張紅哲

（河南省瑞泰科實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 新密 452370）

玻璃窯爐即玻璃熔窯，是指生產(chǎn)玻璃或玻璃制品時(shí)使用的高溫窯爐，用于熔制玻璃配合料的熱工設(shè)備。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2423—2017《玻璃熔窯余熱發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范》對玻璃熔窯的定義：熔制玻璃的熱工設(shè)備，由鋼結(jié)構(gòu)和耐火材料砌筑而成。

玻璃窯爐在玻璃制造中至關(guān)重要，在熔化原材料、控制玻璃成分、確保生產(chǎn)一致性、提高安全性和提高能源效率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 全球玻璃窯爐的基本情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2023年年底，全球規(guī)模以上玻璃窯爐2261座，分布在94個(gè)國家（或地區(qū)）的1149家公司，熔化量61.47萬t/d。其中平板玻璃窯爐607座，熔化量32.40萬t/d，平均單窯熔化量533.8 t/d；玻璃容器窯爐1231座，熔化量27.14萬t/d，平均單窯熔化量220.5 t/d；玻璃餐具窯爐423座，熔化量1.93萬t/d，平均單窯熔化量45.7 t/d，見表1。

表1 全球玻璃窯爐分布情況

2 玻璃窯爐的發(fā)展歷程

早期的玻璃窯爐多采用以石頭和黏土為主要材料的坩堝窯。這些窯爐通常為圓形或方形，頂部有一個(gè)出氣孔，用于排除窯爐內(nèi)的煙塵和廢氣。燃料主要使用木材。

在中世紀(jì)，玻璃窯爐的設(shè)計(jì)和技術(shù)引入了化學(xué)反應(yīng)爐，即將燃燒爐與玻璃制造爐相結(jié)合。這種窯爐可以通過控制燃燒過程中的氧氣供應(yīng)，使得玻璃原料在不同的化學(xué)環(huán)境下熔化，從而實(shí)現(xiàn)對玻璃質(zhì)量和顏色的控制。這個(gè)時(shí)期玻璃窯爐采用間歇式操作，即在熔化和成形過程之間有一定的停頓時(shí)間。這種操作方式可以使玻璃原料充分熔化，并排除其中的氣泡和雜質(zhì)。同時(shí)，窯爐的結(jié)構(gòu)也得到了改進(jìn)，采用了更耐高溫的材料，如石灰石和石英砂。

到第十八王朝（公元前1550年—公元前1292年），埃及人開始使用隔間爐燒制陶器釉料，并制作早期玻璃制品來模仿綠松石等寶石。所謂隔間爐是使用通風(fēng)室，使物品能夠在燃燒時(shí)與燃料源完全分開。這種窯爐是垂直建造的，底部有一個(gè)明火，可以通過點(diǎn)燃來調(diào)節(jié)溫度。

1615年英皇下令禁用木柴為燃料，開始使用煤代替木柴。17世紀(jì)初，英國玻璃工廠使用煤燃料的坩堝窯已很普遍，不僅保護(hù)了森林，而且窯爐溫度升高，玻璃熔化情況改善，玻璃質(zhì)量提高，成本降低。之后，煤在很長時(shí)間內(nèi)成為玻璃制造的主要燃料。

1856年德國的弗雷德里克·西門子兄弟設(shè)計(jì)了一種蓄熱式加熱方法，首先將其應(yīng)用于煉鋼的平爐；1861年，威廉·西門子發(fā)明工業(yè)窯爐用的煤氣發(fā)生爐，用煤氣代替煤作燃料；1864年，弗雷德里克·西門子將用于煉鋼平爐的蓄熱式加熱法移植用于玻璃生產(chǎn)；1867年弗雷德里克·西門子又在上述技術(shù)上發(fā)明了連續(xù)式的蓄熱式玻璃池窯，并于1873年在比利時(shí)獲得成功，成功制造出高質(zhì)量的大塊平板玻璃。目前，西門子式玻璃窯爐仍是各類連續(xù)式玻璃池窯的基本形式。

3 玻璃窯爐分類

按玻璃窯爐結(jié)構(gòu)分類，大致可分為兩種類型，即罐式玻璃窯爐和槽式玻璃窯爐。

3.1 罐式玻璃窯爐

罐式玻璃窯爐即坩堝窯，是由耐火材料建造的結(jié)構(gòu)，其中爐子和玻璃之間沒有接觸。玻璃在若干個(gè)由耐火材料制成的坩堝內(nèi)熔化，耐火材料在高溫下能抵抗玻璃的侵蝕。坩堝窯中玻璃熔制的熔化、澄清、均化、冷卻等各階段在同一坩堝中隨時(shí)間推移依次進(jìn)行，窯內(nèi)溫度制度隨時(shí)間推移變動(dòng)。成形時(shí)，人工從坩堝口取料，再進(jìn)行吹制、壓制、拉引、澆注等，也可以坩堝底供料，或?qū)⒄釄逡瞥鋈×?。坩堝材質(zhì)以黏土居多，也有用鉑的。形狀有開口和橫口（閉口）兩種。開口坩堝的坩堝口朝向窯膛，能直接得到窯墻及熱源輻射和傳遞的熱能；橫口坩堝的坩堝口朝向窯外，通過坩堝壁間接獲取熱量，能避免窯內(nèi)氣氛對玻璃液的影響和污染。

