全氧燃燒超白玻璃窯的設計和應用

朱伯煊 黃俊

（上海吉馳建材科技有限公司 上海 201100）

0 引言

玻璃生產(chǎn)行業(yè)是碳排放高耗能行業(yè)之一，玻璃熔窯是平板玻璃行業(yè)中碳排放主要來源。平板玻璃行業(yè)內(nèi)能效標桿水平能達標的到2020年底只有5%，要求到2025年比例達到30%以上，平板玻璃行業(yè)其能效基準、標桿水平見表1。

表1 平板玻璃單位產(chǎn)品能耗 千克標準煤/重量箱

要在2025年能效基準水平以下產(chǎn)能基本清零，由于平板玻璃行業(yè)高能源消耗、高碳排放等特點，采用全氧燃燒是玻璃行業(yè)節(jié)能降耗、低碳排放的有效途經(jīng)，也是未來的發(fā)展趨勢。

通過多年的努力，超白太陽能光伏全氧燃燒玻璃窯已經(jīng)有了規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展趨勢。從早期的全氧燃燒超白光伏玻璃窯240 t/d一窯二線己發(fā)展到了現(xiàn)以650 t/d一窯五線、750 t/d、800 t/d、850 t/d一窯四線等的主力窯型，其窯內(nèi)單耗均比相同規(guī)模生產(chǎn)能力的橫火焰窯型降低25%～30%。同樣全氧燃燒在超白浮法玻璃窯上，除十多年前從國外引進生產(chǎn)線外，經(jīng)國內(nèi)多年實踐自行設計的全氧超白燃燒浮法玻璃窯以600 t/d為主至國內(nèi)自行設計的800 t/d也投入使用，均取得了良好的效果，全氧燃燒技術在超白玻璃的生產(chǎn)實踐中也總結(jié)了很多經(jīng)驗。

1 全氧超白玻璃窯的規(guī)模設計和應用

根據(jù)全氧燃燒玻璃窯的特點和超白玻璃窯所需的特性要求，結(jié)合現(xiàn)有的實例進行分析和比較，使全氧燃燒技術和全氧窯的結(jié)構(gòu)設計和應用在超白玻璃兩大類型即超白光伏玻璃和超白浮法玻璃生產(chǎn)中得到進一步的完善和發(fā)展。

1.1 全氧超白玻璃窯熔化能力的推算和確立

合理的熔化部池寬是決定熔窯熔化能力和各類規(guī)模熔窯的主要因素，也決定了各窯設計中所需的熔化部的尺寸。熔化部和熔化區(qū)的長與寬之比都要有一個合理的范圍值，而不是可以隨意加長或縮短的。全氧窯同樣要使熔化部和熔化區(qū)的長度隨池寬有成比例的合理值。在我國早期引進美國TECO公司提供的橫火焰普通浮法玻璃熔窯技術時，提供了對各類生產(chǎn)能力的熔窯池寬計算的經(jīng)驗公式：

式中：P——熔化能力，t/d；

B——熔化部池寬，mm。

根據(jù)式（1）繪出的橫火焰玻璃窯熔化部池寬與熔化能力關系見圖1。

圖1 熔化部池寬與熔化能力關系

按式（1）的方法對我國早期引進的240 t/d全氧超白光伏玻璃窯和600 t/d全氧超白浮法玻璃窯的長寬比和熔窯的寬度進行了比較和推算。式（1）中以橫火焰窯寬度所需的生產(chǎn)能力中9500 mm以全氧窯調(diào)整為8470 mm計算。就可在全氧超白玻璃窯設計上的熔化區(qū)窯寬所需的熔化能力來推廣應用。

