玻璃工業(yè)是能耗大戶(hù)，我國(guó)目前有玻璃窯爐數(shù)千座，熱效率及熱能利用率比較低，而且產(chǎn)品單耗大;成本高，也可以說(shuō)，玻璃市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)大多取決于能源。因此，節(jié)能已成為窯爐改造的中心任務(wù)，并已列入“十一五”國(guó)家節(jié)能環(huán)保的要點(diǎn)工程。
    回顧我國(guó)玻璃工業(yè)的發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)，富氧助燃技術(shù)早在20世紀(jì)50年代初就有人提出過(guò)，但鑒于當(dāng)時(shí)制氧技術(shù)本身要消耗大量的電能，因此，這種技術(shù)與電助熔相比就有“多此一舉”之嫌。所以，在沒(méi)有完全解決氧源問(wèn)題前，用“電能-制氧-富氧助燃”的間接節(jié)能途徑，不易為人們所接受，到了20世紀(jì)70年代，隨著新型聚合物的出現(xiàn)，制膜技術(shù)的提高，國(guó)外在富氧助燃方面做過(guò)大量的工作，取得了許多可喜的進(jìn)展，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了有利的基礎(chǔ)。
    一、富氧助燃技術(shù)在國(guó)外工業(yè)中的應(yīng)用
早在1982年，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家就從事膜法富氧技術(shù)的研發(fā)和運(yùn)用。 他們從膜材料、成膜技術(shù)、組件和裝置等方面進(jìn)行了產(chǎn)品試制、生產(chǎn)放大、流程設(shè)計(jì)、過(guò)程優(yōu)化和燃燒應(yīng)用等研究工作，并進(jìn)行了分析檢驗(yàn)手段和分析儀器的開(kāi)發(fā)等，較終開(kāi)發(fā)出氧濃度為28%--40 %富氧空氣，裝置，產(chǎn)氣量從幾升/分至1000m 3/h不同規(guī)格的產(chǎn)品，并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，在燃?xì)狻⑷加秃腿济旱牟煌瑘?chǎng)合下試驗(yàn)，證實(shí)了30 %濃度的富氧空氣，即可用于工業(yè)助燃，其中用23% 的富氧空氣助燃可節(jié)能10% -- 25% 。到20世紀(jì)80年代末，日本相繼有近20家大小公司推出了膜法富氧裝置。在富氧助燃方面，日本大阪煤氣公司和松下電器公司合作，在鋼坯加熱試驗(yàn)爐、陶瓷燒成爐、玻璃窯爐上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的節(jié)能效果。美國(guó)一家玻璃廠(chǎng)把助燃空氣的含氧量只增加到23% ，就得到了節(jié)約燃料8 %- 10 %的好結(jié)果，而且成品率提高3 %- 10 %，產(chǎn)量由106t/d提高到119t/d，灰泡數(shù)量下降40 %，爐齡延長(zhǎng)5 - 6個(gè)月。法國(guó)一玻璃廠(chǎng)在池爐上采用富氧助燃，使窯爐下部火焰溫度提高了100 0C ，頂部溫度下降了300 C 。產(chǎn)量由120t/d提高到150t/d。
    二、 局部增氧技術(shù)的基本特點(diǎn)
    目前把氧氣引入玻璃熔窯有氧氣-燃料噴槍、空氣-氧氣-燃料噴槍、二次空氣預(yù)混合和噴槍下局部噴氧等四種基本方法。其中前三種屬整體增氣措施，后一種為局部增氧。
在設(shè)計(jì)一座玻璃熔窯的燃燒系統(tǒng)時(shí)，必須考慮以下5個(gè)因素。
    (1).將燃料的熱能非常大限度地傳遞到玻璃中；
