计算平板玻璃窑炉在运行时的热耗情况

贾中兆

（中国建材国际工程集团有限公司 南京 210018）

0 引言

玻璃行业竞争不断加剧，对熔窑经济性的要求也愈来愈高，同时建设环境友好型、资源节约型社会又要求对环境污染以及能源消耗越少越好，在此背景下，对玻璃窑炉运行的能耗研究显得越来越重要。我国的大型平板玻璃窑炉多以天然气、重油和发生炉煤气为燃料，少数以石油焦粉作为燃料，本文以天然气为燃料。

在实际生产中，燃料燃烧释放的热量用于以下几个部分：加热配合料熔化形成玻璃液，加热热点后面的玻璃液，以维持熔化池里玻璃液的温度，加热燃烧产物（即烟气），另窑炉用的耐材具有导热性，由于传热作用导致了部分热量不可避免地被损耗掉。窑炉结构的复杂性和其他几个条件相互叠加造成窑炉散热计算起来繁杂和困难，得出的结果也与实际有较大的偏差，为了简化热耗的计算，根据燃烧平衡公式，算出各部分热量的使用情况。

本文以600 t/d玻璃窑炉为例，设6对小炉，根据生产情况，将热点定在4#小炉中心线附近，泡界线在4#小炉前，以泡界线为分界线，将窑炉的熔化区域分成两段，前半段是从L吊墙到泡界线为配合料的加热、熔化和玻璃液气泡的排出阶段即料堆区和泡沫区，温度为50～1450 ℃，长L＝15 m，主要是通过1#～ 3#小炉燃烧加热来实现的，还有部分热量是来自配合料下面的玻璃液。泡沫区宽度一般为一个小炉的宽度，为气泡排出阶段，因大气泡的存在，导致泡沫区有较低的热导率和较高的反射率，加大该处的燃料燃烧量，势必造成燃料的浪费，在生产中此处一般会投入相对较少的燃料以维持泡沫区上方窑炉空间的温度，该部分作为燃料消耗的一部分，计算热耗时仍需要考虑进去。

后半段是从泡界线到末对小炉中心线后1 m处包 含4#～ 6#小炉，长L1＝10 m，将热玻 璃 液从1450 ℃加热到1590 ℃，主要是通过4#～ 5#小炉燃烧来实现的。泡界线后面的热点区域在4#小炉中心线附近，其作用是给生成的玻璃液加热，让玻璃液产生体积膨胀，促使部分玻璃液从泡沫区和料堆区下方流向窑头，与上层流向相反的生产流之间相互作用，在热点前面形成稳定的泡界线，4#和 5#小炉的燃烧也为整个熔化池里的玻璃液提供热量，以维持整个熔化池玻璃液的温度。澄清区域的下层玻璃液热量也有部分来自上层生产流的玻璃液，但最终还是来自于燃料燃烧释放出的热量，在计算时只考虑燃料燃烧释放的热量。

1 计算前的数据准备

在生产中，配合料里的碎玻璃含率设为15%，水分为5%。以天然气为燃料，热值Qnet＝32635.2 kJ/m3，预热后的空气温度约为1400 ℃，燃料在每个小炉配比不一样，产生的烟气温度也不一样，为了便于计算，本文将烟气温度统一设定为1600 ℃。天然气组份见表1。

表1 天然气组份［1］

在正常生产时单耗约为6694.4 kJ/kg玻璃，每天消耗的天然气为123077 m3，在不考虑燃烧气氛的情况下，热量在每对小炉的分配转为燃料的分配。

窑炉布置6对小炉，其中末对小炉在生产中处于关停状态，燃料在一侧各小炉的配比见表2。

加热、熔化配合料生成平板玻璃的单耗，根据马特维耶夫平板计算的方法［2］，得出Q配＝2849.3 kJ/kgmolten，玻璃产量Mmolten＝25 t/h，对应的热耗Q配·Mmolten＝71232600 kJ/h，每小时消耗的天然气Vfuel＝5128.21 m3。

根据燃料在各小炉的配比，泡界线前面1#～3#小炉每小时消耗的天然气为Vf＝Vfuel×（21＋25＋12）/100 ＝2974.36 m3，配合料来自下层玻璃液的热量，目前没有具体文献可供参考，在本文计算中可以暂不计。泡界线到末对小炉后1 m处，每小时 消 耗 的 天 然 气 为Vf1＝Vfuel×（23＋19）/100＝2153.85 m3。

2 计算

以天然气为能源在玻璃熔窑内的温度取决于燃料的燃烧温度，燃料的燃烧温度分为理论燃烧温度和实际燃烧温度。当燃料在燃烧反应时所放出的全部热量都用于加热燃烧产物时，能够达到的温度称为燃料的理论燃烧温度。燃料的理论燃烧温度是从能量守衡定律得出的。

2.1 燃烧公式

窑炉运行时热量输入和输出情况，用图1表示。

图1 窑炉运行时的热量输入和输出

2.2 计算燃烧时空气消耗量和烟气的生成量

2.3 计算从L吊墙到泡界线的热耗

2.4 计算从泡界线到末对小炉的热耗

3 结论

通过上述计算结果可以看出，理论燃烧温度Tg理近 似于2788 ℃，减去Q配 后的温度Tg'＝1656.04℃，Tg'－Tg实为热量损失造成的温降。在实际生产中配合料会从下方的玻璃液中获取热量，若将该部分热量计算进去，最终燃烧Tg'温度要高于本文计算的温度，另在计算火焰对配合料传热时，很多文献均采用的是实际燃烧温度Tg实，得出的结论会产生较大的误差，所以将Tg'单独列出进行了计算。

在以上的计算中只考虑了窑炉空间的散热情况，熔化池对周边的散热量未考虑。本文中生成每千克玻璃液的单耗6694.4 kJ，其中是包含了空气预热热量，若去掉空气预热部分，单耗会达到11287.45 kJ，热耗会大幅度提升。计算L吊墙到泡界线这块区域时，只考虑了配合料上面燃烧的热量，若结合配合料下层玻璃液热量，因该部分总热量保持不变，用于加热配合料部分的热耗会降低，降低的部分归属到Q损里面，因而在实际生产中，Q损可能会达到Q总的10%左右，甚至更多。

燃烧时加热烟气热耗已超过总热耗的一半，成为主要耗热部分，在生产中可以考虑适当地降低燃烧时烟气温度或者控制好空气过剩系数减少烟气生成量，以起到节能效果。维持熔化池里的玻璃液温度也需要一定的热量，玻璃液越多则需要的热量也就越多，设计窑炉时可以考虑适当地降低熔化池深度等，以降低能耗。熔化配合料形成玻璃液的部分热量来自下层玻璃液，可以通过温度控制，窑底设置台阶结构等方式，增加玻璃液向窑头回流，给配合料提供更多的热量，以起到降低能耗作用。