唐福恒

（北京長(zhǎng)城工業(yè)爐技術(shù)中心 北京 102208）

1 概述

1.1 近50年國內(nèi)玻璃熔窯概況

在1980年以前，國內(nèi)玻璃熔窯的基本情況是：熔窯噸位小、最大噸位300 t/d（九機(jī)窯），最大熔化部池寬只有9 m左右，蓄熱室格子體高度一般為5～6 m；燃料以發(fā)生爐煤氣為主，單位能耗高，普遍超過2 000 kcal/kg 玻璃（1 kcal＝4.1868 kJ）；砌筑玻璃熔窯所用的耐火材料質(zhì)量差，耐高溫、耐沖刷、抗侵蝕性能都比較弱；窯齡短，一般不超過3年。隨著玻璃制品需求量的不斷增加，特別是國內(nèi)房地產(chǎn)行業(yè)開始起步發(fā)展，推動(dòng)了平板玻璃工業(yè)的快速發(fā)展。設(shè)計(jì)建造大噸位、低能耗、生產(chǎn)高質(zhì)量浮法玻璃的任務(wù)迫在眉睫。

在1980年之后的10年間，國內(nèi)開始自行設(shè)計(jì)建造了洛陽、太原、秦皇島、沈陽四座500 t/d級(jí)的浮法玻璃熔窯。熔化部池寬10 m左右，蓄熱室格子體加高到8 m左右，燃料開始采用重油或焦?fàn)t煤氣。這幾座熔窯的建成投產(chǎn)，標(biāo)志著國內(nèi)的玻璃熔窯設(shè)計(jì)水平已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)水平相比還有很大差距。由于當(dāng)時(shí)的條件，這四座浮法玻璃熔窯不同程度地存在一些問題，熔化區(qū)池寬基本合適，但池長(zhǎng)有余，小爐對(duì)數(shù)過多，熔化率太低，單位能耗高，熔化能力不能達(dá)標(biāo)，玻璃質(zhì)量一般。

雖然有許多不足之處，但與1980年之前相比，這10年間國內(nèi)浮法玻璃熔窯技術(shù)還是有了比較大的進(jìn)步。從窯形主體尺寸、熔化率、能耗指標(biāo)等數(shù)據(jù)的確定，投料口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，前臉L形吊墻、卡脖吊墻的應(yīng)用，到窯體各部位耐火材料的選配，都積累了比較多的經(jīng)驗(yàn)，80年代以前延續(xù)了多年的一些老傳統(tǒng)落后做法已不再延用。

1.2 引進(jìn)國外浮法玻璃熔窯先進(jìn)技術(shù)

1990年，由當(dāng)時(shí)的國家建材局牽頭，秦皇島、蚌埠、杭州三個(gè)玻璃設(shè)計(jì)院參加，引進(jìn)了美國托萊多公司（TECO）浮法玻璃熔窯技術(shù)，首先應(yīng)用于內(nèi)蒙古通遼玻璃廠的浮法玻璃熔窯改造，將原250 t/d小型浮法熔窯改造成了400 t/d中型浮法熔窯，于1992年建成投產(chǎn)。經(jīng)考核：熔化能力、熔化率、單位能耗和玻璃質(zhì)量全部達(dá)標(biāo)。

通過這次浮法熔窯技術(shù)引進(jìn)，使國內(nèi)的玻璃熔窯設(shè)計(jì)水平上了一個(gè)較大臺(tái)階：從熔窯各部位工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)、各部位耐火材料的選配、關(guān)鍵部位窯體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造做法、窯體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、窯體不同部位磚結(jié)構(gòu)砌筑特點(diǎn)和要求、烤窯升溫曲線控制以及浮法玻璃熔窯的自動(dòng)控制系統(tǒng)等，都比較接近或達(dá)到了國外先進(jìn)水平。此次玻璃熔窯技術(shù)引進(jìn)是很成功的，基本實(shí)現(xiàn)了與國外浮法玻璃熔窯技術(shù)的接軌，為后來國內(nèi)浮法玻璃工業(yè)的迅猛發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.3 秦皇島耀華國投線500 t/d浮法玻璃熔窯

通遼400 t/d浮法玻璃熔窯投產(chǎn)后，在玻璃市場(chǎng)行情的推動(dòng)下，國內(nèi)設(shè)計(jì)建造了一大批400～500 t/d級(jí)的浮法線。以秦皇島耀華國投線500 t/d浮法線為代表，當(dāng)時(shí)定名為“秦皇島耀華500 t/d浮法玻璃示范線”，后來改稱為“國投線”。由當(dāng)時(shí)國內(nèi)的三大玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)院分別設(shè)計(jì)熔窯、錫槽、退火窯，秦皇島院負(fù)責(zé)熔窯設(shè)計(jì)。

耀華500 t/d浮法示范線熔窯1996年4月建成投產(chǎn)，熔化能力、熔化率、單位能耗等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)很快全面達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，浮法玻璃質(zhì)量屬全國一流。2008年，因北京奧運(yùn)會(huì)要求大氣環(huán)境達(dá)標(biāo)而停止運(yùn)行了華北地區(qū)多座玻璃熔窯，秦皇島耀華國投線500 t/d熔窯也在停窯之列，至此，該熔窯連續(xù)運(yùn)行了12年多，是迄今為止國內(nèi)自行設(shè)計(jì)的浮法玻璃熔窯運(yùn)行壽命最長(zhǎng)的熔窯。

1.4 特大噸位浮法玻璃熔窯

上世紀(jì)末以前國外的浮法玻璃熔窯技術(shù)基本情況：①熔化能力為400～800 t/d，②玻璃熔窯熱效率為35%～55%，③普通鈉鈣硅原料玻璃的理論熔化熱量638～748 kcal/kg玻璃，④生產(chǎn)中的單位能耗為5300～8500 kJ（1260～2020 kcal）/kg玻璃，⑤熔化鈉鈣玻璃的熔化率一般是2～3 t/（m2·d），⑥小爐對(duì)數(shù)為5～6對(duì)，⑦格子體高度一般為8 m左右，⑧助燃空氣預(yù)熱溫度為1 100～1 200 ℃，排出廢氣溫度為500～700 ℃。

從21世紀(jì)初開始，隨著國內(nèi)房地產(chǎn)業(yè)和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了浮法玻璃生產(chǎn)線的規(guī)模逐步向更大發(fā)展。國內(nèi)開始設(shè)計(jì)更大噸位的浮法玻璃熔窯，先是從900 t/d起步，后來逐步到1 000 t/d、1 100 t/d， 現(xiàn) 在 最 大 的 已 經(jīng) 達(dá) 到1 200 t/d、1 300 t/d了。到2019年末為止，初步統(tǒng)計(jì)國內(nèi)已設(shè)計(jì)建造了大約20余座特大噸位浮法玻璃熔窯?？梢园阉鼈兘y(tǒng)稱為“千噸級(jí)特大型浮法玻璃熔窯”。

1.5 浮法玻璃熔窯的噸位趨勢(shì)

浮法玻璃工業(yè)化生產(chǎn)以來，全世界建成的不同噸位浮法玻璃熔窯有600～700座，國內(nèi)占50%左右。國外正在運(yùn)行的浮法玻璃熔窯多為500～800 t/d的噸位。在多年前國外曾有907 t/d浮法玻璃熔窯的記載［1］，還有研究千噸級(jí)浮法玻璃熔窯方案的國家。近年來只有圣戈班公司建有900 t/d浮法玻璃生產(chǎn)線及其熔窯，另外也有幾個(gè)國外玻璃廠家采用了中國設(shè)計(jì)的千噸級(jí)的浮法玻璃生產(chǎn)線及其熔窯。

2019年， 在北京國際玻璃展覽會(huì)上，有外國專業(yè)公司介紹曾做過900 t/d浮法玻璃熔窯的初步設(shè)計(jì)方案（被稱之為“模板”），但還沒有國外玻璃廠家接手準(zhǔn)備實(shí)施。根據(jù)這些情況可以認(rèn)為：在浮法玻璃熔窯技術(shù)沒有重大突破的情況下，今后一段時(shí)期國內(nèi)、國外還都將以500～800 t/d為主。

