賈中兆

（中國建材國際工程集團有限公司 南京 210018）

0 引言

玻璃行業(yè)競爭不斷加劇，對熔窯經濟性的要求也愈來愈高，同時建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會又要求對環(huán)境污染以及能源消耗越少越好，在此背景下，對玻璃窯爐運行的能耗研究顯得越來越重要。我國的大型平板玻璃窯爐多以天然氣、重油和發(fā)生爐煤氣為燃料，少數(shù)以石油焦粉作為燃料，本文以天然氣為燃料。

在實際生產中，燃料燃燒釋放的熱量用于以下幾個部分：加熱配合料熔化形成玻璃液，加熱熱點后面的玻璃液，以維持熔化池里玻璃液的溫度，加熱燃燒產物（即煙氣），另窯爐用的耐材具有導熱性，由于傳熱作用導致了部分熱量不可避免地被損耗掉。窯爐結構的復雜性和其他幾個條件相互疊加造成窯爐散熱計算起來繁雜和困難，得出的結果也與實際有較大的偏差，為了簡化熱耗的計算，根據(jù)燃燒平衡公式，算出各部分熱量的使用情況。

本文以600 t/d玻璃窯爐為例，設6對小爐，根據(jù)生產情況，將熱點定在4#小爐中心線附近，泡界線在4#小爐前，以泡界線為分界線，將窯爐的熔化區(qū)域分成兩段，前半段是從L吊墻到泡界線為配合料的加熱、熔化和玻璃液氣泡的排出階段即料堆區(qū)和泡沫區(qū)，溫度為50～1450 ℃，長L＝15 m，主要是通過1#～ 3#小爐燃燒加熱來實現(xiàn)的，還有部分熱量是來自配合料下面的玻璃液。泡沫區(qū)寬度一般為一個小爐的寬度，為氣泡排出階段，因大氣泡的存在，導致泡沫區(qū)有較低的熱導率和較高的反射率，加大該處的燃料燃燒量，勢必造成燃料的浪費，在生產中此處一般會投入相對較少的燃料以維持泡沫區(qū)上方窯爐空間的溫度，該部分作為燃料消耗的一部分，計算熱耗時仍需要考慮進去。

后半段是從泡界線到末對小爐中心線后1 m處包 含4#～ 6#小爐，長L1＝10 m，將熱玻 璃 液從1450 ℃加熱到1590 ℃，主要是通過4#～ 5#小爐燃燒來實現(xiàn)的。泡界線后面的熱點區(qū)域在4#小爐中心線附近，其作用是給生成的玻璃液加熱，讓玻璃液產生體積膨脹，促使部分玻璃液從泡沫區(qū)和料堆區(qū)下方流向窯頭，與上層流向相反的生產流之間相互作用，在熱點前面形成穩(wěn)定的泡界線，4#和 5#小爐的燃燒也為整個熔化池里的玻璃液提供熱量，以維持整個熔化池玻璃液的溫度。澄清區(qū)域的下層玻璃液熱量也有部分來自上層生產流的玻璃液，但最終還是來自于燃料燃燒釋放出的熱量，在計算時只考慮燃料燃燒釋放的熱量。

1 計算前的數(shù)據(jù)準備

在生產中，配合料里的碎玻璃含率設為15%，水分為5%。以天然氣為燃料，熱值Qnet＝32635.2 kJ/m3，預熱后的空氣溫度約為1400 ℃，燃料在每個小爐配比不一樣，產生的煙氣溫度也不一樣，為了便于計算，本文將煙氣溫度統(tǒng)一設定為1600 ℃。天然氣組份見表1。

表1 天然氣組份［1］

在正常生產時單耗約為6694.4 kJ/kg玻璃，每天消耗的天然氣為123077 m3，在不考慮燃燒氣氛的情況下，熱量在每對小爐的分配轉為燃料的分配。

窯爐布置6對小爐，其中末對小爐在生產中處于關停狀態(tài)，燃料在一側各小爐的配比見表2。

加熱、熔化配合料生成平板玻璃的單耗，根據(jù)馬特維耶夫平板計算的方法［2］，得出Q配＝2849.3 kJ/kgmolten，玻璃產量Mmolten＝25 t/h，對應的熱耗Q配·Mmolten＝71232600 kJ/h，每小時消耗的天然氣Vfuel＝5128.21 m3。

根據(jù)燃料在各小爐的配比，泡界線前面1#～3#小爐每小時消耗的天然氣為Vf＝Vfuel×（21＋25＋12）/100 ＝2974.36 m3，配合料來自下層玻璃液的熱量，目前沒有具體文獻可供參考，在本文計算中可以暫不計。泡界線到末對小爐后1 m處，每小時 消 耗 的 天 然 氣 為Vf1＝Vfuel×（23＋19）/100＝2153.85 m3。

2 計算

以天然氣為能源在玻璃熔窯內的溫度取決于燃料的燃燒溫度，燃料的燃燒溫度分為理論燃燒溫度和實際燃燒溫度。當燃料在燃燒反應時所放出的全部熱量都用于加熱燃燒產物時，能夠達到的溫度稱為燃料的理論燃燒溫度。燃料的理論燃燒溫度是從能量守衡定律得出的。

2.1 燃燒公式

窯爐運行時熱量輸入和輸出情況，用圖1表示。

圖1 窯爐運行時的熱量輸入和輸出

2.2 計算燃燒時空氣消耗量和煙氣的生成量

2.3 計算從L吊墻到泡界線的熱耗

2.4 計算從泡界線到末對小爐的熱耗

3 結論

通過上述計算結果可以看出，理論燃燒溫度Tg理近 似于2788 ℃，減去Q配 后的溫度Tg'＝1656.04℃，Tg'－Tg實為熱量損失造成的溫降。在實際生產中配合料會從下方的玻璃液中獲取熱量，若將該部分熱量計算進去，最終燃燒Tg'溫度要高于本文計算的溫度，另在計算火焰對配合料傳熱時，很多文獻均采用的是實際燃燒溫度Tg實，得出的結論會產生較大的誤差，所以將Tg'單獨列出進行了計算。

在以上的計算中只考慮了窯爐空間的散熱情況，熔化池對周邊的散熱量未考慮。本文中生成每千克玻璃液的單耗6694.4 kJ，其中是包含了空氣預熱熱量，若去掉空氣預熱部分，單耗會達到11287.45 kJ，熱耗會大幅度提升。計算L吊墻到泡界線這塊區(qū)域時，只考慮了配合料上面燃燒的熱量，若結合配合料下層玻璃液熱量，因該部分總熱量保持不變，用于加熱配合料部分的熱耗會降低，降低的部分歸屬到Q損里面，因而在實際生產中，Q損可能會達到Q總的10%左右，甚至更多。

燃燒時加熱煙氣熱耗已超過總熱耗的一半，成為主要耗熱部分，在生產中可以考慮適當?shù)亟档腿紵龝r煙氣溫度或者控制好空氣過剩系數(shù)減少煙氣生成量，以起到節(jié)能效果。維持熔化池里的玻璃液溫度也需要一定的熱量，玻璃液越多則需要的熱量也就越多，設計窯爐時可以考慮適當?shù)亟档腿刍厣疃鹊龋越档湍芎?。熔化配合料形成玻璃液的部分熱量來自下層玻璃液，可以通過溫度控制，窯底設置臺階結構等方式，增加玻璃液向窯頭回流，給配合料提供更多的熱量，以起到降低能耗作用。