    (2).將燃燒的熱能較小地傳遞到熔窯的上部結(jié)構(gòu)中；
    (3).燃料的燃燒只限制在爐內(nèi)熔化區(qū)中；
    (4).盡量避免火焰沖刷到耐火材料的表面上；
    (5).燃料和助燃空氣有效的混合，以減少煙道中因空氣過(guò)剩而造成的熱損失。
    三、富氧助燃技術(shù)節(jié)能和治理污染的機(jī)理
    1.提高火焰溫度：
    富氧空氣參于燃燒后，氮?dú)饬肯鄬?duì)減少，從而使氧分子迅速地與可燃物混合達(dá)到充分燃燒，使火焰溫度隨著富氧空氣中的氧分子比例的增加而提高，并加快了輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流三種形式的熱傳率。
    2.加快燃燒速度
    燃料在富氧空氣中燃燒速度加快的原因：是由于增加氧含量后，使火焰溫度提高所致，如天然氣在氧氣中的燃燒速度比在普通空氣中的燃燒速度能提高10倍。燃燒速度的提高，導(dǎo)致燃料在爐膛內(nèi)迅速完全燃燒。
    3.降低燃料的燃點(diǎn)溫度
    燃點(diǎn)溫度明顯受到反應(yīng)速率和熱損耗的影響。富氧空氣比普通空氣有助于降低“燃點(diǎn)”溫度的特點(diǎn)，并增加火焰單位體積的熱釋放量。對(duì)于劣質(zhì)燃料效果更為突出。
    4.減少燃燒后的排氣量
    使用含氧量為29%的富氧空氣參加燃燒，與普通空氣燃燒比較，當(dāng)過(guò)�？諝庀禂�(shù)a=1時(shí)，則排氣體積減少20%，其排煙熱損失也減少20%，從而提高熱效率而節(jié)能。
    5.增加熱量利用率
    當(dāng)加熱溫度為1300ºC時(shí)，用普通空氣燃燒。其熱利用率為42%，而用含氧量26%的富氧空氣燃燒，則利用率增加到56%，隨著加熱溫度增加，節(jié)能效果更顯著。
    6.降低空氣過(guò)剩系數(shù)
    富氧燃燒能有效地降低空氣過(guò)剩系數(shù)，使排煙熱能損失大幅度降低，從而提高窯爐的熱效率而節(jié)能。
    四、膜法富氧技術(shù)的原理：
    膜法富氧技術(shù)研究成果是利用高分子材料的一些本征特性，如對(duì)不同氣體分子具有不同的選擇滲透性能，以及高分子材料的特殊加工性能，科技人員將一些特殊的高分子材料研究加工成為具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的氣體分離膜和膜原件。
選用硅橡膠和與其相配伍的高分子材料，經(jīng)特殊工藝加工成復(fù)合膜和膜原件，可以將空氣中的氧從21%富集到30%，且具有非常高氣體透量（與玻璃態(tài)高分子膜相比），單位面積/單位時(shí)間/單位壓力可產(chǎn)富氧（30%）4Nm3/m2 ·h·bar,與深冷法制氧和變壓吸附法制氧（折合成相同濃度）相比，膜法的制氧成本較低，為0.06-0.08KW。
    燃燒目的就在于使燃料充分燃燒，并有效地充分利用燃燒生成的數(shù)量。燃燒的工藝與爐窯效率有著至關(guān)重要的關(guān)系。燃燒是由于燃料中可燃分子與氧分子之間發(fā)生高能碰撞而引起的，所以氧的供給情況決定了燃燒過(guò)程完成的是否充分。在常規(guī)空氣助燃的燃燒系統(tǒng)中，這種高能碰撞作用受到占空氣成份近五分之四不助燃的氮分子阻礙，減少了氧分子與燃料可燃分子之間的碰撞機(jī)會(huì)，直接影響燃燒效率的提高，不僅如此，氮還在爐窯中吸收大量的熱量在廢氣中排掉造成熱損失，浪費(fèi)能源。
采用比常規(guī)空氣含氧量高的空氣助燃稱(chēng)富氧燃燒，它有提高火焰溫度、加快燃燒速度、降低燃料燃點(diǎn)溫度、增加熱量利用率的特點(diǎn)。
    五、富氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯上的應(yīng)用
