李 駿，劉漢勇

（廣東省綠色制造能效優(yōu)化工程技術(shù)中心，廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 引言

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，玻璃產(chǎn)量持續(xù)上漲。據(jù)報(bào)道，2016年前3個(gè)季度的玻璃產(chǎn)量達(dá)5.84億重量箱，同比增長4.1%，目前我國的玻璃產(chǎn)量已居世界第一[1]。玻璃制品需求量的逐年增長同時(shí)也促進(jìn)玻璃工業(yè)的發(fā)展。然而，在取得巨大進(jìn)步的同時(shí)，玻璃工業(yè)的能耗較高、資源消耗較大、能效較低等難題成為制約其發(fā)展的重要因素。我國玻璃生產(chǎn)的平均單耗為7 800 kJ/kg，比國際先進(jìn)水平高30%以上[2]。其中玻璃玻璃窯更是玻璃生產(chǎn)中耗能最大的設(shè)備，其耗能量占企業(yè)總能耗的80%以上[3]。因此，企業(yè)要想最大限度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，提高行業(yè)競爭力，則研究整個(gè)玻璃窯的關(guān)鍵能耗環(huán)節(jié)和能源消耗情況，降低玻璃窯單產(chǎn)能耗，以達(dá)到玻璃生產(chǎn)高能效、低能耗的目的，已成為當(dāng)前玻璃生產(chǎn)重大研究課題，對(duì)促進(jìn)我國玻璃企業(yè)節(jié)能技術(shù)升級(jí)具有重要意義。

目前，已有相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者開始從不同層面和角度對(duì)玻璃窯節(jié)能優(yōu)化問題進(jìn)行深入全面的研究，試圖揭示能量流的本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)而有針對(duì)性地制定節(jié)能降耗策略。如：唐福恒[4]采用高低溫兩段蓄熱室結(jié)構(gòu)對(duì)玻璃窯進(jìn)行熱平衡測試，發(fā)現(xiàn)相比常規(guī)蓄熱室結(jié)構(gòu)可以取得良好的節(jié)能效果，玻璃玻璃窯的單位能耗降低大約10%，同時(shí)若使低溫段格子體排出的煙氣溫度再降低一些，單位能耗降低還有很大節(jié)能潛力；Patankar S V和Spalding D B[5]根據(jù)能量守恒所建立的三維數(shù)學(xué)模型對(duì)傳熱進(jìn)行計(jì)算；McConnell和Goodson[6]，Nelson 和 Novak[7]以 及 Cooper[8]使 用 的 建 模方法是基于物料平衡與能源守恒原理，旨在分析玻璃窯爐內(nèi)的能量性能。Vishal Sardeshpande[9]等分別對(duì)玻璃窯的燃燒空間、熔化池及蓄熱室建立過程模型并對(duì)整個(gè)玻璃窯的能源性能進(jìn)行估算，研究結(jié)果表明基于該模型方法設(shè)計(jì)與操作下的玻璃窯爐可降低20%～30%的能耗。

清華大學(xué)郭印城等[10]對(duì)馬蹄形火焰玻璃窯爐燃燒空間內(nèi)的燃燒及輻射傳熱等過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果表明:當(dāng)入口的進(jìn)氣角度在5～10℃之間時(shí)，傳熱效果較好；岳愛文[11]等建立玻璃液傳熱模型，研究表明投料池與熔化部池寬相等時(shí)，能耗升高，熔制質(zhì)量反而降低；Vishal Sardeshpande等[12-13]基于質(zhì)量與能量守恒建立蓄熱室模型，研究表明由于煙氣道堵塞因素導(dǎo)致的換熱面積減少50%會(huì)使得蓄熱室整體能耗增大7%。

1 馬蹄焰玻璃窯結(jié)構(gòu)工藝特性分析

馬蹄焰玻璃窯爐是較為常用的一種中小型窯爐，它具有一對(duì)蓄熱室，在窯爐一端設(shè)有兩個(gè)燃料噴射口，用于交替噴射火焰，火焰在爐內(nèi)縱向噴射到一定長度時(shí)會(huì)折轉(zhuǎn)返回，火焰走向形似馬蹄狀（∩），這就是馬蹄焰玻璃窯的由來。馬蹄焰玻璃窯平面圖如圖1所示。