根據(jù)上述的推算確立全氧窯熔化部的長寬比范圍：K1＝2.94～3.2、全氧窯熔化區(qū)的長寬比范圍：K2＝1.6～2.4是可行的，也是合理的。所以在評估現(xiàn)在運行的750 t/d 全氧超白光伏玻璃窯時，以熔化部設計寬度為11 m，超白玻璃生產(chǎn)需適當加大澄清區(qū)長度的要求，其窯長寬比為K1＝3.2，則長度為35.2 m。以全氧燃燒比同規(guī)模的傳統(tǒng)橫火焰熔窯熔化率可提高25%左右。取熔化區(qū)K2＝2.3進行設計。據(jù)統(tǒng)計，該750 t/d光伏玻璃全氧燃燒窯爐天然氣單耗小于4898 kJ/kg，相比大型空氣助燃窯爐天然氣節(jié)能約30%，同時其煙氣量及NOX含量大大降低，NOX最低排放濃度111.5 mg/m3，遠低于國家環(huán)保指標700 mg/m3，NOX排放減少80%以上，溫室氣體CO2的排放量減少20%以上，相對空氣助燃窯爐每年可減少碳排放6100 t左右。

推廣使用的750 t/d全氧超白光伏玻璃一窯四線平面示意圖見圖2。

圖2 750 t/d全氧超白光伏玻璃一窯四線平面示意圖

根據(jù)該窯的多年運行實踐證明對該全氧超白光伏玻璃窯的評估是可行的。并充分顯示了全氧窯產(chǎn)品質(zhì)量和成品率、熔化率高、能耗低等常規(guī)同噸位的超白光伏玻璃橫火焰窯爐無法比擬的特性。按現(xiàn)引進的600 t/d全氧超白浮法玻璃窯比較，熔化部寬為10 m，長為27.3 m，熔化部長寬比為K1＝2.73應該是比較接近的。其主要差距是澄清帶沒刻意放長，如過度加大澄清區(qū)的長度，使熔化部窯內(nèi)火焰空間所需的單位熱負荷降低，影響熔窯的熱效率。這也是目前國內(nèi)多數(shù)玻璃窯熱效率低的重要因素之一。

1.2 全氧超白窯熔化區(qū)確立要求

規(guī)模較大的全氧窯其熔化區(qū)域在胸墻兩側(cè)設立前后二對水平煙道。熔化區(qū)的范圍是以投料池外沿至后一對水平煙道中心線外1 m的尺寸為準進行計算，也是目前設計全氧玻璃窯窯內(nèi)熔化區(qū)確立的主要方法之一。按以上全氧超白光伏玻璃窯的熔化區(qū)長寬比要求控制范圍K2＝1.6～2.4計算各類規(guī)模的全氧玻璃窯的熔化面積。

熔化區(qū)的加熱特性與熔窯的熔化能力、單位面積熔化率、單位能耗指標以及熔窯運行壽命（即玻璃熔窯四大技術指標）等密切相關。全氧窯熔化區(qū)的火焰空間容積熱負荷也直接關系到該窯的熔化能力和熱效率。同樣合理的全氧窯熔化區(qū)長寬比也直接關系到全氧窯應有的熱效率。

推薦設計的850 t/d全氧超白光伏玻璃窯平面示意圖見圖3。

圖3 850 t/d全氧超白光伏玻璃窯平面示意圖

850 t/d全氧超白光伏玻璃窯設計方案：熔化部總長35 m左右，窯寬不到12 m。長寬比控制在K1＝3.0，熔化區(qū)后一對水平煙道外1 m計，熔化區(qū)長寬比K2約為2.2。

1.3 超白玻璃窯窯池深度的控制

由于超白玻璃中Fe2O3含量低，熱透過能力強，因此熔窯內(nèi)玻璃液在池深方向的溫度梯度相對較小，池底的溫度要高于普通透明玻璃。與玻璃液接觸的池底鋪面磚（電熔鋯剛玉磚）一般在1400℃時就開始有玻璃相析出，并伴隨有大量的氣泡，池底溫度過高不僅大大影響熔窯的壽命，還將對玻璃液造成嚴重污染。適當加深熔窯熔化部的池深有利于池底磚延長其使用壽命，但太深將增加熔窯的投資，不利于節(jié)能降耗，對降低池底的溫度也沒有明顯的效果，因此要選擇合適的池深。

