程 明，楊康賢，劉 銳,郜玉玲

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233010)

隨著國家對高耗能、高污染行業(yè)節(jié)能減排要求的不斷提高，浮法玻璃生產(chǎn)的單位能耗指標不斷降低，節(jié)能減排成為整個行業(yè)發(fā)展的硬性要求。由于在整個玻璃生產(chǎn)流程中，退火窯能耗占比不高，退火窯節(jié)能設(shè)計一直沒有得到大家的充分重視，但實際上玻璃在退火過程中不僅要消耗大量電能用于冷卻和加熱，玻璃同時還會釋放大量熱能，一直以來這部分熱能直接排到空氣中白白浪費，如果能夠?qū)崿F(xiàn)這部分余熱的合理利用，會大大增加退火窯節(jié)能的效益。因此退火窯的節(jié)能設(shè)計不僅要考慮如何實現(xiàn)用電量的降低，還要考慮如何實現(xiàn)余熱的合理利用。

1 風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

風(fēng)系統(tǒng)是退火窯的主要溫度控制系統(tǒng)，是退火窯用電量最大的系統(tǒng)。風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計是退火窯最直接的節(jié)能方式，一條普通浮法線退火窯風(fēng)系統(tǒng)的使用功率在400～700 kW之間，風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計可有效降低退火窯實際使用功率，給客戶帶來長期的節(jié)能效益。

1.1 優(yōu)化管路設(shè)計，降低系統(tǒng)阻力，實現(xiàn)系統(tǒng)能耗降低

空氣在管道內(nèi)流動，管道內(nèi)阻力可分為摩擦阻力(沿程阻力)和局部阻力。摩擦阻力(沿程阻力)是空氣本身粘滯性與管壁間摩擦產(chǎn)生的沿程能量損失。根據(jù)流體力學(xué)原理，空氣在橫斷面形狀不變的管道內(nèi)流動時的摩擦阻力按公式(1)計算

ΔPm=λν2ρl/8Rs

(1)

式中,λ為摩擦阻力系數(shù)；ν為風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；ρ為空氣的密度，kg/m3；l為風(fēng)管長度，m；Rs為風(fēng)管的水力半徑，m。

從式(1)中可知，摩擦阻力與速度的平方、摩擦阻力系數(shù)、管道長度成正比關(guān)系；與水力半徑成反比。因此管道應(yīng)根據(jù)空氣流量，合理設(shè)計管道直徑，避免風(fēng)速過大造成沿程阻力大；合理布置管路，盡量減少管道長度；管道制作應(yīng)采用潔凈光滑的鋼板制作，避免使用銹蝕后表面粗糙的鋼板。

局部阻力： 空氣流經(jīng)管道中管件及設(shè)備時，因為流速大小和方向變化以及產(chǎn)生渦流造成比較集中的能量損失。

由于退火窯特殊的結(jié)構(gòu)，管路中有大量的分叉、變徑和彎頭，容易產(chǎn)生局部阻力和壓損過大，應(yīng)合理設(shè)計各種管路接頭，減少局部阻力的產(chǎn)生。

1.2 優(yōu)先選用高效風(fēng)機和節(jié)能電機，采用變頻控制技術(shù)

風(fēng)機選型中優(yōu)先選用高效風(fēng)機，提高風(fēng)機使用效率和機械效率。高效風(fēng)機采用流線型葉輪設(shè)計，進氣口安裝預(yù)旋穩(wěn)流裝置，盡可能減少蝸殼內(nèi)渦流和紊流造成的圧力損失；精密設(shè)計入口環(huán)與導(dǎo)流錐間隙，減少氣流由入口進入葉輪時產(chǎn)生的擾流；葉輪涂抹高效耐磨涂層，降低流體與葉輪之間的摩擦損失；提高葉輪和主軸的動平衡精度，降低設(shè)備振動和旋轉(zhuǎn)阻力。

電機選用國家推薦的高效電機或永磁同步電機；退火窯風(fēng)機電機一般采用三相異步電機，應(yīng)該優(yōu)先選用能效等級為IE2級以上的高效電動機。高效電動機從設(shè)計、材料和工藝上采取節(jié)能措施，例如采用合理的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)、風(fēng)扇參數(shù)和正弦繞組等措施，降低損耗，效率可提高2%～8%，平均提高4%。但異步電機在工作時，轉(zhuǎn)子繞組要從電網(wǎng)吸收部分電能勵磁，消耗了電網(wǎng)電能，這部分電能最終以電流在轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)熱消耗掉，該損耗約占電機總損耗的20%～30%，它使電機的效率降低。