圖1 馬蹄焰玻璃窯平面圖

馬蹄焰玻璃窯爐由小爐、投料口、池窯、蓄熱室、窯坎、流液洞、供料道、格子體磚、煙道等部分組成。其中小爐、池窯和蓄熱室是馬蹄焰玻璃窯的三大核心部分。小爐主要是負(fù)責(zé)熱源的輸入，池窯又分為兩個(gè)緊密聯(lián)系的兩部分，上部是燃料的燃燒空間，下部是玻璃熔化池。從小爐的燃燒器噴射出的火焰必須確保與玻璃熔化表面之間有最佳熱傳遞。燃燒空間產(chǎn)生的煙氣由閑置噴槍端的蓄熱室進(jìn)入，故蓄熱室是余熱回收能源循環(huán)再利用并預(yù)熱助燃空氣的重要設(shè)備。

其中馬蹄焰噴火一般20～30 min一個(gè)周期，每次噴火小爐換向一次。同時(shí)蓄熱室是以循環(huán)的方式操作，通過改變?nèi)紵诘奈恢茫瑥亩淖儫煔饬髁亢椭伎諝鈿饬鹘孛?。一般每次噴火的變化操作是?0～60s完成的。同時(shí)燃燒工藝的周期性循環(huán)會(huì)導(dǎo)致熔制階段的玻璃液形成間歇性熔融玻璃流動(dòng)模式。

2 馬蹄焰玻璃窯能耗模型的建立

2.1 燃燒空間能耗模型建立

本文作者基于物料守恒與熱平衡分析方法并針對(duì)玻璃玻璃窯能耗特點(diǎn)和能流分析，提出一種玻璃玻璃窯創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)劃分模型分析的新穎方法，結(jié)構(gòu)劃分模型是把整個(gè)馬蹄焰玻璃窯爐的工藝流程劃分為三級(jí)結(jié)構(gòu)，逐級(jí)展開分析建模，是研究玻璃窯爐能耗環(huán)節(jié)細(xì)節(jié)和各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)組合的基礎(chǔ)，也是建立整個(gè)馬蹄焰玻璃窯爐能耗模型的基礎(chǔ)。

基于質(zhì)量守恒和能源守恒，在不考慮損失估計(jì)并假設(shè)由燃燒空間、熔化池、蓄熱室構(gòu)建的整個(gè)窯爐系統(tǒng)氣體密封性良好和燃料完全燃燒的情況下，空氣質(zhì)量和燃料質(zhì)量以及配合料質(zhì)量的輸入總和要等于玻璃液質(zhì)量和煙氣質(zhì)量的輸出總和；燃料提供的熱量和預(yù)熱空氣的熱量的輸入總和要等于煙氣帶走的熱量和玻璃反應(yīng)所需熱量以及玻璃液帶走的熱量與爐壁散發(fā)的熱量的輸出總和，即

式中：mfuel是單位時(shí)間輸入的燃料質(zhì)量，kg/s；mreg,air是單位時(shí)間輸入的助燃空氣質(zhì)量，kg/s；mbatch是單位時(shí)間輸入的配合料質(zhì)量，kg/s；mglass是單位時(shí)間輸出的玻璃液質(zhì)量，kg/s；mflue,reg是單位時(shí)間燃燒空間流入到蓄熱室煙氣質(zhì)量，kg/s；mflue,leak是單位時(shí)間燃燒空間溢流煙氣質(zhì)量，kg/s；Qfuel是單位時(shí)間燃料輸入熱量，J/s；Qreg,air是單位時(shí)間助燃空氣輸入熱量，J/s；Qtotal,flue是單位時(shí)間燃燒空間產(chǎn)生總煙氣的輸出熱量，J/s；Qglass,metal是單位時(shí)間玻璃液帶走的顯熱，J/s；Qtotal,wall是單位時(shí)間窯爐墻壁散熱損失，J/s；Ci，Cj均為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的比熱，J/(kg·℃)；ti，tj是溫度，℃。

因此對(duì)馬蹄焰玻璃窯能源消耗模型的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)燃燒空間、熔化池、蓄熱室這三大關(guān)鍵模塊的物料平衡與能源守恒的分析探討。

