【中玻網】平板玻璃熔窯氧化物（NO×）的產生

　　平板玻璃是我國國民經濟發展和提高人民生活水平所不可或缺的重要材料，在平板玻璃生產過程中大氣污染物的排放問題較為嚴重。初步估算2014年平板玻璃行業顆粒物排放量約3.5萬噸，S02約35萬噸，NOx約為40萬噸。由此可見，NOx是平板玻璃熔窯的重要污染物之一。

　　平板玻璃熔窯煙氣中NOx產生的主要來源有三個方面:⑴原料中少量鹽的分解;⑵燃料型氮氧化物是由燃料中的N元素經過燃燒后與02反應生成的NOx;(3)溫度型氮氧化物是由進人玻璃熔窯的空氣中含有的N2與O2在高溫下劇烈反應生成的NOx。當溫度在1500℃以下時，溫度型氮氧化物產生量很少；超過1500℃，溫度每增加100℃，溫度型NOx發生反應的速率加大6～7倍。而平板玻璃熔窯的一般溫度在1500℃以上，所以平板玻璃熔窯煙氣中以溫度型氮氧化物為主，NOx的排放濃度為1500～3000mg/m3。

　　氮氧化物前端減排技術

　　平板玻璃熔窯廢氣中NOx主要有燃料型和溫度型兩種，與溫度型NOx濃度相關的因素如下：

　　⑴窗爐的溫度;⑵二次空氣的用量與溫度;⑶重油噴霧用的氣體的種類與用量；⑷燃燒器的NOx發生特性；(5)溶化氣氛的氧化、還原程度；⑹往爐內吸人空氣的量與位置。

　　減少玻璃熔爐內的NOx有以下幾個問題需要面對：

　　（1）通常從原料表面進行加熱，為保證熔融玻璃的品質，爐內溫度必須保持在1400〜1600℃的高溫。

　　（2）由于熔融玻璃需要著色或澄清，所以爐內的氧化還原程度必須受到限制。爐內氣氛大多在富氧狀態下運行。

　　（3）不論液體還是氣體與二次空氣的混合不均勻，火焰的溫度分布也不一樣，因此實時把握火焰各點的溫度、氧氣的分壓、殘留碳、流速等情況非常困難。以上是在燃燒時控制NOx產生所存在的困難。同時，減少NOx的排放還需從燃料來源、熔窯的操作方式及煙氣脫硝等方面著手考慮。

　　2.1用搡作方法削減

　　2.1.1降低玻璃熔化溫度

　　玻璃熔化溫度的降低是盡量減少NOx產生的根本對策，但又與玻璃的諸多特性相矛盾。因此，為克服這個矛盾，首先從原料配比方面:(1)在不失去實用性的前提下，采用低溫熔化玻璃的化學組成。（2)開發盡可能多的使用碎玻璃的辦法。一般的碎玻璃原料雖然熔化溫度低，但玻璃中容易產生氣泡。

　　2.1.2燃料霧化用氣體

　　利用液體燃料霧化，通常使用高壓空氣（1次空氣)。如果1次空氣的量過剩，局部的過剩空氣就很容易接近火焰，并且從燃燒器孔吸進的空氣（3次空氣）過多，NOx的產生量就會增加。因此，解決的方法是盡量降低1次空氣的壓力。

　　在這種情況下，燃燒器積炭容易堆積雖然存在火焰延伸的問題，但從控制NOx出發，1次空氣壓力應盡量控制在容許的很低限度。因條件不同存在差異，但有實例表明，把1次空氣壓力從4kg/cm3降到3kg/cm3，N〇x的產生量約降低了24%。通常重油霧化用氣體是空氣，但為了達到削減NOx的目的，可以用水蒸氣，也有用噴霧水蒸氣約削減NOx產量19%的案例。但是，燃燒器碎屑容易堆積屬保養方面問題；從長遠看，存在著燃料的使用量增加的問題，此辦法只有在必須緊急控制NOx發生時才用。另一方面，有報告顯示，當噴霧氣體用的燃料煤氣的混燒，就不會出現保養方面的問題，并且有效地減少了NOx。

　　2.1.3二次空氣壓力、溫度

　　理論上講，空氣量（空氣比1)能帶來良好的火焰和效率高率燃燒的話，熱NOx就會大幅減少，但現實的爐是達不到這種理論上的空氣燃燒的。空氣比從高比例漸降到接近1,就會產生燃燒不穩定，爐溫降低，由于火焰的過度延伸而產生還原性氣氛，導致對蓄熱室爐材的不良影響、玻璃顏色變化等一系列問題。但是，圖1又舉出了空氣比從1.2降到1.1時，NOx產量減少25%的實例，所以,操爐時在允許的下限的空氣比附近燃燒為宜。不同溫度下，NO平衡濃度和〇2濃度關系如圖1。