玻璃混合料會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)熔化，并以24 h或18 h為一個(gè)周期進(jìn)行工作。一個(gè)坩堝可容納600～700 kg的玻璃。罐式玻璃窯爐用于如光學(xué)玻璃等小批量玻璃制品的生產(chǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以同時(shí)熔化多種類型的玻璃，一個(gè)熔爐可進(jìn)行約30次熔化循環(huán)，從而生產(chǎn)18～21 t玻璃?？衫酶G爐廢熱來預(yù)熱燃燒空氣，熱交換是可連續(xù)的，也可用電力作為燃料來熔化玻璃。

3.2 槽式玻璃窯爐

槽式玻璃窯爐，又稱池爐或池窯，主要用于連續(xù)性的玻璃生產(chǎn)，它們使用燃料更加經(jīng)濟(jì)，主要用于玻璃容器、平板玻璃、玻璃燈泡、玻璃管材和家用玻璃餐具等大規(guī)模生產(chǎn)。

根據(jù)廢氣余熱回收方式可分為單元玻璃窯爐、換熱式玻璃窯爐、蓄熱式玻璃窯爐等。

3.2.1 單元玻璃窯爐

單元玻璃窯爐是指沒有任何熱回收裝置的燃料玻璃熔化爐，通常特指空氣助燃窯爐。一般來說，空氣助燃單元玻璃窯爐尺寸相對較小，由2～16個(gè)燃燒器燃燒，窯爐的熔化能力范圍一般不大于50 t/d。常用于玻璃熔塊、餐具、眼鏡玻璃、玻璃纖維及含有高揮發(fā)性和腐蝕性成分的特種玻璃生產(chǎn)。

目前，具有較強(qiáng)節(jié)能減排效果的全氧/燃料玻璃窯爐，大多數(shù)沒有熱回收系統(tǒng)，因此在技術(shù)上應(yīng)屬單元玻璃窯爐。

3.2.2 換熱式玻璃窯爐

換熱式玻璃窯爐是配備換熱器的單元式熔化器。通常，同流換熱器是金屬管殼式熱交換器，可將燃燒空氣預(yù)熱至540～760 ℃。該爐由4～20個(gè)單獨(dú)的燃燒器燃燒，其熔化能力較適宜為18～250 t/d。常用于玻璃纖維生產(chǎn)，也可用于玻璃熔塊生產(chǎn)，較少用于玻璃容器生產(chǎn)。

換熱式玻璃窯爐也適用于補(bǔ)充氧氣/燃料技術(shù)或預(yù)混合富氧技術(shù)。在補(bǔ)充氧氣/燃料技術(shù)中，空氣/燃料燃燒器被簡單地替換為氧氣/燃料燃燒器。當(dāng)應(yīng)用預(yù)混合時(shí)，氧氣注入空氣的管道應(yīng)在同流換熱器的下方。

3.2.3 蓄熱式玻璃窯爐

在蓄熱式玻璃窯爐中，用于燃燒的空氣通過方格磚蓄熱室的熱蓄熱方格磚進(jìn)行預(yù)熱，加熱后的空氣進(jìn)入窯爐的入口，通過使用一個(gè)或多個(gè)燃燒器，燃料在端口開口處噴射，與空氣混合，并在玻璃表面燃燒。燃燒產(chǎn)物通過非點(diǎn)火口排出爐外，并通過另外的蓄熱室對其進(jìn)行蓄熱。15～30 min后，進(jìn)行一次換向操作。

目前，蓄熱式玻璃窯爐是玻璃工業(yè)的主流窯爐。大多數(shù)平板玻璃和容器玻璃的生產(chǎn)都使用這種窯爐，玻璃餐具、玻璃照明產(chǎn)品、硅酸鈉（水玻璃）等較有規(guī)模的玻璃產(chǎn)品生產(chǎn)也都使用這種窯爐，主要分為兩種：

（1）馬蹄焰玻璃窯爐

馬蹄焰玻璃窯爐，通常用于熔化能力＜300 t/d的玻璃生產(chǎn)。其端口位于玻璃窯爐后壁一端，火焰呈馬蹄形（U形），投料口位于靠近窯爐后壁的窯爐一側(cè)或兩側(cè)，常用于生產(chǎn)容器玻璃，也用于生產(chǎn)餐具和硅酸鈉。

（2）橫火焰玻璃窯爐

橫火焰玻璃窯爐，其端口位于玻璃窯爐側(cè)壁上，火焰呈橫火焰，投料口在窯爐的后壁。側(cè)端口蓄熱式玻璃窯爐的熔化能力不斷增大，現(xiàn)在最大的窯爐熔化能力為1450 t/d。這種玻璃窯爐通常用于平板玻璃和容器玻璃生產(chǎn)，也可用于餐具和硅酸鈉的生產(chǎn)