燃燒空間質(zhì)量平衡主要涉及燃料和空氣。以蓄熱室提供給小爐的空氣以及玻璃反應(yīng)氣體為輸入流，以煙氣為輸出流。即

其中 moil,air表示單位時(shí)間輸入的油霧化空氣質(zhì)量，kg/s；mcooling,air表示單位時(shí)間輸入的爐子尖端冷卻空氣質(zhì)量，kg/s；mb,air表示單位時(shí)間玻璃反應(yīng)生成氣體質(zhì)量，kg/s；分別表示單位時(shí)間玻璃反應(yīng)生成氣體CO2、H2O、O2、SO2的質(zhì)量，kg/s。

燃燒空間的能源平衡包括燃料燃燒反應(yīng)過程、用于玻璃熔制過程的熱量分配和窯爐壁面與碹頂?shù)纳釗p失及高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃?。?/p>

式中： Qtotal,flue是單位時(shí)間煙氣帶走的輸出熱量，J/s；Qcomb,wall是單位時(shí)間燃燒空間墻壁散熱損失，J/s；Qglass是單位時(shí)間熔化池吸收熱量，J/s；Qflue,reg是單位時(shí)間燃燒空間流入到蓄熱室煙氣熱量，J/s；Qflue,leak是單位時(shí)間燃燒空間溢流煙氣熱量損失，J/s；C1，C2為預(yù)熱助燃空氣進(jìn)出口比熱，J/(kg·℃)； t1，t2是助燃空氣進(jìn)出口溫度，℃。

該窯爐系統(tǒng)被細(xì)分為3個(gè)控制體，這些控制體積都是由燃燒空間、蓄熱室和玻璃熔化池構(gòu)成，燃燒空間的質(zhì)量平衡和能源平衡的方程都適用于圖中的3個(gè)控制體積。以窯體的外表面和物料進(jìn)、出窯體的界面作為體系與外界的分界面，因此三大關(guān)鍵模塊的控制體邊界具體如圖2所示。

圖2 三大關(guān)鍵模塊的控制體邊界示意圖

2.2 熔化池能耗模型建立

熔化池的玻璃液面從燃燒空間中接收熱量，也就是前面提到燃燒空間能耗模型的Q?glass那部分，玻璃熔化池所吸收的熱量用在玻璃液的顯熱和玻璃反應(yīng)。玻璃窯池熔融玻璃的質(zhì)量平衡的主要輸入?yún)?shù)是配合料，主要輸出是玻璃液，該配合料主要由原料、碎玻璃和水分組成。即

式中:mrawmaterial是單位時(shí)間輸入的原料質(zhì)量，kg/s；mcullet是單位時(shí)間輸入的碎玻璃質(zhì)量，kg/s；mwater是單位時(shí)間輸入的配合料水分質(zhì)量，kg/s。

通過熱平衡分析可知，輸入到玻璃熔化池的能量不僅有來自燃燒空間的輻射傳熱和對(duì)流傳熱，還有配合料帶入的一定焓值的熱量。即

式中： Qbatch是配合料帶入顯熱，J/s；Qglass,reaction是玻璃熔融反應(yīng)熱，J/s； Qbatch,air是玻璃反應(yīng)產(chǎn)生的氣體帶走的顯熱，J/s；Qglass,wall是熔化池池壁散熱損失，J/s；Cbatch是入熔化池時(shí)配合料的比熱，J/(kg·℃)；Cglass是熔融時(shí)玻璃液的比熱，J/(kg·℃)；Cb,air是玻璃反應(yīng)氣體的比熱，J/(kg·℃)；tbatch、tglass、tb,air分別表示配合料溫度、玻璃液溫度與玻璃反應(yīng)氣體溫度，℃。

2.3 蓄熱室能耗模型建立

蓄熱室兩通道被分為小爐供給側(cè)（助燃空氣流側(cè)）與小爐非燃燒側(cè)（煙氣流側(cè)），小爐供給側(cè)有經(jīng)蓄熱室預(yù)熱的助燃空氣流出，小爐非燃燒側(cè)有經(jīng)燃燒空間產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬魅?。?/p>

式中： mreg,leak是單位時(shí)間蓄熱室負(fù)壓一側(cè)漏入空氣質(zhì)量，kg/s；mreg,air,t1是單位時(shí)間進(jìn)入蓄熱室的助燃空氣質(zhì)量，kg/s；mflue,out是單位時(shí)間蓄熱室煙氣出口質(zhì)量，kg/s；是單位時(shí)間經(jīng)蓄熱室預(yù)熱后助燃空氣出口質(zhì)量，kg/s。

