玻璃窑炉的现状及发展

张红哲

（河南省瑞泰科实业集团有限公司 新密 452370）

玻璃窑炉即玻璃熔窑，是指生产玻璃或玻璃制品时使用的高温窑炉，用于熔制玻璃配合料的热工设备。我国现行标准JC/T 2423—2017《玻璃熔窑余热发电设计规范》对玻璃熔窑的定义：熔制玻璃的热工设备，由钢结构和耐火材料砌筑而成。

玻璃窑炉在玻璃制造中至关重要，在熔化原材料、控制玻璃成分、确保生产一致性、提高安全性和提高能源效率方面发挥着至关重要的作用。

1 全球玻璃窑炉的基本情况

据统计，截至2023年年底，全球规模以上玻璃窑炉2261座，分布在94个国家（或地区）的1149家公司，熔化量61.47万t/d。其中平板玻璃窑炉607座，熔化量32.40万t/d，平均单窑熔化量533.8 t/d；玻璃容器窑炉1231座，熔化量27.14万t/d，平均单窑熔化量220.5 t/d；玻璃餐具窑炉423座，熔化量1.93万t/d，平均单窑熔化量45.7 t/d，见表1。

表1 全球玻璃窑炉分布情况

2 玻璃窑炉的发展历程

早期的玻璃窑炉多采用以石头和黏土为主要材料的坩埚窑。这些窑炉通常为圆形或方形，顶部有一个出气孔，用于排除窑炉内的烟尘和废气。燃料主要使用木材。

在中世纪，玻璃窑炉的设计和技术引入了化学反应炉，即将燃烧炉与玻璃制造炉相结合。这种窑炉可以通过控制燃烧过程中的氧气供应，使得玻璃原料在不同的化学环境下熔化，从而实现对玻璃质量和颜色的控制。这个时期玻璃窑炉采用间歇式操作，即在熔化和成形过程之间有一定的停顿时间。这种操作方式可以使玻璃原料充分熔化，并排除其中的气泡和杂质。同时，窑炉的结构也得到了改进，采用了更耐高温的材料，如石灰石和石英砂。

到第十八王朝（公元前1550年—公元前1292年），埃及人开始使用隔间炉烧制陶器釉料，并制作早期玻璃制品来模仿绿松石等宝石。所谓隔间炉是使用通风室，使物品能够在燃烧时与燃料源完全分开。这种窑炉是垂直建造的，底部有一个明火，可以通过点燃来调节温度。

1615年英皇下令禁用木柴为燃料，开始使用煤代替木柴。17世纪初，英国玻璃工厂使用煤燃料的坩埚窑已很普遍，不仅保护了森林，而且窑炉温度升高，玻璃熔化情况改善，玻璃质量提高，成本降低。之后，煤在很长时间内成为玻璃制造的主要燃料。

1856年德国的弗雷德里克·西门子兄弟设计了一种蓄热式加热方法，首先将其应用于炼钢的平炉；1861年，威廉·西门子发明工业窑炉用的煤气发生炉，用煤气代替煤作燃料；1864年，弗雷德里克·西门子将用于炼钢平炉的蓄热式加热法移植用于玻璃生产；1867年弗雷德里克·西门子又在上述技术上发明了连续式的蓄热式玻璃池窑，并于1873年在比利时获得成功，成功制造出高质量的大块平板玻璃。目前，西门子式玻璃窑炉仍是各类连续式玻璃池窑的基本形式。

3 玻璃窑炉分类

按玻璃窑炉结构分类，大致可分为两种类型，即罐式玻璃窑炉和槽式玻璃窑炉。

3.1 罐式玻璃窑炉

罐式玻璃窑炉即坩埚窑，是由耐火材料建造的结构，其中炉子和玻璃之间没有接触。玻璃在若干个由耐火材料制成的坩埚内熔化，耐火材料在高温下能抵抗玻璃的侵蚀。坩埚窑中玻璃熔制的熔化、澄清、均化、冷却等各阶段在同一坩埚中随时间推移依次进行，窑内温度制度随时间推移变动。成形时，人工从坩埚口取料，再进行吹制、压制、拉引、浇注等，也可以坩埚底供料，或将整坩埚移出取料。坩埚材质以黏土居多，也有用铂的。形状有开口和横口（闭口）两种。开口坩埚的坩埚口朝向窑膛，能直接得到窑墙及热源辐射和传递的热能；横口坩埚的坩埚口朝向窑外，通过坩埚壁间接获取热量，能避免窑内气氛对玻璃液的影响和污染。