    對(duì)熔爐采用局部富氧助燃是很有必要的，也是可行的，問(wèn)題的關(guān)鍵是富氧噴管的位置和水平擴(kuò)散角度。眾所周知，在一般的玻璃熔窯火焰空間中，火焰下部總是較缺氧的部位，燃燒不完全，溫度較低。如果富氧噴管以一定的角度和速度將氧氣引入窯爐空間，沖擊火焰底部，這樣就會(huì)在靠近玻璃液面一側(cè)形成一個(gè)含未燃燒碳粒較少的富氧層，使之燃燒充分，溫度提高非常大。這種不對(duì)稱(chēng)火焰，可靠垂直的溫度梯度，在靠近玻璃料液的一側(cè)形成一個(gè)高溫帶，使火焰底部增加向玻璃料液內(nèi)部的熱輻射和熱對(duì)流。而在靠近窯碹的一側(cè)溫度并不升高，使窯頂免受由此帶來(lái)的侵蝕加重。同時(shí)由于火焰強(qiáng)度增加，火焰變短，有助于控制熔窯內(nèi)溫度分布。此外，可防止在蓄熱室內(nèi)燃燒。這對(duì)蓄熱式熔窯來(lái)說(shuō)，格子磚的壽命也可以得到改善。 
    據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，若將富氧空氣通過(guò)二次風(fēng)機(jī)的進(jìn)口處引入，火焰將在池爐大碹和液面之間水平通過(guò)，勢(shì)必增強(qiáng)了各個(gè)方向的熱傳導(dǎo)，失去局部富氧的真實(shí)目的。
    富氧空氣噴管應(yīng)安裝在油或天然氣噴槍與玻璃液面之間，或氧氣噴管位于油或氣噴槍下5 - 20cm處，火焰內(nèi)部垂直的溫度梯度隨著這一距離的變化而不同。距離過(guò)大或過(guò)小都不理想。過(guò)大時(shí)，氧氣與燃料間的接觸面就小，而與窯內(nèi)其他殘余氣體的混合程度相應(yīng)加大，致使火焰溫度降低，富氧效果變差；距離過(guò)小時(shí)，其結(jié)果近于整體增氧，局部富氧的效果不僅體現(xiàn)不出來(lái)，反而會(huì)出現(xiàn)窯頂溫度增高。因此，要在確定噴槍與富氧噴管之間的距離時(shí)必須對(duì)油噴槍的水平擴(kuò)散角度和富氧空氣的射入速度等進(jìn)行認(rèn)真周全的考慮。這些參數(shù)都是影響這一距離的重要因素。
    但是，必須說(shuō)明的是玻璃液溫度升高的程度，不僅僅與上面講的富氧噴管的位置，射入的角度和速度，以及射入的富氧空氣量和濃度有關(guān)，而且與燃料的霧化情況有關(guān)。如燃料霧化不好，火焰黑，根長(zhǎng)，富氧空氣射入后不能及時(shí)與燃料混合燃燒的話(huà)，那么富氧氣體實(shí)際上只能在火根部分起到冷卻玻璃液的作用。因此要使燃燒穩(wěn)定和安全，就必須使燃料從噴嘴吹出后能及時(shí)與富氧空氣混合并燃燒。綜上所述，只有綜合考慮上述諸因素，才可能實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
    1.單元窯
    單元窯常用于熔制琉璃瓦，其熔化面積為4.46m2，非常大產(chǎn)量2722kg/d，原先空氣/天然氣預(yù)混合燃燒系統(tǒng)有10個(gè)噴嘴，每邊5個(gè)，外加一個(gè)電子加速部件。
    康寧玻璃公司在安裝富氧氣噴嘴時(shí)，考慮到火焰的升溫和強(qiáng)氧化性對(duì)投料口及前胸墻耐火材料的侵蝕，在靠前對(duì)噴槍下不設(shè)富氧噴管，其余8個(gè)噴槍中心線(xiàn)下方，都裝上了富氧氣噴管。
結(jié)果表明，不用富氧助燃時(shí)，窯碹溫度15500C，后胸墻溫度14500C，則碹頂比后胸墻溫度高出1000C。安裝上富氧助燃系統(tǒng)后，熱量的集中區(qū)移向玻璃液面處，如仍維持后胸墻溫度為14500C，則可測(cè)得碹頂溫度下降了1300C。這樣，火焰氣體向玻璃液傳熱量增加，而碹頂材料的侵蝕卻大為減少。據(jù)文獻(xiàn)介紹，該窯在停爐冷修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，使用富氧助燃后，窯碹內(nèi)表面磨損較少。