4 玻璃窯爐的發(fā)展趨勢

目前，玻璃窯爐不斷發(fā)展并融入新技術(shù)，先進(jìn)的控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)建模和自動(dòng)化進(jìn)一步提高了玻璃生產(chǎn)的效率和精度。隨著全球及我國雙碳戰(zhàn)略的不斷深化，玻璃窯爐發(fā)展重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向開發(fā)節(jié)能減排降碳的環(huán)保型窯爐設(shè)計(jì)，以減少能源消耗、污染物及碳排放。

國家發(fā)展和改革委員會(huì)2023年第7號(hào)令《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2024 年本）》建材鼓勵(lì)類中指出“大型玻璃熔窯大功率玻璃-電復(fù)合熔化技術(shù)，玻璃熔窯用全氧/富氧燃燒技術(shù)，玻璃熔窯利用綠色氫能成套技術(shù)及裝備，一窯多線平板玻璃生產(chǎn)技術(shù)與裝備，玻璃熔窯用低導(dǎo)熱熔鑄鋯剛玉、長壽命（12 年及以上）無鉻堿性高檔耐火材料”等，明確了玻璃窯爐的發(fā)展方向。

4.1 大型玻璃熔窯大功率玻璃-電復(fù)合熔化技術(shù)

2022年2月國家發(fā)展改革委等四部門發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南（2022年版）》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2022〕200號(hào)）將“大型玻璃熔窯大功率‘火-電’復(fù)合熔化技術(shù)”列入其中?！盎?電”復(fù)合熔化技術(shù)就是燃料通過火焰熔化和電熔化相結(jié)合的一種熔化方式，以電熔化為主，火焰熔化為輔，這與目前的電輔助熔化技術(shù)有著本質(zhì)的不同。

歐洲容器玻璃聯(lián)合會(huì)（FEVE）主導(dǎo)的“未來熔爐”項(xiàng)目，將在大型工業(yè)混合富氧燃燒玻璃熔爐中進(jìn)行電熔改造，即使用80%可再生電力運(yùn)行，該項(xiàng)目獲得歐洲19家容器玻璃公司的技術(shù)和財(cái)政支持并簽署了具有約束力的協(xié)議，合計(jì)占?xì)W洲容器玻璃產(chǎn)量的90%以上。

4.2 玻璃熔窯用全氧/富氧燃燒技術(shù)

玻璃熔窯用全氧/富氧燃燒技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：提高燃燒效率，減少燃料的消耗，從而降低生產(chǎn)成本，減少二氧化碳排放；提高燃燒溫度，加快燃燒反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率；減少燃燒后的煙氣量，從而減少污染物排放，尤其是減少NOX排放；降低過量空氣系數(shù)，減少能源浪費(fèi)，提高能源利用率；使熔融玻璃液黏度降低，火焰穩(wěn)定，無換向，燃燒氣體在窯內(nèi)停留時(shí)間長，窯內(nèi)壓力穩(wěn)定，有利于玻璃的熔化、澄清，減少玻璃的氣泡及條紋，改善玻璃產(chǎn)品質(zhì)量等。

玻璃熔窯用全氧/富氧燃燒技術(shù)在我國大型玻璃窯爐上已有成功案例，但由于受到耐火材料、燃燒技術(shù)以及資金、場地等因素影響，普及率還有待提高。

4.3 玻璃熔窯利用綠色氫能成套技術(shù)及裝備

2021年12月24日，中國建筑材料聯(lián)合會(huì)舉辦新聞發(fā)布會(huì)，公布了首批全國建材行業(yè)重大科技攻關(guān)“揭榜掛帥”項(xiàng)目揭榜單位。其中“玻璃熔窯利用氫能成套技術(shù)及裝備”項(xiàng)目，由秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司（牽頭單位）、武漢理工大學(xué)、中國新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司、山東金晶科技股份有限公司、貞豐縣貴耀材料科技有限公司組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)揭榜。目前，該項(xiàng)目在燃燒裝置以及氫氣摻入比例等運(yùn)行參數(shù)取得突破。

玻璃熔窯對綠色氫能的利用也是全球普遍關(guān)注和研究的課題。世界主要玻璃生產(chǎn)商通過進(jìn)行摻氫等一系列試驗(yàn)，積極進(jìn)行氫能在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用工作。

5 結(jié)語

玻璃窯爐是玻璃制造的重要組成部分。窯爐技術(shù)的進(jìn)步有助于提高玻璃生產(chǎn)效率，優(yōu)化玻璃品質(zhì)，降低能耗、節(jié)約成本，推動(dòng)玻璃行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。為提高玻璃工藝技術(shù)整體水平、滿足市場需求、推動(dòng)科技進(jìn)步，應(yīng)重視窯爐技術(shù)的研發(fā)與改進(jìn)。