統(tǒng)籌考慮：建窯投資、建設(shè)用地、大碹的安全性、生產(chǎn)中的靈活性、故障的牽連影響性、單位能耗指標(biāo)、玻璃質(zhì)量的穩(wěn)定性、大噸位浮法玻璃熔窯技術(shù)的成熟性、綜合經(jīng)濟(jì)效益等等，特大噸位浮法玻璃熔窯目前并沒有顯現(xiàn)出來有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.6 對(duì)浮法玻璃熔窯合理設(shè)計(jì)提出10個(gè)要點(diǎn)

①浮法玻璃熔窯熔化區(qū)池長(zhǎng)L與池寬B之比值K，應(yīng)為K＝L/B≈2；

②浮法玻璃熔窯的熔化區(qū)池寬尺寸應(yīng)≤15 m；池長(zhǎng)尺寸應(yīng)≤30 m；

③小爐中心線間距尺寸應(yīng)≤3 800 mm；

④全窯的窯體結(jié)構(gòu)散熱量與窯體磚結(jié)構(gòu)耐火材料重量成近似正比的關(guān)系；

⑤浮法玻璃熔窯的“標(biāo)定熔化率”表達(dá)式為q＝2＋P/1000（P為熔化能力）；

⑥熔化率與單位能耗之間有反向遞進(jìn)關(guān)系，熔化率越低單位能耗越高；

⑦熔化區(qū)玻璃液面熱強(qiáng)度與爐膛容積熱負(fù)荷是玻璃熔窯的兩項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)；

⑧浮法玻璃熔窯主體燃燒系統(tǒng)產(chǎn)熱功能足夠強(qiáng)大，要少用或不用輔助燃燒裝置；

⑨有些熔窯怎么燒熔化能力也不達(dá)標(biāo)的原因，是多燒的燃料熱隨排出廢氣跑掉了；

⑩蓄熱室過寬會(huì)產(chǎn)生煙氣與空氣流動(dòng)“路徑偏差”現(xiàn)象，影響格子體換熱效率。

2 浮法玻璃熔窯熔化區(qū)窯池的長(zhǎng)寬比例

2.1 熔化區(qū)窯池需要采用長(zhǎng)方形

浮法玻璃熔窯熔化區(qū)需要采用橫火焰、四邊形池窯結(jié)構(gòu)，從減少熔化區(qū)爐殼（爐壁）的熱損失來說，采用正方形窯池最合理，窯體表面散熱面積最小。但由于池窯四邊形的每一個(gè)邊，在功能方面有不同需求，必須兩組對(duì)邊的長(zhǎng)度不相同。因此，需要熔化區(qū)的窯池形狀采用長(zhǎng)方形：其中橫向的前端短邊設(shè)置投料口、用于進(jìn)入配合料，后側(cè)短邊用于流出玻璃液（實(shí)際并無此邊，而是熔化區(qū)與澄清區(qū)的理論分界線位置）；縱向的左右長(zhǎng)邊用于布置小爐及其噴槍，向熔化區(qū)爐膛內(nèi)噴入火焰和排出煙氣，兩側(cè)交替運(yùn)行。

另外，進(jìn)入窯內(nèi)的玻璃配合料在熔化區(qū)內(nèi)的熔制過程中，要完成硅酸鹽形成階段和玻璃液形成階段以及熱點(diǎn)之后的初期澄清段。這些過程都需要經(jīng)過一定的路程和時(shí)間才能完成，因此也需要熔化區(qū)窯池形狀采用長(zhǎng)方形。而且這兩種功能上的原因與需要的熔化區(qū)窯池長(zhǎng)方形方向正好一致，縱向長(zhǎng)、橫向短，所以就形成了浮法玻璃熔窯熔化區(qū)、熔化部窯池的長(zhǎng)方形。

2.2 熔化區(qū)窯池的池長(zhǎng)與池寬之比為K≈2

在浮法玻璃熔窯內(nèi)，從投料口進(jìn)入的玻璃配合料，要在熔化區(qū)內(nèi)受熱完成硅酸鹽形成和玻璃液形成兩個(gè)階段。通過長(zhǎng)期對(duì)浮法玻璃熔窯運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)，可以得到的結(jié)論是：在接近熔化區(qū)池寬2倍的池長(zhǎng)范圍內(nèi)，完全能夠使投入的玻璃配合料完成熔化過程、形成合乎質(zhì)量要求的玻璃液，然后進(jìn)入澄清區(qū)。

通過公式計(jì)算出的池寬和池長(zhǎng)都是理論數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和取整才能滿足工程上的要求。從接觸到的國外設(shè)計(jì)的不同噸位浮法玻璃熔窯數(shù)據(jù)顯示，熔化區(qū)的長(zhǎng)、寬比值是：K≈2。熔化區(qū)長(zhǎng)寬比K值可以比2略小一些，只要能夠滿足熔窯兩側(cè)的小爐和噴槍布置即可；太大了會(huì)造成熔化區(qū)爐膛內(nèi)火焰分散，火焰溫度下降，導(dǎo)致熔化速度減慢，熔化率降低。

500 t/d浮法玻璃熔窯的熔化區(qū)池寬10.5 m、池長(zhǎng)20 m即可，更大一些噸位的浮法熔窯是否可以只加寬熔化部池寬，池長(zhǎng)20 m不變？如：700 t/d浮法玻璃熔窯，熔化區(qū)池長(zhǎng)20 m，池寬13 m，熔化區(qū)面積260 m2，熔化率2.692 t/（m2·d），是否可行？

從熔化區(qū)每米池寬投料率來說，500 t/d熔窯：500/10.5＝47.62，700 t/d熔 窯：700/13＝53.85，53.85/47.62＝1.13，700 t/d熔窯增加了13.5%的池寬投料率，這也就體現(xiàn)出投入窯內(nèi)的料層厚度增加了13.5%，因此配合料的熔化行程和時(shí)間都應(yīng)加長(zhǎng)一些；另外從熔窯兩側(cè)小爐及其噴槍布置來說，熔化區(qū)也需要加長(zhǎng)一些。所以700 t/d浮法熔窯應(yīng)當(dāng)還有更好的設(shè)計(jì)方案：熔化區(qū)池寬11.5 m，池長(zhǎng)22.6 m，長(zhǎng)寬比為K＝22.6/11.5＝1.965≈2，熔化區(qū)面積259.9 m2，熔化率2.693 t/（m2·d），更為合適。

熔化區(qū)內(nèi)需要比較集中的火焰，才能產(chǎn)生高溫熔化的效果，既能快速又能高質(zhì)量地熔化出合格的玻璃液。既能達(dá)到較高的熔化率，同時(shí)也能夠達(dá)到較低的單位能耗。無論大小噸位的浮法玻璃熔窯，熔化區(qū)池長(zhǎng)達(dá)到其池寬的兩倍（K≈2）都足夠了。

對(duì)于特大噸位浮法熔窯來說，因?yàn)樾t對(duì)數(shù)較多，小爐中心線間距尺寸也較大，組合起來的熔化區(qū)長(zhǎng)度尺寸有時(shí)會(huì)稍大一些。所以，對(duì)于特大噸位浮法熔窯，將熔化區(qū)長(zhǎng)寬比適當(dāng)放寬一些，允許做到K≤2.1，更長(zhǎng)是有害無益的。

2.3 確定熔化區(qū)窯池的池寬和池長(zhǎng)尺寸

熔化區(qū)池長(zhǎng)尺寸是個(gè)組合尺寸，由1#小爐中心線之前的預(yù)熔區(qū)長(zhǎng)度、各小爐噴火口寬度、小爐之間的垛墻寬度、以及末對(duì)小爐中心線之后加1 000 mm來組合確定；而國外略有不同，其熔化區(qū)池長(zhǎng)尺寸是計(jì)算到末對(duì)小爐噴火口的唇邊為止（更為合理）。最后確定出的熔化區(qū)池長(zhǎng)與池寬之比要符合K≈2的要求。僅在特殊情況下允許放寬到K≤2.1，為上限，對(duì)下限沒有要求，能夠滿足小爐及其噴槍布置即可。