單元窯上使用富氧助燃除節(jié)能效果明顯外，火焰空間內(nèi)近液面處火焰氣氛要比空氣助燃時(shí)要穩(wěn)定得多，而且?guī)в幸欢ǖ难趸�，這對(duì)保證玻璃組成、提高玻璃質(zhì)量也有顯著的效果。
    2.馬蹄焰窯
    Anchor Hoching公司報(bào)道的馬蹄焰池窯富氧助燃方案,是在每個(gè)小爐口底部?jī)芍烊粴鈬姌岄g的下方安裝一根氧氣噴管，根據(jù)實(shí)際情況,有時(shí)只在加料口一側(cè)噴氧  。該窯熔化面積33.3m2，熔化部深0.71m，澄清部深0.48m，日出料量40--75 t ；周期換向時(shí)間為20min，當(dāng)一側(cè)小爐口上火時(shí)，其下面氧氣噴管也可以大約57.8m3/h的流量把氧氣送入窯內(nèi)。
由于馬蹄焰窯是側(cè)面加料，正面噴火，因此其料層長(zhǎng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較短，為了加強(qiáng)熔化，火焰長(zhǎng)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(huì)集中于配合料熔化區(qū)，起到增強(qiáng)熔化部位熔化能力的作用。火焰長(zhǎng)短，也可通過(guò)控制氧流量來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)氧流量增至100m3/h時(shí)，火焰長(zhǎng)度將有明顯的縮短。
在馬蹄焰窯火焰空間內(nèi)，富氧助燃同樣可造成不均衡的火焰輻射，使熱流離開(kāi)碹頂向下移動(dòng)，窯頂附近空間溫度顯著下降。結(jié)果導(dǎo)致澄清區(qū)液面附近的冷氣層基本上被清理，玻璃液內(nèi)部熱均勻性有所提高，較終使成形制品質(zhì)量得到改善。
    3.雙碹窯
    與前面兩種情況不同，文獻(xiàn)上報(bào)道的幾個(gè)在雙碹窯上進(jìn)行富氧助燃的實(shí)例，都是出于延長(zhǎng)窯爐爐齡的目的。也就是說(shuō)，在雙碹窯接近設(shè)計(jì)所定的爐齡時(shí)，由于換熱器堵塞，窯壓升高，空氣預(yù)熱溫度較低，火焰溫度很難控制。此爐本該停窯冷修，但生產(chǎn)廠(chǎng)商考慮到當(dāng)時(shí)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求，決定采用富氧助燃來(lái)繼續(xù)維持窯爐的正常作業(yè)。
雙碹窯的熔化面積為14.86m2，生產(chǎn)翠綠色玻璃，設(shè)有兩支燒950#重油的噴槍?zhuān)鹪鹊妮^高熔化率為2.39~2.56t/(m2.d)。在該窯使用后期，選用富氧局部助燃方案在雙碹窯前胸墻的兩個(gè)頂角斜插入兩支油槍和氧氣噴管，并保證由此噴入窯內(nèi)的油流能在來(lái)自小爐口的空氣流下進(jìn)行，穩(wěn)定燃燒。
    氧氣噴管位于油槍下約0.762m處。在投料口一惻，為了保證剛?cè)敫G的配合料容易熔化，氧和油的流量一般都比投料口對(duì)面的一惻油槍大一倍。
    根據(jù)換熱器堵塞程度不同，富氧助燃過(guò)程可分為三個(gè)階段。
靠前階段，雖然是氧氣噴管位置、角度及流量的調(diào)試階段，但在氧流量25.5m3/h下，火焰溫度平均增加1000C，窯溫升高15oC，而產(chǎn)量幾乎是高了近2t。