玻璃混合料会在数小时内熔化，并以24 h或18 h为一个周期进行工作。一个坩埚可容纳600～700 kg的玻璃。罐式玻璃窑炉用于如光学玻璃等小批量玻璃制品的生产。其主要优点之一是可以同时熔化多种类型的玻璃，一个熔炉可进行约30次熔化循环，从而生产18～21 t玻璃。可利用窑炉废热来预热燃烧空气，热交换是可连续的，也可用电力作为燃料来熔化玻璃。

3.2 槽式玻璃窑炉

槽式玻璃窑炉，又称池炉或池窑，主要用于连续性的玻璃生产，它们使用燃料更加经济，主要用于玻璃容器、平板玻璃、玻璃灯泡、玻璃管材和家用玻璃餐具等大规模生产。

根据废气余热回收方式可分为单元玻璃窑炉、换热式玻璃窑炉、蓄热式玻璃窑炉等。

3.2.1 单元玻璃窑炉

单元玻璃窑炉是指没有任何热回收装置的燃料玻璃熔化炉，通常特指空气助燃窑炉。一般来说，空气助燃单元玻璃窑炉尺寸相对较小，由2～16个燃烧器燃烧，窑炉的熔化能力范围一般不大于50 t/d。常用于玻璃熔块、餐具、眼镜玻璃、玻璃纤维及含有高挥发性和腐蚀性成分的特种玻璃生产。

目前，具有较强节能减排效果的全氧/燃料玻璃窑炉，大多数没有热回收系统，因此在技术上应属单元玻璃窑炉。

3.2.2 换热式玻璃窑炉

换热式玻璃窑炉是配备换热器的单元式熔化器。通常，同流换热器是金属管壳式热交换器，可将燃烧空气预热至540～760 ℃。该炉由4～20个单独的燃烧器燃烧，其熔化能力较适宜为18～250 t/d。常用于玻璃纤维生产，也可用于玻璃熔块生产，较少用于玻璃容器生产。

换热式玻璃窑炉也适用于补充氧气/燃料技术或预混合富氧技术。在补充氧气/燃料技术中，空气/燃料燃烧器被简单地替换为氧气/燃料燃烧器。当应用预混合时，氧气注入空气的管道应在同流换热器的下方。

3.2.3 蓄热式玻璃窑炉

在蓄热式玻璃窑炉中，用于燃烧的空气通过方格砖蓄热室的热蓄热方格砖进行预热，加热后的空气进入窑炉的入口，通过使用一个或多个燃烧器，燃料在端口开口处喷射，与空气混合，并在玻璃表面燃烧。燃烧产物通过非点火口排出炉外，并通过另外的蓄热室对其进行蓄热。15～30 min后，进行一次换向操作。

目前，蓄热式玻璃窑炉是玻璃工业的主流窑炉。大多数平板玻璃和容器玻璃的生产都使用这种窑炉，玻璃餐具、玻璃照明产品、硅酸钠（水玻璃）等较有规模的玻璃产品生产也都使用这种窑炉，主要分为两种：

（1）马蹄焰玻璃窑炉

马蹄焰玻璃窑炉，通常用于熔化能力＜300 t/d的玻璃生产。其端口位于玻璃窑炉后壁一端，火焰呈马蹄形（U形），投料口位于靠近窑炉后壁的窑炉一侧或两侧，常用于生产容器玻璃，也用于生产餐具和硅酸钠。