考慮到將來熔化部池寬發(fā)展情況，筆者在2003年曾發(fā)表過“硅質(zhì)大跨度窯碹的安全可靠性分析［2］”的文章，對(duì)10～15 m池寬的熔化部大碹進(jìn)行了受力分析。對(duì)于當(dāng)今的特大噸位浮法玻璃熔窯來說，熔化部大碹跨度尺寸已達(dá)到14 m多，小爐中心線間距尺寸已超過4 000 mm，熔化區(qū)池長(zhǎng)有的已經(jīng)達(dá)到接近38 m。熔化區(qū)的池寬、池長(zhǎng)尺寸以及小爐中心線間距尺寸是否還能繼續(xù)發(fā)展？有沒有限度？很值得研究探討。

2.4 熔化區(qū)池寬、池長(zhǎng)、小爐對(duì)數(shù)的界限問題

對(duì)于熔化區(qū)池寬、池長(zhǎng)尺寸的界限問題，筆者認(rèn)為：熔化部大碹仍采用硅磚（SiO2含量96%、97%）的情況下，熔化區(qū)池寬最大尺寸應(yīng)≤15 m，以15 m為界；熔化區(qū)池長(zhǎng)最大尺寸應(yīng)≤30 m，以30 m為界，并且符合K≈2的要求。這個(gè)15 m的熔化區(qū)池寬、30 m的熔化區(qū)池長(zhǎng)尺寸界限，即使對(duì)于1 500 t/d級(jí)的特大浮法玻璃熔窯也足夠。

特大噸位浮法玻璃熔窯最多也只需采用8對(duì)小爐，小爐中心線間距最大尺寸應(yīng)≤3 800 mm，以3 800 mm為界。對(duì)此有兩個(gè)考慮：一是小爐中心線間距尺寸太大，有可能造成空氣、煙氣在格子體縱向分布不均勻，影響格子體換熱效率；二是小爐噴火口碹的安全性問題，特別是對(duì)于大碹直接壓在胸墻上、無上間隙磚的情況，否則就應(yīng)當(dāng)采用歐洲熔窯的吊掛大碹結(jié)構(gòu)形式。國內(nèi)已經(jīng)設(shè)計(jì)過采用吊掛大碹的特大噸位浮法玻璃熔窯。

2.5 窄長(zhǎng)形與寬短形浮法玻璃熔窯的對(duì)比

根據(jù)浮法玻璃熔窯熔化區(qū)池長(zhǎng)與池寬之比值K的情況，當(dāng)K＞2.1時(shí)，可稱之為窄長(zhǎng)形浮法玻璃熔窯，將被逐漸淘汰；K≤2.1時(shí)，稱之為寬短形浮法玻璃熔窯。這是對(duì)各種不同噸位浮法玻璃熔窯的熔化區(qū)長(zhǎng)寬比進(jìn)行劃分的一種界限說法。K＝2.1是上限的界限值，是對(duì)浮法玻璃熔窯熔化區(qū)長(zhǎng)寬之比合理性進(jìn)行判斷的一個(gè)分界數(shù)值，它是個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)，沒有理論的依據(jù)。絕不是K＝2.1最好，而是K值盡量小一些更好。

在1980年之后的10年間，我國幾個(gè)設(shè)計(jì)單位自行設(shè)計(jì)的四座浮法玻璃熔窯，熔化能力均為 450～500 t/d ，其中兩座的熔化部池寬是 10 500 mm，另兩座是 10 000 mm；有三座是8對(duì)小爐，一座是7對(duì)小爐；四座熔窯熔化區(qū)的長(zhǎng)寬比值K各不相同，都是K＞2.1，其中最小的K＝25.5/10.5＝2.43，最大的K＝29/10＝2.9，這四座浮法玻璃熔窯均可稱為“窄長(zhǎng)形”熔窯。

投產(chǎn)以后情況表明，這四座熔窯的實(shí)際熔化能力都只是達(dá)到或勉強(qiáng)接近達(dá)到設(shè)計(jì)熔化能力的下限，達(dá)不到設(shè)計(jì)熔化能力的上限。后來根據(jù)引進(jìn)的500 t/d級(jí)浮法熔窯的熔化區(qū)都比較短、熔化區(qū)池長(zhǎng)與池寬之比都比較小、均為K＜2、最多只有6對(duì)小爐、而且小爐中心線間距都還比較小等各種不同情況，國內(nèi)開始對(duì)這四座熔窯在冷修時(shí)逐步減少小爐對(duì)數(shù)、縮短熔化區(qū)和蓄熱室長(zhǎng)度。

但后來對(duì)于噸位更大一些的浮法玻璃熔窯設(shè)計(jì)，沒有國外同噸位熔窯的參考，國內(nèi)一些設(shè)計(jì)人員仍然沒有吸取這四座“窄長(zhǎng)形”熔窯的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，習(xí)慣地采用較多的小爐對(duì)數(shù)，甚至到了2003年7月，在給浙江某玻璃廠提交的《1 100 t/d浮法線項(xiàng)目建議書》中， 還提出了1 100 t/d浮法玻璃熔窯要采用10對(duì)小爐。

在國內(nèi)的四座“窄長(zhǎng)形”的450～500 t/d 浮法玻璃熔窯中，選擇熔化區(qū)長(zhǎng)寬比值最大的熔窯為“窄長(zhǎng)形”的代表，標(biāo)記為“A”、其熔化區(qū)池寬10 m、池長(zhǎng)29 m、8對(duì)小爐、小爐中心線間距3 500 mm；同時(shí)以1997年建成投產(chǎn)的遼寧凌源玻璃廠400～450 t/d浮法玻璃熔窯為“寬短形”的代表，標(biāo)記為“B”、其熔化區(qū)池寬10 m、池長(zhǎng)20 m、6對(duì)小爐、小爐中心線間距3 150 mm。兩座浮法熔窯投產(chǎn)后的實(shí)際熔化能力都達(dá)到了430 t/d，將“A”和“B”兩座浮法熔窯的窯體數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 “A”和“B”兩座浮法玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

根據(jù)國內(nèi)“A”和“B”兩座浮法玻璃熔窯結(jié)構(gòu)尺寸及其運(yùn)行結(jié)果對(duì)比，并結(jié)合國外的浮法玻璃熔窯情況，可以清楚地認(rèn)識(shí)到：在浮法玻璃熔窯熔化部的前部區(qū)域，在2倍熔化區(qū)池寬的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，完全能夠使投入的玻璃配合料完成熔化過程、形成玻璃液。超過2倍熔化區(qū)池寬長(zhǎng)度之后的區(qū)域?qū)儆诙嘤嗟膮^(qū)域。熔窯A比熔窯B的熔化區(qū)池長(zhǎng)多出的9 m長(zhǎng)度完全是多余的。

兩座浮法熔窯使用耐火材料重量相差約1/3，建窯費(fèi)用也基本相差1/3。還有熔窯廠房、占地面積等都可節(jié)省不少費(fèi)用。最關(guān)鍵的是熔窯A的熔化能力不達(dá)標(biāo)，玻璃質(zhì)量差，單位能耗高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差；而寬短形具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.6 國外設(shè)計(jì)的浮法玻璃熔窯熔化區(qū)窯池的長(zhǎng)寬比例

上世紀(jì)的1980年代中期到1996年，國內(nèi)先后引進(jìn)了幾座浮法玻璃熔窯，這些熔窯有的已經(jīng)在國外成功地運(yùn)行了多年，如：

①美國TOLEDO公司（TECO）設(shè)計(jì)的500 t/d浮法玻璃熔窯，熔化區(qū)池寬10 360 mm，熔化區(qū)池長(zhǎng)為19 930 mm，熔化區(qū)長(zhǎng)寬比K＝19930/10360≈1.924＜2。

②日本NIPPON SHEET GLASS（板硝子）公司設(shè)計(jì)的TFG（天津浮法玻璃廠）550 t/d浮法玻璃熔窯，熔化區(qū)池寬11 000 mm，熔化區(qū)池長(zhǎng)為21 910 mm，長(zhǎng)寬比K＝21910/11000≈1.992＜2。

③英國pilkinton公司設(shè)計(jì)的SYP（上海耀華皮爾金頓）700 t/d浮法玻璃熔窯，熔化區(qū)池寬11 500 mm，熔化區(qū)池長(zhǎng)為26 096 mm，熔化區(qū)長(zhǎng)寬比K＝26096/11500≈2.269。這是40多年前在歐洲首先建成投產(chǎn)，1980年代中國引進(jìn)的700 t/d浮法玻璃熔窯，當(dāng)時(shí)該熔窯的熔化區(qū)長(zhǎng)寬比K也不超過2.27。