蓄熱室的建模是基于煙氣提供的熱量和空氣吸收的熱量的質(zhì)量和能量分配。以燃燒空間的高溫?zé)煔夂拓?fù)壓一側(cè)漏入空氣帶入的一定熱量作為蓄熱室能耗模型的能源輸入，以出口廢氣帶走的熱量和蓄熱室預(yù)熱助燃空氣的熱量以及蓄熱室壁的散熱損失與沉積在蓄熱室格子體上的爐塵的能源消耗作為能源輸出。即

式中：Qair,reg,leak是單位時(shí)間蓄熱室負(fù)壓一側(cè)漏入空氣的熱量，J/s；Qflue,out是單位時(shí)間蓄熱室出口煙氣帶走顯熱，J/s；Qbrick,loss是單位時(shí)間格子體轉(zhuǎn)耗熱損失，J/s；Qreg,wall是單位時(shí)間蓄熱室墻壁散熱損失，J/s；mflue,out是單位時(shí)間蓄熱室出口煙氣質(zhì)量，kg/s；hair,leak是漏入空氣單位質(zhì)量焓值，也稱比焓，J/kg；hair,t2是助燃空氣預(yù)熱到t2℃時(shí)的比焓，J/kg；hflue,out是蓄熱室出口廢氣比焓，J/kg。

窯爐墻壁散熱分為三大控制體邊界，由燃燒空間碹頂和爐墻、熔化池池壁和爐墻以及蓄熱室碹頂和墻壁組成。即

式中：Cfw是窯墻外壁與空氣間的對(duì)流輻射傳熱系數(shù)，w/m2·℃；twi，tfi分別為窯壁外各截面平均表面溫度及周圍環(huán)境溫度，℃；Aw是取決于散熱面位置的熱傳遞系數(shù)，w/m2·K5/4，對(duì)于散熱面朝上的情況如碹頂 Aw=2.49，對(duì)于散熱面朝下的情況如池底Aw=1.29，對(duì)于散熱面垂直的情況如爐墻Aw=1.99；F是散熱面積，m2。

3 案例分析

3.1 能耗模型仿真分析

以某玻璃廠的馬蹄焰玻璃窯爐為例開展實(shí)驗(yàn)研究，并基于物料守恒與熱平衡分析方法建立出整個(gè)馬蹄焰玻璃窯系統(tǒng)中各關(guān)鍵模塊的能耗模型，其中燃燒空間燃燒模型與輻射傳熱模型可參考文獻(xiàn)[14-15]，從馬蹄焰玻璃窯能耗模型中的熱量信息流圖中可以清晰地反映出能耗環(huán)節(jié)細(xì)節(jié)與熱量收入和支出。下面根據(jù)模型輸入?yún)?shù)可計(jì)算出馬蹄焰玻璃窯各模塊的能耗，馬蹄焰玻璃窯能耗模型中的熱量信息流如圖3所示。

利用MATLAB(Version 7.11.0(R2010b))進(jìn)行模型仿真分析，該窯爐系統(tǒng)涉及32個(gè)非線性方程，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)逐次代換的迭代計(jì)算過程。并用MS Excel開發(fā)一個(gè)前端可視化程序，其中能耗模型輸入?yún)?shù)如表1所示。

圖3 馬蹄焰玻璃窯能耗模型中的熱量信息流圖

表1 能耗模型輸入?yún)?shù)

最終得出整個(gè)馬蹄焰玻璃窯這三大關(guān)鍵模塊的一個(gè)燃燒工藝周期內(nèi)的能耗模型仿真結(jié)果如圖4所示。通過如圖4所示的仿真結(jié)果，可知燃燒空間中的高溫?zé)煔鈳ё?7.8%的熱量，玻璃液面吸收的凈熱量只占44%，很明顯該玻璃窯熱效率較低；熔化池中的玻璃形成耗熱損失占21.8%，可見配合料均勻程度不夠?qū)е屡浜狭先刍倪^多熱量；蓄熱室中的格子體耗熱損失占7.8%，助燃空氣帶走顯熱僅占76%，可見蓄熱室能耗較高，蓄熱效能有待提升。

