賈中兆

（中國建材國際工程集團(tuán)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(jīng)濟(jì)性的要求也愈來愈高，同時建設(shè)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(yùn)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(shí)際生產(chǎn)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(diǎn)后面的玻璃液，以維持熔化池里玻璃液的溫度，加熱燃燒產(chǎn)物（即煙氣），另窯爐用的耐材具有導(dǎo)熱性，由于傳熱作用導(dǎo)致了部分熱量不可避免地被損耗掉。窯爐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其他幾個條件相互疊加造成窯爐散熱計(jì)算起來繁雜和困難，得出的結(jié)果也與實(shí)際有較大的偏差，為了簡化熱耗的計(jì)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(shè)6對小爐，根據(jù)生產(chǎn)情況，將熱點(diǎn)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(shí)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(dǎo)致泡沫區(qū)有較低的熱導(dǎo)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(fèi)，在生產(chǎn)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(jì)算熱耗時仍需要考慮進(jìn)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(shí)現(xiàn)的。泡界線后面的熱點(diǎn)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(chǎn)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(chǎn)流之間相互作用，在熱點(diǎn)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(chǎn)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(jì)算時只考慮燃料燃燒釋放的熱量。

1 計(jì)算前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

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

表1 天然氣組份［1］

在正常生產(chǎn)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(zhuǎn)為燃料的分配。

窯爐布置6對小爐，其中末對小爐在生產(chǎn)中處于關(guān)停狀態(tài)，燃料在一側(cè)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(jì)算的方法［2］，得出Q配＝2849.3 kJ/kgmolten，玻璃產(chǎn)量Mmolten＝25 t/h，對應(yīng)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(xiàn)可供參考，在本文計(jì)算中可以暫不計(jì)。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(jì)算

以天然氣為能源在玻璃熔窯內(nèi)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(shí)際燃燒溫度。當(dāng)燃料在燃燒反應(yīng)時所放出的全部熱量都用于加熱燃燒產(chǎn)物時，能夠達(dá)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(yùn)行時熱量輸入和輸出情況，用圖1表示。

圖1 窯爐運(yùn)行時的熱量輸入和輸出

2.2 計(jì)算燃燒時空氣消耗量和煙氣的生成量

2.3 計(jì)算從L吊墻到泡界線的熱耗

2.4 計(jì)算從泡界線到末對小爐的熱耗

3 結(jié)論

通過上述計(jì)算結(jié)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(shí)為熱量損失造成的溫降。在實(shí)際生產(chǎn)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(jì)算進(jìn)去，最終燃燒Tg'溫度要高于本文計(jì)算的溫度，另在計(jì)算火焰對配合料傳熱時，很多文獻(xiàn)均采用的是實(shí)際燃燒溫度Tg實(shí)，得出的結(jié)論會產(chǎn)生較大的誤差，所以將Tg'單獨(dú)列出進(jìn)行了計(jì)算。

在以上的計(jì)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(yù)熱熱量，若去掉空氣預(yù)熱部分，單耗會達(dá)到11287.45 kJ，熱耗會大幅度提升。計(jì)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(jié)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(shí)際生產(chǎn)中，Q損可能會達(dá)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(chǎn)中可以考慮適當(dāng)?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(shè)計(jì)窯爐時可以考慮適當(dāng)?shù)亟档腿刍厣疃鹊?，以降低能耗。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(shè)置臺階結(jié)構(gòu)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。