SYP 700 t/d熔窯，是大約四十多年前設(shè)計(jì)的，8對(duì)小爐，小爐中心線間距尺寸比較?。?200/2972）。當(dāng)時(shí)國外比較流行的是小爐中心線間距尺寸較小，小爐對(duì)數(shù)較多。如果是當(dāng)今做設(shè)計(jì)，至少可以去掉一對(duì)小爐，從而熔化區(qū)池長(zhǎng)系數(shù)K就接近等于2了，如此從建窯投資、廠方面積、到熔窯運(yùn)行的單位能耗都可以明顯減少。

3 熔化區(qū)爐膛溫度與助燃空氣預(yù)熱溫度的關(guān)系

3.1 浮法玻璃熔窯熔化區(qū)爐膛內(nèi)的溫度

①燃料燃燒溫度的理論計(jì)算公式：

燃料燃燒溫度的理論計(jì)算公式是根據(jù)能量守恒定律得來的，是燃料燃燒之前參與燃燒的全部物質(zhì)所具有的能量之和（由公式分子的3項(xiàng)內(nèi)容組成），與燃料燃燒之后產(chǎn)生的火焰高溫?zé)煔饩哂械哪芰浚ü降姆帜概c燃燒理論溫度的乘積）之間的平衡。

②舉例說明以某地產(chǎn)天然氣為燃料的浮法玻璃熔窯熔化區(qū)內(nèi)燃燒溫度情況，設(shè)定助燃空氣預(yù)熱溫度1 100 ℃（排出廢氣溫度616 ℃）。見表2。

表2 某地產(chǎn)天然氣的燃燒數(shù)據(jù)

注：由于對(duì)天然氣不進(jìn)行預(yù)熱，所以不考慮天然氣的溫度和其熱容量（理論燃燒溫度計(jì)算公式中分子的第二項(xiàng)）。

④該天然氣能夠達(dá)到的火焰溫度（實(shí)際燃燒溫度）：

⑤該天然氣可達(dá)到的熔化區(qū)爐膛內(nèi)壁溫度（通常比火焰溫度低200～300℃）：

該天然氣燃料能夠達(dá)到的玻璃熔窯熔化區(qū)內(nèi)側(cè)爐壁溫度，說明天然氣是用于浮法玻璃熔窯的高熱值優(yōu)質(zhì)燃料。但實(shí)際上即使是浮法玻璃熔窯熱點(diǎn)部位的爐壁內(nèi)側(cè)也只要最高達(dá)到1 600 ℃即可。通過控制每個(gè)小爐的燃料消耗量百分比，很容易控制好熔窯縱向爐壁內(nèi)側(cè)的溫度分布與制定的溫度制度曲線相吻合。

提高玻璃熔窯的熔化溫度是玻璃生產(chǎn)中最需要的措施，可以產(chǎn)生多方面作用：縮短玻璃形成時(shí)間、增加玻璃液的均勻性、提高玻璃液熔化質(zhì)量，從而能夠提高熔化率、增加熔化能力、降低燃料單位耗量。

3.2 天然氣（低熱值34 750 kJ/Nm3）的助燃空氣預(yù)熱溫度應(yīng)當(dāng)≥1 000 ℃

要使熔化區(qū)內(nèi)側(cè)爐壁溫度能夠達(dá)到1 600 ℃，就必須使?fàn)t膛內(nèi)的實(shí)際燃燒溫度（火焰溫度）能夠達(dá)到在1 900 ℃以上，則燃料的理論燃燒溫度就必須達(dá)到2 700 ℃以上。從燃料的理論燃燒溫度計(jì)算公式可知，在使用高熱值燃料的情況下，不需要對(duì)燃料預(yù)熱，只需對(duì)空氣預(yù)熱到超過一定溫度界限，即可達(dá)到需要的理論燃燒溫度。

每一座浮法玻璃熔窯運(yùn)行中助燃空氣的預(yù)熱溫度都可能是有所不同的，所以燃料的理論燃燒溫度、實(shí)際燃燒溫度、能夠達(dá)到的爐壁溫度也都不相同。通過計(jì)算可知，當(dāng)助燃空氣預(yù)熱溫度1 000 ℃（對(duì)應(yīng)的排出廢氣溫度712 ℃）時(shí)，該天然氣的理論燃燒溫度才能達(dá)到2 700 ℃以上，進(jìn)而熔化區(qū)爐膛內(nèi)實(shí)際燃燒溫度能夠達(dá)到1 900 ℃以上。可通過以下計(jì)算得出結(jié)果。（空氣預(yù)熱溫度1 000 ℃時(shí)的熱容量Ck＝1.436 kJ/（Nm3·℃）。

此時(shí)天然氣的理論燃燒溫度：

與助燃空氣預(yù)熱溫度1 100 ℃的理論燃燒溫度數(shù)值相比，預(yù)熱溫度1 000 ℃時(shí)的理論燃燒溫度下降了2812-2720＝92（℃）。因此熔化區(qū)爐膛內(nèi)的實(shí)際燃燒溫度、爐壁溫度也都會(huì)有所下降。這就說明了熔化區(qū)爐膛內(nèi)的溫度是與助燃空氣預(yù)熱溫度密切相關(guān)的。

該天然氣能夠達(dá)到的火焰溫度（實(shí)際燃燒溫度）：

該天然氣可達(dá)到的熔化區(qū)兩側(cè)胸墻內(nèi)壁溫度：（比火焰溫度低200～300 ℃）：

計(jì)算結(jié)果表明，助燃空氣預(yù)熱溫度到1 000 ℃時(shí)，熔化區(qū)爐膛內(nèi)壁溫度已接近熔窯運(yùn)行中需要達(dá)到1 600 ℃的臨界點(diǎn)了，已經(jīng)沒有儲(chǔ)備和調(diào)整余地。由此得出結(jié)論：燃天然氣（熱值34 750 kJ/Nm3）的浮法玻璃熔窯，助燃空氣預(yù)熱溫度應(yīng)≥1 000 ℃。否則要保持熔化區(qū)兩側(cè)胸墻內(nèi)壁溫度接近達(dá)到1 600 ℃就難于控制。

3.3 增加格子體高度可提高助燃空氣預(yù)熱溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

從燃料的理論燃燒溫度計(jì)算公式可知，在燃料熱值固定不變的情況下，提高助燃空氣預(yù)熱溫度是提高燃料理論燃燒溫度最有效的辦法。對(duì)于燃重油的浮法玻璃熔窯，在40多年前國外有的蓄熱室格子體高度已經(jīng)逐步加高到了8 m左右。將助燃空氣和排出廢氣溫度粗略地稱為助燃空氣預(yù)熱溫度到1 100 ℃，排出廢氣溫度600 ℃，很有效地提高了燃料的燃燒溫度，滿足了熔化高質(zhì)量玻璃的需要。

對(duì)于設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行良好的燃天然氣浮法玻璃熔窯來說，通過熱平衡計(jì)算可知：蓄熱室格子體高度8 m時(shí)，可使助燃空氣從100 ℃預(yù)熱到大約1 136 ℃、排出廢氣溫度約580 ℃。而不是1 100 ℃和600 ℃燃重油的同樣溫度組合，這是對(duì)該熱值天然氣燃料的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于其它不同燃料及其熱值也會(huì)有不同的變化。

對(duì)于燃天然氣的浮法玻璃熔窯，進(jìn)一步計(jì)算可知：格子體高度9 m時(shí)，可使助燃空氣預(yù)熱到大約1 166 ℃、排出廢氣溫度下降到約550 ℃，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)熔窯節(jié)能2%左右（以格子體高8 m時(shí)的單位能耗為基準(zhǔn)計(jì)算）；格子體高度10 m時(shí)，可使助燃空氣預(yù)熱到約1 200 ℃、排出廢氣溫度下降到約516 ℃，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能4%左右。

若要使助燃空氣預(yù)熱溫度再升高、更節(jié)能，繼續(xù)計(jì)算得知：助燃空氣預(yù)熱到1 250 ℃時(shí)（排出廢氣溫度下降到約464 ℃），需要格子體高度12 m以上，可節(jié)能7%左右；要使助燃空氣預(yù)熱到1 300 ℃時(shí)（排出廢氣溫度下降到約412 ℃），需要格子體高度15 m以上，可節(jié)能10%左右。