如果投資允許，使用永磁同步電機節(jié)能效果會更加明顯。永磁同步電機在轉(zhuǎn)子上嵌了永磁體，由永磁體來建立轉(zhuǎn)子磁場，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，只此一項可提高電機效率4%～50%。由于在永磁電機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，定子繞組有可能呈純阻性負載，使電機功率因數(shù)無限接近于1。圖1為永磁同步電機與異步電機的效率曲線和功率因數(shù)曲線對比圖，從圖中可以看出，永磁同步電機在負載率(P2/Pn)>20%時，其運行效率和運行功率因數(shù)隨之變化不大，且運行效率>80%；而異步電動機在負載率<50%時，其運行效率和運行功率因數(shù)大幅度下降，所以一般都要求其在經(jīng)濟區(qū)內(nèi)運行，即負載率在75%～100%之間。

表1以1 000 t/d浮法生產(chǎn)線為例，計算三相異步電機與永磁同步電機能耗差。由表中可知，以平均節(jié)能5%計算，使用永磁同步電機增加的投資額，基本一年就可以從節(jié)約的電費中收回，一個窯期內(nèi)可為企業(yè)帶來100多萬的節(jié)能效益。

表1 異步電機與同步電機能耗對比

電機采用變頻控制方式控制：常規(guī)設(shè)計退火窯風(fēng)機采用定頻運行，風(fēng)量通過風(fēng)機出風(fēng)口的手動閥來調(diào)節(jié)，這實際上是通過增加系統(tǒng)阻力來改變風(fēng)機工作點，實現(xiàn)風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)節(jié)。這種方式不僅降低了風(fēng)機效率，而且也會造成電機負載率波動大，降低電機的使用效率，據(jù)測算這種損耗能占到風(fēng)機用電量的7%～20%。變頻控制技術(shù)，通過變頻器把工頻電源(50 Hz)轉(zhuǎn)變成需要的頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)機流量的調(diào)節(jié)。這種控制方式大大降低了風(fēng)系統(tǒng)的能耗損失，增加了風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。特別是功率大于30 kW以上的風(fēng)機，節(jié)能效果特別明顯。根據(jù)改造項目的對比，整線采用變頻控制技術(shù)可實現(xiàn)風(fēng)機能耗10%～20%的下降。以一條1 000 t/d生產(chǎn)線為例，按照15%的節(jié)能效率計算，在一個窯期內(nèi)(8年)，去除投資增加可為客戶節(jié)約電費350萬元左右。

2 退火窯余熱利用

玻璃在退火過程中會釋放出大量的熱量，其中在保溫區(qū)釋放的熱量，會被冷卻系統(tǒng)中的空氣吸收，產(chǎn)生大量的高溫空氣。以一條1 000 t/d玻璃生產(chǎn)線為例，這部分熱量約為8.2×1013焦/年，這其中約有40%通過窯體散熱消耗，約60%(約4.9×1013焦/年)被冷卻系統(tǒng)吸收形成高溫空氣。一直以來這部分熱空氣都是直接排到大氣中，白白浪費掉，如果能把這部分熱能用于采暖或者大窯助燃風(fēng)的加熱，相當于每年可以節(jié)約1 600 t標準煤，不僅能夠為企業(yè)每年節(jié)約能源采購費用100萬左右，還能有效降低企業(yè)污染物排放。但要想利用這部分熱能存在以下技術(shù)難點：

1)保溫區(qū)冷卻系統(tǒng)一般由A區(qū)、B1區(qū)、B2區(qū)、C區(qū)等多個單獨控制的冷卻系統(tǒng)構(gòu)成，各系統(tǒng)之間相互獨立。由于各區(qū)輸出的熱空氣溫度不相同，A區(qū)約為420 ℃左右，B1區(qū)約為380 ℃左右、B2區(qū)約為300 ℃左右，C區(qū)約為250 ℃左右。因此必須把各風(fēng)系統(tǒng)連接在一起，使不同溫度的熱空氣均勻混合，才能獲得溫度恒定的熱空氣。這勢必會造成各冷卻系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)，任一系統(tǒng)調(diào)整都會對其它系統(tǒng)造成一定的干擾，影響退火窯的正常生產(chǎn)。

2)由于余熱利用裝置一般距離退火窯較遠，退火窯排出的熱空氣需要經(jīng)過風(fēng)機二次加壓才能輸送到，這相當于在退火窯冷卻系統(tǒng)的末端串聯(lián)了一個抽風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)風(fēng)機流量和壓力調(diào)整時會對退火窯冷卻系統(tǒng)造成干擾，影響退火窯的正常工作；同時退火窯的正常調(diào)整，也會使熱空氣的產(chǎn)量產(chǎn)生變化，造成余熱利用系統(tǒng)的波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。

因此需要在退火窯冷卻系統(tǒng)與余熱利用系統(tǒng)之間，構(gòu)建一個能夠把這兩個系統(tǒng)之間相互影響完全消除的緩沖系統(tǒng)，實現(xiàn)在不影響退火窯正常生產(chǎn)的前提下，對退火窯余熱資源的再利用。該裝置既要能夠避免退火窯保溫區(qū)各冷卻系統(tǒng)之間的相互影響，也要避免余熱利用系統(tǒng)與退火窯冷卻系統(tǒng)之間的相互影響。主要采取以下技術(shù)措施：