（2）横火焰玻璃窑炉

横火焰玻璃窑炉，其端口位于玻璃窑炉侧壁上，火焰呈横火焰，投料口在窑炉的后壁。侧端口蓄热式玻璃窑炉的熔化能力不断增大，现在最大的窑炉熔化能力为1450 t/d。这种玻璃窑炉通常用于平板玻璃和容器玻璃生产，也可用于餐具和硅酸钠的生产

4 玻璃窑炉的发展趋势

目前，玻璃窑炉不断发展并融入新技术，先进的控制系统、计算机建模和自动化进一步提高了玻璃生产的效率和精度。随着全球及我国双碳战略的不断深化，玻璃窑炉发展重点将转向开发节能减排降碳的环保型窑炉设计，以减少能源消耗、污染物及碳排放。

国家发展和改革委员会2023年第7号令《产业结构调整指导目录（2024 年本）》建材鼓励类中指出“大型玻璃熔窑大功率玻璃-电复合熔化技术，玻璃熔窑用全氧/富氧燃烧技术，玻璃熔窑利用绿色氢能成套技术及装备，一窑多线平板玻璃生产技术与装备，玻璃熔窑用低导热熔铸锆刚玉、长寿命（12 年及以上）无铬碱性高档耐火材料”等，明确了玻璃窑炉的发展方向。

4.1 大型玻璃熔窑大功率玻璃-电复合熔化技术

2022年2月国家发展改革委等四部门发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》（发改产业〔2022〕200号）将“大型玻璃熔窑大功率‘火-电’复合熔化技术”列入其中。“火-电”复合熔化技术就是燃料通过火焰熔化和电熔化相结合的一种熔化方式，以电熔化为主，火焰熔化为辅，这与目前的电辅助熔化技术有着本质的不同。

欧洲容器玻璃联合会（FEVE）主导的“未来熔炉”项目，将在大型工业混合富氧燃烧玻璃熔炉中进行电熔改造，即使用80%可再生电力运行，该项目获得欧洲19家容器玻璃公司的技术和财政支持并签署了具有约束力的协议，合计占欧洲容器玻璃产量的90%以上。

4.2 玻璃熔窑用全氧/富氧燃烧技术

玻璃熔窑用全氧/富氧燃烧技术具有很多优点：提高燃烧效率，减少燃料的消耗，从而降低生产成本，减少二氧化碳排放；提高燃烧温度，加快燃烧反应速度，提高生产效率；减少燃烧后的烟气量，从而减少污染物排放，尤其是减少NOX排放；降低过量空气系数，减少能源浪费，提高能源利用率；使熔融玻璃液黏度降低，火焰稳定，无换向，燃烧气体在窑内停留时间长，窑内压力稳定，有利于玻璃的熔化、澄清，减少玻璃的气泡及条纹，改善玻璃产品质量等。

玻璃熔窑用全氧/富氧燃烧技术在我国大型玻璃窑炉上已有成功案例，但由于受到耐火材料、燃烧技术以及资金、场地等因素影响，普及率还有待提高。

4.3 玻璃熔窑利用绿色氢能成套技术及装备

2021年12月24日，中国建筑材料联合会举办新闻发布会，公布了首批全国建材行业重大科技攻关“揭榜挂帅”项目揭榜单位。其中“玻璃熔窑利用氢能成套技术及装备”项目，由秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司（牵头单位）、武汉理工大学、中国新型建材设计研究院有限公司、山东金晶科技股份有限公司、贞丰县贵耀材料科技有限公司组成研发团队揭榜。目前，该项目在燃烧装置以及氢气掺入比例等运行参数取得突破。

玻璃熔窑对绿色氢能的利用也是全球普遍关注和研究的课题。世界主要玻璃生产商通过进行掺氢等一系列试验，积极进行氢能在玻璃生产中的应用工作。

5 结语

玻璃窑炉是玻璃制造的重要组成部分。窑炉技术的进步有助于提高玻璃生产效率，优化玻璃品质，降低能耗、节约成本，推动玻璃行业可持续发展。为提高玻璃工艺技术整体水平、满足市场需求、推动科技进步，应重视窑炉技术的研发与改进。