通過以上計(jì)算可知，增加玻璃熔窯蓄熱室格子體高度能夠提高助燃空氣預(yù)熱溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。將格子體高度從8 m加高到9 m、10 m，應(yīng)當(dāng)是比較容易做到的，若再繼續(xù)加高就比較困難了，會(huì)出現(xiàn)多方面的問題，尤其是對(duì)格子體的安全穩(wěn)定性也會(huì)有不利影響，等等。需要采用其它加強(qiáng)余熱回收的裝置，進(jìn)一步提高助燃空氣的預(yù)熱溫度，降低排出廢氣溫度。其中采用高、低溫兩段蓄熱室結(jié)構(gòu)是可選方案之一。

高溫段蓄熱室仍按常規(guī)蓄熱室方式布置，兩個(gè)低溫段蓄熱室要分別設(shè)置在兩側(cè)干支煙道的換向閘板之前的適當(dāng)位置。高溫段蓄熱室仍采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)格子磚，低溫段蓄熱室格子體需要采用小孔格子磚（蜂窩狀多孔磚）。從高溫段出來的中溫?zé)煔猓ㄔO(shè)定為700～800 ℃）在低溫段蓄熱室內(nèi)進(jìn)行二次熱量回收，從低溫段蓄熱室排出的廢氣溫度為300～400 ℃。這應(yīng)當(dāng)是今后浮法玻璃熔窯節(jié)能、減排的發(fā)展方向之一。

4 熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)的基本熱平衡

4.1 熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)的組成

熔化區(qū)是浮法玻璃熔窯的加熱區(qū)域，是整座浮法玻璃熔窯最重要、最核心的部位；小爐是能夠?qū)θ刍瘏^(qū)進(jìn)行加熱的專門裝置；蓄熱室是能夠進(jìn)行煙氣余熱回收、提高助燃空氣預(yù)熱溫度的專門裝置。熔化區(qū)、小爐、蓄熱室，三者結(jié)合在一起構(gòu)成了浮法玻璃熔窯的組合加熱系統(tǒng)，完成將玻璃配合料熔化成初級(jí)玻璃液的工作。

熔化區(qū)、小爐、蓄熱室這三個(gè)部位組合構(gòu)成的玻璃熔窯熔化區(qū)加熱系統(tǒng)，既是熔窯的火焰加熱區(qū)域（收入熱），又是熱量消耗區(qū)域（支出熱）。其中有效的熱量是將玻璃配合料熔化成高溫玻璃液，無效的熱量是窯體結(jié)構(gòu)散熱和廢氣帶走的熱量。

4.2 熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)的基本熱平衡

從投料口進(jìn)入熔化區(qū)的玻璃配合料，到形成合格玻璃液流入熔窯末端流液道（進(jìn)入錫槽）的全部熔制過程包括五個(gè)階段：硅酸鹽形成階段、玻璃液形成階段、玻璃液澄清階段、玻璃液均化階段、玻璃液冷卻階段。其中的硅酸鹽形成階段和玻璃液形成階段是在熔化區(qū)內(nèi)完成的，全窯只有熔化區(qū)內(nèi)需要有燃料燃燒產(chǎn)生的火焰進(jìn)行加熱，在進(jìn)入澄清區(qū)之后就沒有供熱火焰了。

在浮法玻璃熔窯運(yùn)行中，向熔窯提供的所有燃料基本都能夠在熔化區(qū)的爐膛內(nèi)得到充分的燃燒，放出全部熱量。使玻璃配合料受熱熔化成：比較透明、不太均勻、不完全合格的高溫玻璃液。高溫玻璃液所帶的熱量已包含在玻璃液形成過程的耗熱之中。然后繼續(xù)流動(dòng)進(jìn)入澄清區(qū)、冷卻部，完成玻璃液的澄清階段、均化階段、冷卻階段。后三個(gè)階段都是高溫玻璃液向熔窯末端流動(dòng)的過程中逐漸降溫釋放熱量了。

浮法玻璃熔窯的基本熱平衡是指：熔窯主要的收入熱與消耗熱之間熱平衡，本文只考慮熔化區(qū)內(nèi)最主要的收入熱與支出熱之間的基本熱平衡，不考慮燃料和助燃空氣的潛熱、物理熱等其它次要熱量，也不包括次要的熱量損失。玻璃熔窯收入熱僅來自于燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，預(yù)熱后的助燃空氣帶入熱屬于熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)內(nèi)自循環(huán)熱量，不屬于收入熱。支出熱包括：玻璃液形成過程耗熱、窯體結(jié)構(gòu)散熱和排出廢氣帶走熱三項(xiàng)基本內(nèi)容。

4.3 熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)收入的熱量

浮法玻璃熔窯運(yùn)行中，爐膛內(nèi)火焰溫度很高，噴入窯內(nèi)的無論是氣體燃料、液體燃料、還是固體粉狀燃料，在燃燒溫度很高的熔化區(qū)爐膛內(nèi)基本都能完全燃盡、全部熱量都釋放出來。在熔窯基本熱平衡計(jì)算中可以認(rèn)為燃料已燃盡、全部放熱了。所以玻璃熔窯的收入熱就按所消耗的燃料量與其低發(fā)熱量的乘積計(jì)算。

4.4 熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)支出的熱量

一是玻璃熔化熱，即玻璃液形成過程耗熱。用于硅酸鹽形成階段和玻璃液形成階段需要的熱量，使投入窯內(nèi)的玻璃配合料熔化成初級(jí)的高溫玻璃液，這是熔化區(qū)最主要的消耗熱。這里的“玻璃熔化熱”既使玻璃配合料熔化形成了玻璃液同時(shí)又使其帶有高溫——稱之為高溫玻璃液，是熔化區(qū)內(nèi)三項(xiàng)支出熱量之一。一般鈉鈣浮法玻璃的熔化熱為2720kJ（650 kcal）/kg玻璃液，也有熔化熱比較高的浮法玻璃品種。

二是從玻璃熔窯蓄熱室爐條碹下面排出的廢氣熱量，包括燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣和玻璃配合料化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。從熔化區(qū)爐膛內(nèi)排出的1 400～1 600 ℃的高溫?zé)煔獾竭_(dá)蓄熱室上部集氣室后擴(kuò)散、減速、向下轉(zhuǎn)向，進(jìn)入格子體頂部時(shí)平均溫度大約為1 450 ℃（煙氣側(cè)格子體頂部平均溫度），流經(jīng)蓄熱室格子體時(shí)，煙氣熱量被格子體吸收，溫度下降，然后從蓄熱室爐條碹下排入分支煙道。排入分支煙道的廢氣溫度一般平均低于500～700 ℃，廢氣含有的熱量就是玻璃熔窯的排出廢氣熱量。

三是窯體結(jié)構(gòu)散熱。窯體結(jié)構(gòu)散熱主要方式包括：表面輻射散熱、自然對(duì)流散熱、風(fēng)冷及水冷帶走熱、開口及孔洞逸出散熱。此項(xiàng)散熱的窯體結(jié)構(gòu)包括：熔窯的熔化區(qū)、小爐、蓄熱室三個(gè)部位。這三個(gè)部位產(chǎn)生的窯體結(jié)構(gòu)散熱，屬于本文基本熱平衡計(jì)算的消耗熱。

澄清區(qū)及其之后的窯體結(jié)構(gòu)散熱屬于高溫玻璃液自身的降溫放熱，這是玻璃成形工藝需要玻璃液降溫引起的放熱。整個(gè)煙道系統(tǒng)散熱屬于排出廢氣帶走的熱量。這兩項(xiàng)散熱都不消耗燃料燃燒放出的熱，不是本文熱平衡計(jì)算的消耗熱。

4.5 浮法玻璃熔窯投產(chǎn)初期的燃料消耗情況

浮法玻璃熔窯烤窯過大火之后，在未投入生料（玻璃配合料）之前的短期時(shí)間里，熔窯的燃料消耗只用于空窯的升溫、窯體散熱、排出煙氣帶走的熱量，此時(shí)的燃料消耗量較少，一般為滿負(fù)荷運(yùn)行的30%～40%。隨著玻璃配合料的投入，熔窯的燃料消耗量要逐漸增加，以滿足對(duì)配合料加熱熔化的熱量消耗。