有關單位通過對超白玻璃熔窯窯池深度與玻璃熔化質(zhì)量關系的研究，并通過計算機仿真模擬確定合理的池深，保證玻璃液的質(zhì)量以及熔窯的壽命。超白玻璃中由于Fe2O3含量較低，玻璃液對火焰的熱輻射能力較弱，但其熱透過能力相對較強，因此池內(nèi)玻璃液在池深方向溫度梯度相對較小，對于一定池深的玻璃熔窯，生產(chǎn)超白玻璃時池底溫度必然要高于生產(chǎn)普通透明玻璃。當超白玻璃的熔化部池深設計為1.5 m時，熔化部池底最高溫度為1278 ℃，如將熔化部池深由1.5 m 減為1.35 m時，最高溫度升高至1291 ℃，如再將熔化部池深減至1.2 m時，最高溫度升高至1318 ℃。如進一步將池深加深至1.6 m時發(fā)現(xiàn)，熔窯的熔化部池底溫度反而比池深為1.5 m時略有升高，特別是熱點后池底溫度升高幅度相對更大，這是由于熔窯的縱向?qū)α鞒c溫差有關外還與池深的三次方成正比，池深加大后熔窯的縱向?qū)α髅黠@加強?？梢妼τ谏a(chǎn)超白玻璃，由于玻璃液的透熱性高，適當加深熔化部的池深有利于保護熔化部的池底磚，延長熔化部池底磚的使用壽命，但過深既加大了熔窯的投資，又對降低池底溫度起不到明顯的效果，更不利于節(jié)能降耗。池深較淺時，雖然池底處玻璃液加權(quán)溫度明顯大幅度提高，但投料口附近池底溫度還是相對較低，不利于配合料的熔化；池深較深時，如不對窯池結(jié)構(gòu)及相關操作制度加以改善，則熱點后玻璃液的溫度較低，不利于玻璃液的澄清。生產(chǎn)超白玻璃時整個池深方向垂直溫度梯度明顯要比普通玻璃窯小，這極不利于窯池中澄清后區(qū)的玻璃液中微氣泡的吸收，因成形流下方的回流玻璃液在前進的過程中溫度在不斷的上升，使得本已被玻璃液吸收的微氣泡在熱化學的作用下又被重新釋放到玻璃液中，同時低鐵玻璃液的黏度又較低，微氣泡極易浮升到表面流中，因此，超白玻璃熔窯的池深在熔化區(qū)至少為1.45 m以上，但也不宜過深。

1.4 超白玻璃熔窯池底臺階式結(jié)構(gòu)與玻璃熔化質(zhì)量的關系

分析其超白玻璃熔窯池底臺階式結(jié)構(gòu)與玻璃熔化質(zhì)量的關系。探索階梯式池底的階梯起點、終點位置和階數(shù)對玻璃液回流、微氣泡的影響變化規(guī)律關系以及耐火材料的合理匹配選擇。研究熔窯池底結(jié)構(gòu)對玻璃熔化的影響，生產(chǎn)超白玻璃時，影響玻璃液的澄清因素：

超白玻璃的透熱性好，導致池底處玻璃液溫度高，但表層玻璃液的溫度低，黏度較小。玻璃液的黏度和溫度對熔窯內(nèi)玻璃液的流動有直接關系。溫度是玻璃液可以流動的直接驅(qū)動因素，有了溫度的梯度差異，才會導致玻璃液其他物性參數(shù)的梯度差異。在熔窯的長度、寬度和深度方向，玻璃液黏度、密度的梯度差異才導致了玻璃液的自然流動。從窯內(nèi)整體玻璃液的環(huán)流情況來分析，窯內(nèi)的主體環(huán)流為典型的三環(huán)流。一般情況下，與普通浮法玻璃相比，特別是用全氧燃燒其熱氣流含水量高，會使玻璃液黏度更小。超白玻璃池底對應熱電偶的溫度值會比普通玻璃高70～80 ℃。而這一系列的變化，將會導致池底處玻璃液的相對不動層較淺，透過池底耐火材料到達窯底的溫度會較高，高溫對耐火材料的壽命帶來一定的影響，同時較大的流速也會增加對池底耐火材料的侵蝕。