　　圖1 NO平衡農度和〇2濃度關系

　　為達到這個要求，應注意以下幾點：

　　(1)控制好正確地監測〇2量和適當的廢氣成分；

　　(2)在噴火口內，通過二次均勻分布（防止偏流），防止局部空氣過剰；

　　(3)有數個噴火口的爐，到達各個噴火口的空氣比平均化。

　　逐一落實后，空氣比就降下來了。有一種準確的燃燒管理用的〇2探測器，可以作為有效的工具。必須定期對每個噴火口內進行氣體分析（可用奧薩特氣體分析儀），為了不產生過剩仏而進行準確地調整。

　　玻璃熔爐的2次空氣的溫度，力爭通過熱回收來預熱，蓄熱方式通常為1000~1200℃,換熱方式通常為800~900℃，隨著預熱溫度的下降，NOx濃度就會減少。但這種方式不能節約能源，不應提倡。總之，主要的是將空氣比降到很低限度。

　　2.1.4降低爐內溫度（很低溫度）

　　很明顯，高溫操作對N〇X的產生是個不利因素，但由于玻璃的熔化溫度容許變動的范圍較小，實際上降低爐內的平均溫度很難。但是，改變操作條件以避免爐內局部出現高溫、降低火焰很高溫度是可以收到效果的。例如，橫火焰池爐不使爐內很高溫度集中在一處，稍微降低很低溫度水平，而且盡量把握噴火口燃料的分布，以保持爐整體的平，均溫度，掌握了這些，就能有效地削減NOx。另外，士直接通電的有效加熱法并用（電助熔Boosting),對降低爐的很低溫度非常有效果。不同濃度時,NO平衡濃度與溫度關系如圖2。

　　圖2 NO平衡農度和〇2溫度關系

　　2.1.5燃燒管理操作標準

　　根據窯爐操作來削減NOx,雖然以降低空氣比和溫度為主.但玻璃熔化一般需要高溫和氧化的火焰，所以與低NOx操爐法有很多矛盾之處。盡管如此，為了減少NOx以獲得實效，關鍵是在玻璃熔化、保持品質容許的范圍內很大限度地操作。為此，必須注意以下管理要點：

　　⑴窯爐操作管理用的測定場所、測定方法、測定精度是否恰當(檢驗要點，爐溫測定值是否接受火焰或爐壓的變化);(2)爐內溫度是否過高；(3)燃燒器的積炭，是否沒有大的影響；⑷1次空氣的壓力、2次空氣的流量是否合適，控制是否異常;⑸1次空氣內是否含有大量的水;⑹火焰的長度是否合適;⑺小爐周圍的磚是否脫落（小爐的孔變大的話，3次空氣量就會增加，NOx也會增加）；⑻噴火口內是否有灰碴堆積或上部有磚落下堆積，2次空氣流動是否混亂;⑼爐內壓力是否適當；⑽窯爐的密封或保溫是否劣化，爐內的散熱量是否增加（密封一旦劣化，大量3次空氣流人，是溫度降低的主要原因）。

　　采采用低NOx燃燒器用低NOx燃燒器采用低NOx燃

　　2.2采用低NOx燃燒器

　　2.2.1低NOx燃燒器的定義及特征

　　在燃燒設備中基本的一項，就是燃燒器的類型是和窯爐的設計同時決定的。在確定燃燒設備樣式的同時應該考慮的項目有：⑴噴火口的形狀、規格、數量;⑵使用油的性質(發熱量、粘度、殘留炭等)與使用量；⑶燃燒室（爐）及蓄熱室的形狀、規格;(4)很高溫度與氧化還原狀態。

　　應選擇符合以上條件的燃燒器類型。燃料燃燒必須的很低限度的空氣量，被成為理論空氣量，但僅靠理論空氣量的燃燒，爐內要產生煙灰及其他東西，就不僅是難以保持爐內溫度的問題，而且玻璃著色等品質上的缺點就會產生。通常10%~30%的過剩空氣就可以燃燒。如果實行低空氣燃燒比燃燒，不管燃燒設備如何，都會削減NOx。

　　由于會產生上述缺點很難維持長期操作。因此低NOx燃燒器所具備的條件，是不降低燃燒功率而達到低空氣比燃燒。為了保持相同量的燃料在爐內效率高率燃燒，就應盡量讓高溫火焰大范圍地均勻地覆蓋爐內被加熱物一配合料。一般來講，一次空氣量增加，就導致從燃燒孔吸進3次空氣量增加。這些1次和3次空氣在火焰的根部與噴霧燃燒混合擴散，不久就在火焰軸方向的下部形成局部的高溫域。