浮法線引板成功之后，玻璃熔窯要從初步的少量熔化能力逐步向滿負(fù)荷的熔化能力過渡，熔窯的燃料消耗量要連續(xù)不斷增加，直到熔化能力達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，燃料消耗量才能穩(wěn)定下來。此時(shí)熔窯收入的燃料熱量，與支出的熔化玻璃液需要的熱量、排出廢氣帶走的熱量、窯體結(jié)構(gòu)散失的熱量都達(dá)到了穩(wěn)定的滿負(fù)荷熱平衡狀態(tài)。

浮法玻璃熔窯要達(dá)到較低的單位能耗，就必須提高熔化率，減小窯體結(jié)構(gòu)尺寸，這是降低單位能耗最有效的措施。還要盡量減少廢氣帶走熱量，要設(shè)計(jì)熱回收效率高的蓄熱室，提高助燃空氣預(yù)熱溫度，降低廢氣溫度，又要盡量減少窯體結(jié)構(gòu)散熱量，在減小窯體結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)窯體磚結(jié)構(gòu)保溫密封。

5 浮法玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)散熱量

5.1 不同噸位玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)散熱量

浮法玻璃熔窯總體外形的相似性。不同噸位浮法玻璃熔窯的總體外形具有明顯的相似性，并隨熔窯噸位大小漸進(jìn)性的伸縮變化。雖然各部位的細(xì)部尺寸變化不完全是按固定比例改變，但總體外形結(jié)構(gòu)尺寸是在一定的比例范圍之內(nèi)。

熔窯各部位構(gòu)造的一致性。不同噸位浮法玻璃熔窯各部位的窯壁厚度及其構(gòu)造形式、耐火材料品種及其傳熱性能、孔洞的大小、保溫的強(qiáng)弱、冷卻措施、溫度制度等都是基本固定的，只是窯體外形平面尺寸大小和孔洞的多少隨熔窯噸位的變化有所不同。因此，窯體結(jié)構(gòu)上每個(gè)部位的單位面積窯壁散熱量應(yīng)是比較固定或變化不大的。

浮法玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)是總體密閉與局部敞開組合的箱型結(jié)構(gòu)。窯體大多數(shù)部位的窯壁結(jié)構(gòu)是嚴(yán)密砌筑的，但在窯頭有一個(gè)寬度尺寸較大的狹長(zhǎng)形配合料進(jìn)口門洞以及窯體上少量的觀察孔、操作孔等，不同噸位浮法玻璃熔窯都是如此結(jié)構(gòu)。

一座玻璃熔窯砌筑完成投產(chǎn)之后，在運(yùn)行前期的一段時(shí)間內(nèi)，其窯體結(jié)構(gòu)散熱量是比較穩(wěn)定的。當(dāng)熔化區(qū)爐膛內(nèi)溫度穩(wěn)定平衡之后，無論熔化能力高低，其窯體結(jié)構(gòu)散熱量都會(huì)達(dá)到滿負(fù)荷數(shù)值并保持基本穩(wěn)定，隨著窯齡的延長(zhǎng)會(huì)逐漸發(fā)生變化。

對(duì)一座400 t/d級(jí)浮法玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)散熱情況進(jìn)行的測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果為：窯體表面輻射散熱所占比例約為52%，冷卻風(fēng)和冷卻水帶走熱約為18%，自然對(duì)流散熱約為16%，開口及孔洞逸出散熱等約為14%。其中的86%散熱都是窯壁磚結(jié)構(gòu)以輻射、對(duì)流、風(fēng)水冷卻而產(chǎn)生的。

5.2 玻璃熔窯運(yùn)行中的磚結(jié)構(gòu)每一塊磚頭都在散熱

玻璃熔窯的磚結(jié)構(gòu)均采用耐火材料砌筑而成，不同部位使用不同性質(zhì)、不同耐火度的耐火材料?？梢哉f運(yùn)行中的玻璃熔窯，其磚結(jié)構(gòu)的每一塊磚頭不是熱的也是溫的，每一塊磚頭都在散熱，只是窯體不同部位的磚散熱強(qiáng)度不同而已，不同噸位玻璃熔窯的各部位磚結(jié)構(gòu)的散熱面積是不同的。

各種不同噸位玻璃熔窯，其窯體結(jié)構(gòu)散熱量是與其自身窯體磚結(jié)構(gòu)的總重量密切相關(guān)的。熔窯噸位越大，窯體外形平面尺寸就越大（高度方向變化不大）、全窯耐火材料的總重量也越大、窯體結(jié)構(gòu)散熱量也就近似成比例地增大。

對(duì)于不同噸位的浮法玻璃熔窯來說，全窯耐火材料重量基本都隨熔窯噸位的變化而按近似的比例關(guān)系發(fā)生變化。不同噸位浮法玻璃熔窯，其熔化區(qū)、小爐、蓄熱室這三個(gè)部位的耐火材料總重量為全窯耐火材料總重量的80%左右?？梢哉J(rèn)為：不同噸位浮法玻璃熔窯的窯體結(jié)構(gòu)散熱量與其全窯耐火材料的總重量是近似成比例的。

5.3 玻璃熔窯運(yùn)行中窯體結(jié)構(gòu)散熱量的逐漸變化

在浮法玻璃熔窯的運(yùn)行中，窯體磚結(jié)構(gòu)內(nèi)表面出現(xiàn)磚塊表面燒損、剝落、沖刷、碎裂、縫隙孔洞增大，以及窯體磚結(jié)構(gòu)外表面保溫層的老化、減薄、破損等原因，造成保溫隔熱性能逐步下降等耗損情況，都會(huì)引起窯體磚結(jié)構(gòu)散熱量逐步增加。熔窯的散熱量一年四季都有變化，冬天散熱要增加10%左右。窯體結(jié)構(gòu)散熱量變化導(dǎo)致單位能耗變化。

在熔窯運(yùn)行初期，窯體磚結(jié)構(gòu)慢慢的出現(xiàn)耗損，到運(yùn)行的中后期耗損會(huì)逐步加劇。隨著玻璃熔窯壽命的延長(zhǎng)、窯體磚結(jié)構(gòu)耗損不斷加劇，燃料消耗量要逐步增加。投產(chǎn)初期每年只需增加少量的燃料，到中后期就需要增加的較多了，這主要是由于窯體磚結(jié)構(gòu)耗損引起的窯體散熱量增加，出現(xiàn)蓄熱室格子體坍塌、格子孔堵塞、磚縫漏風(fēng)，以及爐條碹下部積灰等情況，導(dǎo)致蓄熱室換熱效率下降所致。

浮法玻璃熔窯從投產(chǎn)到停窯冷修，需要增加燃料消耗20%～30%。若按10年窯齡考慮，平均每年要增加燃料量2%～3%，前期1%～2%，中期2%～3%，窯齡的最后2～3年里可能要達(dá)到3%～4%。

6 浮法玻璃熔窯的熔化率與單位能耗

6.1 熔化溫度是熔化率高低的決定因素

熔化率是玻璃熔窯四大經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)之一，是決定熔化能力和單位能耗指標(biāo)的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。做好熔化率設(shè)計(jì)是做好整個(gè)浮法玻璃熔窯設(shè)計(jì)的首要工作。

浮法玻璃配合料需要采用高溫熔化。為了提高玻璃熔窯的熔化率，必須提高熔化區(qū)爐膛內(nèi)的火焰溫度。玻璃形成過程最快（石英顆粒消失）是在玻璃液溫度從1 550 ℃提高到1 600 ℃的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的胸墻溫度應(yīng)保持在1 570～1 590 ℃。生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，只有熔化區(qū)內(nèi)的溫度達(dá)到如此高溫，才能達(dá)到設(shè)定的較高熔化率，也同時(shí)能夠達(dá)到較低的單位能耗。玻璃熔窯內(nèi)熔化溫度與配合料熔化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3［3］。

表3 玻璃熔窯熔化溫度與配合料熔化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表3中可以看到，在玻璃熔窯的熔化區(qū)爐膛內(nèi)溫度1 550～1 600 ℃時(shí)，配合料熔化時(shí)間為10～4 min，兩者相比有一半多時(shí)間差，這個(gè)溫度區(qū)間段對(duì)于能夠達(dá)到高熔化率來說是很關(guān)鍵的溫度要求。