所以階梯式池底的階梯起點以窯內(nèi)澄清區(qū)為主，既可限制回流，又可提高玻璃液表面的加權(quán)溫度，延長停留時間，確保澄清質(zhì)量。

1.5 全氧超白玻璃窯卡脖寬度的要求

卡脖是熔化部和冷卻部之間的通道，也是平板玻璃窯的主要分隔裝置，其作用是減少流向冷卻部的熱氣流和玻璃液流量，并且通過卡脖后能用較少的冷卻面積使玻璃液冷卻到成形所需要的溫度。由于超白玻璃液透熱性高，同時由于全氧燃燒火焰特性會使玻璃液含水分高，使之在相應的溫度條件下其玻璃液黏度會比橫火焰超白玻璃窯生產(chǎn)的玻璃液黏度降低得更多，會引起冷卻部的玻璃液回流量增大。超白玻璃窯采用窄卡脖設計，多年來設計橫火焰時卡脖寬度一直是以其熔窯的寬度40%～50%計算。在初期設計超白玻璃窯時降低至35%左右，而長度卻在不斷加長，最長的為7.5 m。為控制熔化部回流加熱耗熱能采用窄卡脖結(jié)構(gòu)設計，為了進一步限制卡脖后的玻璃液回流，設計合適的卡脖寬度和卡脖水包插入玻璃液的深度，增加卡脖前的高溫回流。根據(jù)玻璃液合理流速計算，盡量采用窄的卡脖結(jié)構(gòu)形式和深層的水冷卻分隔設備，大大減少了冷卻部玻璃液的回流對熔化澄清帶窯底“滯止三角區(qū)”玻璃液的沖擊。

同時為了布置大水管、吊墻和攪拌器，卡脖必須具有一定的長度。經(jīng)過多年和多窯的驗證，根據(jù)全氧超白玻璃窯玻璃液流動的特性，其卡脖寬度與窯寬的比例仍可降低。采用窄卡脖更是超白玻璃窯的發(fā)展趨勢。目前在使用的比例為：250～350 t/d 全氧燃燒熔窯熔化部寬度/卡脖寬度為12%左右，600～800 t/d 全氧燃燒熔窯熔化部寬度/卡脖寬度為20%～30% 。

實踐證明，針對全氧超白玻璃窯玻璃液黏度小、縱向流動量大的特點，為減少玻璃液的回流，超白玻璃窯采用窄卡脖。選擇合理的超白玻璃窯的窄卡脖寬度對降低窯內(nèi)能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有積極意義。如在250 t/d橫火焰超白光伏窯上，窯寬為9600 mm，原3000 mm卡脖調(diào)整改建為1200 mm窄卡脖，其窯改建再次投產(chǎn)后比原窯爐能耗降低10%，成品率從原65%提高到85%。根據(jù)各類窯型比較，為減小和控制其玻璃液的回流量，延長玻璃液在澄清帶的停留時間，提高澄清質(zhì)量，全氧超白玻璃熔窯卡脖采用窄卡脖與窯寬比例取20%是可行的。

2 全氧超白玻璃窯熔化區(qū)燃燒器的合理配置

全氧超白玻璃窯熔化區(qū)燃燒器的合理配置直接與窯的熱效率相關，也與全氧超白玻璃窯熔制工藝的控制相關，特別對生產(chǎn)能力較大的全氧超白玻璃窯，合理配置熔化區(qū)的全氧燃燒器與其熔制工藝要求息息相關，必須引起重視。

正是由于超白玻璃所具有的玻璃液流動特點，導致玻璃液的澄清和微氣泡控制困難，必須根據(jù)其低鐵的特點有針對性地制訂適宜的熔化工藝制度，合理確定熔化回路和澄清回路的熱負荷，同時保證其具有較強的氧化氣氛。