    第二階段，氧氣耗量31.0m3/h，盡管空氣預(yù)熱溫度可根據(jù)煙氣離開(kāi)換熱器的溫度，由熱平衡得出為500 ~5500C(正常作業(yè)時(shí)應(yīng)是900~10000C)，但此時(shí)平均產(chǎn)量已達(dá)28.0t/d。非常大產(chǎn)量是33t/d，對(duì)應(yīng)的熔化率為2.2t/(m2.d)。這表明，在助燃空氣預(yù)熱溫度明顯不夠的情況下，用富氧助燃不失為維持池窯正常作業(yè)的有效手段。
第三階段，換熱器幾乎完全堵塞，為穩(wěn)定窯內(nèi)溫度，氧氣耗量直線(xiàn)上升。因此，這一階段的富氧助燃措施對(duì)保證正常的出料量來(lái)說(shuō)更顯重要。如果不用富氧，窯爐幾乎不能作業(yè)。
由于氧耗量過(guò)大，制氧所需成本猛增。在第三階段后期，該雙碹窯已處于得不償失的地步，只得停爐冷修。但即使如此，受富氧助燃作用，該窯爐齡還是延長(zhǎng)了半年以上，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
    六、局部增氧技術(shù)在燃用發(fā)生爐煤氣玻璃池爐上的應(yīng)用
    燃用發(fā)生爐煤氣的池爐在我國(guó)玻璃行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。富氧空氣如何在這種爐子上應(yīng)用，并達(dá)到節(jié)能的目的，下面從發(fā)生爐煤氣的產(chǎn)氣原理和有關(guān)玻璃池爐燃燒系統(tǒng)兩部分來(lái)討論。
    1 、有利于提高煤氣熱值
    采用富氧空氣作為汽化劑，不但能夠產(chǎn)生明顯的節(jié)煤效益，提高汽化強(qiáng)度，降低灰中含碳量，而且還能提高玻璃池爐的產(chǎn)量、質(zhì)量，其綜合效益更為可觀。
往煤氣發(fā)生爐中通富氧空氣的方法是將富氧空氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱后，與常規(guī)空氣共同經(jīng)過(guò)一個(gè)效率高氣體預(yù)混器，并嚴(yán)格控制流量和流速，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口再與壓力為2kg/cm2的蒸汽混合，形成富氧空氣加蒸汽的汽化劑，進(jìn)入發(fā)生爐內(nèi)汽化。
    2、 富氧助燃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    (1).為了使池爐內(nèi)的火焰能形成梯度燃燒，即使近玻璃液面處的火焰溫度比上部的高，可以將富氧噴嘴的設(shè)計(jì)在小爐預(yù)混室的兩惻，并貼近小爐底面，噴嘴角度應(yīng)與小爐惻墻成少于150水平夾角。兩惻噴嘴的夾角應(yīng)在噴火口前端200mm處，使富氧空氣在池內(nèi)與火焰下部混合，并使火焰在熔化池靠近加料處形成高溫的底層火焰，從而加速化料，提高熔化率，克服跑料堆現(xiàn)象，并能保證馬蹄焰的回火不致帶料粉進(jìn)入蓄熱室，利于格子磚延長(zhǎng)壽命。
    (2).富氧空氣在進(jìn)噴嘴之前，必須經(jīng)過(guò)預(yù)熱。
可設(shè)計(jì)一個(gè)效率高金屬預(yù)熱器，貼在蓄熱室外墻上，外加巖棉保溫或?qū)㈩A(yù)熱設(shè)在蓄熱室頂部也可。
    (3).富氧噴嘴的流速取20~25m/s    。
    (4).在20~30m2熔化面積池爐中，富氧空氣的流量取試驗(yàn)數(shù)據(jù)為80m3/h 或100m3/h。
    (5).富氧空氣嚴(yán)禁與熱煤氣混合，以防爆開(kāi)事故發(fā)生。
    (6).富氧噴嘴的材料應(yīng)采用石英陶瓷。
    (7).在燃煤氣池爐上采用富氧燃燒后，應(yīng)適應(yīng)地調(diào)小二次空氣進(jìn)入量，盡量減少空氣過(guò)剩系數(shù)，使池爐熱效率提高。