具有較高熔化率的浮法玻璃熔窯，窯體結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，玻璃液面積小、爐膛容積小、熱量集中、玻璃液面受熱強(qiáng)度高，才能實(shí)現(xiàn)高溫熔化，達(dá)到較高的熔化率。這對(duì)砌筑熔窯所用耐火材料質(zhì)量要求比較高，特別是接觸火焰、接觸玻璃液、格子體等關(guān)鍵部位都需要采用質(zhì)量可靠的耐火材料。熔化率與熔化溫度的關(guān)系見表4［3］。

表4 熔化率與熔化溫度的關(guān)系

從表3、表4中可以看出，玻璃配合料熔化時(shí)間、熔化率都與熔化區(qū)內(nèi)溫度有密切關(guān)系，熔化區(qū)爐膛內(nèi)溫度越高，配合料熔化時(shí)間越短，熔化率越高。熔化區(qū)內(nèi)需要集中的火焰，才能產(chǎn)生高溫熔化效果，達(dá)到較高的熔化率。所以熔化溫度是決定熔化率高低的最重要影響因素。

浮法玻璃熔窯熔化區(qū)爐膛內(nèi)的熔化溫度，與燃料燃燒產(chǎn)生的實(shí)際火焰溫度密切相關(guān)，與燃料在爐膛內(nèi)的燃盡率有關(guān)系，與窯體結(jié)構(gòu)的散熱強(qiáng)度有關(guān)系，與窯體尺寸大小有關(guān)系。浮法玻璃熔窯的大噸位與小噸位相比較，大噸位玻璃熔窯比較容易實(shí)現(xiàn)熔化區(qū)爐膛內(nèi)的高溫熔化，達(dá)到較高的熔化率。

文獻(xiàn)［1］記載的浮法玻璃熔窯已經(jīng)能夠達(dá)到的熔化率為接近3 t/（m2·d），是比利時(shí)格拉威伯爾公司，有2座熔化能力815 t/d的大型浮法玻璃熔窯。熔化部池寬12 m，7對(duì)小爐，小爐中心線間距3 m，熔化區(qū)長(zhǎng)度23 m（熔化區(qū)長(zhǎng)寬比23/12＝1.9167），熔化區(qū)面積12×23＝276（m2），熔化率達(dá)到815/276＝2.953 t/（m2·d），這是當(dāng)時(shí)國外浮法玻璃熔窯已經(jīng)能夠達(dá)到的熔化率水平。

在2005年前后的一段期間里，國內(nèi)也曾有玻璃廠家在300 t/d級(jí)的浮法玻璃熔窯上有過450 t/d的熔化能力，熔化率已達(dá)到3 t/（m2·d），這并不是試驗(yàn)性生產(chǎn)，而是較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行。這也與當(dāng)時(shí)投入的碎玻璃含量比較多有關(guān)，應(yīng)當(dāng)說在噸位更大一些的浮法玻璃熔窯上是完全可以按正常碎玻璃比例實(shí)現(xiàn)3 t/（m2·d）熔化率指標(biāo)的。

6.2 推薦浮法玻璃熔窯的“標(biāo)定熔化率”

根據(jù)國外設(shè)計(jì)的浮法玻璃熔窯數(shù)據(jù)情況，結(jié)合國內(nèi)玻璃熔窯的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不同噸位的浮法玻璃熔窯，應(yīng)該有與其熔化能力相對(duì)應(yīng)的最適宜熔化率。這個(gè)最適宜熔化率不是唯一的數(shù)值，而是在小的區(qū)間范圍內(nèi)的某個(gè)數(shù)值。因?yàn)槿刍逝c熔化區(qū)池寬、池長(zhǎng)尺寸相關(guān)，而這兩個(gè)尺寸都可以有小幅度的變化范圍，所以熔化率不能是固定值。

對(duì)熔化率的設(shè)計(jì)，在國內(nèi)長(zhǎng)期以來一直有認(rèn)識(shí)上的模糊之處，有些設(shè)計(jì)人員總是認(rèn)為熔化率取低一些有好處，寧低勿高。如900 t/d、1000 t/d、甚至更大噸位浮法玻璃熔窯設(shè)計(jì)的熔化率只有2.4～2.5 t/（m2·d）的情況（這本是400/500 t/d浮法熔窯的熔化率指標(biāo)），造成窯體結(jié)構(gòu)尺寸過于龐大，既加大了投資又達(dá)不到設(shè)計(jì)的熔化能力。

玻璃熔窯的熔化能力越大、熔化率也應(yīng)越高一些是正常的規(guī)律。所以很有必要對(duì)各種不同熔化能力的浮法玻璃熔窯，確定出比較切合實(shí)際的“標(biāo)定熔化率”系列，用于在進(jìn)行浮法玻璃熔窯設(shè)計(jì)時(shí)，能夠參照這個(gè)“標(biāo)定熔化率”，設(shè)計(jì)出與熔化能力相適宜的既不太高也不太低的熔化率。

浮法玻璃熔窯按熔化能力從小到大的臺(tái)階式系列順序，對(duì)應(yīng)的“標(biāo)定熔化率”也應(yīng)有按臺(tái)階式規(guī)律順序排列的數(shù)值。本文推薦出400～1 000 t/d浮法玻璃熔窯的“標(biāo)定熔化率”系列，簡(jiǎn)單明了，很好記憶，是有規(guī)律的兩位數(shù)。這個(gè)“標(biāo)定熔化率”系列可以用固定的公式表示為q＝2＋P/1000，式中：q為標(biāo)定熔化率（t/（m2·d）），P為熔化能力（t/d）。例如：熔化能力P＝800 t/d浮法玻璃熔窯，對(duì)應(yīng)的標(biāo)定熔化率為q＝2＋800/1000＝2.8 t/（m2·d）。不同熔化能力浮法玻璃熔窯的標(biāo)定熔化率系列見表5。

表5 浮法玻璃熔窯不同熔化能力的“標(biāo)定熔化率”系列

熔化率是由熔化能力除以熔化區(qū)面積得來，而熔化區(qū)面積又是由熔化區(qū)池寬和池長(zhǎng)乘積得來，所以計(jì)算出的熔化率往往是帶有多位小數(shù)的數(shù)字。標(biāo)定熔化率是與熔化能力相對(duì)應(yīng)的熔化率標(biāo)定基數(shù)。設(shè)計(jì)的熔化率應(yīng)比較靠近這個(gè)標(biāo)定基數(shù)，并有比較集中的數(shù)值小區(qū)間范圍，在這個(gè)小區(qū)間范圍內(nèi)可有多個(gè)數(shù)值進(jìn)行選擇。

根據(jù)國內(nèi)浮法玻璃熔窯的實(shí)際運(yùn)行情況，可以將“標(biāo)定熔化率”的應(yīng)用適當(dāng)放寬一些，劃分為三個(gè)級(jí)位，分別適用于：高等級(jí)型、普通型、寬松型的浮法玻璃熔窯。高等級(jí)型浮法玻璃熔窯的窯形尺寸緊湊，熔化率高（達(dá)到或超過標(biāo)定熔化率）；普通型浮法玻璃熔窯的窯形尺寸略有加大，熔化率較高（標(biāo)定熔化率的95%）；寬松型浮法玻璃熔窯的窯形尺寸較寬松，熔化率較低（標(biāo)定熔化率的90%）。

浮法玻璃熔窯的熔化率并沒有理論上可計(jì)算出的確切數(shù)值，而是經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐摸索總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)。一些玻璃熔窯之所以投產(chǎn)后熔化能力不達(dá)標(biāo)，玻璃質(zhì)量差，單位能耗高，就是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的熔化率太低，使熔化區(qū)面積加大，導(dǎo)致全窯體積龐大，窯內(nèi)火焰分散，熱量不集中，不能形成高溫快速熔化，同時(shí)加大了窯體結(jié)構(gòu)散熱量，致使單位能耗上升。

6.3 浮法玻璃熔窯的單位能耗

浮法玻璃熔窯的單位能耗是重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)之一。單位能耗指標(biāo)與玻璃的熔化熱、助燃空氣預(yù)熱溫度（對(duì)應(yīng)的排出廢氣溫度）、窯體結(jié)構(gòu)散熱這三項(xiàng)支出熱量都有直接關(guān)系。單位能耗和熔化率兩者之間是密切相關(guān)的：兩者之間成反向遞進(jìn)關(guān)系（但不是反比關(guān)系），熔化率越低單位能耗越高，反之熔化率越高單位能耗越低。