2.1 現(xiàn)有全氧超白玻璃窯在熔化區(qū)燃燒器的配置型式

全氧超白玻璃窯熔化區(qū)燃燒器的配置有三種型式。

（1）現(xiàn)國內(nèi)設計的750 t/d，800 t/d窯寬均為11 m以上的熔化部。在熔化區(qū)域胸墻兩側(cè)采用中心交叉排列八對燃燒器。根據(jù)熔化區(qū)的熔制工藝要求配置不同功率的燃燒器進行燃氣和氧氣的流量控制。

（2）850 t/d全氧光伏一窯四線熔化區(qū)胸墻兩側(cè)采用不同間距順排6對中心交叉3對燃燒器。為確保其熔化能力，在前加一對“零”號全氧燃燒器。

（3）在熔化區(qū)內(nèi)采用了不等距交叉排列，6對燃燒器分為三個區(qū)域進行控制，符合玻璃熔制工藝所需要求，做到窯內(nèi)泡界線清晰，熱點突出。

現(xiàn)有用在全氧超白玻璃窯熔化區(qū)燃燒器的配置有不同型式，應根據(jù)不同生產(chǎn)能力合理配置和使用全氧燃燒器。通常全氧燃燒器的設計和安裝應達到以下要求：（1）所需提供燃料的熱值必須穩(wěn)定，如果熱值變化必須根據(jù)相應變化調(diào)整供給量與氧氣的比例，確保玻璃液熔化所需的單耗和火焰的穩(wěn)定及所需的火焰的覆蓋面積。

（2）縱向所分布的燃燒器對數(shù)直接影響窯內(nèi)工藝溫度曲線的變化，如果窯內(nèi)生產(chǎn)量不變的情況下，其單耗是不能變的，所以對數(shù)的變化只是對燃料的再分配而已。合理的對數(shù)使用才能確保窯內(nèi)泡界線位置穩(wěn)定而清晰，熱點溫度突出，澄清明亮和干凈，才能生產(chǎn)高質(zhì)量的玻璃。

（3）按現(xiàn)設計窯爐的長度設計配置噴嘴，根據(jù)不同時期的窯爐生產(chǎn)量調(diào)整對數(shù)量和各對噴嘴合理的能耗分配量，確保窯內(nèi)所需的工藝作業(yè)溫度曲線的控制和穩(wěn)定。

2.2 全氧燃燒器與玻璃液面的設計高度

全氧燃燒器與玻璃液面的設計高度也是全氧玻璃窯設計中的一個重要因素，與液面的高度不同直接反映其窯內(nèi)火焰流動的變化。安裝全氧燃燒器也有相對的下傾角度的要求。其角度控制在50°左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求其全氧燃燒器均直接安裝在胸墻掛鉤磚上。

如600 t/d全氧浮法玻璃窯，池墻上口與掛鉤磚間隙設計為75 mm，掛鉤磚前口厚度為220 mm，如果用扁平全氧燃燒器，其高度為230 mm。即75＋220＋115＝410（mm），池墻上沿與玻璃液面為25 mm，所以全氧燃燒器的中心與玻璃液面控制在435 mm左右。

3 全氧超白玻璃窯結(jié)構(gòu)設計上某些相關問題

3.1 全氧窯投料口的結(jié)構(gòu)設計要求

玻璃窯爐的投料口由前臉墻和投料池組成。其設計投料池的寬度均控制在熔化部寬度的80%左右即可展開投料面，有利于薄層投料和加速配合料的熔化。大型的玻璃窯前臉墻目前大都已由原來的雙碹單片墻改為L型吊墻，L型吊墻的角度30°和45°。全氧窯由于煙氣溫度較高，而又為氧化性火焰，所推廣使用L型吊墻角度45°為宜。同時為防超白玻璃配合料中低熔點物質(zhì)過早熔化，全氧超白玻璃窯投料池要設置預熔池，可將長度適當加長至1800 mm和2300 mm。

