火焰时，富氧空气浓度取23～27％为宜，其中空气含氧量从21％增加到23％时，效果最明显；C)空气过剥系数不宜过大，否则，同样浓度的富氧空气助燃，火馅温度较低。通常在组织燃烧时，控制在1.05～1.1，以达到既能获得较高火焰温度又能燃烧xx的效果。

2.富氧燃烧改变了燃料与助燃气体的接触方式,降低燃料的燃点温度，可明显缩短火焰根部的黑区，增大有效传热面积。当用重油作燃料时，它先蒸发成气体，主要是氢气和一氧化碳，其燃点温度为500～600℃，当富氧空气参与助燃时，其燃烧条件得到改善，从而降低重油的燃点温度，使火焰变短，火焰强度提高，释放热量增加。尤其是玻璃熔窑燃料燃烧时，通常将燃料喷枪置于助燃空气的下方，由于不能及时混合，在火焰根部常有低温区存在，形成所谓的黑区。黑区的存在减小了火焰在熔窑内的覆盖区域，降低了传热效果。

3.富氧燃烧可以加快燃烧速度，改善了燃料的燃烧条件，使得燃烧在窑内充分完成，减少了在蓄热室内的残余燃烧，因而能充分地利用燃料。由表一可见，各种气体燃料在纯氧中的燃烧速度大大加快。不过，燃烧速度实际上是一种定性的说法。如乙炔是一种燃烧速度快的燃料，其火焰短而密实；天然气是一种比乙炔燃烧速度相对慢的燃料，其火焰较长，但只要燃烧xx，都可放出很大热量。因此，要使燃料达到xx燃烧，必须使燃料和空气混合均匀或充分接触。富氧空气参与助燃后，能加快燃烧速度，提高燃烧强度、使火焰变短，获得较好的热传导，同时由于提高了燃烧温度，所以有利于燃烧反应xx。

4.富氧燃烧使燃烧所需空气量减少，废气带走的热量下降。排出废气的容积比与燃烧空气中氧浓度(％)的关系如下图所示。通常的燃烧只有占空气总量1／5的氧气参与燃烧，其余约占4／5的氮气非但不助燃，反而要带走燃烧产生的大量热量，从烟气中排出。使用富氧空气的情况下，燃烧所需空气总量(无疑氮气量)减少，燃烧xx，自然排出废气减少。

图2 废气的容积比与燃烧空气中氧浓度关系图

由上图可知，随空气中的含氧量增加，排气量逐渐减少，以含氧量27％的富氧空气与含氧21％的普通空气燃烧比较，在空气过剩系数m＝1时的排气体积减少20％。

5.富氧燃烧可以增加热量利用率，实验表明，富氧助燃可提高热量的利用率。下图示出加热温度与热量利用率的关系。由图可知，用含氧量21％的空气燃烧，加热温度为1300℃时，其可利用的热量为42％，而用氧26％的富氧空气燃烧时，可利用热量为56％，增加14％。而且随加热温度升高，所增加比例增大，节能效果更明显。

图3 加热温度与热量利用率的关系图

6.合理的富氧供给方式提高了传热效率。通常在燃烧喷嘴下和玻璃液之间加入富氧气体，使得靠近玻璃液的火焰温度提高，加大了邻近玻璃液处的温度梯度，因而强化了火焰对玻璃液的传热。

富氧燃烧技术除了给熔窑节能带来明显效果外,还可降低环境污染。普通空气中，氧气只有20.94％，不助燃的氮气占78.09％，也就是说，用普通空气助燃的燃烧只有占空气总量l／5的氧气参与燃烧，其余约占4／5的氮气非但不助燃。反而要带走燃烧产生的大量热量，既无谓地消耗能源，又因在高温下生成氮氧化合物，从烟道气中排出，造成环境污染。使用富氧空气进行燃烧，可以降低空气过剩系数，能够减少所需空气的总量(无疑氮气量减少)，不仅燃烧xx．而且自然排出的废气大大减少。用含氧量27％的富氧空气比用含氧量21％的普通空气，在空气过剩系数m＝1时进行燃烧的排气体积约减少20％。以燃烧重油为例，1千克重油需普通空气12.2标准立方米，如采用30％氧浓度的富氧空气，只需要8.5标准立方米，所产生的氮氧化合物减少40％。

4 前景与展望

国内，秦皇岛玻璃工业研究设计院利用浮法保护气体制氮产生的富氧空气，进行了富氧燃烧实验。试验窑是日产25吨单元窑，有5对喷枪喷油，在第二、第三对喷枪使用了富氧助燃。实际用于燃烧的助燃气体含氧量为23％。在油阀门及风管开度不变的情况下，固定生熟料的比例及加料量，24小时后，在热点后一米处测得玻璃液温度比普通空气助燃时提高了10℃，而废气温度不变；玻璃液产量在采用富氧燃烧情况下有明显增加，而燃料并没有多用。北京玻璃总厂1991年5月在一座熔化面积为37m2的马蹄焰窑上，采用空气压缩富氧膜工艺，将富氧喷嘴安装在小炉脖底油枪下部的方式进行了熔窑富氧燃烧实验。与之前相比富氧燃烧后火焰短亮，辐射能力强，料化得比较快，富氧燃烧和没有富氧燃烧前相比节油10％。本溪玻璃厂1991年下半年采用富氧燃烧的“膜式富氧发生系统”，含氧量在27～28％，氧气喷嘴安装在小炉脖底的油枪下部，熔化温度比未加富氧时提高80℃，节油率为14～15％。

近年来，随着玻璃熔窑节能降耗技术研究的深入，在开发节能玻璃配方、优化玻璃熔窑结构、改善玻璃熔窑控制技术、加强玻璃熔窑保温和余热利用等实现玻璃熔窑节能手段的研究已相当成熟。在此背景下，要实现熔窑进一步的节能降耗，富氧燃烧技术应运而生。特别是近几年来，富氧技术得到了迅猛发展，成为当今玻璃行业中最活跃的研究课题，被称为玻璃熔化技术的第二次革命。