熔化能力與單位能耗兩者之間是無關(guān)系的。要想實(shí)現(xiàn)低能耗，無論熔窯噸位大小都必須有高熔化率，才能實(shí)現(xiàn)低能耗。不可能出現(xiàn)熔化率很低，單位能耗也很低的情況。有的設(shè)計(jì)人員曾有這樣的設(shè)計(jì)思路：希望設(shè)計(jì)大噸位的浮法玻璃熔窯，要在較低的熔化率下運(yùn)行，還想要用較少的燃料達(dá)到低能耗。這種思路和希望顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的，只要熔化率設(shè)定的低，不管熔化能力大小，單位能耗都必然是比較高的。

根據(jù)熱平衡計(jì)算，國內(nèi)1 000 t/d浮法玻璃熔窯，熔化率達(dá)到2.96 t/（m2·d），使用天然氣（熱值34 750 kJ/Nm3）燃料，在助燃空氣預(yù)熱溫度1 120 ℃、排出廢氣溫度600 ℃情況下，單位能耗最低可達(dá)到5 450 kJ（1 300 kcal）/kg 玻璃。

6.4 同一噸位浮法玻璃熔窯不同熔化率的單位能耗情況（以800 t/d為例）

以文獻(xiàn)［1］比利時(shí)格拉威伯爾公司2座熔化能力815 t/d燃重油大型浮法玻璃熔窯的窯體尺寸數(shù)據(jù)做為國內(nèi)新設(shè)計(jì)的800 t/d浮法玻璃熔窯的一個(gè)方案，另外再做出新設(shè)計(jì)的800 t/d浮法玻璃熔窯4個(gè)方案進(jìn)行多方案比較。給定條件：?jiǎn)挝唬ɡ碚摚┤刍療幔? 720 kJ（650 kcal）/kg 玻璃。采用天然氣燃料，熱值：34 750 kJ（8 300 kcal）/Nm3。設(shè)定助燃空氣預(yù)熱溫度：1 100 ℃，排出廢氣溫度大約為：616 ℃。選定4種不同熔化率，對(duì)應(yīng)4種不同熔化區(qū)尺寸。進(jìn)行熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。0#熔窯是格拉威伯爾公司815 t/d浮法熔窯的窯體尺寸數(shù)據(jù)，1#～ 4#是新設(shè)計(jì)的800 t/d浮法熔窯4個(gè)不同設(shè)計(jì)方案。

從表6可以看出：隨著熔化率逐步降低，熔化區(qū)尺寸逐漸增大。在熔化區(qū)、小爐、蓄熱室系統(tǒng)的三項(xiàng)支出熱中，玻璃的熔化熱量數(shù)值保持不變、占比逐次下降。窯體結(jié)構(gòu)散熱量隨熔化區(qū)尺寸的加大而逐漸增加、占比也逐次增加。助燃空氣預(yù)熱溫度同為1 100 ℃、排出廢氣溫度同為616 ℃，但因?yàn)閺U氣量逐漸增加，所以排出廢氣帶走熱量逐次增加、但占比29.78%不變。

表6 800 t/d浮法玻璃熔窯不同熔化率的單位能耗相關(guān)數(shù)據(jù)匯總

對(duì)表6進(jìn)行分析：

①0#熔窯方案：是40多年前格拉威伯爾公司815 t/d熔窯的尺寸數(shù)據(jù)，熔化區(qū)尺寸最小，熔化率達(dá)到2.899 t/（m2·d），是5個(gè)方案中最高的。熱平衡計(jì)算結(jié)果顯示其單位能耗最低5 580 k J（1 330 kcal）/kg 玻璃，是5個(gè)方案中最低的。

②1#、 2#、 3#熔窯方案：熔化區(qū)池寬均為12 m，池長(zhǎng)分別為24 m、24.5 m、25 m，全部采用7對(duì)小爐，熔化區(qū)長(zhǎng)寬比分別為K1＝24/12＝2，K2＝24.5/12＝2.042，K3＝25/12＝2.083；熔化率分別為2.778、2.721、2.677 t/（m2·d）。對(duì)應(yīng)的單位能耗分別為5 650、5 690、5 730 kJ/kg 玻璃。這三個(gè)方案可分別代表國內(nèi)新設(shè)計(jì)的800 t/d浮法玻璃熔窯高等級(jí)型、普通型、寬松型三個(gè)級(jí)次的熔化率指標(biāo)。

4#熔窯方案與0#熔窯的數(shù)據(jù)相比較：全窯耐火材料重量之比是12200/9200 ＝1.326；單位能耗之比是6100/5580＝1.0932。說明4#熔窯比0#熔窯的建窯投資要多32.6%（將近增加1/3的建窯費(fèi)用）；運(yùn)行中4#熔窯的單位能耗要多9.32%，兩者運(yùn)行效益對(duì)比相差接近10%。

4#熔窯的數(shù)據(jù)是大約10年前，在山東境內(nèi)建成投產(chǎn)的某800 t/d的浮法玻璃熔窯。投產(chǎn)后實(shí)際只能達(dá)到熔化能力770 t/d左右，很吃力，怎么燒也上不去，一直在低位運(yùn)行。實(shí)際達(dá)到的熔化率只有2.135 t/（m2·d），生產(chǎn)的玻璃質(zhì)量一般，單位能耗高，燃料天然氣耗量137 000 Nm3/d，經(jīng)濟(jì)效益差，在這里做為特例與其它4個(gè)方案比較。

800 t/d浮法玻璃熔窯5個(gè)不同方案的熱平衡計(jì)算結(jié)果（表6）就是首先根據(jù)4#熔窯的窯體數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果推算出來的。根據(jù)4#熔窯的窯體數(shù)據(jù)：熔化區(qū)池長(zhǎng)、池寬、小爐對(duì)數(shù)等，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)：達(dá)到的熔化能力、單位能耗、每日天然氣耗量等。首先推算出來4#熔窯熔化區(qū)小爐蓄熱室系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算結(jié)果，然后從后向前逐步推算出來5個(gè)不同熔化率方案的單位能耗及其熱平衡計(jì)算結(jié)果。由此可以顯示出同一噸位浮法玻璃熔窯熔化率與單位能耗之間的變化規(guī)律。

6.5 浮法玻璃熔窯的三種常見等級(jí)類型

從近40年來在中國境內(nèi)建成投產(chǎn)的300多座浮法玻璃熔窯運(yùn)行情況來看，大概可分為三種等級(jí)類型：高等級(jí)型、普通型、寬松型。

①高等級(jí)型。高等級(jí)型浮法玻璃熔窯的窯形尺寸緊湊，熔化率高、單位能耗低，能夠生產(chǎn)高等級(jí)浮法玻璃，需要采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的耐火材料砌筑窯體結(jié)構(gòu)，建設(shè)投資大，熔窯運(yùn)行壽命長(zhǎng)、可達(dá)到12～15年，多數(shù)為引進(jìn)的熔窯。

②普通型。窯形尺寸略有加大，熔化率適中、單位能耗較低、玻璃質(zhì)量較好，關(guān)鍵部位需要采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的耐火材料，建設(shè)投資適中，熔窯運(yùn)行壽命較長(zhǎng)、可達(dá)到10年左右，也有的超過12年。

③寬松型。窯形尺寸比較寬松，留有較大余地，熔化率較低、單位能耗較高、玻璃多為建筑用，全部采用國產(chǎn)質(zhì)量合格的耐火材料，建設(shè)投資與普通型相近，運(yùn)行壽命多為6～8年，也有的達(dá)到或接近達(dá)到10年。

除以上三種主要類型之外，還有少數(shù)浮法玻璃熔窯，其窯體尺寸過大，多為熔化區(qū)長(zhǎng)寬比例失調(diào)的窄長(zhǎng)形。熔化區(qū)玻璃液面受熱強(qiáng)度和爐膛容積熱負(fù)荷都達(dá)不到需要的最低值，投產(chǎn)后窯內(nèi)溫度上不去，熔化率低，單位能耗高，玻璃質(zhì)量差，經(jīng)濟(jì)效益不好。 （未完待續(xù)）