3.2 投料方式

生產(chǎn)規(guī)模較大的全氧窯其投料方式的設計與橫火焰窯相同。以熔化部正面縱向方法投料，其窯投料池的寬度均設計成兩側(cè)為池墻磚重疊的結(jié)構(gòu)形式。因為全氧窯燃燒比橫火焰窯煙氣溫度高，同時超白玻璃熔化速度快，透熱性好，玻璃液深層溫度高，全氧窯煙氣水分含量大，玻璃液黏度更小。因縱向?qū)α髟龃螅瑢ν读蟽蓚?cè)的池墻深層加速侵蝕，為此設計成兩側(cè)為池墻磚重疊的結(jié)構(gòu)形式，以減慢侵蝕速度。同樣其池墻的保溫結(jié)構(gòu)也要區(qū)別于常規(guī)的池墻保溫方法。

3.3 水平煙道進口截面積的合理設計

全氧超白玻璃窯前后對水平煙道內(nèi)排放的進口截面積的合理設計對全氧窯窯內(nèi)熱氣流的調(diào)節(jié)和窯內(nèi)熱平衡具有重要的作用，引進的全氧超白浮法玻璃窯其前一對水平煙道內(nèi)排放的進口截面積比后一對水平煙道內(nèi)排放的進口截面積小60%左右。可以理解為因前一對水平煙道的進口截面積過大會使煙氣流量增大，其排放的高溫煙氣對前吊墻沖損的影響較大。同時因靠近生料熔化區(qū)是整窯吸熱量最大區(qū)域，要延長和控制熱氣流的停留時間，提高熱效率。如果進口截面積過大，會使熔化區(qū)的熱氣流大量集中從前煙道排放造成窯內(nèi)熱量過早損失，影響生料熔化帶的熔化質(zhì)量和增大粉塵飛揚的同時更不能平衡窯內(nèi)熱氣流對吸熱量最大的生料熔化區(qū)需求。目前國內(nèi)自行設計應用的超白玻璃窯包括光伏窯和浮法窯兩種方式，一是前后煙道進口截面積相同；二是前煙道進口截面積設計時大于后煙道進口截面積。

3.4 水平煙道與前臉墻的距離設計

規(guī)模較大的全氧窯，由于其煙氣溫度高，其前一對水平煙道的中心線與投料池前臉墻的距離也要嚴格控制。一是可以保證前臉吊墻的使用壽命而又能達到配合料有充分的時間得到預熔的效果，二是以防配合料內(nèi)助熔劑等過早揮發(fā)，影響超白玻璃料的熔化質(zhì)量。

3.5 超白玻璃窯冷卻部面積的控制

浮法玻璃窯在設計中一般強調(diào)冷卻部的面積，根據(jù)溫降來確定，再用冷卻部面積與熔化部面積來復核，不同的成形方法有不同的比值。按浮法玻璃窯結(jié)構(gòu)要求，以往冷卻部面積是熔化部面積的0.3∶ 1左右。現(xiàn)全氧超白玻璃窯的設計中其冷卻部的面積設計方法也是相同的。但其比值比現(xiàn)有常規(guī)設計要小得多，一般控制為（0.2～0.25）∶1。所以自行設計的600 t/d全氧超白浮法玻璃窯其冷卻部面積要小得多，值得商討。

4 結(jié)語

超白玻璃生產(chǎn)窯爐的設計具有它特有的要求，超白玻璃生產(chǎn)中熔化速度快，深層玻璃液溫度高，窯內(nèi)玻璃液對流強，在設計中應結(jié)合全氧燃燒的火焰特性的變化加以統(tǒng)一和平衡。

全氧超白玻璃窯也要按所需的規(guī)律和合理選擇各類不同的熔化能力熔窯所需的長寬比，包括全氧超白玻璃熔窯的熔化面積和熔化部面積也應有一個合理配比，才能充分體現(xiàn)全氧超白玻璃窯節(jié)能降耗、低碳排放的優(yōu)點。