3.2 馬蹄焰玻璃窯節(jié)能優(yōu)化探討

通過對(duì)整個(gè)玻璃窯能耗建模、計(jì)算及仿真分析，得到該玻璃窯玻璃液帶出顯熱、窯體表面散熱、溢流氣體顯熱以及煙氣帶走的顯熱等各項(xiàng)熱指標(biāo)。關(guān)于該馬蹄焰玻璃窯主要提出以下三項(xiàng)節(jié)能優(yōu)化措施。

（1）增強(qiáng)窯體保溫，減少散熱損失

根據(jù)能耗建模分析與模型仿真結(jié)果可知，無論是燃燒空間碹頂還是熔化池池壁都占一定比例的散熱損失?？梢姴捎眯滦捅夭牧希訌?qiáng)對(duì)玻璃窯的密封保溫是非常有必要的。

采用新型密封材料、保溫材料和保溫涂料，對(duì)玻璃窯不同部位使用不同的保溫結(jié)構(gòu)，能大幅度地降低窯體表面溫度，從而減少窯體外表面的散熱損失，提高熔化溫度，減少燃料消耗，提高玻璃窯的熱效率。實(shí)踐表明，保溫是玻璃窯節(jié)能優(yōu)化的一條有效途徑，能夠有效的減少熱損失。強(qiáng)化窯體保溫應(yīng)采取全保溫的方法，即從小爐側(cè)墻、頂暄、斜暄，到玻璃窯大暄、側(cè)墻都應(yīng)加強(qiáng)保溫。

（2）提高蓄熱室余熱回收作用，降低出口煙氣溫度

案例分析結(jié)果表明，煙氣顯熱損失也占了較大比例。采用高低溫兩段蓄熱室及新型格子體磚，它比常規(guī)蓄熱室玻璃熔窯的單位能耗降低大約10%是容易實(shí)現(xiàn)的。若使低溫段格子體排出的煙氣溫度再降低一些，單位能耗降低還有潛力。且可單獨(dú)調(diào)節(jié)每對(duì)小爐的氣體量和溫度，提高了空氣預(yù)熱溫度。它與單通道相比，空氣預(yù)熱溫度可提高50～100℃，燃耗降低8%。

格子體是蓄熱室性能的核心，如果帶有爐塵的大量燃燒空間煙氣進(jìn)入到蓄熱室，將導(dǎo)致很多爐塵沉積在蓄熱室的格子體上，這些沉積物造成堵塞，導(dǎo)致傳熱面積減少和煙氣出口溫度上升。從而燃燒空間的能耗也升高。因此有必要對(duì)蓄熱室的格子體磚定期清潔。

圖4 三大關(guān)鍵模塊的的能耗模型仿真結(jié)果圖

（3）合理控制空氣過剩系數(shù)α，提高燃燒效率

為了合理地組織燃燒，必須提供適當(dāng)?shù)摩?。α值過小，會(huì)造成燃料的不完全燃燒，燃料的熱能未得到充分利用。如果可燃?xì)怏w在蓄熱室內(nèi)二次燃燒，又會(huì)損壞頂部格子磚，α值過大，煙氣量增加，燃燒溫度降低，煙氣帶走的熱量增加，能耗增大。因此，在保證燃料完全燃燒情況下，α值越小越好?？梢妵?yán)格控制助燃空氣與燃料的配比，使燃料充分燃燒又不致空氣過量，以提高燃燒溫度，減少煙氣帶走熱量是馬蹄焰玻璃窯一種非常有效的節(jié)能優(yōu)化途徑。

4 結(jié)論

針對(duì)馬蹄焰玻璃窯能耗特點(diǎn)和能流分析，提出一種創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)劃分模型分析的新穎方法，結(jié)構(gòu)劃分模型是把整個(gè)馬蹄焰玻璃窯爐的工藝流程劃分為三級(jí)結(jié)構(gòu)，逐級(jí)展開分析建模。采用物料守恒與熱平衡分析建立整個(gè)玻璃窯的能耗模型，并利用MATLAB對(duì)模型結(jié)果仿真分析，研究結(jié)果表明煙氣帶走近50%的熱量，同時(shí)窯體散熱損失也是玻璃窯能耗的一大部分。可見，增強(qiáng)窯體保溫，減少散熱損失以及提高蓄熱室余熱回收作用，降低出口煙氣溫度是馬蹄焰玻璃窯中節(jié)能優(yōu)化的有效途徑。