　　減少1次空氣、縮短火焰的燃燒設備應采用超聲波燃燒器或萊德•勞燃燒器。這種燃燒器的特征邊_把噴霧燃料更加細粒化，著火快燃燒完結快。能夠省去壓縮空氣，尤其是省略了大量燃燒1次空氣的必要性，因此通過低空氣比燃燒降低NOx,同時節約了能源。

　　另外，低NOx燃燒法是避免出現火焰中局部高溫區的關鍵。為了實現不出現火焰局部高溫區，從原理上講，不使用1次空氣才很有效。油壓燃燒器或取代1次空氣燃燒煤氣都能達到這個目的。油壓式燃燒器的特征與噴霧型相比，用噴霧氣體的運動量小，所以噴霧滴的粒度相對大。火焰根部的氣流很少渦流，屬完全擴散型。火焰著火慢，燃燒速度也慢。這種類型的火焰特征如圖3,可以使很高溫度區降溫，另一方面火焰的長度較長，燃燒室幅較寬的熔窯效果好。

　　圖3霧化形式、火焰與長度、溫度分布的關系

　　2.2.2油壓燃燒器

　　這種燃燒器以節能、減少NOx為目的，平板玻璃熔爐而開發使用，現在已被很多種類的玻璃熔爐使用。燃燒重油的霧化不使用霧化空氣，而是以提高重油壓力，從噴霧起頭部噴射，重油微粒化的方式，節能與減少NOx同時進行。噴霧器的形狀為橢圓開口，火焰向水平方向呈現扇形擴展，增加了火焰對配合料的熱輻射。以下為一些平板玻璃熔窯的窯內溫度以及空氣比在一定的條件下，使用這種扇形平面油壓燃燒器后重油使用量及廢氣中N〇x濃度的監測結果表明，NOx的總排放量與空氣霧化型比較減少了45%。

　　油壓燃燒器的優點在于，由于不使用霧化空氣，所以屬節能型低NOx燃燒器，并且比較容易保養。缺點是油滴粒度大，火焰容易伸長，較難調整，操作范圍狹窄，不適合出料量變化大的爐或小型爐。同時，燃燒器的重油配管是30～40kg/cm3的壓力，設備費用相對較高。

　　要強調的是油壓燃燒器的火焰呈扁平扇形延伸,燃燒用2次空氣的氣流要適合。為獲得適當的2次氣流，必須設計好噴火口（開口處的大小、形狀等）。用水冷卻管套在外面，直接設在噴火口內的插入型居多。這種類型有以下兩個優點：（1)可以控制由小爐侵入的3次空氣；（2)通過改善2次空氣和噴霧油滴的混合比降低了空氣比。

　　2.2.3超聲波燃燒器

　　這種燃燒器的特征就是利用超聲波使燃料油細粒化。具體有以下幾點:(1)能在低氧狀態下燃燒(空氣比1.1～1.2);⑵能有效控制NOx;⑶節約能源。霧化氣體(空氣、蒸氣)量是以往的1/2。有的瓶罐玻璃熔爐由內部混氣式燃燒器改為超聲波燃燒器，霧化空氣量從170m3/h降到120m3/h,NOx的產生量也削減了25%-30%。

　　這種燃燒器有這樣一個特點：高壓煤氣通過內筒再到達外筒的前端，在端頭設有1次噴射用的噴射器，噴射器上的主燃料孔和數個煤氣孔張開，各孔的前方有共鳴體的共鳴孔，噴射器前側又分隔有乳化孔，噴射器內部產生的超聲波、聲波能與煤氣、燃料的1次噴射壓力產生乳狀，再將乳化燃料進行2次噴射。

　　2.2.4煤氣霧化型重油燃燒器（煤氣混燒）

　　把高壓空氣霧化型的重油燃燒器的部分稍加改造，用城市煤氣代替1次空氣，就減少了1次空氣，從而NOx濃度一定會削減。改成煤氣噴霧型燃燒器后的試驗在一定程度上保持了燃燒器的發熱量的同時，煤氣的添加率也發生變化。圖4表示了煤氣添加率為25%~28%時的NOx濃度。

　　圖4煤氣霧化型重油燃燒器的NOx減少效果

　　熔窯引入了煤氣混燒，得到了以下結果：

　　(1)NOx濃度降低了20%~25%;

　　⑵能源單耗上升了3%。

　　結束語

　　隨著我國玻璃生產格局的變化，污染治理技術的進步以及社會對環境質量要求的日益提高，勢必對平板玻璃工業NOx的污染治理提出新的要求。國家環保部已經頒布的《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》（GB26453-2011),明確規定了平板玻璃熔窯煙氣氮氧化物的排放量濃度為700mg/Nm3。因此，全行業必須髙度重視、認真研究開發新技術，既滿足達標排放要求，又降低單位制造成本的新型NOx減排技術，使我國平板玻璃工業NOx減排技術達到世界先進水平。