1)在退火窯冷卻系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)之間設(shè)置靜壓箱系統(tǒng)

在退火窯冷卻系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)之間設(shè)置氣體緩沖靜壓箱，克服各系統(tǒng)之間的相互影響。如圖2所示，各冷卻系統(tǒng)熱空氣經(jīng)氣體管道輸送至靜壓箱，并在此充分混合，獲得溫度均勻的熱空氣，再通過二次加壓風(fēng)機輸送至余熱利用系統(tǒng)。由于箱體大小設(shè)計合理，各冷卻系統(tǒng)輸出的熱空氣基本上只和箱體內(nèi)的空氣發(fā)生關(guān)系，各冷卻系統(tǒng)之間不發(fā)生直接關(guān)系，有效避免了系統(tǒng)相互之間的干擾。

2)在靜壓箱與每個冷卻系統(tǒng)之間的管道上設(shè)置自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由自動調(diào)節(jié)閥、微差壓變送器、管道等構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)采用PID控制方式，根據(jù)微差壓變送器C1的檢測結(jié)果，調(diào)整自動蝶閥的開度，實現(xiàn)余熱利用系統(tǒng)的自動跟蹤。以A區(qū)為例，當A區(qū)冷卻系統(tǒng)調(diào)整使得熱空氣量增加，冷卻系統(tǒng)提供的熱空氣量大于余熱利用系統(tǒng)實際抽取的熱空氣量，多余的熱空氣通過旁通G9自動排入大氣中,此時測量元件C1檢測出管道G9內(nèi)外壓差的變化，自動增大閥門1的開度，提高余熱利用系統(tǒng)抽取的熱空氣量，直至G9內(nèi)外壓差平衡。當A區(qū)冷卻系統(tǒng)調(diào)整使得熱空氣量減小時，冷卻系統(tǒng)提供的熱空氣量小于余熱利用系統(tǒng)實際抽取的熱空氣量，由于退火窯冷卻系統(tǒng)阻力大，不足的氣體將主要通過G9從大氣中抽取。此時測量元件C1檢測出系統(tǒng)內(nèi)部壓力低于外部壓力，自動減小閥門1的開度，減小余熱利用系統(tǒng)抽取的熱空氣量，直至G9內(nèi)外壓差平衡。

3 加強窯體保溫減少熱量散失，降低電加熱器的使用量

退火窯保溫性能，不僅關(guān)系到玻璃的退火質(zhì)量，也是關(guān)系到退火窯節(jié)能與否的重要因素。如果退火窯保溫性能不好，生產(chǎn)中需要投入大量電加熱來維持玻璃的橫向溫差和溫降速度，大幅增加退火窯的能耗。特別是拉引量較低的汽車玻璃、電子玻璃等生產(chǎn)線更為明顯。大量熱量從窯體散出，勢必減少了風(fēng)系統(tǒng)帶走的熱量，降低了可利用余熱資源量。

通過ansys建模分析研究和現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，退火窯熱量散失主要來自于側(cè)墻及側(cè)墻上的塞孔、塞子等熱橋。可以在以下幾方面優(yōu)化設(shè)計，提升窯體保溫性能。

1)選擇合適的保溫材料，提高窯體保溫的施工質(zhì)量：目前退火窯使用的保溫棉主要有陶瓷纖維和巖棉，陶瓷纖維毯比巖棉耐溫高，但導(dǎo)熱系數(shù)比巖棉大，可以在兼顧壽命和保溫效果的前提下，選擇綜合保溫方案。近年來隨著納米微孔保溫技術(shù)的發(fā)展，以納米板為代表的超低絕熱材料大量應(yīng)用，未來在退火窯的內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層納米保溫板，再鋪其它保溫材料，也是一種可選方案，但目前由于納米板價格昂貴，限制了其在玻璃退火行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。

2)保溫棉填充工藝的改進：窯體設(shè)計應(yīng)盡可能利于保溫棉的填充，特別要方便窯體上部側(cè)墻的填棉。保溫棉填充應(yīng)均勻、密實，不得有空隙。

3)降低側(cè)墻塞孔尺寸，減少散熱面積：采用熱橋阻斷技術(shù)，減少塞體的直接散熱；采用柔性端面密封技術(shù)，增加塞子的密封性能，減少塞孔處的熱空氣的泄露。

4 結(jié) 論

退火窯節(jié)能設(shè)計不但降低了企業(yè)排放，而且為企業(yè)帶來了客觀的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了節(jié)能減排和經(jīng)濟效益的雙贏。在保證退火質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)更低的能耗目標，是每個玻璃技術(shù)人員的目標也是責(zé)任，期待能夠出現(xiàn)更多的節(jié)能技術(shù)，推動玻璃行業(yè)向低能耗、低排放的綠色產(chǎn)業(yè)目標發(fā)展。